Джон Гриббин - В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Заявив, что в его понимании «это уравнение Шрёдингера не имеет решения», Дирак завершил свою лекцию, подчеркнув, что теорию необходимо решительно изменить, чтобы она приобрела математический смысл. «Простых изменений недостаточно… Я чувствую, что необходимое изменение будет почти столь же драматично, как и пассаж из теории Бора о квантовой механике». Где искать такую новую теорию? Если бы у меня был ответ на этот вопрос, я бы уже поднимался на сцену за Нобелевской премией. И все же я могу показать вам несколько интересных завоеваний современной физики, которые в принципе могли бы удовлетворить даже высоким требованиям Дирака к хорошей теории.

Возможно, путь к лучшему понимаю природы Вселенной находится в той части физического мира, которая до сих пор в основном игнорировалась квантовой теорией. Квантовая механика многое рассказывает о материальных частицах, но почти ничего не говорит о пустом пространстве. Еще Эддингтон более 50 лет назад в книге «Природа физического мира» заметил, что революция, показавшая нам, что твердая материя в значительной степени состоит из пустых пространств, является гораздо более фундаментальной, чем революция, произведенная теорией относительности. Даже твердый объект, например мой письменный стол или эта книга, в действительности почти целиком является пустым пространством. Отношение материи к пространству даже меньше отношения песчинки к Альберт-Холлу. Квантовая теория кое-чего не сообщает нам об этих пренебрежимых 99,99999… процентах Вселенной, а именно того, что они полны активности, что в них крутятся вихри виртуальных частиц. К сожалению, те же самые квантовые уравнения, которые дают бесконечные результаты в квантовой электродинамике, также показывают, что плотность энергии вакуума бесконечна и даже пустое пространство должно быть перенормировано. Когда стандартные квантовые уравнения сочетаются с уравнениями общей теории относительности в попытке создать лучшее описание реальности, ситуация становится еще хуже – бесконечности по-прежнему появляются, но теперь их нельзя даже перенормировать. Мы явно идем по ложному следу. Но какой же след истинный?

Роджер Пенроуз из Оксфордского университета в попытке достигнуть прогресса вернулся к основам. Он рассмотрел различные варианты составления геометрического описания вакуума и частиц в вакууме, и эти описания включали искаженное пространство-время и искривленные кусочки пространства-времени, которые мы воспринимаем как частицы. По очевидным причинам (англ, twist – закручивать, искривлять. – Примеч. пер.) разработанная им теория получила название теории «твисторов». К сожалению, помимо того, что математика этой теории не поддается пониманию обычных людей, сама теория далека от того, чтобы считаться законченной. Но концепция очень важна: с помощью этой теории Пенроуз пытается объяснить и крошечные частицы, и огромные пустые пространства внутри твердых предметов наподобие этой книги. Может, теория и неверна, но, затрагивая проблему, в основном игнорируемую учеными, она проливает свет на одну из возможных причин провалов стандартной теории.

Есть и другие способы представить искажения пространства на квантовом уровне. Сочетая гравитационную постоянную, постоянную Планка и скорость света (три фундаментальных постоянных физики), можно получить уникальную базовую единицу длины, представляющую собой самый маленький отрезок пространства, который можно описать достоверно. Она очень мала, около 10 -35метра, и называется планковской длиной. Точно так же, если организовать фундаментальные постоянные другим образом, можно получить одну-единственную фундаментальную единицу времени – планковское время, которое составляет примерно 10 -43секунды [78]. Бессмысленно говорить о каком-либо меньшем интервале времени, чем планковское время, или о каком-либо меньшем пространственном измерении, чем планковская длина.

Квантовыми флуктуациями в геометрии пространства можно полностью пренебречь на уровне атомов или даже элементарных частиц, но на этом фундаментальном уровне и само пространство можно представить пеной квантовых флуктуаций – Джон Уилер, который разработал эту идею, проводит сравнение с океаном, который кажется плоским для авиатора, летящего высоко над ним, но кажется совершенно не плоским пассажирам спасательной шлюпки, болтающейся на его изменчивой, подверженной штормам поверхности [79]. На квантовом уровне само пространство-время может быть очень сложным с точки зрения топологии, с «кротовыми норами» и «мостами», соединяющими различные области пространства-времени. Как альтернатива, согласно вариации на тему, пустое пространство может состоять из черных дыр размером с планковскую длину, прижатых друг к другу.