Книга Простая сложная Вселенная - Кристоф Гальфар

Нужно найти способ вернуть гравитацию обратно.

Превратить ее в квантовое поле.

И как это сделать?

Квантовые теории поля утверждают, что, так как кругом существуют поля, то они могут создавать небольшие порции энергии или материи, называемые квантами.[53] Основными квантами электромагнитного поля являются элементарные частицы, обладающие наименьшим электрическим зарядом, – фотоны и электроны. Аналогичным образом, основными квантами поля сильного ядерного взаимодействия становятся кварки и глюоны, тогда как к основным квантам гравитационного поля, рассматриваемого как гипотетическое квантовое поле, относятся упомянутые ранее гравитоны.

Вы уже слышали о них в пятой части, но тогда мы их проигнорировали. Зачем же они вновь появляются здесь? Потому что мы хотим посмотреть, что с ними не то.

Так что давайте думать, что гравитация появляется из квантового поля, как и все другие виденные до сих пор поля. Тогда гравитоны становятся переносчиками взаимодействия. И если рассчитать на бумаге, как гравитоны могут повлиять на окружающую их среду, то теоретики нашли бы это влияние таким же, как у кривых пространства-времени.

На бумаге они и есть гравитация.

Весьма многообещающее начало.

Но, поразмыслив дальше, ученые поняли, что тогда эти самые кванты гравитационного поля, гравитоны, полностью провалят всю выстроенную теорию гравитации.

Не очень хорошая новость.

Почему?

Во-первых, у гравитонов нет никаких причин не взаимодействовать друг с другом: если они существуют, то обязаны подвергаться гравитации, как и все остальное, и, следовательно, воздействуют сами на себя.

И, во-вторых, будучи элементарными частицами квантового поля, они обязаны появляться отовсюду из вакуума своего поля, приводя как раз к тем бесконечностям, что устранили Хоофт и Велтман. На этот раз, однако, гравитационные квантовые бесконечности нельзя удалить с помощью процедуры перенормировки: здесь механизм Хоофта и Велтмана полностью проваливается, а подход Вильсона неприменим вообще, так как игнорирует те самые расстояния, на котором действуют гравитоны.

В итоге это означает возникновение действительно проблематичных бесконечностей при попытке превратить гравитацию в квантовое поле стандартным образом, и очевидно, что нельзя игнорировать гравитацию, чтобы избавиться от гравитонов, потому что они и есть гравитация.

Если бы гравитация была квантовым полем, как только что говорилось, если гравитоны являлись правильным описанием того, как работает гравитация в природе, то пространство-время должно было отреагировать на эти бесконечности и практически разрушиться. Чего не происходит. Или бы мы не стали упоминать об этом.

Как ни странно, но, несмотря на все перечисленное, многие ученые (в том числе и я – я расскажу об этом в седьмой части) – и вы можете считать их ненормальными, – полагают, что гравитоны существуют, по крайней мере как часть всеобъемлющей теории, в поисках которой все находятся.

Теперь, раз уж мы затронули тему, давайте пойдем еще дальше, так что вы сразу же увидите несколько причин, почему общая теория относительности Эйнштейна и квантовая теория поля расходятся.

Гравитация имеет отношение к пространству-времени. Иначе говоря, к пространству и времени. Переплетенным между собой.

В квантовой теории поля вылетающие из вакуума элементарные частицы являются порождением самого поля. Следовательно, для квантовой теории поля гравитации элементарные частицы должны также порождаться своим полем. Но уже полем пространства-времени.

Таким образом, сами частицы должны состоять из пространства и времени.

Это означает, что кругом должны находиться существенные порции пространства-времени, и, кстати, ни пространство, ни время не должны быть непрерывными.

Хуже того, эти порции пространства-времени должны обладать способностью вести себя одновременно как волны и как частицы. И подвергаться квантовому туннелированию, квантовым скачкам…

Желаю удачи при попытке вообразить такую картину в своем уме.

На самом деле, если вы нормальный человек, то простая попытка подумать обо всем заставит ваш мозг расплавиться.

Однако с точки зрения природы причин для беспокойства нет.

Но реальная проблема состоит в том, что, даже если забыть о затруднительных бесконечностях, все другие квантовые теории поля, настолько продвинутые в описании всех частиц, из которых мы состоим, работают только до тех пор, пока вокруг нет таких порций пространства-времени.

Другими словами, это означает, что общая теория относительности и квантовая теория поля не используют одни и те же представления о пространстве и времени.

И это проблема.

Очень большая проблема. При отсутствии очевидного решения.

И поэтому остаешься с любопытным ощущением того, что застрял где-то посередине: человечество разработало две чрезвычайно эффективные теории: одна описывает структуру Вселенной (гравитация Эйнштейна: общая теория относительности), а другая – содержимое всей Вселенной (квантовая теория поля), – и эти две теории не хотят общаться друг с другом. В течение очень долгого времени даже физики, работающие на каждом из двух полей, поступали аналогичным образом и тоже не разговаривали друг с другом. Американский физик-теоретик Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии за работу по квантовой теории поля и один из самых блестящих ученых всех времен, написал классически показательное письмо своей жене, объясняющее такое отношение: «Я ничего не выношу из нашей встречи, – заявлял он в 1962 году после своего участия в конференции по гравитации. – Я ничему не учусь. Поскольку никаких экспериментов нет, то эта область не является активной для исследований, так что только некоторые из лучших умов занимаются ей. В результате здесь целая куча некомпетентных людей (126), а это плохо влияет на мое давление. Напомни мне, чтобы я больше не ездил ни на какие конференции по гравитации!»

Тем не менее благодаря новым технологиям и работе физиков-теоретиков, таких как Стивен Хокинг, ученые вскоре выяснили, что не могут игнорировать то, что не знали, и идеи с обеих сторон начали передаваться, порождая сумасшедшие гипотезы, по которым вы пройдетесь в седьмой части и с которыми я познакомлю вас прямо сейчас.

Глава 3

Быть и не быть одновременно

Вы помните те квантовые частицы, которыми развлекался робот в белой комнате с металлическим столбом? Там внизу, в микромире, частицы действительно проходят все возможные и невозможные пути, чтобы добраться от одного места к другому, из одного времени к другому, пока никто не наблюдает.

Так почему же все квантовые аспекты всех составляющих ваше тело частиц не превращают вас в квантовое существо?