Когда ученые начали изучать частицы и кванты энергии, из которых состоят более крупные окружающие нас структуры, то немалым открытием для них стало то, что использование законов классической физики или квантовой механики зависит от вида изучаемого объекта.
Как оказалось, реальность обладала непримиримой двойственной природой: общая теория относительности была точным количественным описанием мира в целом и применимым даже в таких огромных масштабах, как межзвездное и межгалактическое пространство. А квантовая механика описывала реальность в масштабе отдельных молекул и внутри атомных структур. Какое-то время физики попросту пожимали плечами. Квантовая механика была в новинку – предполагалось, что рано или поздно мы с ней разберемся. Сегодня эти два столпа современной физики, достигнув зрелого возраста спустя уже почти столетие, понимаются нами все более отчетливо, а их теоретические предсказания подтверждаются бесчисленными экспериментами. Обе теории нашли многочисленные практические применения в повседневности: специальная теория относительности Эйнштейна помогла создать систему навигации GPS, а квантовая механика – транзисторы и микропроцессоры.
Но даже спустя столетие непрерывных экспериментов и накопления знаний мы не приблизились к пониманию того, каким образом совмещаются квантовая механика и общая теория относительности, то есть как именно физика большого и физика малого «переговариваются» друг с другом.
Если разобраться с этим вопросом, то, помимо прочих преимуществ, можно будет прояснить самую загадочную из четырех фундаментальных сил – гравитацию. Три из четырех основных взаимодействий могут быть описаны квантовой механикой, а гравитация стоит особняком. Конечно, мы можем рассмотреть ее с помощью классической физики на основе общей теории относительности, но даже в этом случае соответствие не будет совершенным. Подружив КТ и теорию относительности, мы смогли бы узнать, как гравитация, которая распространяется на безграничное расстояние и самым прямым образом воздействует на нас в повседневной жизни, удерживая нас на земле или травмируя увальней и неудачников при падении, может действовать по правилам квантовой механики, которые, похоже, работают повсюду.
В августе 2019 г., когда писалась эта глава, в престижном журнале Science появилась статья об очередном подтверждении теории гравитации Эйнштейна (в который раз!) В этом эксперименте ученые изучали супермассивную черную дыру в центре Млечного Пути и собирались проверить общую теорию относительности, которая является не только одним из выдающихся достижений XX века, но и утвержденным описанием силы тяжести в современной физике.
«По крайней мере, на данный момент Эйнштейн прав, – заявила Андреа Гез, ведущий автор публикации. – Наши наблюдения не противоречат его общей теории относительности. Но эта теория все же демонстрирует свою уязвимость. Она не смогла полностью объяснить гравитацию внутри черной дыры, и требуется переход от теории Эйнштейна к более всеобъемлющей теории гравитации».
Существует целая область физики, в которой ученые пытаются объяснить гравитацию с точки зрения квантовой механики, она называется квантовой гравитацией. В основе несовместимости КТ и теории относительности, этими двумя фундаментальными концепциями современной теоретической физики, лежит «неперенормируемость» квантовой гравитации. И при ошеломляющем повороте событий выяснилось: для решения проблемы нужно было учитывать то, что работающие в этой области физики-теоретики до сих пор практически игнорировали.
Вы догадались – это наблюдатели.
«Неперенормируемость» – это термин из жаргона новейшей физики, это сложное построение, но все же оно сводится к физике и математике в одном масштабе и никоим образом не действует в другом. Неперенормируемая теория – это теория, в которой конкретное явление или группа явлений математически хорошо описывается в одном конкретном пространственном масштабе (допустим, в небольшом), в то время как в другом масштабе (допустим, в большом) контроль может быть полностью утерян, то есть математика и физика больше не работают.
Неперенормируемая теория чем-то напоминает увеличительное стекло. Представьте себе натуралиста, использующего такое стекло для изучения объекта: на правильном расстоянии этот мощный инструмент позволяет натуралисту более четко видеть все детали. Но стоит отодвинуть увеличительное стекло, и изображение будет немного искажено. А если отодвинуть еще дальше, то объект станет совершенно неузнаваемым. Точно так же мы действительно не можем знать, какова правильная структура реальности, описываемая неперенормируемой теорией: эта структура кардинально меняется, если мы переходим от изучения реальности в одном масштабе к исследованию ее в другом. Язык, то есть физика и математика, с помощью которых нам необходимо объяснять то, что мы видим, становится все более сложным, в конечном итоге становясь бесконечно, неконтролируемо сложным в особенно большом масштабе.
Досадная несовместимость квантовой механики и общей теории относительности сходит на нет, если принять во внимание свойства наблюдателей
Поведение гравитации очень хорошо объясняется теорией относительности, но плавный континуум пространства-времени теории относительности и основанный на кусочках, на квантах мир КТ не слишком хорошо ладят друг с другом. Когда мы пытаемся использовать язык квантовой механики для описания гравитации, то все, что может измерить наблюдатель (например, кривизну пространства-времени или энергию в единице объема материи), начинает беспрерывно и бесконтрольно рушиться, а исследователи быстро теряются в математической бесконечности, не имея ни малейшего шанса сделать осмысленные прогнозы или определить измеряемые величины.
Разочарование физиков, столкнувшихся с такой неразрешимой ситуацией столетие назад, можно проще понять, если представить себе, что предметы нашего быта вели бы себя схожим образом. Когда в конце XIX века шотландский гений Джон Данлоп изобрел велосипедные шины, он был хорошо знаком со свойствами резины. Но вообразите себе, что шины правильно ведут себя, только если ваш велосипед движется со скоростью не более восьми километров в час. А если в момент превышения гонщиком этой скорости резина станет жесткой, а не гибкой, или внезапно сделается настолько липкой, что ваше колесо просто прилипнет к дороге? И как быть, если никакое научное исследование не сможет объяснить столь резкий переход от практичного к бесполезному при изменении, казалось бы, такого несущественного условия? Представьте себе недоумение бедняги Джона! Так вот, превращение теории квантовой гравитации в полную бесполезность и только в определенных масштабах ставило в тупик величайших физиков-теоретиков.
Однако недавнее исследование физика-теоретика Дмитрия Подольского в сотрудничестве с одним из авторов (Ланца) и Андреем Барвинским (одним из ведущих мировых теоретиков по квантовой гравитации и квантовой космологии) продемонстрировало кое-что примечательное[29]. А именно, что такая досадная несовместимость квантовой механики и общей теории относительности сходит на нет, если принять во внимание свойства наблюдателей.
В классической физике считается, что мы можем измерить физическое состояние интересующего нас объекта, никоим образом его не нарушив. Это представляется разумным, если просто следовать интуиции. Когда мы смотрим на самолет, чтобы определить его положение относительно земли (Он уже взлетел? Он идет на посадку?), мы никак не можем повлиять на его состояние, если только сами не являемся пилотами или авиадиспетчерами. Если состояния физических объектов не изменяются из-за наших измерений, то их исследование или их реакция на внешнее воздействие позволяет нам создать точно описывающую их физическую теорию.
Однако в квантовой сфере, как мы уже видели ранее, всё куда сложнее: свойства – это вопрос вероятности, а наши измерения и наблюдения не только искажают реальность, но и создают ее. Квантовая гравитация – не исключение. Наш друг и коллега Джон Уилер придумал термин «квантовая пена» (иногда «пена пространства-времени») для обозначения того, каким бывает пространство-время на квантовом уровне. Оно полно крошечных колебаний и не проявляет ту кажущуюся гладкость, наблюдаемую нами в больших масштабах. Такие колебания вызывают крошечные изменения в траекториях частиц, и при их поиске ученые могут измерить квантовое гравитационное пространство-время. Если множество наблюдателей непрерывно измеряют состояние этой колеблющейся квантовой гравитационной пены пространства-времени (в частности, чтобы определить степень кривизны пространства-времени), а затем обмениваются информацией о полученных результатах, то присутствие самих наблюдателей, как оказалось, существенно возмущает структуру физических состояний материи и самого пространства-времени. Выражаясь сильно упрощенным языком: для воспринимаемых законов реальности крайне важно, сколько ученых в настоящий момент ее изучает, причем с обязательным обменом результатами своих измерений.
Природа этого необычного явления восходит к важному открытию, сделанному в конце 1970-х годов итальянским физиком Джорджо Паризи вместе с его греческим коллегой Николя Сурласом. Они утверждают, что физическая система, существующая в (D + 2) измерениях пространства-времени при наличии беспорядка, влияющего на ее физические состояния, в значительной степени эквивалентна аналогичной системе, имеющейся в измерениях пространства-времени D без какого-либо беспорядка. Говоря простым языком, когда к физической системе добавляются беспорядочные/случайные компоненты, ее сложность возрастает[30]. Но что это значит и что нам дает?
Во-первых, давайте проясним, что такое «беспорядок». Говоря о беспорядке, Паризи и Сурлас подразумевали приложение случайной внешней силы к интересующей нас физической системе в разных точках пространства-времени. Случай такого «беспорядка» возникает, когда несколько наблюдателей попросту измеряют состояние рассматриваемой физической системы (например, импульс, плотность энергии, или – если система сама является пространством-временем, то кривизну этого пространства-времени) в случайно выбранных точках.