Эта идея должна умереть. Научные теории, которые блокируют прогресс

Всегда считалось, что явления, которые описывает физика, разворачиваются на сцене пространства и времени. Специальная теория относительности объединила эти категории в единый пространственно-временной континуум, а общая теория относительности учит, что это пространство-время искривляется и растягивается, не утрачивая своей фундаментальной роли. Однако необходимость дать квантово-механическое описание реальности ставит под вопрос саму идею фундаментальности пространства и времени.

В частности, мы столкнулись с проблемой согласования принципов квантовой механики и теории гравитации. Сначала физики думали, что такое соединение приведет к появлению очень сильных флюктуаций пространства-времени, вплоть до полной утраты им какого-либо смысла, хоти и на очень малых расстояниях. Но попытки согласовать квантовую механику с теорией относительности вызвали и более основательные сомнения в фундаментальной роли пространства-времени. Эта проблема выходит на первый план, когда мы изучаем черные дыры и эволюцию вселенной. Структура пространства-времени также кажется проблематичной на очень больших расстояниях.

Квантовая механика выступает как неотъемлемый элемент физики и удивительным образом не поддается модификации. Если квантовые принципы управляют природой, то кажется вероятным, что пространство-время вырастает из более фундаментальных квантовых структур – и его возникновение, вероятно, можно грубо сравнить с возникновением поведения жидкости из взаимодействия атомов.

Проблема фундаментальности пространства-времени встает еще острее, если рассматривать ее в перспективе новых направлений науки. Среди них сто́ит особо отметить физику черных дыр: выясняется, что, если их эволюция учитывает квантовые принципы, она должна нарушать классический постулат пространства-времени, согласно которому информация не может распространяться быстрее скорости света. В стандартной картине пространства-времени что-то явно не сходится. Свидетельства этому множатся, когда мы рассматриваем крупномасштабную структуру Вселенной с учетом квантовых принципов и присутствия темной энергии. Здесь пространство-время тоже должно испытывать сильные квантовые флюктуации на очень больших расстояниях и из-за этого терять смысл. Дополнительные сложности возникают при попытках построить математическую теорию флюктуирующего пространства-времени.

Необходимость отправить в отставку классическую идею пространства-времени в качестве фундаментального понятия очевидна и основательна – и явного преемника для нее пока не видно. Есть различные способы интерпретировать тот факт, что законы природы в конечном счете оказываются квантовыми. Некоторые из них выглядят перспективными, но ни один пока не смог разрешить загадок, над которыми мы бьемся десятки лет, – загадок черных дыр и космологии. Появление такого преемника может стать ключевым элементом следующей крупной революции в физике.

ОднаВселенная

Аманда Гефтер

Научный обозреватель, консультант журнала New Scientist. Автор книги Trespassing on Einstein’s Lawn[24]

.

У физиков есть освященная временем традиция поднимать на смех наши самые важные интуитивные представления. Теория относительности Эйнштейна заставила нас отказаться от понятия абсолютного пространства и времени, а квантовая механика – чуть ли не от всех остальных понятий. И все же одна упрямая идея устояла: это идея Вселенной.

Разумеется, с годами наша картина Вселенной эволюционировала – ее история динамична, она расширяется с самого зарождения, и это расширение ускоряется. Нашу Вселенную даже низвели до всего лишь одной из множества ячеек Мультивселенной, состоящей из бесконечных вселенных, навеки разделенных горизонтами событий. Но мы всё еще цепляемся за веру в то, что мы, обитатели Млечного Пути, живем в едином пространстве-времени, нашем общем уголке космоса – в нашей Вселенной.

В последние годы, однако, идея единого и общего пространства-времени предложила физике новую головоломку – стремительно нарастающий информационный парадокс. Первый сигнал того, что что-то неладно, подал Стивен Хокинг в своей эпохальной работе 1970-х годов, в которой он показал, что черные дыры излучают и поэтому постепенно испаряются, исчезая из Вселенной и, предположительно, унося с собой какую-то квантовую информацию. А между тем квантовая механика исходит из того, что информация в принципе не может быть потеряна.

Возникает парадоксальное противоречие. Однажды упав в черную дыру, информация не может выбраться назад, если только ее скорость не выше скорости света, что противоречило бы теории относительности. Следовательно, единственный способ сохранить информацию – это показать прежде всего, что она никогда не падала в черную дыру.