1. Необыкновенная проблема: квантовая гравитация

На четвертом курсе университета я наткнулся на статью английского физика Криса Ишема о квантовой гравитации. В статье говорилось, что остается нерешенной фундаментальная, лежащая в основании современной физики проблема, связанная с определениями времени и пространства, то есть базовых структур мира. Я с жадностью читал эту статью. Многого я не понял, но меня заворожил вопрос, освещенный в ней. Вот какова эта проблема в главных чертах.

Плачевное состояние фундаментальной физики

В великой научной революции XX века различается два крупных эпизода: с одной стороны, квантовая механика, с другой – общая теория относительности[1]. Прекрасно описывающая микроскопический мир квантовая механика перевернула наше представление о материи. Теория относительности, точно объясняющая действие притяжения, радикально изменила наши познания о времени и пространстве. Эти две теории получили широкое подтверждение на практике и сделали возможным развитие современных технологий.

Но эти теории вели к двум разным картинам мира, на первый взгляд, несовместимым. Каждая из них излагается так, как если бы другой не существовало. То, что преподаватель рассказывает студентам об общей относительности, – просто чепуха для его коллеги, преподающего квантовую механику тем же студентам в соседней аудитории, и наоборот. Квантовая механика пользуется старинными понятиями о пространстве и времени, противоречащими теории относительности. А теория относительности применяет старинные понятия материи и энергии, противоречащие квантовой механике.

В настоящее время в физике нет общего пространства, где обе теории применялись бы одновременно. В зависимости от масштаба рассматриваемых явлений применяют то одну, то другую. В тех физических вопросах, к исследованию которых можно приложить обе, будь это сверхмалые масштабы, центр черной дыры или первые этапы существования Вселенной, наука соприкасается с уровнями энергии, труднодостижимыми для нашего оборудования.

Мы не знаем, в каких формулировках говорить об этих двух великих открытиях, и у нас нет общих рамок, в которых мы могли бы размышлять о мире. Мы находимся в положении шизофреников, с нашими отрывочными и несовместимыми между собой объяснениями. Дело доходит до того, что мы больше не знаем, что такое пространство, время и материя. Сегодня фундаментальная физика находится в плачевном положении.

Такие ситуации уже возникали в истории науки, например до объединяющей работы Ньютона. У Кеплера, наблюдавшего звезды и планеты, они двигались по эллипсам. У Галилея, изучавшего падение тел на поверхность земли, объекты следовали по параболическим траекториям. Но Коперник понимал, что Земля – такое же место во Вселенной, как и всякое другое. Следовательно, возможна была теория, которая оказалась бы в одинаковой степени подходящей и для земли, и для неба. Ньютон сумел примирить два воззрения в одной теории: одно и то же уравнение теперь было приложимо и к движению планет, и к движению падающих яблок.

На протяжении трех столетий господствовало это прекрасное единство. До начала XX века физика представляла собой собрание взаимосвязанных законов, основанных на малом числе ключевых понятий, таких как время, пространство, причинность и материя. И, несмотря на значительную эволюцию, эти понятия остались во многом неизменными.

К концу XIX века трудности, возникавшие в этом едином собрании то здесь, то там, превысили критическую массу, и в первой четверти XX века вековые основания физики были обращены в прах квантовой механикой и общей теорией относительности. Мир утратил прекрасное единство ньютоновской Вселенной.

Две новые теории добились огромного успеха и постоянно подтверждались экспериментами. Сейчас они стали законными частями установившегося знания. Каждая из них меняет базу классической физики со своей стороны, но у нас нет концептуально связанной картины, которая включала бы обе теории. Вследствие этого мы не можем предсказывать события там, где тяготение начинает проявлять признаки квантовых эффектов, там, где расстояние меньше 10–33 сантиметров. Это крайне малые масштабы, но следовало бы уметь описывать то, что происходит в них. Вселенная не может подчиняться законам, соответствующим двум разным и несовместимым теориям. В природе действительно происходят процессы на столь микроскопическом масштабе – вблизи момента Большого взрыва или рядом с черной дырой, например. И если мы хотим понять такие явления, то должны уметь вычислять, что происходит на уровне ничтожно малых масштабов. Значит, нужно тем или иным способом примирить две теории. Эта задача и представляет собой центральную проблему квантовой гравитации.

Как видно, проблема сложная. Но, со всей неустрашимостью своих двадцати лет, я решил на последнем курсе университета посвятить жизнь ее исследованию. Меня соблазняла мысль об изучении таких фундаментальных категорий, как время и пространство, и даже само то, что проблема представлялась неразрешимой.

В Италии тогда никто над ней не работал. Мои профессора убеждали меня не устремляться в этом направлении: «Эта дорога никуда не приведет», «Ты никогда не найдешь работу», «Лучше тебе присоединиться к сильному коллективу, твердо стоящему на ногах». Но такие советы от благоразумных зрелых людей часто только усиливают веселую решимость молодого человека. Ребенком я читал сказки итальянского писателя Джанни Родари. В одной из них рассказывается про Джованнино и дорогу, которая никуда не ведет. Этот персонаж жил в деревне, где есть такая дорога. Из любопытства и упрямства он захотел пойти по ней – вопреки всему, что слышал от других. Отправившись в путь, он, конечно же, обнаружил замок с принцессой, которая осыпала его драгоценными камнями. Когда он вернулся в таком виде в деревню, все тоже бросились бежать по той дороге, но никто не нашел никакого сокровища. Эта история запала мне в душу. В случае с квантовой гравитацией я тоже нашел дорогу, которая, по общему убеждению, никуда не вела. Пойдя по ней, я отыскал свою принцессу и немало драгоценных камней.

2. Пространство, частицы и поля

Поговорим подробней о происхождении и о сути проблемы квантовой гравитации. И начнем с ключевого понятия – понятия пространства, которое первым среди прочих было поколеблено в истории науки. Потом я покажу, что понятие времени должно подвергнуться еще более впечатляющей трансформации.

Представление о пространстве, лежащее в основе наиболее знакомой нам картины мира, – это представление об огромном «ящике», в котором мир и находится. В этом ящике все единообразно, все совершается по одним и тем же законам, без каких-либо привилегированных направлений движения. Здесь применима геометрия Евклида, здесь развертываются мировые процессы. Все известные нам объекты состоят из частиц, находящихся в этом пространстве-ящике. Теория всемирного тяготения Ньютона была создана для такого пространства. А ньютоновская теория тяготения еще и сейчас остается базовой для бесчисленных технологических и инженерных применений физики во всех сферах.

Через двести лет после Ньютона, в конце XIX века, Джеймс Клерк Максвелл и Майкл Фарадей