Читать книгу "Семь этюдов по физике - Карло Ровелли"

Стало быть, мир, описываемый этой теорией, еще дальше отодвигается от привычного нам. Нет больше пространства, «заключающего в себе» мир, и нет больше времени, «в котором» происходят события. Есть лишь элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи беспрестанно взаимодействуют друг с другом. Иллюзия пространства и времени, сохраняющаяся вокруг нас, – размытое восприятие этого мельтешения элементарных процессов, точно так же, как спокойное, чистое альпийское озеро на самом деле создается вихрем мириадов крохотных молекул воды.

Разглядывая при колоссальном увеличении с помощью ультрамощной лупы предпоследнюю нашу картинку, в свете этой главы мы увидели бы зернистость пространства:

Возможно ли проверить эту теорию экспериментально? Мы ломаем над этим головы и пробуем, но пока экспериментального подтверждения нет. Тем не менее придумано несколько разных подходов.

Один из них вытекает из исследования черных дыр. В небесах мы теперь можем наблюдать черные дыры, сформировавшиеся при схлопывании звезд. Сжатое под собственным весом, вещество таких звезд коллапсировало и исчезло с наших глаз. Но куда оно делось? Если теория петлевой квантовой гравитации верна, вещество не может действительно коллапсировать в бесконечно малую точку, поскольку бесконечно малых точек не существует – только конечные крупинки пространства. Коллапсируя под собственным весом, вещество должно было становиться все более и более плотным до тех пор, пока квантовая механика не создала бы встречный, уравновешивающий напор.

Эта предполагаемая конечная стадия жизни звезды, когда квантовые флуктуации пространства-времени уравновешивают вес вещества, известна как «планковская звезда». Если бы Солнце перестало гореть и превратилось в черную дыру, та была бы около полутора километров в диаметре. Внутри этой черной дыры вещество Солнца продолжило бы сжиматься – и в конце концов превратилось бы в такую планковскую звезду. Ее размеры были бы близки к размерам атома. Все вещество Солнца, спрессованное в объем атома: для планковской звезды характерно такое экстремальное состояние материи.

Планковская звезда нестабильна: чуть только она максимально сжимается, ее отбрасывает назад – она начинает снова расширяться. Это ведет к взрыву черной дыры. Воображаемому наблюдателю, сидящему внутри черной дыры на планковской звезде, этот процесс виделся бы отскоком назад, происходящим с огромной скоростью. Но для этого наблюдателя время течет не так же, как для всех снаружи черной дыры, – по той же причине, по которой в горах время течет быстрее, чем на уровне моря. За исключением того, что из-за экстремальных условий разница в ходе времени колоссальна: то, что наблюдателю на планковской звезде будет казаться неимоверно быстрым, снаружи будет выглядеть происходящим очень-очень долго. Вот почему мы наблюдаем черные дыры неизменными в течение долгого времени: черная дыра – это расширяющаяся звезда, видимая в крайне замедленном действии.

Возможно, в горниле первых мгновений Вселенной сформировались черные дыры – и теперь некоторые из них взрываются. Если это так, мы, вероятно, смогли бы обнаружить сигналы, испускаемые ими при расширении, – космические лучи высокой интенсивности, приходящие с неба, а значит, позволяющие нам наблюдать и измерять прямой эффект от явления, управляемого квантовой гравитацией. Идея смелая – она, может, и не сработает, если, например, в первозданной Вселенной сформировалось недостаточно черных дыр, чтобы мы сегодня сумели зарегистрировать их расширение. Однако поиск сигналов начался. Посмотрим.

Другое следствие теории, причем одно из самых впечатляющих, касается происхождения Вселенной. Мы знаем, как восстановить историю нашего мира до начального этапа, когда он был крошечных размеров. Но что было до того? Уравнения петлевой теории позволяют нам пойти еще дальше в воссоздании этой истории.

Мы обнаружили, что, когда вселенная предельно сжата, квантовая теория порождает отталкивающую силу, а значит, мощный взрыв – Большой взрыв – мог быть на самом деле Большим отскоком. Не исключено, что наш мир в действительности возник из предшествующей вселенной, которая сжималась под своим собственным весом, пока не втиснулась в крохотный объем, а затем «отскочила» назад и начала расширяться обратно, таким образом став расширяющейся вселенной, которую мы и наблюдаем вокруг себя.

Момент этого отскока, когда вселенная поместилась бы в ореховую скорлупу, – настоящее царство квантовой гравитации: время и пространство начисто исчезли, и мир растекся в мельтешащее облако вероятностей, которое уравнения тем не менее все еще способны описывать. Последняя картинка третьей главы преображается так:

Итак, наша Вселенная, возможно, родилась при отскоке из предыдущей фазы, пройдя через промежуточную – когда не было ни пространства, ни времени.

Физика распахивает окна, через которые мы смотрим в дальнюю даль. То, что мы видим, не перестает нас изумлять. Мы понимаем, что полны предубеждений и что наше интуитивное видение мира неполное, ограниченное, неправильное. Земля не плоская, не неподвижная. Мир продолжает меняться на наших глазах, по мере того как мы всматриваемся в него – и постепенно начинаем видеть его все четче и все в больших подробностях. Если сложить то, что мы узнали о физическом мире в XX столетии, станет ясно, что все подсказки указывают на нечто в корне отличное от нашего интуитивного понимания материи, пространства и времени. Петлевая квантовая гравитация – попытка разгадать эти подсказки и заглянуть еще чуть дальше.

Этюд шестой

Вероятность, время и теплота черных дыр

Наряду с важнейшими теориями, о которых я уже говорил и которые описывают базовые составляющие мира, есть другой внушительный бастион физики, несколько отличающийся от остальных. К его воздвижению неожиданно привел единственный вопрос: что такое теплота?

До середины XIX века физики пытались истолковать теплоту, мысля ее своего рода жидкостью, называемой «теплород», или двумя жидкостями, одной горячей и одной холодной. Это представление оказалось неверным. В конце концов Джеймс Максвелл и австрийский физик Людвиг Больцман все поняли. И то, что они поняли, очень красиво, странно и значительно – и переносит нас в области, до сих пор во многом не исследованные.

Они начали понимать, что горячее вещество – не то, которое содержит теплород. Горячее вещество – то, в котором быстрее движутся атомы. Атомы и молекулы – небольшие скопления атомов, связанных между собой, – всегда в движении. Они носятся, колеблются, отскакивают и так далее. Холодный воздух – тот, в котором атомы, а точнее молекулы, движутся медленнее. Горячий – тот, в котором молекулы движутся быстрее. Изумительно просто. Но это не все.

Теплота, как мы знаем, всегда передается от горячих объектов холодным. Холодная чайная ложка, помещенная в чашку горячего чая, тоже становится горячей. Если мы неподобающе оденемся в морозный день, то быстро потеряем тепло своего тела и замерзнем. Почему же теплота переходит от горячих объектов к холодным, но не наоборот?