В физике есть такое понятие как длина Планка. Это самый короткий отрезок чего бы то ни было, что может существовать физически.
Согласно последним достижениям в теоретической физике пространство больше не является бесконечно делимым континуумом. Оно совсем не гладкое, как думали ранее, а зернистое, и планковская длина дает размер его наименьших возможных зерен.
Время, которое требуется свету для преодоления этого смехотворного расстояния (примерно 10^-43 секунд), называется планковским временем, кратчайшим возможным отсчетом воображаемых часов. Объедините эти две идеи, и у вас получится, что пространство и время имеют структуру. То есть то, что обычно называют безликой пустотой, теперь состоит из крошечных частиц, или квантов.
Намеки на зернистость исходят от попыток объединить общую теорию относительности с квантовой механикой. В результате должна появится единая теория, иногда называемая квантовой гравитацией, объясняющая все частицы и силы во Вселенной.
Наиболее известные из этих усилий по объединению, теория струн и менее известный подход, называемый петлевой квантовой гравитацией, убедительно предполагают, что пространство-время имеет мельчайшую архитектуру. Именно представление того, как может выглядеть пустота, и заставило физиков напрячь свое воображение.
Немного истории
Со времен Древней Греции некоторые философы настаивали на том, что реальность должна быть идеально гладкой, как континуум действительных чисел: выберите любые две точки, как бы близко они ни находились друг к другу, и между ними будет бесконечная градация. Другие утверждали, что в наименьшем масштабе все несомненно разделено на несократимые единицы, подобные так называемым натуральным числам, и нет ничего между, скажем, 3 и 4.
Развитие современной атомной теории в XIX веке подтолкнуло науку к тому, чтобы рассматривать Вселенную скорее, как бугристую, а не гладкую структуру. В начале прошлого века Макс Планк обнаружил, что свет излучается пакетами. Из этого неожиданного открытия возникла квантовая теория поля, в которой все силы природы переносятся мельчайшими частицами, или квантами, кроме гравитации.
Гравитация продолжает объясняться в совершенно иных терминах общей теорией относительности: как искривление совершенно гладкого континуума, называемого пространством-временем. Планета изгибает окружающую ткань пространства-времени, заставляя другие объекты двигаться к ней, как шарики, катящиеся с холма.
Ученые давно предполагали, что объединение двух теорий покажет, что гравитация, как и другие силы, также имеет квантовую природу и переносится частицами-посредниками, называемыми гравитонами. Но в то время как другие силы можно рассматривать как действующие в пространстве и времени, гравитация — это пространство-время. Квантование одного равносильно квантованию другого.
Неудивительно, что здесь, в макроскопическом мире, зернистость пространства-времени осталась незамеченной. Даже крошечные кварки, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы, слишком велики, чтобы ощущать неровности, которые могут существовать на планковской шкале. Однако совсем недавно физики предположили, что кварки и все остальное состоят из гораздо более мелких объектов: суперструн, вибрирующих в 10 измерениях. На уровне Планка переплетение пространства-времени было бы так же очевидно, как если бы тончайшую нейлоновую нить рассматривали под увеличительным стеклом, обнажая ее основу и структуру.
Сам Планк первым догадался о наименьшем возможном размере. Он заметил, что может начать с трех фундаментальных параметров Вселенной — гравитационной постоянной (которая измеряет силу гравитации), скорости света и собственной постоянной Планка (показатель квантовой зернистости) — и объединить их таким образом, чтобы они компенсировали друг друга для получения длины. Он не был уверен в значении этой длины Планка, как ее потом стали называть, но чувствовал, что это должно быть что-то очень простое.
В 1950-х годах физик Джон Уилер предположил, что планковская длина отмечает границу, на которой беспорядочное движение квантовой механики так яростно перемешивает пространство и время, что обычные представления об измерении теряют всякий смысл. Он назвал результат «квантовой пеной».
Теория струн
До сих пор физики пытаются выяснить странные следствия минимальной длины. В теории суперструн математическое соотношение, называемое Т-дуальностью, предполагает, что круг можно сжать лишь до определенного предела. По мере уменьшения радиуса круг становится все меньше и меньше, пока не достигнет дна, внезапно действуя так, как будто он становится все больше и больше.
Такое поведение подразумевает, что круг имеет минимальный «истинный» размер. Многие считают, что это окажется примерно сопоставимым со шкалой Планка.
Имеются и другие признаки зернистости. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, некоторые пары величин являются «некоммутативными»: вы не можете одновременно измерить положение частицы и ее импульс или, например, ее энергию и продолжительность жизни. Чем точнее вы знаете одно, тем более нечеткими становятся ваши знания о другом.
В теории струн сама геометрия пространства может оказаться некоммутативной, что сделает невозможным одновременное измерение горизонтального и вертикального положения частицы с идеальной точностью. Мешала бы сама зернистость пространства.
Петлевая квантовая гравитация
Не все, кто занимается объединением, являются теоретиками струн. Исходя из совершенно другого направления, исследователи дисциплины, называемой петлевой квантовой гравитацией, разработали теорию, согласно которой пространство строится из абстрактных математических объектов, называемых спиновыми сетями.
Представьте крошечную частицу, вращающуюся как волчок вокруг своей оси. Теперь отправьте его в путешествие туда и обратно, по петле в космосе. В зависимости от эйнштейновской формы пространства, которое пересекает частица, она вернется обратно с наклоном оси в другом направлении. Это изменение дает представление о том, как искривлено пространство.
Используя частицы с различными спинами, теоретики могут более детально исследовать космос. Различные траектории могут быть объединены в паутину, называемую спиновой сетью, которая захватывает все, что вам нужно знать о том, как искривлено пространство — то, что физики называют его геометрией.
Предположим, вы сидите за столом. Чтобы вычислить его площадь, нужно сложить спины всех звеньев сети, проходящих через нее, и умножить на квадрат планковской длины. Тут подразумевается, что сама идея поверхности является иллюзией, порожденной спиновой сетью.
Картина становится еще более странной. В квантовой механике электрон, вращающийся вокруг атомного ядра, рассматривается как облако вероятности: «суперпозиция», в которой все возможные местоположения электрона колеблются вместе. По мнению некоторых физиков, Вселенная сама по себе является суперпозицией всех мыслимых спин-сетей — всех возможных способов ее искривления.
Время
Какое место в картине занимает время? Спиновая сеть обеспечивает моментальный снимок геометрии трехмерного пространства в конкретный момент времени. Чтобы описать пространство-время, теоретики растянули спиновые сети в четвертом измерении, изобретя то, что они называют спиновой пеной. Разрежьте его, и каждое бесконечно тонкое поперечное сечение будет спиновой сетью.
Больше всего сбивает с толку тот факт, что прядильную сеть и прядильную пену нельзя представить существующими в пространстве и времени. Они находятся на более фундаментальном уровне, как глубокая структура, которая лежит в основе и порождает само пространство-время.
Вселенная, с этой точки зрения, является порождение чистой математики. И старое представление о пространстве и времени как о сцене, на которой происходит всё, похоже, больше не применимо.
