Глава 7. Петлевая квантовая гравитация

Быть может, все эти мысли о струнах более подойдут математическим факультетам или даже богословским школам, чем факультетам физики? Сколько ангелов может танцевать на булавочной головке? Сколько измерений в компактифицируемом многообразии, которое в 1030 раз меньше булавочной головки?

Ш. Л. Глэшоу.

Очарование физики

В конце прошлого столетия независимо был заложен фундамент двух наиболее популярных конкурирующих направлений в объединительной теории квантовой гравитации – петлевой квантовой гравитации (ПКГ) и теории струн. Для построения ПКГ важную роль сыграли новые оригинальные формы математического языка для описания пространства-времени. В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство предстает состоящим из мельчайших единиц в виде дискретных петлеобразных элементов. Вообще говоря, на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности.

В данной ситуации казалось, что моделям ПКГ и М-теории суждено остаться чисто умозрительными построениями. До этого физики-теоретики много раз пытались создать основы квантовой версии релятивистской гравитации, опираясь на то, что уравнения теории Эйнштейна предсказывают существование гравитационных волн и переносчиков сил тяготения – гравитонов. При этом теория говорила, что гравитоны должны обладать нулевой массой и двойным спином. И вот появились научные работы, в которых таинственная безмассовая частица струнной модели и сопоставлялась с гравитоном!

Один из ведущих американских разработчиков ПКГ Ли Смолин рассказывает в статье «Атомы пространства и времени», что, согласно данной теории, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, т. е. объем изменяется отдельными порциями. Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины.

Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка очень мала: 10–33 см; она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, или 10–66 см². Наименьший возможный объем, отличный от нуля, – куб длины Планка, или 10–99 см³. Таким образом, согласно теории в каждом кубическом сантиметре пространства содержится приблизительно 1099 атомов объема. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).

Надо заметить, что в квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых «виртуальных» частиц и неисчерпаемым океаном энергии. В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные микрочастицы оказываются как бы в облаке бесчисленного количества виртуальных частиц. Классические частицы не могут порождать и поглощать другие, поскольку это могло бы нарушить законы сохранения энергии или импульса.

Сегодня многие физики-теоретики считают, что теория струн – это математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения и ее основная задача – объединить все фундаментальные взаимодействия в Теории Всего.

На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени, призванные разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и вполне возможно, что для ее осуществления потребуется еще одна революция в наших представлениях о структуре физической реальности.

Несмотря на прогнозы о близости окончательной победы над тайнами строения фундамента мироздания, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран – это даже не проверка их реальности, а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг островов, то теперь они слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «Теория Всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Скорее всего, тут речь может идти лишь о сверхмикроскопической области пространства-времени, где, по словам «суперструнного» теоретика Брайана Грина, уже видно, что неровности пространства становятся все более неистовыми.

На низшем уровне ткань пространства предстает в масштабе меньше планковской длины – миллионной миллиардной миллиардной миллиардной доли (10–33) сантиметра и становится кипящим котлом бурлящих флуктуаций. Обычные понятия пространственных измерений и направлений здесь так перепутаны ультрамикроскопической суетой, что теряют всякий смысл. Даже обычные понятия «до» и «после» делаются бессмысленными квантовыми флуктуациями на временных масштабах короче планковского времени, около десяти миллионных триллионных триллионных триллионных доли (10–44) секунды. Подобно размытой фотографии, неистовые колебания делают невозможным однозначно отделить один временной срез от другого, когда интервал времени между ними становится короче планковского времени. Итог таков: на масштабах короче, чем планковские расстояние и продолжительность, квантовая неопределенность делает ткань космоса настолько перекрученной и искаженной, что обычные концепции пространства и времени неприменимы.

Как на квантовых масштабах объединить все известные частицы и силы – один из главных вопросов, стоящих перед современными физиками, и тут скорее всего надо ждать появления не одной сверхуниверсальной теории, а нескольких взаимодополняющих моделей. Никто еще уверенно не знает, по какому пути надо идти, большинство современных попыток великого объединения далеки от простоты. В этом случае философы науки справедливо утверждают, что если подход Евклида систематизировал и в конечном счете упрощал геометрию, то современные теории пространства-времени часто только все запутывают.