Автор: ЧАРЛИ ВУД
https://www.quantamagazine.org/the-unraveling-of-space-time-20240925/
- Я совершенно уверен, что пространство-время является эмерджентным явлением. Оно довольно четко вытекает из взаимных требований квантовой механики и гравитации. — Шон Кэрролл, Университет Джона Хопкинса
- Если разобраться, пространство-время не является базовым слоем реальности. В качестве базовой линии используется что-то еще, приближенное к пространству-времени. Адам Браун, Стэнфордский университет
- Существует консенсус в отношении того, что это должно происходить постепенно. Просто мы не знаем, как это происходит. — Джозефин Су, KAIST в Южной Корее
Пару лет назад я беседовал о черных дырах с Дэном Харлоу из Массачусетского технологического института, и он как бы невзначай высказал замечание, которое произвело на меня глубокое впечатление. Я спросил, подтверждает ли какая-нибудь его новая работа то, что пространство-время “возникает”. Не теряя ни секунды, он ответил: “Конечно, если бы это нуждалось в усилении”.
Харлоу — не единственный физик, у которого есть серьезные сомнения относительно того, из чего состоит реальность. Вот уже более десяти лет Нима Аркани-Хамед из Института перспективных исследований читает блестящую лекцию, в которой утверждает, что пространство-время “обречено”. Снова и снова я слышал, как теоретики в области физики высоких энергий делают похожие заявления, и меня всегда поражала их уверенность. Мы не имеем ни малейшего представления о том, как будет выглядеть следующая физическая теория, будет ли она включать в себя струны, петли, треугольники или что-то совершенно новое, что никому и в голову не приходило предложить. И все же очень многие теоретики, похоже, убеждены, что, чем бы это ни было, оно не будет связано с пространством или временем.
Почему? Что означает это утверждение? На что было бы похоже изучение физики без учета пространства и времени? Я потратил большую часть этого года, пытаясь это выяснить. Результаты только что были опубликованы в сборнике “The Unraveling of Space-Time”, который включает статьи, видео и интерактивную анимацию от меня и моих коллег Марка Белана, Эмили Будер, Аманды Гефтер и Джозефа Хоулетта.
В ходе более чем 40 бесед с почти 30 физиками я узнал, что существует множество способов определения эмерджентного пространства-времени. Но на самом базовом уровне “эмерджентное пространство-время” означает, что пространство и время являются выходными данными теории, а не входными данными. Классическая аналогия — тепло. Чтобы объяснить, почему чайная чашка остывает, ученые 1700-х годов включили тепло в свою теорию мира как вещество, которое отталкивается само от себя и естественным образом распространяется. Но эта “теория калорийности” была в конечном счете заменена термодинамикой, теорией, в которой основным источником энергии являются молекулы, которые перемещаются с некоторым количеством энергии. Когда молекулы сталкиваются друг с другом, их энергия распространяется, и теперь мы понимаем, что этот процесс является источником теплопередачи. Тепло является результатом — предсказанием — термодинамики. Это возникающее явление.
Пространство-время — это важнейший фактор. Если физика в основном занимается предсказанием того, что происходит, где и когда, то вам нужен этап, на котором все может произойти. Альберт Эйнштейн стал известен благодаря открытию, что этот этап действует как ткань, которая изгибается так, как мы воспринимаем как гравитацию. Он с поразительными подробностями описал, как ведет себя пространство-время, подобно тому, как ученые 19-го века описывали поведение тепла в соответствии с теорией калорийности. Идея о том, что пространство-время является эмерджентным, — это идея о том, что пространство-время в конечном счете пройдет путь тепла, воды, воздуха и многих других веществ, предшествовавших ему; когда-нибудь мы поймем, что это неизбежное следствие поведения более простых объектов. Назовем их “атомами” пространства-времени.
Что там в этой серии
В серии статей этой недели с разных точек зрения исследуется захватывающее дух понятие эмерджентного пространства-времени. Конечно, у всего этого есть причина. В основном это сводится к странным вещам, которые происходят, когда теория пространства-времени Эйнштейна сталкивается с квантовой механикой, теорией субатомного мира. Когда мы объединяем элементы обеих теорий, мы видим, что любой эксперимент, который пытается исследовать реальность слишком близко, будет сорван появлением черной дыры— загадки, которая по-своему разрушает привычную картину пространства-времени.
По этой и другим причинам физики стремятся вырваться за пределы нашего привычного пространства-времени, часто называемого “балком”, в поисках чуждой среды, способствующей новым способам ведения физики.
Где еще можно заниматься физикой, как не в массовом порядке? Разрабатывается несколько идей, в том числе одна, известная под названием голографии. Грубо говоря, это идея о том, что любая гравитационная система — даже вся Вселенная — может быть описана как совокупность квантовых частиц, движущихся по плоской поверхности. Из этих поверхностей, свободных от гравитации, каким-то образом возникает объемный мир с гравитацией. Это замечательное теоретическое утверждение, и за последние несколько лет голографы разработали набор инструментов, которые помогли им расшифровать объем по поведению этих поверхностных частиц.
Другая исследовательская программа, возглавляемая Аркани-Хамедом, ставит перед собой еще более амбициозные цели — получить как пространственно-временные, так и квантовые результаты из еще большего количества данных, полученных от инопланетян. Недавно его группа разработала совершенно новый язык для предсказаний, который не имеет отношения к пространству-времени. Вместо этого он использует только геометрические фигуры и примитивные задачи счета.
Действительно ли пространство-время, по крайней мере в его нынешнем виде, обречено? Эта мысль мучила одного из пионеров теории гравитации Джона Уилера. И сегодня мнение о конце пространства-времени получило еще более широкое признание. Большинство теоретиков, с которыми я беседовал, с трудом представляли себе коллег из сообщества квантовой гравитации, которые защищали бы пространство-время как фундаментальную составляющую реальности. Однако некоторые исследователи ищут альтернативные варианты. Я подробно поговорил с Лэтемом Бойлом о закономерностях в физике элементарных частиц, которые привели его и его коллег к более консервативному представлению о том, что пространство-время может состоять из двух “слоев”.
Различные разрабатываемые предложения вряд ли получат экспериментальную проверку в этом столетии, поэтому окончательный ответ, похоже, не так уж и близок. Но если бы когда-нибудь было установлено, что пространство-время действительно разрушается, что бы это значило для нас?
На практическом уровне — не так уж и много. Структура пространства-времени Эйнштейна настолько прочна, что, если не считать черной дыры, в ней образовалась бы заметная брешь. Но на концептуальном уровне трудно представить себе более драматичное переосмысление реальности. Когда более 2000 лет назад Демокрит предположил, что материя возникает из крошечных колючих “атомов”, он никак не мог предвидеть, что некоторые положения его теории в конечном счете будут реализованы в форме квантовой теории — концепции, утверждающей, что реальность — это океан накладывающихся друг на друга волн возможностей, которые превращаются в фиксированные объекты только в будущем. определенных ситуациях.
Если пустота сама по себе возникает из чего-то, это что-то будет по меньшей мере таким же чуждым. Точно так же, как отдельные молекулы сами по себе не имеют четкого представления о теплоте, на базовом уровне реальности могут отсутствовать характерные черты нашего существования, которые мы считаем само собой разумеющимися. Места. Раз. Способность воздействовать только на близлежащие объекты. Требование, чтобы причины предшествовали эффектам. Физики уже пришли к выводу, что эти понятия вряд ли могут быть использованы для более точного описания мира. Они кажутся приблизительными результатами чего-то более странного.
“Одним из самых впечатляющих аспектов этих новых открытий является то, что возникновение причинно-следственной связи возможно только в приблизительном описании”, — сказал мне Эллиот Жесто, исследователь квантовой гравитации из Калифорнийского технологического института, в интервью Zoom ранее в этом году. Если существует гравитация, — продолжил он, — а это то, что мы имеем в нашем мире, то эта причинно-следственная структура является лишь приблизительной и должна разрушиться”.