Из чего бы могло состоять пространство-время?
Одним из самых странных аспектов квантовой механики является запутанность, поскольку две запутанных частицы влияют друг на друга через огромные дистанции, что, на первый взгляд, нарушает фундаментальный физический принцип локальности: то, что происходит в определенной точке пространства, может повлиять только на точки поблизости. Но что, если локальность — и само пространство — не так уж фундаментальны, в конце концов? Джордж Массер исследует возможные последствия этого в своей новой книге „Spooky Action At a Distance". («Жутким действием на расстоянии» квантовую запутанность назвал Альберт Эйнштейн).
Когда философу Дженнан Исмаэль было десять лет, ее отец, уроженец Ирака, профессор Университета Калгари, купил большой деревянный шкаф на аукционе. Порывшись в нем, она наткнулась на старый калейдоскоп и была в восторге. Она экспериментировала с ним часами и выясняла, как он работает. «Я не говорила сестре, что нашла его, потому что боялась, что она заберет», — вспоминает она.
Когда вы заглядываете в калейдоскоп и поворачиваете трубу, разноцветные фигуры начинают расцветать, крутиться и объединяться, казалось бы, совершенно необъяснимым и непредсказуемым образом, как если бы оказывали друг на друга жуткое действие на расстоянии. Но чем больше вы ими восхищаетесь, тем больше вы подмечаете закономерностей в их движении. Формы на противоположных концах вашего поля зрения меняются в унисон, и эта симметрия позволяет вам понять, что происходит в действительности: эти формы не физические объекты, а изображения объектов — осколков стекла, который проворачиваются внутри зеркальной трубы.
«Там один кусочек стекла, который избыточно представляется в разных частях пространства, — говорит Исмаэль. — Если сосредоточить внимание на общем охватывающем пространстве, физическое описание трехмерного калейдоскопа будет довольно прямолинейной причинно-следственной историей. Есть кусочек стекла, он отражается в зеркалах, и так далее». Увиденный в реальности, калейдоскоп больше не является загадкой, хотя и по-прежнему удивляет.
Спустя несколько десятилетий, готовясь к речи о квантовой физике, Исмаэль вспомнила о калейдоскопе и купила новенький, блестящую медную трубу в бархатном чехле. Он стал, как ее осенило, метафорой нелокальности в физике. Возможно, частицы в экспериментах с запутанностью или галактиках в далеких галактических пределах ведут себя странно, поскольку являются проекциями — вторичными творениями, в некотором смысле — существующих в совершенно другой области объектов.
«В случае с калейдоскопом мы знаем, что должны делать: мы должны увидеть всю систему; мы должны увидеть, как создается образ пространства, — говорит Исмаэль. — Как построить аналог этого для квантовых эффектов? Для этого нужно увидеть космос, который мы знаем — повседневный космос, в котором мы проводим измерения событий, расположенных в разных частях космоса — как неразрывную структуру. Возможно, когда мы смотрим на две части, мы видим одно и то же событие. Мы взаимодействуем с одним и тем же элементом реальности на разных участках пространства».
Вместе с другими она ставит под сомнение допущение, которому следует почти каждый физик и философ со времен Демокрита, что пространство является глубочайшим уровнем физической реальности. Подобно тому, как сценарий пьесы описывает действия актеров на сцене, но предшествует сцене, законы физики традиционно принимают существование пространства как должное. Сегодня мы знаем, что вселенная — это нечто большее, чем просто вещи, расположенные в пространстве. Явление нелокальности перепрыгивает пространство; нет никакого места, где бы оно было ограничено. Оно проявляется на уровне реальности глубже пространства, где уже не имеют значения понятие расстояния, где далекие вещи находятся будто бы рядом, словно одна и та же вещь проявляется больше чем в одном месте, подобно многочисленным изображениям одного стеклышка в калейдоскопе.
Когда мы задумываемся о терминах на таком уровне, связь между субатомными частицами на лабораторном столе, внутри и снаружи черной дыры и между противоположными частями вселенной уже не кажется такой жуткой. Майкл Хеллер, физик, философ и теолог Папской академии теологии в Кракове, Польша, говорит: «Если вы согласитесь с тем, что на фундаментальном уровне физика нелокальна, все будет вполне естественным, поскольку две частицы, которые находятся далеко друг от друга, пребывают на одном фундаментальном нелокальном уровне. Для них пространство и время не имеют значения». Только когда вы пытаетесь визуализировать эти явления с позиции пространства — что простительно, поскольку мы привыкли так думать — они смущают наше понимание.
Идея глубокого уровня кажется естественной, поскольку, в конце концов, физики всегда к ней стремились. Всякий раз, когда они не могли понять некоторые аспекты нашего мира, они предполагали, что пока не добрались до дна всего этого. Они приближали и видели строительные блоки. То, что жидкая вода может кипеть или замерзать, отчасти загадочно. Но эти преобразования имеют смысл, если представить жидкое, газообразное и твердое состояние не элементарными субстанциями, а разными формами одного фундаментального вещества.
Аристотель считал разные состояния воды различными воплощениями так называемой первичной материи, и атомисты — прозорливо — думали, что атомы перестраиваются в более жесткие или свободные структуры. En masse, эти строительные блоки вещества приобретают свойства, которым по отдельности им не хватает. Точно так же пространство может состоять из частей, которые сами по себе не пространственные. Эти части тоже могут разбираться и пересобираться в непространственные структуры вроде тех, что намекают на черные дыры и Большой Взрыв.
«Пространство-время не может быть фундаментальным, — говорит теоретик Нима Аркани-Хамед. — Оно должно состоять из чего-то более простого».
Это мышление полностью переворачивает физику. Нелокальность больше не загадка; это реальность, а настоящей загадкой становится локальность. Когда мы больше не можем принимать пространство как должное, нам придется объяснить, что это такое и из чего возникает, самостоятельно или в процессе объединения со временем.
Очевидно, строительство пространства не будет таким же простым, как слияние молекул в жидкость. Какими могли бы быть его строительные блоки? Обычно мы говорим, что строительные блоки должны быть меньше вещей, которые из них состоят. Если собрать подробную Эйфелеву башню из зубочисток, вам не придется объяснять, что зубочистки меньше башни.
Но когда дело доходит до пространства, нет никакого «меньше», поскольку размер сам по себе это пространственное понятие. Строительные блоки не могут предшествовать пространству, если оно должно их объяснять. У них не должно быть ни размера, ни места; они должны быть повсюду, по всей вселенной и нигде одновременно, чтобы в них нельзя было ткнуть. Что для вещи будет означать отсутствие позиции? Где она будет? «Когда мы говорим о вытекающем пространстве-времени, оно должно вытекать из неких рамок, от которых мы очень далеки», — говорит Аркани-Хамед.
В западной философии царство за пределами пространства традиционно считалось царством за пределами физики — местом присутствия Бога в христианской теологии. В начале 18 века «монады» Готфрида Лейбница — который он представлял примитивными элементами вселенной — существовали, подобно Богу, вне пространства и времени. Его теория была шагом в сторону возникающего пространства-времени, но оставалась в области метафизики, будучи слабо связанной с миром конкретных вещей. Если физики преуспеют в объяснении возникающего пространства, им придется разработать и собственную концепцию отсутствия пространства.
Эйнштейн предвидел эти трудности. «Возможно… мы должны отказаться, в принципе, от пространственно-временного континуума, — писал он. — Вполне можно представить, что изобретательность человека однажды найдет методы, которые сделают этот путь возможным. В настоящее время, впрочем, такая программа выглядит как попытка дышать в пустом космосе».
Джон Уилер, известный теоретик гравитации, предположил, что пространство-время построено из «прегеометории», но признал, что это просто «идея ради идеи». Даже Аркани-Хамед разделяет его сомнения: «Эти проблемы очень сложные. Обсуждать их привычным для нас языком невозможно».
Что заставляет Аркани-Хамед и его коллег продолжать, так это обнаружение своего рода способов, которые описывал Эйнштейн — способов описать физику в отсутствии пространства, вздохнуть в вакууме. Он объясняет эти попытки с точки зрения истории: «2000 с лишним лет люди задавались вопросами о глубокой природе пространства и времени, но они были преждевременными. Мы, наконец, прибыли в ту эпоху, где вы можете задать эти вопросы и надеяться получить некоторые осмысленные ответы».