5. Нелокальность и объединение физики
Когда Стив Гиддингс собрался в 2003 г. покорять вершину Денали, он, естественно, выбрал один из самых сложных маршрутов — Кассин Ридж. Этот маршрут проходит через зону лавин и ледниковых расселин, которая носит название Долина смерти. Спасатели с трудом спускают вниз погибших там альпинистов, иногда они даже не могут найти тела. Маршрут Кассин Ридж — комплексный тест альпинистского мастерства: техники скало- и ледолазания, преодоления расселин, выживания в арктических условиях и, не в последнюю очередь, выдержки. Гиддингс тренировался в горах в окрестностях Санта-Барбары, где он многократно взбирался на крутые склоны и спускался в ущелья с рюкзаком весом более 20 кг. Подъем на Денали начался хорошо, но напарник Гиддингса очень сильно стер ноги. А когда они добрались до верхнего базового лагеря на высоте 4000 м, их накрыла буря, и подъем пришлось прекратить. Даже обычный маршрут был закрыт. «Мы видели, как группы альпинистов, почти достигших следующего лагеря на высоте 5000 м, поворачивали назад под натиском непогоды», — вспоминает Гиддингс.
Работа Гиддингса в сфере исследования черных дыр — своего рода интеллектуальный эквивалент восхождения на Денали. Эти загадочные космические объекты служат комплексным тестом для современной физики. Из-за чудовищной силы притяжения их анализ требует применения уравнений теории гравитации, а именно общей теории относительности Эйнштейна. А поскольку там также сильны квантовые эффекты, необходимо учитывать и квантовую теорию. Так что обойтись какой-то одной теорией и таким образом облегчить работу не удастся. Но если вы применяете обе эти теории к черным дырам, то они не стыкуются. Чтобы выйти из теоретического тупика, Гиддингс в начале 1990-х гг. выдвинул предположение о том, что в этих объектах действует нелокальный механизм.
Эта идея вызвала бурю. В физике, как и в альпинизме, трудно определить, когда нужно энергично продолжать, а когда повернуть назад, — упрямство вознаграждается в этой области, но до определенного уровня. Гиддингс решил переключиться на другие проблемы. «Возможно, ученое сообщество было еще не готово к этому», — говорит он. Большинство его коллег, отказываясь от локальности, не увязывали две теории настолько, чтобы покончить с проблемой. Эйнштейн и другие создатели теорий занимались этим с явной целью исключить нелокальность из физики. Ньютоновское тяготение действовало на расстоянии словно по волшебству, а общая теория относительностиразломила волшебную палочку на две части. Таким же образом квантовая механика в своей первоначальной инкарнации описывала, как частицы реагируют на силы, но умалчивала о том, как передаются эти силы. Иными словами, она неявно предполагала, что силы перепрыгивают через пространство. Физикам пришлось создать ее новую версию, получившую название квантовой теорииполя, чтобы ввести механизм распространения. До сих пор они представляют общую теорию относительности и квантовую теорию поля студентам и публике как лучший пример локальности.
Вместе с тем физические теории, как и горы, обладают сверхъестественной способностью преподносить неожиданности. При создании любой теории физики объединяют идеи, возникающие вследствие экспериментов и интуитивных прозрений. Результат неизменно выходит за пределы изначального контекста. Генрих Герц, внесший значительный вклад в создание теории электромагнетизма в XIX в., заметил: «Невозможно изучать эту удивительную теорию без ощущения, что математические уравнения живут самостоятельной жизнью и обладают собственной логикой, что они умнее нас и даже своего разработчика, что они говорят больше, чем он вложил в них». То же самое происходило и столетие спустя с общей теорией относительности и квантовой теорией поля. Независимо от намерений создателей эти теории открылись другой стороной, когда физики стали применять их. Действие сил природы оказалось пронизанным эффектами нелокальности.
Эта глава посвящена примерам нелокальности, которые отличаются от тех, что страшили Эйнштейна в свое время. Они показывают, что локальность, наблюдаемая нами в повседневной жизни, не обязательно характерна для реальной сущности вещей. Хотя силы действуют локально — их влияние распространяется в пространстве с ограниченной скоростью, — эта локальность, похоже, не лежит в основе структуры мира. В нем нет отдельных объектов, которые сообщают и воспринимают эти силы, мир нельзя разделить на независимые пространственные части. А раз так, то пространство не должно быть истинным предметом физики.
Потребовались десятилетия, чтобы большинство физиков переварили эти особенности теорий. Перелом наступил в 1990-х гг. В то время теоретики, работавшие над объединением физики, были разделены на два лагеря, которые пришли к сходным заключениям относительно нелокальности. Сторонники подхода, известного как петлевая квантовая гравитация, утверждали, что силовые поля — это большой клубок, который связывает удаленные части пространства друг с другом. Что касается конкурирующего подхода, теории струн, то он настолько отошел от первоначальной идеи — представления элементарных частиц в виде вибрирующих нитей или спиралей энергии, — что физики стали именовать его не иначе как «теорией, ранее известной как теория струн». Сторонник теории струн Хуан Малдасена, раньше представлявший Гарвард, а теперь работающий в Институте перспективных исследований, предложил концепцию, известную как «AdS/CFT-соответствие», согласно которой кажущиеся удаленными участки на деле могут располагаться один над другим. То, что кажется расстоянием в пространстве, в реальности представляет собой различие в энергии.
Дон Маролф, коллега Гиддингса по Калифорнийскому университету в Санта-Барбаре и один из немногих вхожих в клубы сторонников и теории петлевой квантовой гравитации, и теории струн, рассказывает, как нелокальность выплыла из небытия: «В конце 1980-х — начале 1990-х гг. дискуссия заметно активизировалась в результате рождения и становления теории петлевой квантовой гравитации, которая сделала вопрос более актуальным для растущего сообщества. Затем в 1997 г. Малдасена обнаружил AdS/CFT, и это вызвало большой интерес у значительно более широкого сообщества».
В результате, когда Гиддингс в 2001 г. вновь вернулся к теме нелокальности в черных дырах, к нему отнеслись совершенно не так, как раньше. Нелокальность больше не казалась чем-то бредовым. Более того, она теперь воспринималась теоретиками как нечто совершенно естественное. Если уж в квантовой теории поля и в теории гравитации присутствовала нелокальность, то существование определенного нелокального механизма в черных дырах выглядело вполне правдоподобно. Получив поддержку в сфере профессиональных интересов, Гиддингс два года спустя решился на восхождение на вершину Денали. В течение 10 дней он с напарником пережидал непогоду в базовом лагере. Когда небо наконец прояснилось, Гиддингс с еще одной группой альпинистов успешно достиг вершины. «Самой потрясающей частью этого предприятия был спуск на лыжах по леднику Кахилтна следующим вечером в характерных для Аляски сумерках, когда соседние пики Аляскинского хребта отбрасывали на лед тени, чередующиеся с пятнами света, — говорит он. — Я никогда не забуду красоту того момента».
