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.
Одна Вселенная
Аманда Гефтер
У физиков есть освященная временем традиция поднимать на смех наши самые важные интуитивные представления. Теория относительности Эйнштейна заставила нас отказаться от понятия абсолютного пространства и времени, а квантовая механика – чуть ли не от всех остальных понятий. И все же одна упрямая идея устояла: это идея Вселенной.
Разумеется, с годами наша картина Вселенной эволюционировала – ее история динамична, она расширяется с самого зарождения, и это расширение ускоряется. Нашу Вселенную даже низвели до всего лишь одной из множества ячеек Мультивселенной, состоящей из бесконечных вселенных, навеки разделенных горизонтами событий. Но мы всё еще цепляемся за веру в то, что мы, обитатели Млечного Пути, живем в едином пространстве-времени, нашем общем уголке космоса – в нашей Вселенной.
В последние годы, однако, идея единого и общего пространства-времени предложила физике новую головоломку – стремительно нарастающий информационный парадокс. Первый сигнал того, что что-то неладно, подал Стивен Хокинг в своей эпохальной работе 1970-х годов, в которой он показал, что черные дыры излучают и поэтому постепенно испаряются, исчезая из Вселенной и, предположительно, унося с собой какую-то квантовую информацию. А между тем квантовая механика исходит из того, что информация в принципе не может быть потеряна.
Возникает парадоксальное противоречие. Однажды упав в черную дыру, информация не может выбраться назад, если только ее скорость не выше скорости света, что противоречило бы теории относительности. Следовательно, единственный способ сохранить информацию – это показать прежде всего, что она никогда не падала в черную дыру.
С точки зрения ускоряющегося наблюдателя, который остается вне черной дыры, сделать это не так уж трудно. Находясь в этом положении, он видит, что, благодаря релятивистским эффектам, информация по мере приближения к черной дыре растягивается и замедляется, а потом испепеляется жаром излучения Хокинга, не успев пересечь горизонт.
Однако совсем другое дело – движущийся по инерции наблюдатель, который падает в черную дыру, проходит через горизонт и при этом не замечает никаких странных релятивистских эффектов хокинговской радиации – спасибо принципу эквивалентности Эйнштейна. Для этого наблюдателя информация спокойно проваливается в черную дыру – иначе у теории относительности возникнут проблемы. Иными словами, чтобы соблюсти все законы физики, нужно, чтобы всякий бит информации оставался вне черной дыры, пока его клон падает в черную дыру. Кстати, чуть не забыла кое-что напоследок: квантовая механика запрещает клонирование.
Стэнфордский физик Леонард Сасскинд в конечном счете разрешил информационный парадокс, настаивая на том, что мы должны ограничить свое описание мира либо частью пространства-времени по эту сторону от горизонта черной дыры, либо внутренностью черной дыры. Каждое описание внутренне непротиворечиво – законы физики окажутся нарушены только в том случае, если говорить сразу и о том, и о другом. Это явление стали называть обобщенной дополнительностью, и оно говорит нам, что внутренность черной дыры и ее окрестности – это не составные части единой Вселенной. Это две вселенные, но только совершенно разного рода.
С помощью обобщенного принципа дополнительности удавалось справляться с информационным парадоксом до 2012 года, когда физическое сообщество было потрясено новой, еще более мучительной головоломкой – так называемым парадоксом файрвола (firewall paradox). В этом случае два наших наблюдателя сталкиваются с противоречащими друг другу квантовыми описаниями одного и того же бита информации, но теперь противоречие возникает, когда оба наблюдателя находятся по одну сторону от горизонта, еще до того, как инерционный наблюдатель проваливается внутрь него. То есть когда они, вероятно, находятся в одной и той же Вселенной.
Физики начинают приходить к мысли, что наилучшим решением парадокса файрвола мог бы стать сильный принцип обобщенной дополнительности – то есть мы ограничили бы наши описания не только различными областями пространства-времени, разделенными горизонтами, но и системами отсчета индивидуальных наблюдателей, где бы те ни находились – как если бы у каждого наблюдателя была его или ее собственная Вселенная.
Первая формулировка принципа обобщенной дополнительности поставила под серьезное сомнение возможность существования Мультивселенной. Если вы нарушаете физические законы, описывая две области, разделенные горизонтом, то представьте, что случится, если вы начнете описывать бесконечное число областей, разделенных бесконечным числом горизонтов! Это значит, что сильный принцип обобщенной дополнительности подрывает уже возможность единой, общей для всех Вселенной. На первый взгляд может показаться, что она могла бы создать особый тип Мультивселенной, но это не так. Да, есть множество наблюдателей, и да, вселенная каждого из этих наблюдателей ничем не хуже других.
Но если вы хотите оставаться в рамках законов физики, то в каждом конкретном случае можно говорить только об одной Вселенной. Что в действительности означает, что в конкретный момент существует только одна Вселенная. Это космический солипсизм.
Отправить Вселенную в досрочную отставку – весьма радикальный жест, так что взамен хотелось бы получить что-нибудь интересное с точки зрения научного прогресса. Думаю, мы это получим. Например, прольется какой-то свет на обескураживающе низкую по мощности квадрупольную составляющую реликтового излучения, что указывает на отсутствие температурных колебаний в диапазоне более 60 градусов, ограничивая размер пространства в точности размером нашей наблюдаемой Вселенной – словно реальность внезапно остановилась на пределе возможностей наблюдения.
Что еще важнее, отказ от идеи Вселенной может улучшить наш концептуальный подход к квантовой механике. Квантовая механика не дается пониманию, поскольку она позволяет вещам парить в суперпозициях взаимоисключающих состояний: например, когда фотон проходит одновременно через одну щель и через другую щель или когда кот одновременно мертв и жив. Это бросает вызов всей нашей формальной логике, построенной на булевой алгебре высказываний. Эта логика – просто насмешка над законом исключенного третьего. Хуже того: когда мы действительно наблюдаем что-то, суперпозиция исчезает и перед нами чудесным образом разворачивается единая реальность.
Если отказаться от идеи Вселенной, все это начинает выглядеть чуть менее похожим на чудо. В конце концов, суперпозиции – это всего лишь наложения систем отсчета. В любой отдельной системе отсчета жизненно важные системы какого-либо животного точно определены. Кот может быть одновременно живым и мертвым, только если вы пытаетесь применить одновременно несколько систем отсчета, исходя из ложной предпосылки, что все они являются частями одной и той же Вселенной.
Наконец, отставка идеи Вселенной может дать нам некоторые полезные подсказки, в то время как физики продвигаются вперед в изучении квантовой гравитации. Например, если у каждого наблюдателя есть своя собственная вселенная, значит, у каждого наблюдателя есть свое собственное гильбертово пространство, свой собственный космический горизонт и своя собственная версия голографии. В этом случае от теории квантовой гравитации требуется, чтобы она дала нам набор согласованных условий, которые можно соотнести с тем, что различные наблюдатели могут экспериментально измерить.
Корректировать свои интуитивные догадки и приспосабливаться к странным истинам, открытым физикой, никогда не бывает легко. Но нам придется смириться с идеей, что есть моя вселенная и есть ваша вселенная – но нет такой вещи, как единая Вселенная.