10 мин
7 августа 2019 г.

Теория петлевой квантовой гравитации. Впервые на русском!

Вышла книга «Нереальная реальность» легендарного физика Карло Ровелли
Автор: Александр Сергеев

На русском языке наконец-то выходит книга «Нереальная реальность» легендарного Карло Ровелли – ученого, который сделал физику сексуальной и которого без лишнего преувеличения называют следующим Стивеном Хокингом. С разрешения издательства «Питер» Laba.Media публикует одну из глав книги, а также предисловие к ней, написанное Александром Сергеевым, сооснователем, автором заданий и завлабом проекта «Открытая лабораторная». Книга выходит при поддержке проекта «Открытая лабораторная» и сайта laba.media. 

ПРЕДИСЛОВИЕ К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ

Александр Сергеев, популяризатор, переводчик, научный редактор книги, сооснователь и завлаб «Открытой лабораторной»:

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.

Это уже не первый опыт сотрудничества издательства "Питер" и проекта "Лаба". Ранее в этом году при нашем участии вышла книга "Вся физика в 50 экспериментах" Адама Харта-Дэвиса. Почитайте!

Научным редактором также стал Александр Сергеев. А еще в подготовке издания поучаствовал штатный физик-экспериментатор и изобретатель «Лабы» Алексей Иванченко.

В "50 экспериментах" подобраны по-настоящему захватывающие истории об ученых и развитии науки, из которых становится ясно: физика – это и есть жизнь, смешная, трогательная и опасная. Книга легко (и даже приятно) даст вам качественные знания и избавит от множества заблуждений – все как мы любим.


ГЛАВА 10. КВАНТОВЫЕ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Черных дыр в нашей Вселенной очень много. Это области, в которых пространство настолько искривлено, что замыкается на себя, а время замирает. Как уже говорилось, они образуются, когда звезда сжигает весь доступный ей водород и коллапсирует.

Часто сколлапсировавшая звезда входит в состав двойной звезды. В этом случае черная дыра и ее «живой» партнер будут обращаться друг вокруг друга; при этом черная дыра непрерывно затягивает вещество другой звезды (рис. 10.1).

Астрономы обнаружили множество черных дыр величиной (то есть массой) порядка нашего Солнца (на самом деле несколько массивнее). Но существуют также гигантские черные дыры. По крайней мере одна такая есть в центре почти каждой галактики, включая нашу собственную.

Черная дыра в центре нашей Галактики сейчас подробно изучается. Ее масса в миллион раз больше солнечной. Всякий раз, когда какая-нибудь звезда подлетает слишком близко к этому монстру, гравитационные деформации разрушают ее, и циклопическая черная дыра проглатывает ее, как кит маленькую рыбку. Представьте себе монстра размером в миллион солнц, который в мгновение ока проглатывает наше Солнце с его миниатюрными планетками... (По современным оценкам, масса центральной черной дыры в нашей Галактике немного превышает 4 миллиона масс Солнца. При этом ее поперечник составляет около 25 миллионов километров, то есть она примерно в 20 раз больше Солнца по размерам. — Примеч. переводчика).

Сейчас реализуется замечательный проект по созданию сети радиоантенн, разбросанных по всей Земле от полюса до полюса, с помощью которых астрономы достигнут разрешения, достаточного, чтобы «увидеть» центральную черную дыру нашей Галактики. Мы надеемся разглядеть маленький черный диск, окруженный светом, испускаемым падающей на черную дыру материей.

То, что попадает в черную дыру, никогда не выходит обратно, по крайней мере, если мы игнорируем квантовую теорию. Поверхность черной дыры подобна настоящему моменту во времени — пройти ее можно только в одном направлении. Из будущего нет возврата. Для черной дыры прошлое — это внешняя область, а будущее — внутренняя. Если смотреть снаружи, черная дыра подобна сфере, в которую можно погрузиться, но из которой ничто не выходит обратно. Ракета может зависнуть на фиксированном расстоянии от этой сферы, которую называют горизонтом черной дыры. Для этого двигателям придется очень интенсивно работать, сопротивляясь гравитационному притяжению дыры. Мощная гравитация черной дыры приведет к замедлению времени на ракете. Если ракета зависнет в течение часа достаточно близко к горизонту, а затем вернется назад, окажется, что вовне тем временем прошли столетия. Чем ближе к горизонту останавливается ракета, тем медленнее по отношению к внешнему миру течет ее время. Так что путешествовать в прошлое проблематично, а путешествовать в будущее легко: достаточно подлететь поближе к черной дыре, побыть некоторое время в ее окрестностях, а затем вернуться.

На самом горизонте время останавливается: если мы подлетим совсем близко к нему и всего через несколько минут по нашим часам улетим обратно, в остальной Вселенной может пройти миллион лет.

По-настоящему удивительно то, что свойства этих рутинно наблюдаемых сегодня странных объектов были предсказаныэйнштейновской теорией. Сегодня астрономы изучают эти объекты в пространстве, но еще не так давно черные дыры рассматривались как малоправдоподобные и диковинные следствия экстравагантной теории. Я помню, как мой университетский профессор говорил о них как о решениях уравнений Эйнштейна, которым «вряд ли соответствуют какие-то реальные объекты». Это пример поразительной способности теоретической физики открывать то, чего еще никто не наблюдал.

Черные дыры, которые мы наблюдаем, хорошо описываются теорией Эйнштейна, и для их понимания не требуется квантовая механика. Но есть две загадки черных дыр, для раскрытия которых необходима квантовая механика, и для каждой из них петлевая теория предлагает возможное решение. Одна из них также дает возможность проверки этой теории.

Первое приложение квантовой гравитации к черным дырам связано с забавным фактом, открытым Стивеном Хокингом. В начале 1970-х годов он пришел к теоретическому выводу о том, что черные дыры «горячие». Они ведут себя как нагретые тела — испускают излучение. При этом они теряют энергию, а значит и массу (поскольку энергия и масса — это одно и то же), постепенно становясь все меньше. Они испаряются. Этоиспарение черных дыр — самое значительное открытие, сделанное Хокингом.

Предметы бывают горячими, поскольку их микроскопические составляющие движутся. В горячем куске железа, например, атомы железа очень быстро колеблются вокруг своих равновесных положений. Горячий воздух горяч потому, что молекулы в нем движутся быстрее, чем в холодном воздухе.

Что за элементарные «атомы» колеблются в черных дырах, делая их горячими? Хокинг оставил этот вопрос без ответа. Петлевая теория дает возможный ответ. Элементарные атомы, которые вибрируют в черной дыре и тем самым наделяют ее температурой, — это отдельные кванты пространства на ее поверхности.

Таким образом, с помощью петлевой теории удается понять странное тепло черных дыр, предсказанное Хокингом: это тепло — результат микроскопических колебаний отдельных атомов пространства. Они колеблются, поскольку в мире квантовой механики колеблется всё, ничто не остается неподвижным. Самая суть квантовой механики состоит в невозможности заставить что-либо полностью замереть на продолжительное время. Тепло черных дыр напрямую связано с флуктуациями атомов пространства в петлевой квантовой гравитации. Точное положение горизонта черной дыры определяется с точностью до этих микроскопических флуктуаций гравитационного поля. Поэтому, в некотором смысле, горизонт флуктуирует как нагретое тело.

Есть и другой способ понимания природы тепла черных дыр. Квантовые флуктуации порождают корреляции между внутренней и внешней областями дыры. (Я подробно остановлюсь на корреляциях и температуре в главе 12.) Квантовая неопреде- ленность на горизонте черной дыры порождает флуктуации геометрии горизонта. Однако флуктуации подразумевают вероятность, а вероятность влечет за собой термодинамику, и, как следствие, температуру. Скрывая от нас часть Вселенной, черная дыра делает свои квантовые флуктуации воспринимаемыми в форме тепла.

Молодой итальянский ученый Евгенио Бианчи, ныне ставший профессором в Соединенных Штатах, выполнил элегантные вычисления, которые демонстрируют, что, отталкиваясь от этих идей и фундаментальных уравнений квантовой теории гравитации, можно вывести формулу для температуры черных дыр, которая впервые была предсказана Хокингом (рис. 10.3).

Второе приложение петлевой квантовой гравитации к физике черных дыр еще более впечатляющее. Сколлапсировавшая звезда исчезает для внешнего наблюдателя: она находится внутри черной дыры. Но что происходит с ней внутри дыры? Что вы увидите, если сами упадете в дыру?

Поначалу ничего особенного: вы пересечете поверхность черной дыры без серьезного ущерба, а затем вас станет тянуть к центру со все большей скоростью. Что же дальше? Общая теория относительности предсказывает, что в центре всё сжимается в бесконечно малого размера точку с бесконечной плотностью. Но это, опять же, если игнорировать квантовую теорию.

Если же принять во внимание квантовую гравитацию, это предсказание перестает быть корректным, ведь существует квантовое отталкивание, такое же, как отталкивание, заставившее Вселенную отскочить в момент Большого взрыва. Мы ожидаем, что с приближением к центру падающая материя станет замедляться этим квантовым давлением и достигнет очень высокой, но конечной плотности. Материя сдавливается, но не в бесконечно малую точку, поскольку есть предел того, насколько малы могут быть объекты. Квантовая гравитация порождает огромное давление, которое заставляет материю отскакивать, в точности как коллапсирующая Вселенная может отскочить и стать расширяющейся.

Отскок коллапсирующей звезды может быть очень быстрым, если смотреть на него изнутри. Но, напоминаю, время там течет намного медленнее, чем снаружи. При наблюдении извне этот процесс отскока может занять миллиарды лет. По прошествии этого времени мы увидим, как черная дыра взрывается. В конечном счете черная дыра фактически оказывается коротким путем в отдаленное будущее.

Итак, квантовая гравитация, возможно, предсказывает, что черные дыры — это вовсе не вечные стабильные объекты, как в классической общей теории относительности. В конечном счете они неустойчивы.

Наблюдение такого взрыва черной дыры стало бы впечатляющим подтверждением теории. Очень старые черные дыры, из тех, что образовались в ранней Вселенной, могут взрыватьсямсегодня. Из некоторых недавних расчетов вытекает, что сигналы от их взрывов могут наблюдаться радиотелескопами. Было даже высказано предположение, что некие загадочные радиоимпульсы, которые радиоастрономы уже регистрируют и называют быстрыми радиовсплесками, могут как раз и оказаться сигналами, возникающими при взрыве первичных черных дыр. В случае подтверждения этого предположения мы получим поистине фантастический результат: прямое наблюдение квантового гравитационного явления. Остается только подождать...