Текст книги "Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле"

Карло Ровелли
Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

CARLO ROVELLI

Reality Is Not What It Seems

The Journey to Quantum Gravity

© 2014, Raffaello Cortina Editore

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2020

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2020

© Серия «New Science», 2020

Предисловие к русскому изданию

Александр Сергеев, переводчик, научный редактор, сооснователь и завлаб «Открытой лабораторной» (http://laba.media)

Главный парадокс науки состоит в том, что, открывая нам твердые и надежные знания о природе, она в то же время стремительно меняет ею же созданные представления о реальности. Эта парадоксальность как нельзя лучше отражена в книге Карло Ровелли, которая посвящена самой острой проблеме современной фундаментальной физики – поискам квантовой теории гравитации.

Это первая научно-популярная книга на русском языке, основной темой которой является теория петлевой квантовой гравитации. Упоминание этого названия многие слышали в сериале «Теория Большого взрыва», но узнать, в чем смысл петлевой гравитации, было почти негде. А между тем эта теория – один из важных игроков на переднем крае фундаментальной физики.

Около ста лет назад в науке произошла грандиозная революция. На смену ньютоновской механистической парадигме пришли две новые фундаментальные теории. Одна из них – общая теория относительности, благодаря которой мы узнали, что живем в искривленном четырехмерном пространстве-времени, неевклидова геометрия которого и есть гравитация. Другая – квантовая теория поля, показавшая, что все знакомые нам предметы, включая наши тела, состоят из «размазанных» по пространству полей вероятности.

Эти теории блестяще подтвердились везде, где их удалось проверить экспериментально, но при этом они несовместимы между собой. И хотя их противоречия проявляются только в экстремальных условиях черных дыр и Большого взрыва, логика неумолима: по крайней мере одна из теорий неточна. Многочисленные попытки геометризовать фундаментальные взаимодействия и квантовать гравитационное поле не привели к успеху, и для снятия противоречий нам, похоже, предстоит вскрыть новый слой физической реальности. Большие надежды в этом плане подает теория струн – фаворит в гонке за квантовой гравитацией. Она достаточно широко популяризирована, но в последние годы сталкивается с трудностями, что подогревает интерес к ее конкурентам.

Петлевая квантовая теория гравитации – как раз и есть главный конкурент. Если теория струн наделяет пространство дополнительными сильно закрученными измерениями, то петлевая теория меняет картину реальности еще радикальнее. Вместо пространства и времени мы сталкиваемся дискретной флуктуирующей спиновой пеной, которая лишь в относительно крупных масштабах, как бы при взгляде издали, становится привычным непрерывным пространством-временем.

Карло Ровелли входит в число основоположников петлевой квантовой гравитации. Занимаясь одной из самых экзотических и передовых фундаментальных теорий, он, однако, крепко укореняет свои идеи в общекультурном фундаменте. Для этого есть глубокая причина. Картина реальности, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, настолько необычна и контринтуитивна, что необходимо потратить специальные усилия, чтобы показать ее генетическую связь со всей историей развития научного знания, начиная с древнегреческой эпохи. Только поэтапно отследив смену картин реальности – от Демокрита через Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и до квантовой физики – можно понять, что странная модель, предлагаемая петлевой квантовой гравитацией, в определенном смысле является естественным возвратом к истокам этой линии развития.

Демокрит постулировал дискретность материи, но впоследствии эта идея была отброшена, и в натурфилософии господствовало представление о непрерывности и бесконечной делимости всего, из чего состоит мир. Обратное движение началось с химии, где были обнаружены атомы, затем дискретность материи нашла выражение в квантовой механике. Но и в ней, и в теории относительности пространство и время остаются бесконечно делимыми. Именно это Карло Ровелли считает одним из главных препятствий на пути к объединению теории гравитации и квантовой механики. Отказ от непрерывного пространства-времени избавляет от сингулярностей в теории относительности и расходимостей в квантовой теории и, вероятно, от противоречий между двумя теориями.

С петлевой гравитацией тесно связана реляционная интерпретация квантовой механики – еще одна важная идея Карло Ровелли. Суть ее состоит в том, что физический смысл имеют не сами по себе частицы, а только отношения (взаимодействия) между ними. Иными словами, физические объекты и системы существуют не сами по себе, а лишь относительно других объектов и систем. В каком-то смысле можно сказать, что реляционная интерпретация до предела обобщает принцип относительности.

Многие физики считают вопрос об интерпретации квантовой механики не столько научным, сколько философским, ведь на результатах вычислений интерпретация не сказывается. Однако научная роль интерпретации в том, что она согласует квантовомеханическую картину мира с интуицией человека. Это значительно повышает эвристичность теории, то есть ее потенциал в деле поиска новых явлений и объяснений – в частности, квантовой теории гравитации.

Впрочем, и чисто философские вопросы отнюдь не чужды Ровелли. Как глубоко европейский человек он с энтузиазмом демонстрирует неожиданные параллели между современными научными теориями и художественными образами, заключенными, например, в «Божественной комедии» Данте. С некоторой гордостью приводит он и ссылки на работы современных философов, которые с позиций своей дисциплины анализируют его реляционную интерпретацию.

И это не все. Реляционный подход позволяет Ровелли сделать глубокие суждения о понятии информации, которое в последнее время играет все большую роль в физике. В частности, оказывается, что именно через него рождается привычное нам время, которого, согласно петлевой квантовой гравитации, нет в спиновой пене, лежащей в основе реальности.

Хотя квантовая гравитация – в высшей степени математизированная теория, рассказ о ней в книге ведется без формул (пара исключений сделана по чисто эстетическим мотивам). Вкупе с многочисленными историко-культурными отступлениями это делает стиль изложения обманчиво легким. Но это не повод расслабляться. В английском издании книга не случайно называется «Reality is not what it seems» – «Реальность – не то, чем она кажется». Для понимания идей, стоящих за поисками квантовой гравитации, надо быть готовым к перепрошивке своих глубинных представлений о природе реальности.

И еще один парадокс науки – ее многослойность. Порой одно и то же простое утверждение на разных уровнях рассмотрения может превращаться из верного в ошибочное и наоборот. С этим не раз приходилось сталкиваться разработчикам тестовых заданий в рамках просветительского проекта «Открытая лабораторная», при участии которого подготовлен перевод книги Карло Ровелли. Порой хрестоматийные научные факты оказываются сомнительными или вовсе ложными с учетом всей глубины современного знания. Книга Ровелли содержит немало иллюстраций этого парадокса и наверняка послужит мотивом для новых тестов и публикаций http://laba.media – проекта для тех, кто любит науку, но в школе сидел на задней парте.

От автора

На протяжении всей моей научной карьеры друзья и просто любопытствующие просили меня объяснить, что происходит в области исследований квантовой гравитации. Как удается находить новые способы осмыслить пространство и время? Меня не раз просили рассказать об этих исследованиях в доступной форме. В то время как существует множество книг, посвященных космологии и теории струн, книги, где описывались бы исследования по квантовой природе пространства и времени, а также по петлевой квантовой гравитации, практически невозможно найти. Я долго колебался, поскольку хотел сосредоточиться на исследованиях. Несколько лет назад, завершив монографию по этой теме, я почувствовал, что коллективная работа многих ученых довела эту область исследований до той стадии зрелости, когда стало возможным написать научно-популярную книгу. Ландшафт, который мы исследуем, восхитителен – стоит ли продолжать скрывать его от других людей?

Но я продолжал откладывать проект, поскольку не мог «увидеть» книгу в своей голове. Как описать мир без пространства и времени? В 2012 году, сидя в одиночестве за рулем на ночной дороге из Италии во Францию, я вдруг понял, что единственный способ доходчиво объяснить постоянную модификацию понятий пространства и времени состоит в том, чтобы рассказать всю историю с самого начала: от идей Демокрита и до представления о квантах пространства. В конце концов, именно так я сам понимаю эту историю. Я стал мысленно набрасывать структуру книги прямо за рулем, приходя во все большее возбуждение, пока не услышал полицейскую сирену и требование остановиться – я намного превысил разрешенную скорость. Итальянский полицейский вежливо спросил меня, не сошел ли я с ума – ехать с такой скоростью. Я ответил, что только что нашел идею, которую так долго искал; он не стал выписывать мне штраф и пожелал удачи с новой книгой. Эта книга перед вами.

Первоначально книга была написана на итальянском и впервые опубликована в 2014 году. Вскоре после этого я подготовил несколько статей о фундаментальной физике для одной итальянской газеты. Знаменитый итальянский издатель Адельфи заказал мне расширенную версию этих статей, которая вышла в виде брошюры. Так появилась небольшая книга «Семь коротких лекций по физике», которая, к моему огромному удивлению, стала международным бестселлером и стала поводом для общения со многими замечательными читателями по всему миру. Таким образом, «Семь лекций» были написаны после этой книги и в какой-то мере стали синтезом некоторых вопросов, которые затрагиваются здесь. Если вы уже читали «Семь коротких лекций по физике» и хотите узнать больше, чтобы еще глубже погрузиться в странный мир, описанный в той книге, то здесь вы найдете необходимые подробности.

Несмотря на то что традиционная физика представлена в этой книге с довольно необычной точки зрения, в целом это не вызывает споров. Однако та часть книги, которая касается современных исследований по квантовой гравитации, отражает мое личное понимание состояния изученности этой темы. Эта область знания находится на границе между тем, что мы понимаем, и тем, чего еще не понимаем, поэтому нам еще очень далеко до достижения консенсуса по основным связанным с ней вопросам. Некоторые из моих коллег-физиков согласятся с тем, что я написал в этой книге, другие – не согласятся. Это обычная ситуация для актуальных исследований, ведущихся на границах нашего знания, но я предпочитаю говорить об этом ясно и открыто. Эта книга не о том, в чем мы уверены; эта книга – о приключениях на пути к непознанному.

В целом она о путешествии, посвященная одному из самых впечатляющих приключений, выпавших на долю человечества: путешествию за пределы парохиальных взглядов на реальность ко все более глубокому пониманию строения вещей. И это невероятное путешествие за пределы обыденной картины мира еще далеко не закончено.

Марсель,

4 мая 2016 года

Предисловие. Прогулка вдоль берега

Мы зациклены на себе. Мы изучаем свою историю, свою психологию, свою философию, своих богов. Большая часть нашего знания обращается вокруг самого человека, как если бы он был самым важным объектом во Вселенной. Я думаю, что физика нравится мне потому, что приоткрывает завесу, за которой можно увидеть нечто большее. Она дает мне чувство свежего воздуха, задувающего в окно.

То, что мы видим через это окно, постоянно нас удивляет. Мы уже многое знаем о Вселенной. За прошедшие столетия мы стали понимать, как много ошибочных идей было у человечества. Мы думали, что Земля плоская и что она покоится в центре нашего мира, что Вселенная маленькая и неизменная, что человек был создан отдельно, безо всякого родства с другими животными. Но постепенно мы узнали о существовании кварков, черных дыр, частиц света, волн пространства и невероятных молекулярных структур в каждой клетке нашего тела. Человечество похоже на подрастающего ребенка, который с удивлением обнаруживает, что мир не ограничивается его спальней и детской площадкой, что он огромен и в нем есть тысячи явлений, ждущих открытия, а также бесчисленные идеи, разительно отличающиеся от тех, что были у него вначале. Вселенная многообразна и безгранична, и мы продолжаем ошибаться, сталкиваясь с ее новыми аспектами. Чем больше мы узнаём о мире, тем больше поражаемся его разнообразию, красоте и простоте.

Но чем больше мы узнаем, тем лучше понимаем, что непознанное во много раз больше всего того, что мы уже знаем. Чем мощнее становятся наши телескопы, тем более странными и неожиданными предстают перед нами небеса. Чем пристальнее мы всматриваемся в мельчайшие элементы материи, тем больше глубин открывается нам в ее строении. Сегодня мы проникли в историю Вселенной почти до самого Большого взрыва – великого катаклизма, в котором 14 миллиардов лет назад были рождены все галактики, – но мы уже начали замечать нечто большее, чем Большой взрыв. Мы знаем, что пространство искривлено, и уже предвидим, что это пространство сплетено из вибрирующих квантовых волокон.

Наше знание элементарной грамматики Вселенной продолжает расширяться. Если попробовать объединить все, что мы узнали о физическом мире в XX веке, то начнет складываться картина, глубоко отличающаяся от того, чему нас учили в школе. Фундаментальная структура нашего мира возникает как порождение множества квантовых событий в отсутствие времени и пространства. Квантовые поля генерируют пространство, время, материю и свет, вызывая обмен информацией между событиями. Реальность – это сеть отдельных событий; динамика, которая их соединяет, – вероятностна; между отдельными событиями пространство, время, материя и энергия превращаются в облако вероятностей.

Этот странный новый мир медленно открывается перед нами благодаря исследованиям главной темы фундаментальной физики – квантовой гравитации. Задача этих исследований – целостно объединить то, что мы узнали о мире из двух величайших открытий физики XX века – общей теории относительности и квантовой теории. Квантовая гравитация – странный мир, который раскрывается в ходе этих исследований, – и есть основная тема этой книги.

Эта книга – живое описание ведущихся исследований: того, что мы изучаем, того, что уже знаем, и того, что, как нам кажется, мы начинаем понимать о фундаментальной природе вещей. Мы начнем издалека, с происхождения некоторых ключевых идей, служащих для упорядочения современного понимания мира, и с описания двух великих открытий XX века – эйнштейновской теории относительности и квантовой механики, и постараемся сфокусироваться на их основном физическом содержании. Мы расскажем о той картине мира, которая рождается сегодня в исследованиях по квантовой гравитации, с учетом последних данных, предоставленных нам Природой, таких как подтверждение стандартной космологической модели, полученное с помощью спутника «Планк», и неудачных попыток пронаблюдать суперсимметричные частицы, зарегистрировать которые многие надеялись в ЦЕРНе. Затем мы поговорим о следствиях из этих идей – дискретной структуре пространства, исчезновении времени в малых масштабах, физике Большого взрыва, происхождении излучения черных дыр и, в конечном счете, о роли информации в основаниях физики.

В знаменитой притче, рассказанной Платоном в седьмой книге «Государства», узники, прикованные в глубине темной пещеры, видят только тени, отбрасываемые на стену горящим позади них огнем. Они думают, что это и есть реальность. Один из них освобождается, выходит из пещеры и открывает для себя свет солнца и огромный мир. В первый момент свет, к которому его глаза непривычны, ошеломляет его и приводит в замешательство. Но в конце концов он оказывается способен видеть и в волнении возвращается к своим товарищам, чтобы рассказать им о том, что ему открылось. Но они отказываются ему верить.

Мы все находимся в глубине пещеры, скованные нашим незнанием и нашими предубеждениями, а наши слабые глаза дают нам увидеть только тени. Пытаясь заглянуть дальше, мы приходим в замешательство – для нас слишком необычно то, что открывается перед нами. Но мы пытаемся идти дальше. Это и есть наука. Научное мышление исследует и пересматривает картину мира, постепенно предлагая нам все более совершенное видение и более эффективные мыслительные ходы. Наука – это непрерывное исследование способов мышления. Ее сила состоит в способности эффективно разрушать предубеждения, открывать новые области реальности и строить неожиданные, более совершенные представления о мире. Это деятельность, которая опирается на всю совокупность прошлого знания, но суть ее состоит в изменениях. Наш мир безграничен и многоцветен; мы хотим рассмотреть его как можно лучше. Неполнота и ненадежность нашего знания, неуверенность, порождаемая необозримостью бездны непознанного, вовсе не делают жизнь бессмысленной – они делают ее интересной и драгоценной.

Я написал эту книгу, чтобы рассказать о том, что восхищает меня в этом приключении. Своего читателя я представлял человеком, который мало или даже ничего не знает о современной физике, но ему интересно все, что мы уже знаем и чего еще не знаем о фундаментальной природе нашего мира, а также то, каким образом мы ведем свои поиски. Я хотел поделиться захватывающей красотой той панорамы реальности, которая открывается перед нами в результате этих поисков.

Я писал эту книгу и для своих коллег, своих спутников, разбросанных по всему миру, а также для юношей и девушек, восхищенных наукой и планирующих впервые присоединиться к этому путешествию. Я хотел представить им общую картину и строение физического мира, каким он видится в двойном свете релятивизма и квантовой физики, и показать, как их можно объединить. Эта книга не только раскрывает тайны Вселенной, но также обозначает определенную точку зрения в области исследований, где абстракции и технические детали иногда становятся помехой для широкого взгляда. Наука состоит из экспериментов, гипотез, уравнений, вычислений и продолжительных дискуссий; но это лишь средства достижения цели, подобно инструментам для музыкантов. В конечном счете, для музыки важна сама музыка, а для науки важно понимание мира, которое она обеспечивает. Чтобы понять значимость открытия того, что Земля обращается вокруг Солнца, не обязательно следовать за сложными вычислениями Коперника; для понимания важности открытия того, что все живые существа на нашей планете имеют общих предков, необязательно прослеживать сложную аргументацию книг Дарвина. Суть науки состоит в понимании нашего мира со всё более широкой точки зрения.

Эта книга отражает мое текущее понимание того, в каком состоянии находятся сейчас наши поиски новой картины мира. Именно так я ответил бы коллеге и другу, который, прогуливаясь долгим летним вечером по берегу моря, задал бы мне вопрос: «Так что же ты думаешь об истинной природе вещей?»

Часть I
Корни

Сюжет этой книги начинается 26 столетий назад в Милете. Почему разговор о квантовой гравитации отталкивается от столь древних событий, людей и идей? Я надеюсь, что читатель, горящий желанием достичь понимания квантов пространства, не будет иметь ничего против. Идеи проще понять, начиная с тех корней, из которых они выросли, а значительное число идей, которые помогли нам в деле постижения нашего мира, возникли более двух тысяч лет назад. Эти идеи станут намного понятнее, если мы проследим за их рождением; в этом случае все дальнейшие шаги окажутся проще и естественнее.

Но есть еще один важный момент. Некоторые проблемы, впервые поставленные в Античную эпоху, продолжают оставаться ключевыми для нашего понимания мира. Некоторые из самых современных идей о структуре пространства используют представления и подходы, впервые появившиеся в то время. Говоря о тех далеких идеях, я имею в виду вопросы, которые станут ключевыми для квантовой гравитации. Кроме того, это поможет нам, обсуждая квантовую гравитацию, отличать идеи, восходящие к самым истокам научной мысли, даже если мы с ними не знакомы, от идей совершенно новых. Связь между проблемами, поставленными древними учеными, и решениями, которые найдены Эйнштейном и в теориях квантовой гравитации, как мы увидим, на удивление тесна.