Из чего на самом деле состоит пространство-время?

Пространство-время может возникнуть из более фундаментальной реальности. Выяснение этого факта может открыть наиболее актуальную цель в физике - квантовую теорию гравитации.

Натали Пакетт проводит время, размышляя о том, как вырастить дополнительное измерение. Начните с маленьких кружочков, разбросанных по всем точкам пространства и времени - криволинейное измерение, зацикленное на самом себе. Затем уменьшайте эти круги, все меньше и меньше, затягивая петлю, пока не произойдет любопытная трансформация: измерение перестанет казаться крошечным, а станет огромным, как если бы вы поняли, что нечто, кажущееся маленьким и близким, на самом деле огромное и далекое. "Мы сокращаем пространственное направление", - говорит Пакетт. "Но когда мы пытаемся сократить его до определенной точки, вместо него возникает новое, большое пространственное направление".

Пакетт, физик-теоретик из Вашингтонского университета, не одинок в своих размышлениях об этом странном виде трансмутации измерений. Растущее число физиков, работающих в разных областях дисциплины с различными подходами, все больше сходятся в глубокой идее: пространство и, возможно, даже время не являются фундаментальными. Вместо этого пространство и время могут быть эмерджентными: они могут возникать из структуры и поведения более основных компонентов природы. На самом глубоком уровне реальности такие вопросы, как "Где?" и "Когда?", могут просто не иметь ответов. "Физика намекает нам на то, что пространство-время, как мы его понимаем, не является фундаментальной вещью", - говорит Пакетт.

Эти радикальные представления исходят из последних поворотов в столетней охоте за теорией квантовой гравитации. Лучшей теорией гравитации для физиков является общая теория относительности, знаменитая концепция Альберта Эйнштейна о том, как материя искривляет пространство и время. Лучшей теорией всего остального является квантовая физика, которая поразительно точно определяет свойства материи, энергии и субатомных частиц. Обе теории легко прошли все испытания, которые физики смогли придумать за последнее столетие. Если соединить их вместе, можно подумать, что получится "теория всего".

Но эти две теории не очень хорошо играют друг с другом. Спросите у общей теории относительности, что происходит в контексте квантовой физики, и вы получите противоречивые ответы, а необузданные бесконечности вырвутся на свободу в ваших расчетах. Природа знает, как применять гравитацию в квантовых контекстах - это произошло в первые моменты большого взрыва, и это все еще происходит в сердцах черных дыр - но мы, люди, все еще пытаемся понять, как этот трюк выполняется. Часть проблемы заключается в том, как две теории относятся к пространству и времени. В то время как квантовая физика рассматривает пространство и время как неизменные, общая относительность искажает их на завтрак.

Каким-то образом теория квантовой гравитации должна примирить эти представления о пространстве и времени. Один из способов сделать это - устранить проблему в ее источнике, самом пространстве-времени, заставив пространство и время возникнуть из чего-то более фундаментального. В последние годы несколько различных направлений исследований предположили, что на самом глубоком уровне реальности пространство и время существуют не так, как в нашем повседневном мире. За последнее десятилетие эти идеи радикально изменили представления физиков о черных дырах. Теперь исследователи используют эти концепции для выяснения работы чего-то еще более экзотического: червоточин - гипотетических туннелеподобных соединений между удаленными точками пространства-времени. Эти успехи поддерживают надежду на еще более глубокий прорыв. Если пространство-время является эмерджентным, то выяснение того, откуда оно берется и как оно может возникнуть из чего-либо еще, может стать тем самым недостающим ключом, который наконец-то откроет дверь к теории всего.

МИР В ДУЭТЕ СТРУН

Сегодня наиболее популярной среди физиков теорией-кандидатом квантовой гравитации является теория струн. Согласно этой идее, одноименные струны являются фундаментальными составляющими материи и энергии, порождая бесчисленное множество фундаментальных субатомных частиц, наблюдаемых на ускорителях частиц по всему миру. Они даже ответственны за гравитацию - гипотетическая частица, переносящая гравитационную силу, "гравитон", является неизбежным следствием теории.

Но теорию струн трудно понять - она живет на математической территории, на изучение которой у физиков и математиков ушли десятилетия. Большая часть структуры теории все еще остается неизведанной, экспедиции все еще планируются, а карты еще предстоит составить. В этом новом царстве основным методом навигации являются математические дуальности - соответствия между одним видом системы и другим.

Подобная двойственность наводит многих теоретиков струн на мысль о том, что пространство само по себе является эмерджентным. Эта идея зародилась в 1997 году, когда Хуан Мальдасена, физик из Института перспективных исследований, обнаружил дуальность между хорошо понятной квантовой теорией, известной как конформная теория поля (КТП), и особым видом пространства из общей теории относительности, известным как пространство анти-де Ситтера (AdS). Эти две теории кажутся дико разными: в CFT нет ни малейшей гравитации, а в AdS-пространстве есть вся теория гравитации Эйнштейна. Тем не менее, одна и та же математика может описать оба мира. Когда это было обнаружено, соответствие AdS/CFT обеспечило ощутимую математическую связь между квантовой теорией и полной вселенной с гравитацией.

Любопытно, что AdS-пространство в AdS/CFT-соответствии имело на одно измерение больше, чем квантовая CFT. Но физики радовались этому несоответствию, потому что это был полностью отработанный пример другого вида соответствия, придуманного несколькими годами ранее физиками Герардом 'т Хоофтом из Утрехтского университета в Нидерландах и Леонардом Сасскиндом из Стэнфордского университета, известного как голографический принцип. Основываясь на некоторых особенностях черных дыр, 'т Хоофт и Сасскинд подозревали, что свойства области пространства могут быть полностью "закодированы" ее границей. Другими словами, двумерная поверхность черной дыры будет содержать всю информацию, необходимую для того, чтобы узнать, что находится в ее трехмерной внутренней части, подобно голограмме. "Я думаю, многие люди думали, что мы сошли с ума", - говорит Сасскинд. "Два хороших физика стали плохими".

Аналогичным образом, в AdS/CFT соответствии, четырехмерное CFT кодирует все о пятимерном AdS пространстве, с которым оно связано. В этой системе вся область пространства-времени построена из взаимодействий между компонентами квантовой системы в конформной теории поля. Мальдасена сравнивает этот процесс с чтением романа. "Если вы рассказываете историю в книге, то в ней есть персонажи, которые что-то делают", - говорит он. "Но все, что есть - это строка текста, верно? То, что делают персонажи, вытекает из этой строки текста. Персонажи в книге - это как объемная теория [AdS]. А строка текста - это [CFT]".

Но откуда берется пространство в AdS-пространстве? Если это пространство эмерджентно, то из чего оно возникает? Ответ заключается в особом и странно квантовом виде взаимодействия в CFT: запутывание, дальняя связь между объектами, мгновенно коррелирующая их поведение статистически невероятным образом. Запутанность, как известно, беспокоила Эйнштейна, который назвал ее "жутким действием на расстоянии".

Узнаем ли мы когда-нибудь истинную природу пространства и времени?

Однако, несмотря на свою жутковатость, запутывание является основной характеристикой квантовой физики. Когда любые два объекта взаимодействуют в квантовой механике, они обычно становятся запутанными и будут оставаться запутанными до тех пор, пока они остаются изолированными от остального мира - независимо от того, насколько далеко друг от друга они могут находиться. В экспериментах физики поддерживали запутанность между частицами, находящимися на расстоянии более 1 000 километров друг от друга, и даже между частицами, находящимися на земле, и другими, отправленными на орбитальные спутники. В принципе, две запутанные частицы могут поддерживать свою связь на противоположных концах галактики или Вселенной. Расстояние просто не имеет значения для запутанности - загадка, которая не давала покоя многим физикам на протяжении десятилетий.

Но если пространство является эмерджентным, то способность запутанности сохраняться на больших расстояниях может быть не такой уж загадочной - в конце концов, расстояние является конструкцией. Согласно исследованиям соответствия AdS/CFT, проведенным физиками Синсеем Рю из Принстонского университета и Тадаши Такаянаги из Киотского университета, именно запутанность создает расстояния в пространстве AdS. Любые две близлежащие области пространства на стороне AdS дуальности соответствуют двум сильно запутанным квантовым компонентам CFT. Чем сильнее они запутаны, тем ближе друг к другу находятся эти области пространства.

В последние годы физики стали подозревать, что эта связь может быть применима и к нашей Вселенной. "Что же удерживает пространство вместе и не дает ему распасться на отдельные субрегионы? Ответ - запутанность между двумя частями пространства", - говорит Сасскинд. "Непрерывность и связность пространства обязана своим существованием квантово-механической запутанности". Запутанность, таким образом, может лежать в основе структуры самого пространства, образуя нити основы и утка, которые порождают геометрию мира. "Если бы вы могли каким-то образом разрушить запутанность между двумя частями [пространства], пространство бы распалось", - говорит Сасскинд. "Оно бы наоборот возникло. Оно бы не возникло".

Если пространство состоит из запутанности, то загадку квантовой гравитации решить гораздо проще: вместо того чтобы пытаться объяснить искривление пространства квантовым способом, пространство само возникает из фундаментально квантового явления. Сасскинд подозревает, что именно поэтому теорию квантовой гравитации было так трудно найти с самого начала. "Я думаю, что причина, по которой она никогда не работала очень хорошо, заключается в том, что она начиналась с картины двух разных вещей, [общей относительности] и квантовой механики, и соединяла их вместе", - говорит он. "А я думаю, что дело в том, что они слишком тесно связаны друг с другом, чтобы их можно было разделить, а потом снова собрать вместе. Не существует гравитации без квантовой механики".

Однако учет эмерджентного пространства - это только половина работы. Поскольку пространство и время так тесно связаны в теории относительности, любой рассказ о том, как возникает пространство, должен объяснять и время. "Время тоже должно как-то возникать", - говорит Марк ван Раамсдонк, физик из Университета Британской Колумбии и пионер в области связи между запутанностью и пространством-временем. "Но это не очень хорошо изучено и является активной областью исследований".

Другой активной областью, по его словам, является использование моделей эмерджентного пространственного времени для понимания червоточин. Ранее многие физики считали, что отправка объектов через червоточину невозможна даже в теории. Но за последние несколько лет физики, работающие над соответствием AdS/CFT и подобными моделями, нашли новые способы построения червоточин. "Мы не знаем, можем ли мы сделать это в нашей вселенной", - говорит ван Раамсдонк. "Но теперь мы знаем, что определенные виды проходимых червоточин теоретически возможны". Две статьи - одна в 2016 году, другая в 2018 году - привели к тому, что работа в этой области продолжается. Но даже если преодолимые червоточины удастся построить, они будут малопригодны для космических путешествий. Как отмечает Сасскинд, "вы не сможете пройти через червоточину быстрее, чем это потребовалось бы [свету], чтобы пройти длинный путь".

ПРОСТРАНСТВО ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЙ

Если теоретики струн правы, то пространство построено из квантовой запутанности, и время тоже может быть таким. Но что это может означать на самом деле? Как пространство может быть "создано" из запутанности между объектами, если эти объекты сами не находятся где-то? Как эти объекты могут стать запутанными, если они не испытывают времени и изменений? И какое существование может быть у вещей, если они не живут в истинном пространстве и времени?

Это вопросы, граничащие с философией, и действительно, философы физики воспринимают их всерьез. "Как, черт возьми, пространственное время может быть такой вещью, которая может быть эмерджентной?" - спрашивает Элеонора Нокс, философ физики из Королевского колледжа Лондона. Интуитивно, говорит она, это кажется невозможным. Но Нокс не считает это проблемой. "Наши интуиции иногда просто ужасны, - говорит она. Они "развивались в африканской саванне, взаимодействуя с макрообъектами, макрожидкостями и биологическими животными" и, как правило, не переносятся в мир квантовой механики. Когда речь идет о квантовой гравитации, "вопросы "Где материал?" и "Где он живет?" не являются правильными", - заключает Нокс.

Конечно, это правда, что в повседневной жизни предметы живут на своих местах. Но, как отмечают Нокс и многие другие, это не означает, что пространство и время должны быть фундаментальными - просто они должны надежно возникать из того, что является фундаментальным. Рассмотрим жидкость, говорит Кристиан Вютрих, философ физики из Женевского университета. "В конечном итоге это элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны или, что еще более фундаментально, кварки и лептоны. Обладают ли кварки и лептоны свойствами жидкости? Это просто не имеет смысла, верно?... Тем не менее, когда эти фундаментальные частицы собираются вместе в достаточном количестве и демонстрируют определенное поведение вместе, коллективное поведение, тогда они будут вести себя подобно жидкости".

Пространство и время, говорит Вютрих, могут работать таким же образом в теории струн и других теориях квантовой гравитации. В частности, пространственное время может возникнуть из материалов, которые мы обычно считаем живыми во Вселенной - материи и энергии. "Дело не в том, что сначала у нас есть пространство и время, а затем мы добавляем материю", - говорит Вютрих. "Скорее, что-то материальное может быть необходимым условием для существования пространства и времени. Это все еще очень тесная связь, но только в другую сторону от того, что вы могли подумать первоначально".

Но есть и другие способы интерпретации последних открытий. Соответствие AdS/CFT часто рассматривается как пример того, как пространственное время может возникнуть из квантовой системы, но, по словам Алиссы Ней, философа физики из Калифорнийского университета в Дэвисе, это может быть не совсем так. "AdS/CFT дает вам возможность предоставить руководство по переводу между фактами о пространственном времени и фактами квантовой теории", - говорит Ней. "Это совместимо с утверждением, что пространственное время является эмерджентным, а некоторая квантовая теория - фундаментальной". Но верно и обратное, говорит она. Соответствие может означать, что квантовая теория является эмерджентной, а пространственное время - фундаментальным, или что ни то, ни другое не является фундаментальным и что существует какая-то еще более глубокая фундаментальная теория. Эмерджентность - это сильное утверждение, говорит Ней, и она допускает возможность того, что это правда. "Но, по крайней мере, глядя только на AdS/CFT, я все еще не вижу четких аргументов в пользу эмерджентности".

Возможно, более серьезный вызов картине эмерджентного пространства-времени в теории струн скрыт на виду, прямо в названии самого соответствия AdS/CFT. "Мы не живем в пространстве анти-де Ситтера", - говорит Сасскинд. "Мы живем в чем-то гораздо более близком к пространству де Ситтера". Пространство де Ситтера описывает ускоряющуюся и расширяющуюся Вселенную, очень похожую на нашу собственную. "У нас нет ни малейшего представления о том, как [голография] применяется там", - заключает Сасскинд. Выяснение того, как установить подобное соответствие для пространства, более похожего на реальную Вселенную, является одной из наиболее актуальных проблем для теоретиков струн. "Я думаю, мы сможем лучше понять, как перейти к космологической версии этого", - говорит ван Раамсдонк.

Наконец, есть новости - или их отсутствие - от новейших ускорителей частиц, которые не нашли никаких доказательств существования дополнительных частиц, предсказанных суперсимметрией - идеей, на которую опирается теория струн. Согласно суперсимметрии, у всех известных частиц должны быть свои "суперпартнеры", что удваивает число фундаментальных частиц. Но Большой адронный коллайдер ЦЕРН под Женевой, созданный отчасти для поиска суперпартнеров, не обнаружил их. "Все действительно точные версии [эмерджентного пространственного времени], которые у нас есть, существуют в суперсимметричных теориях", - говорит Сасскинд. "Если у вас нет суперсимметрии, способность математически следовать уравнениям просто испаряется из ваших рук".

АТОМЫ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ

Теория струн - не единственная идея, которая предполагает возникновение пространства-времени. Теория струн "не оправдала своих надежд как способ объединения гравитации и квантовой механики", - говорит Абхай Аштекар, физик из Университета штата Пенсильвания. "Сила теории струн сейчас заключается в предоставлении чрезвычайно богатого набора инструментов, который широко используется во всем спектре физики". Аштекар является одним из первооткрывателей наиболее популярной альтернативы теории струн, известной как петлевая квантовая гравитация. В петлевой квантовой гравитации пространство и время не являются гладкими и непрерывными, как в общей теории относительности, вместо этого они состоят из дискретных компонентов, которые Аштекар называет "кусками или атомами пространства-времени".

Эти атомы пространства-времени соединены в сеть, с одно- и двумерными поверхностями, соединяющими их вместе в то, что специалисты по петлевой квантовой гравитации называют спиновой пеной. И несмотря на то, что эта пена ограничена двумя измерениями, она порождает наш четырехмерный мир, в котором три измерения пространства и одно - времени. Аштекар сравнивает его с одеждой. "Если вы посмотрите на свою рубашку, она выглядит как двухмерная поверхность", - говорит он. "Если вы возьмете увеличительное стекло, то сразу увидите, что это все одномерные нити. Просто эти нити настолько плотно упакованы, что для всех практических целей вы можете считать рубашку двумерной поверхностью. Точно так же и пространство вокруг нас выглядит как трехмерный континуум. Но на самом деле существует пересечение этих [атомов пространства-времени]".

Хотя и теория струн, и петлевая квантовая гравитация предполагают, что пространство-время является эмерджентным, вид эмерджентности в этих двух теориях различен. Теория струн предполагает, что пространство-время (или, по крайней мере, пространство) возникает из поведения, казалось бы, несвязанной системы, в форме запутанности. Подумайте о том, как пробки возникают из коллективных решений отдельных водителей. Не машины создают пробки - машины создают пробки. С другой стороны, в петлевой квантовой гравитации возникновение пространства-времени больше похоже на наклонную песчаную дюну, возникающую в результате коллективного движения песчинок под ветром. Гладкое знакомое нам пространство-время возникает в результате коллективного поведения крошечных "зерен" пространства-времени; как и дюны, зерна все еще являются песком, хотя крупные кристаллические зерна не выглядят и не ведут себя так, как волнистые дюны.

Несмотря на эти различия, и петлевая квантовая гравитация, и теория струн предполагают, что пространство-время возникает из некой лежащей в основе реальности. Они также не являются единственными предложенными теориями квантовой гравитации, которые указывают в этом направлении. Теория причинных множеств, еще один претендент на роль теории квантовой гравитации, утверждает, что пространство и время состоят из более фундаментальных компонентов. "Действительно поразительно, что большинство правдоподобных теорий квантовой гравитации, которые у нас есть, в некотором смысле говорят о том, что да, общее релятивистское пространство-время не существует на фундаментальном уровне", - говорит Нокс. "Люди очень радуются, когда различные теории квантовой гравитации хотя бы в чем-то сходятся".

БУДУЩЕЕ ПРОСТРАНСТВА НА КРАЮ ВРЕМЕНИ

Современная физика - жертва своего собственного успеха. Поскольку квантовая физика и общая теория относительности настолько феноменально точны, квантовая гравитация нужна только для описания экстремальных ситуаций, когда огромные массы помещаются в непостижимо крошечные пространства. Такие условия существуют лишь в нескольких местах в природе, например, в центре черной дыры, и уж точно не в физических лабораториях, даже не в самых больших и мощных. Потребуется ускоритель частиц размером с галактику, чтобы напрямую проверить поведение природы в условиях, где господствует квантовая гравитация. Отсутствие прямых экспериментальных данных во многом объясняет, почему ученые так долго ищут теорию квантовой гравитации.

Столкнувшись с отсутствием доказательств, большинство физиков возлагают свои надежды на небо. В самые ранние моменты после большого взрыва вся Вселенная была феноменально мала и плотна - ситуация, которая требует квантовой гравитации для ее описания. И отголоски той эпохи могут оставаться в небе и сегодня. "Я думаю, что наша лучшая ставка [для проверки квантовой гравитации] - это космология", - говорит Малдасена. "Может быть, что-то в космологии, что мы сейчас считаем непредсказуемым, можно будет предсказать, когда мы поймем всю теорию, или что-то новое, о чем мы даже не думали".

Однако лабораторные эксперименты могут пригодиться для проверки теории струн, по крайней мере, косвенно. Ученые надеются изучить соответствие AdS/CFT не путем зондирования пространства-времени, а создавая сильно запутанные системы атомов и наблюдая, проявляется ли в их поведении аналог пространства-времени и гравитации. Такие эксперименты могут "иметь некоторые черты гравитации, хотя, возможно, не все", - говорит Малдасена. "Это также зависит от того, что именно вы называете гравитацией".

Узнаем ли мы когда-нибудь истинную природу пространства и времени? Данные небесных наблюдений, возможно, не скоро появятся. Лабораторные эксперименты могут оказаться неудачными. И, как хорошо известно философам, вопросы об истинной природе пространства и времени очень стары. То, что существует, "теперь все вместе, одно, непрерывно", - сказал философ Парменид 2 500 лет назад. "Все полно того, что есть". Парменид утверждал, что время и перемены - это иллюзии, что все везде одно и то же. Его ученик Зенон создал знаменитые парадоксы, чтобы доказать правоту своего учителя, якобы показывая, что движение на любое расстояние невозможно. Их работы подняли вопрос о том, что время и пространство каким-то образом иллюзорны, - тревожная перспектива, которая преследует западную философию уже более двух тысячелетий.

Тот факт, что древние греки задавали такие вопросы, как "Что такое пространство?", "Что такое время?", "Что такое изменение?", и что мы все еще задаем версии этих вопросов сегодня, означает, что это были правильные вопросы", - говорит Вютрих. "Именно размышляя над такими вопросами, мы многое узнали о физике".