Мир по Эйнштейну. От теории относительности до теории струн - Тибо Дамур

Действительно, квантовая теория была проверена с помощью огромного количества экспериментов, которые, в частности, подтвердили справедливость ее самых «причудливых» следствий, таких как запутанность разделенных систем, предсказанная Эйнштейном – Подольским – Розеном, и суперпозиция различных макроскопических состояний типа пороховой бочки Эйнштейна или кота Шредингера{174}. До получения опровергающей информации можно и в действительности необходимо рассматривать квантовую теорию как строго установленное знание. Далее, если мы хотим с помощью этого знания, т. е. математического формализма квантовой теории, понять природу «квантовых объектов» или «квантовой реальности», мы с неизбежностью приходим к точке зрения Эверетта, так как это единственная «интерпретация», основанная исключительно на формализме теории, т. е. не добавляющая ни «туманной метафизики», ни устных заклинаний, ни каких-либо новых, неподтвержденных гипотез.

Я уже говорил несколько раз, что сам Эйнштейн подтверждал свою приверженность взглядам Канта («Теория сама решает, что является наблюдаемым»). Интересно отметить, что в одном из писем к Шредингеру (написанном сразу после выхода статьи ЭПР) он выразился в духе, весьма близком к кантовской философии, и это было как раз в связи с таинственным характером квантовой реальности:

«Истинная сложность заключается в том, что физика является своего рода метафизикой: физика описывает “реальность”. Однако мы не знаем, что есть “реальность”, все, что мы знаем о ней, следует исключительно из описания, данного самой же физикой!»

Большие иллюзии

Если попробовать оценить все те грандиозные изменения, которые связаны с пересмотром понятия «реальность» физикой ХХ в. (пересмотром, произошедшим благодаря существенному вкладу Эйнштейна), то перечень окажется невероятным. В конце XIX в. реальность (в том виде, как она была определена наукой того времени) казалась вполне понятной и согласованной с имеющимися у каждого обыденными представлениями об окружающем нас мире.

Было Пространство, в виде большой сцены, на которой разыгрывается театральное действие реальности. Это «содержащее» Пространство не имело ничего общего с материальным «содержимым» Вселенной. Его геометрические свойства были те самые, которые еще 2000 лет назад сформулировали греки и которые поныне изучаются в школе.

Было Время, которое виделось как всеобъемлющий космический пульс, присутствующий во всей Вселенной, и которое, казалось, совпадало с «продолжительностью», испытываемой каждым. Разве не было экзистенциально очевидно, что время проходит?

Была Материя, которая определялась своим постоянством. Это было вечное вещество мира: «Ничто не берется из ниоткуда и не исчезает в никуда».

Была Сила, которая с течением Времени вызывала изменения Материи в Пространстве.

И, конечно, весь этот гигантский часовой механизм, по определению, существовал только в одном экземпляре. Вселенная как объединение всей реальности, существующей в бесконечном пространстве, была уникальна. Как может быть иначе? Разве мы не видим в каждый момент лишь один окружающий нас мир?

Все эти «очевидности» были беспощадно разрушены мощными ударами со стороны идей, изначально предложенных Эйнштейном. Течение времени – это иллюзия. «Реальность» определяется специальной теорией относительности посредством четырехмерного «пространственно-временного объединения», где ничто не соответствует какому-либо «течению времени» и где невозможно определить понятие «сейчас». Специальная теория относительности говорит также, что понятие материи является эфемерным и что материя может быть создана из энергии или, наоборот, превратиться в неуловимое излучение. Общая теория относительности, в свою очередь, говорит нам, что пространственно-временное объединение на самом деле является объединением вида «пространство-время-сила-материя», где содержимое, т. е. сила-материя, вложено почти неразделимым образом в содержащее пространство-время, деформируя его своим присутствием. Наконец, квантовая теория говорит нам, что это объединение, пространство-время-сила-материя, является не уникальным, а множественным. И эта множественность суть не наложение отдельных пространственно-временных миров, а суперпозиция в одной и той же реальности бесконечного числа пространственно-временных миров, которые «сосуществуют» подобно многократно экспонированной кинематографической картине.

Мы отсылаем читателя к другим источникам для поиска разъяснений, каким образом возможно примирить «повседневный опыт», в частности в отношении течения времени и уникальности действительности, с новой реальностью, определяемой теорией относительности и квантовой теорией{175}. Скажем лишь, что одной из наиболее важных составляющих для осуществления такого примирения является необходимость учитывать природу физических сигналов, лежащих в основе осознания «существования в мире». Для иллюзии времени существенную роль играет необратимый характер кодирования информации в памяти. Для иллюзии уникальности реальности существенную роль играет относительно грубый («крупнозернистый») характер информации, которую наши чувства способны дать нам о реальности, наряду с эффектом отсутствия интерференции между сколь угодно мало различающимися макроскопическими конфигурациями.

Мечты об объединении

Мы уже упоминали «программу объединения», которую Эйнштейн пытался осуществить в течение 30 лет. Эта программа не была реализована в том смысле, что она не привела ни к какому явному результату, способному охватить общую теорию относительности и квантовую теорию и объяснить необходимость разных типов взаимодействий в физике. Тем не менее примечательно, что та теория, которая активно развивается в настоящее время посредством совершенно новых методов, кажется способной реализовать надежды Эйнштейна об объединении. Изначально она получила название «теория струн», поскольку ее исходная идея заключается в том, что элементарные составляющие материи (и силы) являются струнами, а не точечными частицами, как предполагалась ранее.

Напомним, что в течение двух тысячелетий, с тех пор как древнегреческие философы впервые заговорили об атомах и пустоте, материя представлялась состоящей из точечных частиц. Западная физика добавила понятие силы и выявила, что источником этой силы является непрерывное поле, создаваемое материей. Можно представить себе, например, электрическое поле, создаваемое заряженными частицами. Но в 1905 г. Эйнштейн выдвинул революционную идею, что электромагнитное поле фактически состоит из точечных корпускул, квантов света или фотонов. Работы Гейзенберга, Дирака, Йордана, Паули и др. в 1930-е гг. показали, как математический формализм квантовой теории позволяет примирить кажущиеся противоречивыми свойства непрерывного поля и локализованных частиц. Затем благодаря, в частности, работам американского физика Ричарда Фейнмана было показано, что возможно реконструировать полную теорию «квантовых полей», используя основные постулаты квантовой теории динамики точечных частиц.

Теория «квантовых струн» определяется, применяя эти же базовые квантовые постулаты к динамике упругих релятивистских струн. Каждая струна подобна «резинке», т. е. тонкой резиновой ленте. При этом она может быть «замкнутой», т. е. замкнуться в петлю, или же «открытой», т. е. заканчиваться с двух сторон. Релятивистская струна обладает внутренней напряженностью, которая стремится уменьшить ее длину. Точнее, эта напряженность, если бы ей ничто не противодействовало, свела бы длину струны к нулю. В противоположность обычной резинке, которая обладает в состоянии покоя ненулевой длиной и становится напряженной, только если ее растягивать, релятивистская струна всегда находится в напряжении, тогда как ее «длина в состоянии покоя» равна нулю. Таким образом, релятивистская струна может иметь ненулевую длину, только если она не находится в состоянии покоя, а возбуждается непрерывным движением. Например, струна может равномерно вращаться вокруг себя, как фигурист, который крутится на льду с распростертыми руками, или же может совершать колебательные движения во всевозможных направлениях, как танцор хип-хопа.

Мы не будем здесь вдаваться в детали квантовой теории релятивистских струн и ограничимся лишь общей информацией. Эта теория была предложена в 1968 г. в работе Габриеле Венециано. В течение последующих 30 лет она развивалась в работах большого числа физиков, среди которых необходимо отметить Габриеле Венециано, Мигеля Вирасоро, Пьера Рамона, Андре Неве, Джона Шварца, Джоэла Шерка, Майкла Грина, Александра Полякова и Дэвида Гросса. Затем ученые, в частности Пол Таунсенд, Джозеф Польчинский и Эдвард Виттен, осознали, что помимо струн эта теория предполагает также существование более сложных протяженных объектов, таких как упругие мембраны (подобные резиновым мячам) или в более общем случае p-браны, т. е. объекты, протяженные в p пространственных направлениях{176}.