ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ Рассыпчатая Вселенная

Все мы время от времени смотрим на часы, не зная, что такое время. Мы знаем свой собственный вес, по при этом абсолютно не представляем себе, что такое гравитация. И пока мы не разберемся, как «устроены», из чего состоят эти физические величины, и не найдем их взаимосвязь, — а физики уверены, что она существует, — нам не удастся до конца понять тот мир, в котором мы живем.

Главная же сложность — квантовая механика, считают сегодня физики, способна описать все устройство мира. Но что это может быть за мир, в котором нет места едва ли не главнейшим понятиям физики — времени и силе тяжести? А ввести их в уравнения квантовой механики так же невозможно, как принять аналоговый сигнал на цифровой телевизор. Ведь в квантовой механике нет понятия «больше» или «меньше», она оперирует, как понятно из названия, квантами, долями чего-либо. А потому мы пока не знаем, как устроены черные дыры, что такое темная материя, почему произошел Большой взрыв, да и был ли он вообще.

Очередную попытку понять «что есть что» предпринял недавно американский физик-теоретик, профессор Ли Смолин, известный своими оригинальными теориями, суждениями и моделями. Несколько лет назад он, напомним, предпринял попытку создать модель Вселенной с помощью стальных колечек, на которых обычно вешают ковры и портьеры. Получившаяся «кольчуга», похоже, натолкнула его на новую мысль. Вот что он пишет в статье, опубликованной журналом Scientific American.

Кванты космоса

Древние греки считали, что жизнь человека представляет собой волшебную нить, которую прядут античные богини. Оборвалась нить, закончилась и жизнь…

Те же античные философы полагали, что такая нить, как и любая иная материя, может состоять из крошечных волокон, а те, в свою очередь, из частиц, которые они называли атомами. Точно так же Смолин полагает, что существуют некоторые атомы пространства-времени. И все изменения в природе происходят крошечными скачками, или, как говорят ученые, квантованы.

Вспомним, вода в океан падает отдельными каплями дождя. А если мы возьмем одну каплю, то при помощи современной аппаратуры сможем убедиться, что и она, эта капелька, состоит из отдельных «кирпичиков» — молекул Н₂О. Да и вообще, согласно теории Смолина и его коллег со странным названием «петлевая квантовая гравитация» (ПКГ), получается, что пространство и время состоят из неких дискретных частей-кусочков — своеобразных пазлов.

Теоретики плетут «петли»

Повторим еще раз: ранее при расчетах предполагалось, что геометрия пространства непрерывна независимо от того, насколько детально мы исследуем ее. Но точно так же, повторим, люди рассматривали вещество до открытия молекул и атомов. Теперь мы знаем: дробить крупинку вещества бесконечно нельзя — когда вещества остается меньше молекулы, оно теряет свои свойства. И современные исследователи решили отказаться от концепции непрерывного пространства, предположив, что оно все-таки дискретно.

Теоретики разработали математический язык, который позволил провести нужные вычисления. К их восторгу, расчеты показали, что пространство действительно квантовано. Так были заложены основы теории петлевой квантовой гравитации.

Кстати, сам термин «петлевая» был введен из-за того, что в некоторых вычислениях использовались модели маленьких петель, выделенные в пространстве-времени. Теперь, согласно этой теории, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, то есть объем изменяется отдельными порциями. Время тоже дискретно. Оно не течет, как река, а как бы сыплется отдельными песчинками песочных часов. Величина этих «песчинок» примерно равна времени Планка, или 10^-43 с.

Практика теории

Итак, появилась еще одна гипотеза. Но сколь она жизнеспособна? Хорошей проверкой для петлевой квантовой гравитации оказалась одна из давнишних загадок о термодинамике черных дыр, и в особенности об их энтропии — то есть рассеивании ими энергии.

Оказалось, что, несмотря на распространенное мнение, будто черные дыры никогда ничего не отдают обратно (что в дыру попало, то навек пропало), в 1970 году физик Якоб Бекенштейн вывел: энтропия черной дыры пропорциональна ее поверхности. А затем это подтвердил Стивен Хокинг, сказав, что в некоторых условиях черные дыры способны даже излучать энергию.

«Анализируя энтропию соответствующих квантовых состояний, мы получаем в точности предсказание Бекенштейна, — пишет Ли Смолин. — С таким же успехом наша теория не только воспроизводит предсказание Хокинга об излучении черной дыры, но и позволяет описать его тонкую структуру»…

Тем не менее, теоретики сознают, что любая экспериментальная проверка теории петлевой квантовой гравитации сопряжена с колоссальными техническими трудностями. Характерные эффекты, описываемые ПКГ, становятся существенными только в масштабе длины Планка. А это на 16 порядков меньше, чем можно исследовать на самых современных ускорителях.

Впрочем, теория петлевой квантовой гравитации уже сегодня заставила исследователей по-новому взглянуть на происхождение Вселенной. В соответствии с общей теорией относительности, в истории мироздания был самый первый, нулевой момент времени — именно тогда произошел Большой взрыв. Однако это предположение не согласуется с квантовой физикой. Расчеты же, проведенные Мартином Боджовальдом на основании теории ПКГ, показывают: Большой взрыв фактически был Большим отскоком, так как до него Вселенная уже существовала, но почему-то быстро сжималась до некой критической величины. И нам с вами, возможно, посчастливится узнать, что происходило до Большого взрыва.

Публикацию подготовил С. НИКОЛАЕВ