Древнегреческий философ Аристотель в своей рукописи по физике более двух тысяч трехсот лет назад написал следующее: “Если все существующее имеет место, то и место будет иметь место, и так до бесконечности”. Обосновано ли представление о том, что пространство является непрерывным “без предела”?
До открытия элементарных частиц считалось, что вода – это непрерывная жидкость. Это хорошее упрощение на больших масштабах, но не на молекулярных, где взаимодействие между элементарными частицами имеет значение.
Аналогично, пространство-время с древних времен считалось континуумом. Хотя это представление согласуется со всеми экспериментальными данными в больших пространственных или временных масштабах, оно может быть недействительным в крошечных масштабах, где квантовые эффекты гравитации имеют значение. Можно провести аналогию с иллюзией кинофильма, который кажется непрерывным, когда частота кадров достаточно высока, а пространственные пиксели достаточно малы для того, чтобы наш мозг воспринимал происходящее как непрерывное, а не мелькающее изображение. Поскольку наш мозг состоит из элементарных частиц, временное и пространственное разрешение, с которым он воспринимает реальность, на много порядков грубее, чем любой фундаментальный масштаб, на котором дискретизируется пространство-время.
Масштабом длины пикселя, естественно, будет время, умноженное на скорость света, которая является фундаментальной константой природы во всех системах отсчета – согласно теории относительности Альберта Эйнштейна. Гравитация представляет собой искривление пространства-времени, и любая дискретизация должна быть связана с ее квантовой природой.
Объединение квантовой механики с гравитацией остается нерешенной загадкой, на которую указывает неразрешенный информационный парадокс черных дыр, а также неизвестная природа сингулярностей черных дыр и Большого взрыва. В настоящее время у нас нет под рукой теории с надежными предсказаниями, которая позволила бы решить эти загадки квантовой гравитации. Так может быть, причина в том, что мы допустили фундаментальную ошибку, считая пространство-время непрерывным, тогда как в действительности оно имеет дискретную природу, подобно молекулам воды?
В 1955 году Джон Уилер предположил, что квантовые неопределенности пространства-времени будут порядка единицы в масштабе Планка, что приведет к большим флуктуациям топологии пространства-времени, которые он назвал “пространственной пеной”.
Если пространство-время дискретно, то движение частиц через него будет напоминать компьютерную симуляцию. В этом случае движение не будет гладким, а его скачки приведут к новым прерывистым событиям для наблюдателя, который разрешает масштаб Планка.
При достижении масштаба пикселизации “пространственно-временной пены” Уилера мы бы заметили, что плавный кинофильм реальности на самом деле состоит из дискретных снимков, разделенных фундаментальными бинами времени, причем каждый кадр состоит из дискретных пикселей пространства. Может ли это объяснить загадочную плотность массы вакуума, обозначаемую как темная энергия, или независимо загадочную темную материю?
Масса Планка на 19 порядков больше массы протона. Это означает, что шкала длины на 25 порядков меньше размера атома, а шкала времени на 43 порядка короче секунды. Возраст Вселенной на 61 порядок больше планковского времени, а плотность темной энергии на 122 порядка меньше планковской плотности. Учитывая это несоответствие, дискретизация пространства-времени, заключенная в концепции квантовой гравитации Уилера, не имеет очевидной связи с современной Вселенной.
Но может ли эта связь быть более тонкой? Астрофизик Моти Милгром показал, что необходимость в темной материи возникает, когда гравитационное ускорение в окрестностях галактик падает ниже порогового значения, равного скорости света, деленной на возраст Вселенной. Если это пороговое ускорение диктуется флуктуациями вакуума, то потребность в темной материи может быть связана с плотностью массы вакуума, которая дает текущий возраст Вселенной через обратную величину квадратного корня из ее произведения с постоянной Ньютона. Учитывая такую связь, плотность массы вакуума определялась бы квадратом порогового ускорения, по аналогии с тем, как плотность энергии электромагнитного поля связана с квадратом амплитуды поля в квантовой электродинамике.
Связать темную материю и темную энергию как две неразгаданные тайны современной космологии было бы равносильно убийству двух зайцев одним выстрелом. Но на данный момент для этого не существует жизнеспособного пути. Конечно, не в рамках традиционных представлений о квантовой гравитации.
Возможно, в будущем физики смогут объединить квантовую механику и гравитацию таким образом, чтобы объединить темную энергию и темную материю. Но пока эти две загадки считаются не связанными между собой. Ведущие физики занимаются экспериментальным поиском частиц темной материи, предполагая в контексте ландшафта теории струн, что существует 10 в степени 272 000 возможных значений плотности массы вакуума, и то, которое мы наблюдаем в нашей части гораздо большей мультивселенной, было выбрано требованием нашего существования. Этот “антропный принцип” предполагает, что подавляющее большинство других возможных состояний вакуума не позволяют существовать жизни, как мы ее знаем, на поверхности планет, похожих на Землю, вокруг звезд, похожих на Солнце, потому что космический фон недолговечен.
До сих пор я не поддерживал антропные рассуждения, поскольку их невозможно фальсифицировать. Я надеюсь, что, встретившись с развитой научной цивилизацией, мы сможем узнать больше. Если мы встретим более умных учеников в классе разумных цивилизаций в пределах галактики Млечный Путь, они могли бы объяснить нам, что находится внутри черной дыры или что произошло до Большого взрыва. В частности, их квантово-гравитационные инженеры могли бы показать нам как создать детскую вселенную в лаборатории. Эти инженеры дадут научную интерпретацию Бытия 1:1: “В начале сотворил Бог небо и землю”.
Вместо того чтобы предполагать, что в мультивселенной возможно все, и мы представляем собой одну из 10 в степени 272 000 возможностей в ландшафте теории струн, мы можем понять, что наша вселенная была создана инженерами. В таком случае наше существование обусловлено их выбором, а не произвольным случайным процессом. Осознание того, что мы не являемся сиротами квантовых флуктуаций вакуума, придаст новый смысл нашему космическому существованию.
Ави Леб — руководитель проекта “Галилео”, директор-основатель инициативы Гарвардского университета “Черная дыра”, директор Института теории и вычислений Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики и бывший заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета.
Читайте также: Почему все больше физиков начинают считать пространство и время иллюзией?