65 ½ (не)детских вопросов о том, как устроено всё

Единственным исключением из этого правила является гравитационное взаимодействие. Хотя общая теория относительности и является калибровочной теорией гравитации, она формулируется не в терминах квантовой теории поля. Как физики ни пытались, так никому и не удалось построить квантовую теорию гравитации. Хотя над этой задачей бились (и продолжают биться до сих пор) самые выдающиеся физики современности.

Вопрос 59. Почему несовместимы квантовая механика и теория относительности?

После того, как квантовая механика и общая теория относительность окончательно оформились в своем современном виде и прошли множество экспериментальных проверок, ни у кого из ученых не осталось сомнений в их правильности и способности адекватно описывать наблюдаемые явления природы. При этом каждая из этих теорий работает только на своем масштабе: квантовая механика отлично описывает все процессы, происходящие в микромире – мире элементарных частиц, имеющих чрезвычайно малые массы и движущихся с большими скоростями; а общая теория относительности работает с объектами огромных размеров и масс, взаимодействующих между собой на астрономических масштабах. Какие бы эксперименты или наблюдения ни проводили ученые, их результаты с большой степенью точности согласуются с выводами этих теорий. Квантовая механика и теория относительности позволили человечеству проникнуть в глубины атомного ядра, объяснили процессы возникновения и эволюции нашей Вселенной, научили использовать эти знания, чтобы создавать космический аппараты, ядерные реакторы и даже множество полезных бытовых приборов, которые мы используем каждый день. Без понимания принципов квантовой механики и теории относительности было бы невозможно создание телевизоров, компьютеров, мобильных телефонов, GPS-навигаторов и многого другого.

Но, несмотря на все успехи каждой из теорий в отдельности, есть одно неприятное обстоятельство: как только физики пытаются применить для описания каких-либо объектов одновременно и квантовую механику, и теорию относительности, они получают абсурдные результаты. Это может выражаться в том, что математические формулы дают значения вероятностей процессов равные бесконечности. Такое поведение теорий означает, что у физиков не получается проквантовать гравитацию. Ни одна из попыток построения квантовой теории гравитации не увенчалась успехом. И корень этой проблемы не в том, что физикам не хватает искушенности в математике для решения столь сложных уравнений, а в противоречии фундаментальных принципов, лежащих в основе этих двух теорий.

Дело в том, что общая теория относительности строится на предположении, что пространство хоть и может искривляться под действием массивных объектов, но все же остается при этом достаточно гладким. Это выражается в специальных математических требованиях к виду функций, которыми описывается кривизна. Да, при увеличении массы или энергии, находящейся в некоторой области пространства, его кривизна тоже будет увеличиваться. Но это всегда должно происходить плавно. Если же пространство абсолютно пустое (без массы и энергии), то оно будет просто плоским, его кривизна и гравитационное поле будут равны нулю.

Однако в квантовой теории даже вакуум – это не такое уж и пустое пространство. В предыдущей главе мы говорили, что вакуум – это невозбужденное состояние квантового поля. В нем нет никаких возбуждений или флуктуаций. Но это только в среднем, когда мы наблюдаем за ним длительное время и на достаточно больших расстояниях. Если же мы захотим проверить, как ведет себя квантовое поле на микроскопических масштабах, то увидим удивительную картину. Принцип неопределенности[132], который связывает не только координату и импульс, но также время и энергию, примененный к квантовым полям, приводит к тому, что на небольших интервалах времени энергия поля в данной области пространства может быть какой угодно. При этом в среднем оставаться нулевой. Это означает, что в пустом пространстве из этих флуктуаций энергии (по сути, взятых взаймы у квантового поля) постоянно рождаются элементарные частицы, живут какое-то непродолжительное время и аннигилируют, высвобождая энергию (которая возвращается обратно квантовому полю). Причем величина и интенсивность этих флуктуаций будет увеличиваться при рассмотрении пространства и времени на все меньших масштабах.