Пространство-время
Стив Гиддингс
Всегда считалось, что явления, которые описывает физика, разворачиваются на сцене пространства и времени. Специальная теория относительности объединила эти категории в единый пространственно-временной континуум, а общая теория относительности учит, что это пространство-время искривляется и растягивается, не утрачивая своей фундаментальной роли. Однако необходимость дать квантово-механическое описание реальности ставит под вопрос саму идею фундаментальности пространства и времени.
В частности, мы столкнулись с проблемой согласования принципов квантовой механики и теории гравитации. Сначала физики думали, что такое соединение приведет к появлению очень сильных флюктуаций пространства-времени, вплоть до полной утраты им какого-либо смысла, хоти и на очень малых расстояниях. Но попытки согласовать квантовую механику с теорией относительности вызвали и более основательные сомнения в фундаментальной роли пространства-времени. Эта проблема выходит на первый план, когда мы изучаем черные дыры и эволюцию вселенной. Структура пространства-времени также кажется проблематичной на очень больших расстояниях.
Квантовая механика выступает как неотъемлемый элемент физики и удивительным образом не поддается модификации. Если квантовые принципы управляют природой, то кажется вероятным, что пространство-время вырастает из более фундаментальных квантовых структур – и его возникновение, вероятно, можно грубо сравнить с возникновением поведения жидкости из взаимодействия атомов.
Проблема фундаментальности пространства-времени встает еще острее, если рассматривать ее в перспективе новых направлений науки. Среди них сто́ит особо отметить физику черных дыр: выясняется, что, если их эволюция учитывает квантовые принципы, она должна нарушать классический постулат пространства-времени, согласно которому информация не может распространяться быстрее скорости света. В стандартной картине пространства-времени что-то явно не сходится. Свидетельства этому множатся, когда мы рассматриваем крупномасштабную структуру Вселенной с учетом квантовых принципов и присутствия темной энергии. Здесь пространство-время тоже должно испытывать сильные квантовые флюктуации на очень больших расстояниях и из-за этого терять смысл. Дополнительные сложности возникают при попытках построить математическую теорию флюктуирующего пространства-времени.
Необходимость отправить в отставку классическую идею пространства-времени в качестве фундаментального понятия очевидна и основательна – и явного преемника для нее пока не видно. Есть различные способы интерпретировать тот факт, что законы природы в конечном счете оказываются квантовыми. Некоторые из них выглядят перспективными, но ни один пока не смог разрешить загадок, над которыми мы бьемся десятки лет, – загадок черных дыр и космологии. Появление такого преемника может стать ключевым элементом следующей крупной революции в физике.