Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

• Название: Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
• Автор: Юрий Артамонов
• Жанр: Современная проза

════Реально ли время? Релятивистский и квантовый полюса современной физики свидетельствуют, что нет, и время является иллюзией. Будущее с точки зрения законов физики фундаментально не отличается от прошлого и полностью определено этими законами и начальными условиями вселенной. Однако, иллюзорность времени приводит к ряду парадоксов и вопросов, на которые нет ответа или приходится отвечать так, что остается неудовлетворенность и чувство тупика. Пример: почему мы имеем те законы, которые имеем? Доминирующая сейчас космологическая парадигма ссылается на теории мультивселенной и антропный принцип, что принципиально не проверяемо и не дает предсказаний наблюдаемых явлений.

════Американский физик-теоретик Ли Смолин в своей четвертой книге "Возрожденное время" утверждает, что есть иной выход. Все обоснования иллюзорности времени опровергаемы. Признание реальности времени открывает ряд новых интригующих возможностей. Например, что законы природы эволюционируют в этом реальном времени и могут быть объяснены своей историей. Или что можно обойти конфликт между объяснением квантовых явлений через скрытые переменные (неизбежно нелокальным) и принципом относительности.

════ Книга программная и вводная, она анонсирует строгий натурфилософский труд по вопросу реальности времени и эволюции законов, который пишется сейчас Смолином вместе с бразильским философом Роберто Унгером. Будет крайне интересно проследить за развитием объявленных идей.

---

    Конечно, Интернет делает то же самое. Пространство, нас разделяющее, растворяется сетью соединений, которая существенно сближает всех. В итоге мы живем вместе в многомерном пространстве. Мы быстро становимся миром, в котором много людей могут выбрать жизнь почти полностью в многомерном пространстве. Все, что для этого нужно, это немного виртуальной реальности - так что, скажем, звонок сотового телефона будет призывать голограмму персоны, которой вы звоните, и проектировать вашу голограмму, где бы вы ни находились.

    В многомерном мире с неограниченным потенциалом для связей вы сталкиваетесь с гораздо большим числом вариантов выбора, чем в физическом мире трех измерений. Многие из проблем, с которыми столкнулся наш опутанный проводами мир, возникают вследствие этого безмерно возросшего моря возможностей, и многие из общественных средств массовой информации, которые быстро распространились, выстроены для эксплуатации и управления этим морем.

к оглавлению

    Представим себе ребенка, воспитанного в таком многомерном мире, где пространство роли не играет. Он будет думать о своем мире как о гигантской сети, в которой изменчивые и динамические системы связей поддерживают каждого в одном шаге от любого другого. Представим теперь, что кто-то выключил рубильник. Питание исчезает, и жители сети впадают в куда более ограниченный и менее возбуждающий мир. Они откроют, что они на самом деле живут в трех измерениях и что пространство разделяет большинство людей. Число соседей сократится с 5 миллиардов до горстки, и почти любой внезапно окажется очень далеко.

    Эта картина является метафорой того, как некоторые физики в настоящее время думают о пространстве. Мы (да, я тоже среди них) верим, что пространство есть иллюзия и что реальные взаимоотношения, формирующие мир, представляют собой динамическую сеть, немного похожую на Интернет или сотовую сеть. Мы испытываем иллюзию пространства, поскольку большая часть из возможных связей выключена, выталкивая все далеко.

    Эта картина возникает из класса подходов к квантовой гравитации, в которых пространство не принимается как фундаментальное, а время принимается. Эти подходы постулируют фундаментальную квантовую структуру - одну из тех, которые не нуждаются в пространстве для своего определения. Идея в том, что пространство возникает точно так же, как возникает термодинамика из физики атомов. Такие подходы фоново-независимы, поскольку они не предполагают существования фиксированной фоновой геометрии. Напротив, первичным понятием является граф или сеть, определяемая, по сути, без ссылки на пространство.

    Первый из этих подходов, который был разработан, назван причинные динамические триангуляции, изобретен Яном Амбьорном и Ренатой Лолл и усовершенствован их соавторами [2]. Этот подход следует квантовым граффити (называемым так, поскольку они предполагают, что фундаментальными объектами в природе являются графы), изобретенным Фотини Маркопулу [3] и исследованным ее соавторами [4]. Интуитивная картина пространства, возникающего из выключения связей в сети, которую я только что давал, наиболее близко им соответствует. Третий подход - в котором имеется глобальное время, которое принимается фундаментальным, но в котором пространство не является эмерджентным, - введен Петром Хоравой [5]. Некоторые подходы к теории струн, называемые подходами матричных моделей, также могут быть описаны указанным образом [6].

    За счет принятия фундаментальности времени эти подходы отличаются от старых

к оглавлению

фоново-независимых подходов, постулирующих, что пространство-время - все вместе, как в монолитной вселенной - должно возникать из более фундаментального описания, в котором ни пространство, ни время не являются первичными. Указанные подходы включают петлевую квантовую гравитацию, причинные серии и некоторые другие подходы к теории струн.

    Имеются уроки, которые нужно извлечь из успехов и неудач каждого набора подходов. Они составляют историю, о которой пойдет речь в этой главе.

    Полезная метафора, возникающая из некоторых подходов к квантовой гравитации, заключается в представлении, что пространство не непрерывно, а представляет из себя решетку дискретных точек (см. Рис. 13). Частицы живут на узлах решетки и двигаются путем перепрыгивания к ближайшим соседям. Две частицы действуют силой или оказывают влияние друг на друга, только если они являются соседями. Если решетка низкоразмерная, число частиц, подходящих для взаимодействия, мало; оно возрастает вместе с размерностью, как и в нашем обсуждении человеческих соседей.

    Мы можем представить свет как фотоны, которые путешествуют путем прыгания, сосед за соседом, вдоль решетки. Чтобы послать фотон к удаленной частице, требуется много прыжков, а следовательно, это занимает время.

    Теперь подумаем о мире на сети, который имеет намного больше связей. Вещи будут ближе одна к другой в том смысле, что потребуется меньше

Рис.13. Пространство как решетка точек. Частица может быть только в одном из узлов, а движение состоит в прыжках от узла к узлу.

к оглавлению

шагов, чтобы установить связь через сеть, так что потребуется меньше времени, чтобы послать сигнал между двумя узлами сети.

    Один из наших принципов для новой космологии оговаривает, что ничто не должно воздействовать, не подвергаясь воздействию само. Так что если сеть указывает частицам, как двигаться, не должна ли сеть также изменяться в зависимости от того, где находятся частицы? Это могло бы составить образ физического мира, не сильно отличающегося от нашего взаимосвязанного человеческого мира. Мир есть динамическая сеть взаимоотношений; что бы ни жило на сети и какой бы ни была структура самой сети, то и другое подвержено эволюции. Таким представляется мир в фоново-независимых подходах к квантовой гравитации.

    Теория петлевой квантовой гравитации является старейшим и лучше всего разработанным фоново-независимым подходом к квантовой гравитации, так что начнем повествование с нее. Петлевая квантовая гравитация описывает пространство как динамическую сеть взаимоотношений. Типичное квантовое состояние геометрии пространства изображается в виде графа - то есть, фигуры, содержащей много ребер, которые присоединены к узлам или вершинам (см. Рис. 14). Все ребра (которые обозначают некоторый вид первичных взаимосвязей между узлами) имеют метки, обозначающие отношения между узлами, которые они соединяют. Эти метки могут быть взяты в виде целых чисел, одно целое число отмечает каждое ребро. (Узлы тоже имеют метки, но у них более сложное описание, и я не хочу здесь затруднять этим читателей).

    Вспомним, что в квантовой физике энергия атома квантуется и величины энергии определены только определенными состояниями с определенными дискретными энергиями. В соответствии с петлевой квантовой гравитацией объемы областей пространства также квантуются, последние могут иметь только определенные дискретные величины объемов. Площади поверхностей также квантуются [7]. Петлевая квантовая гравитация дает точные предсказания для спектров объемов и площадей. Они имеют потенциально наблюдаемые следствия - например, они подразумевают точные предсказания для спектров излучения, которое может наблюдаемо истекать из малых черных дыр [8].

    Рассмотрим кусочек стали - скажем, швейную иглу. Она выглядит достаточно гладкой, но мы знаем, что она сделана из атомов в упорядоченном расположении.

к оглавлению

Рис.14. Типичное квантовое состояние геометрии пространства, изображенное в виде графа. Если мы заглянем вниз до масштаба самих атомов, гладкость металла сменится картиной, построенной из дискретных блоков - атомов - связанных друг с другом упорядоченным образом. Пространство также кажется 'гладким' или непрерывным, но если петлевая квантовая гравитация верна, то пространство тоже сделано из дискретных блоков, которые могут мыслиться как 'атомы' пространства. Если бы мы могли наблюдать на Планковском масштабе, мы увидели бы, что гладкость пространства трансформировалась в указанную картину.

    В ОТО, как мы видели, геометрия пространства оказывается динамической. Она развивается во времени в ответ на движение материи или распространение гравитационных волн. Но если геометрия на самом деле является квантовой на Планковском масштабе, изменения в геометрии пространства должны происходить из изменений, имеющих место на этом масштабе. Например, должны быть осцилляции в квантовой геометрии пространства, соответствующие прохождению гравитационной волны. Триумфом петлевой квантовой гравитации стало то, что динамика пространства-времени, которая задается в ОТО уравнениями Эйнштейна, действительно может быть закодирована простыми правилами, по которым граф эволюционирует во времени [9]. Это проиллюстрировано на Рис. 15.