Нелокальность. Феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего - Джордж Массер

В соответствии с квантовым граффити этот лабиринт представляет собой буквально комплекс каналов, а в матричных моделях он более абстрактен — лабиринт сложности. D0-браны, которые составляют дыру, находятся в непрерывном движении, постоянно перегруппировываясь так, словно плутают в лабиринте возможных размещений. Иногда бране везет: ее связи с партнерами на мгновение ослабевают, и она вылетает. Частица за частицей черная дыра рассеивается, как предсказывает Стивен Хокинг. «Длительное пребывание в сильном гравитационном поле, прежде чем вырваться в виде излучения Хокинга, — говорит Мартинек, — очень характерно для частицы, затерявшейся в этом огромном пространстве состояний».

Появление пространства может не только вызывать проявления нелокальности, наблюдаемые или ожидаемые физиками, но и предсказывать явления, которые пока что никто не видел. Одно из них известно под довольно противоречивым названием «пузырь ничего». Как и черная дыра, пузырь ничего — это фазовый переход, однако ближе по духу к кипению, чем к таянию. Когда вода в кастрюле на плите кипит, пузырьки пара зарождаются, расширяются и начинают сливаться до тех пор, пока вся жидкость не испарится. Аналогичным образом может зарождаться и расти небольшой карман отсутствия пространства. «В какой-то момент в пространстве-времени образуется квантово-механическая дыра, — говорит Розали. — Граница этой дыры распространяется со скоростью света. Это своего рода пожирание пространства-времени». К счастью, пузырь не должен засасывать вас подобно черной дыре — по правде говоря, вы не можете увидеть его непосредственно, поскольку он за пределами пространства. Несмотря на свое название, пузырь — это не совсем ничего. Квантовая система никуда не исчезает (как не исчезает вода при кипении), а просто становится слишком беспорядочной, чтобы считаться пространственной.

•

Теории пока что не имеют доказательств, однако концепция эмерджентного пространства-временипоказала свою практическую ценность. Некоторые типы систем реального мира ведут себя так, словно им присущи скрытые дополнительные измерения пространства. Например, материалы вблизи абсолютного нуля могут течь или проводить электрический ток непредвиденным образом, указывая на то, что материалы достигли более высокого уровня организации. Составляющие их частицы живут и движутся в трех пространственных измерениях, но самоорганизуются так, будто живут и движутся в четырех измерениях. Если посмотреть на эти материалы, то вы не увидите напрямую более высокого измерения. Оно существует на другом уровне описания, где первичными объектами являются не частицы, а их кластеры. Математика AdS/CFT-соответствия облегчает анализ таких систем.

Аналогичное явление наблюдается на другом конце температурной шкалы. За последнее десятилетие на ускорителях вроде Большого адронного коллайдера удалось разогнать ядра атомов до скоростей, соответствующих сверхгорячему состоянию материи. Полученная кипящая и бурлящая плазма представляет собой невероятную кашу — кварки и глюоны в ней взаимодействуют настолько интенсивно, что даже величайшие математические таланты на планете не могут предсказать, как они себя поведут. Тем не менее эта плазма отличается внутренней простотой, которая становится очевидной, если сделать мысленный скачок и представить, что она существует в четырех измерениях. Например, трение в плазме можно рассматривать как гравитационные волны, исходящие из черной дыры в более многомерном пространстве. Такая аналогия даже физику не сразу приходит в голову. В каком-то смысле Большой адронный коллайдер создает не новые формы материи, а пространство.

•

Удивительно сознавать, что пространство, которое так долго считали незыблемым фундаментом физической реальности, может покоиться на еще более глубоком слое. Проявления нелокальности — ключи к разгадке этой фундаментальной структуры, если, конечно, удастся понять, как нечто формируется, на основе наблюдения за тем, как оно распадается. По иронии судьбы основной упрек, который предъявляют квантовому граффити, матричным моделям и AdS/CFT, заключается не в том, что они слишком фантастичные, а в том, что они недостаточно фантастичны. Все эти модели по-прежнему строятся на базе квантовой физики и общей теории относительности, и значительная часть структуры, которая вроде бы должна возникать спонтанно, фактически предопределена правилами.

В частности, эти модели исходят из существования времени, они не учитывают предположения Лейбница и Маха о том, что время должно появляться точно так же, как и пространство. Некоторые исследователи видят в этом не недостаток, а глубинную истину природы — время должно быть фундаментальным, даже если пространство таковым не является. В конце концов, должна же у физики быть некая фундаментальная структура, нечто такое, на чем строится все остальное, и время ничем не хуже любого другого кандидата на эту роль. В самом деле, разве можно говорить об эмерджентности как о временно́м процессе, если она не предполагает существования времени? «Стоит только сказать, что время эмерджентно, и вы сходите с рельсов, — говорит Мартинек. — Каковы правила? Что я делаю?» Космолог из Калифорнийского технологического института Шон Кэрролл высказывается очень коротко: «Пространство совершенно переоценено, а время недооценено… Я думаю, что время должно остаться… Пространство же — полная фикция. Пространство — это просто приближенное представление, которое полезно в определенных условиях».

Вместе с тем такое разделение времени и пространства противоречит величайшей догадке Эйнштейна о том, что то и другое фундаментально неразделимо. Если одно является эмерджентным, то таким должно быть и другое. Многие физики полагают, что время возникает, и ищут пути представления эмерджентности без обязательного существования времени. Разгадка видится в голографическом принципе. До сих пор я говорил о нем как о способе генерирования пространства, однако он может генерировать и время. Ключевым моментом в обоих случаях является существование границы. Если Вселенная имеет границу, расположенную очень далеко в пространстве, то эмерджентное измерение пространственно, а если граница расположена в прошлом или в будущем, то эмерджентное измерение темпорально. В сущности, насколько могут судить астрономы, наша Вселенная имеет темпоральные, а не пространственные границы. В прошлом есть Большой взрыв; в будущем — бесконечно ускоряющееся расширение, которое тоже служит своего рода границей. Наблюдатель, находящийся на этой границе в отдаленном прошлом или будущем, должен знать все, что можно знать о промежуточных моментах. Вчера, сегодня и завтра должны слиться в одно целое.

По этой логике теории, которые предполагают существование времени, являются неполными, простыми ступенями к полному отчету о том, как пространство и время появляются из более глубоких физических процессов. Теоретикам необходим еще более радикальный подход к объяснению нелокальности, чем те, которые они использовали до сих пор. И они, без всякого сомнения, приближаются к нему.