Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
| Вид материала | Документы |
- Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
- Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
- Название работы, 371.8kb.
- Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
- Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
- Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
- Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
- Романтика космоса, 1113.61kb.
- «Химия космоса», 282.27kb.
- Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.
Из всех обсуждавшихся здесь намеков я выбрал голографический принцип как тот, который наиболее вероятен, чтобы играть доминирующую роль в будущих исследованиях. Он возникает из основного свойства черных дыр – их энтропии, – понимание которой, с чем согласны многие физики, покоится на твердом теоретическом основании. Даже если детали наших теорий должны будут измениться, мы ожидаем, что любое осмысленное описание гравитации будет допускать черные дыры, а потому ограничения энтропии, ведущие в данном обсуждении, будут продолжать существовать и голография будет применяться. То, что теория струн естественным образом включает голографический принцип, – по меньшей мере, в некоторых примерах согласно математическому анализу, – является другим сильным куском доказательства, означающего обоснованность принципов. Я ожидаю, что безотносительно к тому, куда нас может завести поиск основ пространства и времени, безотносительно к модификациям теории струн/М-теории, которые могут поджидать нас за поворотом, голография будет продолжать оставаться ведущей концепцией.
Составляющие пространства-времени
На протяжении этой книги мы периодически намекали на ультрамикроскопические составляющие пространства-времени, но хотя мы привели косвенные аргументы их существования, мы еще должны сказать что-нибудь о том, чем на самом деле могут быть эти составляющие. И по хорошей причине. Мы на самом деле не имеем идеи, что они собой представляют. Или, возможно, я должен сказать, когда речь идет об идентификации простейших ингредиентов пространства-времени, мы не имеем идей о том, в чем мы на самом деле уверены. Это великая прореха в наших представлениях, но имеет смысл посмотреть на проблему в ее историческом контексте.
Если бы вы опросили ученых конца девятнадцатого века по поводу их взглядов на элементарные составляющие материи, вы бы не нашли универсального согласия. Всего лишь столетие назад атомная гипотеза была спорной; имелись хорошо известные ученые, – один из них Эрнст Мах, – которые полагали ее не верной. Более того, всегда со времен получения атомной гипотезой широкого признания в начале двадцатого века ученые постоянно дополняли обеспечивающую ее картину тем, во что верилось как во все более элементарные ингредиенты (например, сначала протоны и нейтроны, затем кварки). Теория струн является самым последним шагом по этому пути, но, поскольку она еще должна быть подтверждена эксприментально (и, даже если это произошло бы, это не могло бы помешать существованию еще более утонченной теории, ожидающей разработки), мы должны откровенно признать, что поиски составляющих основного материала природы продолжаются.
Включение пространства и времени в современный научный контекст восходит к Ньютону в 1600е, но серьезные размышления относительно их микроскопического строения потребовали открытий в двадцатом столетии ОТО и квантовой механики. Таким образом, на исторической шкале времени мы, на самом деле, только еще начали анализировать пространство-время, так что отсутствие определенных предположений об их "атомах" – самых элементарных составляющих пространства-времени – не является черной меткой на теме. Далеко от этого. То, что мы получили, так же как то, что мы имеем, – что мы обнаружили множество свойств пространства и времени чрезвычайно далеко от повседневного опыта, – свидетельствует о прогрессе, непостижимом столетие назад. Поиск самых фундаментальных ингредиентов природы, или материи, или пространства-времени является огромной проблемой, которая, вероятно, займет у нас некоторое время до ее разрешения.
Для пространства-времени имеются два многобещающих направления поисков элементарных составляющих. Одно предложение вытекает из теории струн, а другое из теории, известной как петлевая квантовая гравитация.
Предложение теории струн, в зависимости от того, насколько напряженно вы о нем думали, представляется или интуитивно привлекательным, или совершенно непостижимым. Поскольку мы говорим о "ткани" пространства-времени, предложение заключается в том, что, может быть, пространство-время сшито из струн точно так же, как рубашка сшита из нитей. Это означает, почти как подходящим образом объединенное вместе большое количество нитей производит ткань рубашки, может быть, подходящим образом объединенное вместе большое количество струн производит то, что мы обычно называем тканью пространства-времени. Материя, вроде вас и меня, тогда будет означать дополнительные агломерации вибрирующих струн, – как звонкая музыка, играющая поверх приглушенного шума, или искусно сделанный узор, вышитый на ровном куске материала, – движущихся внутри среды сшитых вместе струн пространства-времени.
Я нахожу это заманчивым и убедительным предложением, но на данный момент никто не превратил эти слова в точное математическое построение. Насколько я могу судить, препятствия к тому, чтобы сделать это, далеко не мелкие. Например, если ваша рубашка полностью распускается, вы остаетесь с кучей нитей – в результате, в зависимости от обстоятельств, вы можете найти это смущающим или вызывающим раздражение, хотя, вероятно, не сильно удивительным. Но совершенно изматывает разум (мой разум, по меньшей мере) размышление об аналогичной ситуации со струнами – нитями пространства-времени в этом предложении. Что мы должны понимать под "кучей" струн, которые выпутались из ткани пространства-времени, или, вероятно, более правильно, еще даже не объединились вместе, чтобы произвести ткань пространства-времени? Может существовать соблазн думать о них, почти как мы это делаем о нитях рубашки, – как о сыром материале, который нужно сплести вместе, – но это замалчивает абсолютно необходимую тонкость. Мы рисуем струны как колеблющиеся в пространстве и через время, но вне ткани пространства-времени, которую создают сами струны через их упорядоченное объединение, нет ни пространства, ни времени. В этом предложении концепции пространства и времени теряют смысл до того, как бесчисленные струны не сплетутся вместе, чтобы произвести их.
Таким образом, чтобы придать смысл этому предложению, нам нужна схема для описания струн, которая не предполагает с самого начала, что они колеблются в заранее существовавшем пространстве-времени. Нам нужна формулировка теории струн полностью без пространства и без времени, в которой пространство-время возникает из коллективного поведения струн.
Хотя имелся прогресс в направлении этой цели, никто еще не подошел к такой формулировке теории струн без пространства и без времени – к тому, что физики называют независимой от фона формулировкой (термин возникает из общего понятия пространства-времени как заднего плана, фона по отношению к имеющим место физическим явлениям). Вместо этого, по существу, все подходы воображают струны как движущиеся и колеблющиеся сквозь пространство-время, которое вводится в теорию "руками"; пространство-время не возникает из теории, как это будет по представлениям физиков в независимой от фона схеме, а добавляется в теорию теоретиком. Многие исследователи рассматривают разработку независимой от фона формулировки как единственную величайшую нерешенную проблему, стоящую перед теорией струн. Она не только должна дать ответ на вопрос происхождения пространства-времени, но независимая от фона схема должна, вероятно, стать инструментом в решении главной загвоздки, с которой мы столкнулись в конце Главы 12, – неспособности текущей теории выбрать геометрическую форму дополнительных измерений. Раз уж ее математический формализм отцепляется от любого особого пространства-времени, появляется основание полагать, что теория струн будет способна исследовать все возможности и, вероятно, рассудить, какая среди них годится.
Другая трудность, стоящая перед предложением рассматривать струны как нити пространства-времени, в том, как мы изучили в Главе 13, что теория струн имеет и другие ингредиенты, кроме струн. Какую роль эти другие компоненты должны играть в фундаментальной структуре пространства-времени? Этот вопрос вводится в особенно острой форме сценарием мира на бране. Если трехмерное пространство, которое мы ощущаем, является 3-браной, является ли сама брана неделимой на части или она сделана из объединения других ингредиентов теории? Например, сделаны ли браны из струн или как струны, так и браны являются элементарными? Или мы должны рассматривать еще и другую возможность, что браны и струны могут быть сделаны из некоторых еще более тонких ингредиентов? Эти вопросы стоят на переднем фронте исследований сегодняшнего дня, но, поскольку эта последняя глава посвящена подсказкам и путеводным нитям, позвольте мне отметить один важный результат, который привлек большое внимание.
Ранее мы говорили о различных бранах, имеющихся в теории струн/М-теории: 1-браны, 2-браны, 3-браны, 4-браны и так далее. Хотя я не акцентировал на этом внимание раньше, в теории имеются также 0-браны – ингредиенты, которые не имеют пространственного протяжения, почти как точечные частицы. Это может показаться противоречащим самому духу теории струн/М-теории, которая удаляется от схемы с точечными частицами в попытке приручения диких шероховатостей квантовой гравитации. Однако, 0-браны, точно так же, как их более многомерные родственницы на Рис. 13.2, появляются с присоединенными струнами, буквально, а потому их взаимодействия управляются струнами. Тогда не удивительно, что 0-браны ведут себя совершенно не похоже на общепринятые точечные частицы, и, что самое важное, они полностью принимают участие в рассеивании и уменьшении ультрамикроскопических дрожаний пространства-времени; 0-браны не вводят заново фатальный порок, беспокоящий схемы с точечными частицами, которые пытаются соединить квантовую механику и ОТО.
Фактически, Том Бэнкс из Ратгерсовского Университета и Вилли Фишлер из Университета Техаса в Остине вместе с Леонардом Сасскайндом и Стивеном Шенкером, оба ныне из Стэнфорда, сформулировали версию теории струн/М-теории, в которой 0-браны являются фундаментальными ингредиентами, которые могут быть объединены, чтобы сгенерировать струны и другие, более высокоразмерные браны. Это предложение, известное как Матричная теория – еще одно возможное значение для "М" в "М-теории" – вызвало лавину последующих исследований, но связанная с ней тяжелая математика до сих пор не давала ученым привести этот подход к завершенному виду. Тем не менее, расчеты, которые физики смогли провести в этой схеме, кажется, поддерживают это предложение. Если Матричная теория верна, это может означать, что все сущее – струны, браны и, возможно, даже сами пространство и время – составлены из подходящим образом собранных 0-бран. Это волнующий план и исследователи проявляют осторожный оптимизм, надеясь, что прогресс в течение следующих нескольких лет прольет больше света на его обоснованность.
До сих пор мы рассматривали путь, которым следуют струнные теоретики в поисках составляющих пространства-времени, но, как я отмечал, имеется второй путь, происходящий от главного соперника теории струн, петлевой квантовой гравитации. Петлевая квантовая гравитация берет начало с середины 1980х и является другим многообещающим предложением по соединению ОТО и квантовой механики. Я не хочу пытаться дать детальное описание (если вам интересно, обратите внимание на превосходную книгу Ли Смолина Tree Roads to Quantum Gravity (Три дороги к квантовой гравитации, см. Советы для дальнейшего чтения)), а вместо этого отмечу несколько ключевых моментов, которые особенно показательны для нашего текущего обсуждения.
Как теория струн, так и петлевая квантовая гравитация утверждают, что достигли давно стоящей цели обеспечения квантовой теории гравитации, но они делают это совершенно разными способами. Теория струн выросла из успешной традиции физики частиц, которая десятилетиями искала элементарные составляющие материи; для самых ранних струнных исследователей гравитация была отдаленным, в лучшем случае, вторичным интересом. В отличие от этого, петлевая квантовая гравитация выросла из традиции, тесно основывающейся на ОТО; для большинства последователей этого подхода гравитация всегда была главным объектом внимания. Сравнение в одну фразу будет таково, что струнные теоретики стартовали от малого (квантовая теория) и двигались к охвату большого (гравитация), тогда как приверженцы петлевой квантовой гравитации стартовали от большого (гравитация) и двигались к охвату малого (квантовая теория).[9] Фактически, как мы говорили в Главе 12, теория струн изначально была разработана как квантовая теория сильного ядерного взаимодействия, действующего внутри атомных ядер; и только позже было по счастливому случаю осознано, что теория на самом деле включает гравитацию. Петлевая квантовая гравитация, с другой стороны, взяла ОТО Эйнштейна как отправную точку и стремилась включить в себя квантовую механику.
Этот старт с противоположных концов спектра отразился в путях, которыми две теории разрабатывались до сих пор. В некоторой степени главные достижения каждой оказывались неудачами другой. Например, теория струн соединила все силы и всю материю, включая гравитацию (полное объединение, которое ускользает от петлевого подхода), путем описания всего на языке колеблющихся струн. Частица гравитации, гравитон, является лишь одной особой модой колебаний струны, а потому теория естественным образом описывает, как эти простейшие пучки гравитации двигаются и квантовомеханически взаимодействуют. Однако, как только что отмечалось, главная неудача сегодняшних формулировок теории струн в том, что они заранее предполагают фоновое пространство-время, внутри которого струны двигаются и колеблются. В отличие от этого, главное достижение петлевой квантовой гравитации – впечатляющее достижение – заключается в том, что она не предполагает фонового пространства-времени. Петлевая квантовая гравитация является независимой от фона схемой. Однако, удаление обычного пространства и времени, точно так же, как привычных и успешных свойств ОТО, когда она применяется к большим масштабам расстояний (что легче сделать в сегодняшних формулировках теории струн), из этой экстраординарно непривычной стартовой точки без пространства и без времени является далеко не тривиальной проблемой, которую исследователи все еще пытаются решить. Более того, по сравнению с теорией струн, петлевая квантовая гравитация достигла намного меньшего прогресса в понимании динамики гравитонов. Одна гармонизирующая возможность заключается в том, что струнные энтузиасты и приверженцы петлевой квантовой гравитации на самом деле конструируют одну и ту же теорию, но из чрезвычайно различных стартовых точек. То, что каждая теория содержит петли, – в теории струн это петли струн; в петлевой квантовой гравитации их тяжелее описать нематематически, но, грубо говоря, они представляют собой элементарные петли пространства, – наводит на мысль, что тут может быть некоторая связь. Эта возможность еще больше поддерживается фактом, что на нескольких проблемах, доступных обеим теориям, таких как энтропия черных дыр, две теории полностью согласуются.[10] И по вопросу о составляющих пространства-времени обе теории предполагают, что имеется некоторая разновидность атомистической структуры. Мы уже видели подсказки-намеки в направлении этого заключения, которые появляются из теории струн; аналогичные намеки из петлевой квантовой гравитации убедительны и даже более явны. Петлевые исследователи показали, что многочисленные петли в петлевой квантовой гравитации могут переплетаться, слегка подобно тонким петлям шерсти, ввязанным в свитер, и производить структуры, которые на больших масштабах кажутся почти соответствующими областям пространства-времени. Самое убедительное из всего, петлевые исследователи рассчитали допустимые площади таких поверхностей пространства.
И точно так же, как вы можете иметь один электрон, или два электрона или 202 электрона, но вы не можете иметь 1,6 электрона или любое иное дробное число, расчеты показывают, что поверхности могут иметь площади, которые составляют один квадрат длины Планка, или два квадрата длины Планка или 202 квадрата длины Планка, но никакие дроби невозможны. Еще раз, это сильная теоретическая подсказка, что пространство, как и электроны, начинается с дискретных неделимых кусков.[11]
Если бы я решился погадать на будущие разработки, я представил бы, что независимые от фона техники, разработанные сообществом петлевой квантовой гравитации, будут адаптированы к теории струн, вымостив путь для струнной формулировки, которая не зависит от фона. А это явится искрой, я подозреваю, которая воспламенит третью суперструнную революцию, в которой, я оптимистичен, многие из остающихся глубоких тайн будут решены. Такие разработки, вероятно, также замкнут полный круг долгой истории пространства-времени. В предыдущих главах мы следовали за маятником мнений, когда он качался между реляционистской и абсолютистской позициями по поводу пространства, времени и пространства-времени. Мы спрашивали: Является ли пространство чем-то или нет? Является ли пространство-время чем-то или нет? И в течение нескольких столетий размышлений, мы сталкивались с различными взглядами. Я верю, что экспериментально подтвержденный, независимый от фона союз между ОТО и квантовой механикой даст благодарное решение этой проблемы. Благодаря преимуществу независимости от фона ингредиенты теории могут состоять в некоторых отношениях с такими же другими, но в отсутствие пространства-времени, которое вставлялось в теорию извне, там не будет фоновой арены, в которую они сами были вставлены. Только относительные взаимосвязи будут иметь значение, решение почти в духе реляционистов вроде Лейбница и Маха. Когда ингредиенты теории, – будь это струны, браны, петли или что-то другое, открытое в ходе будущих исследований, – объединяются, чтобы произвести привычное, крупномасштабное пространство-время (или наше реальное пространство-время, или гипотетические примеры, пригодные для мысленных экспериментов), оно будет "чем-то" заново открытым, почти как в нашем раннем обсуждении ОТО: в во всех других отношениях пустом, плоском, бесконечном пространстве-времени (один из подходящих гипотетических примеров) вода в ньютоновском вращающемся ведре будет принимать изогнутую форму. Существенным моментом будет то, что различие между пространством-временем и более ощутимыми материальными сущностями почти совершенно испарится, так как все они будут возникать из подходящих совокупностей более базовых ингредиентов в теории, которая будет фундаментально относительной, без пространства и без времени. Если так и окажется, Лейбниц, Ньютон, Мах и Эйнштейн все смогли бы заявить права на часть победы.
Внутреннее и внешнее пространство
Рассуждения о будущем науки являются занимательным и конструктивным упражнением. Они помещают наше сегодняшнее дело в более широкий контекст и подчеркивают всеобъемлющие цели, в направлении которых мы медленно и осознанно трудимся. Но когда такие рассуждения применяются к будущему самого пространства-времени, они приобретают почти мистическое качество: мы рассматриваем судьбу тех самых вещей, которые господствуют в нашем ощущении реальности. Еще раз, вопрос не в том, что безотносительно к будущим открытиям пространство и время будут продолжать формировать наше индивидуальное восприятие; пространство и время, пока движется повседневная жизнь, будут стоять рядом. Что будет продолжать изменяться и, вероятно, изменяться радикально, так это наше понимание обеспечивающей их системы, – что означает, арены эмпирической реальности. После столетий размышлений мы все еще можем дать только словесное описание пространства и времени, как самого привычного из странного. Они беззастенчиво идут своим путем через наши жизни, но ловко скрывают свою фундаментальную структуру за теми же самыми ощущениями, которые они полностью формируют и на которые влияют.
На протяжении последней сотни лет мы стали близко знакомы с некоторыми ранее скрытыми свойствами пространства и времени благодаря двум теориям относительности Эйнштейна и благодаря квантовой механике. Замедление времени, относительность одновременности, альтернативные сечения пространства-времени, вероятностная природа реальности, дальнодействующее квантовое запутывание не были в списке вещей, которые даже лучшие из физиков мира девятнадцатого века могли бы ожидать найти прямо за углом. А они, однако, там были, что подтвердили как экспериментальные результаты, так и теоретические объяснения.
В нашу эпоху мы подошли к нашему собственному великолепию неожиданных идей: темная материя и темная энергия, которые оказались, несомненно, доминирующими составляющими вселенной. Гравитационные волны – рябь на ткани пространства-времени, – которые были предсказаны ОТО Эйнштейна и однажды позволят нам бросить взгляд дальше назад во времени, чем когда-либо ранее. Океан Хиггса, который пронизывает все пространство и который, если это подтвердится, поможет нам понять, как частицы приобретают массу. Инфляционное расширение, которое может объяснить форму космоса, решить загадку, почему он так однороден на больших масштабах, и установить направление стрелы времени. Теория струн, которая постулирует петли и обрывки энергии вместо точечных частиц и предлагает смелую версию мечты Эйнштейна, в которой все частицы и все силы объединены в единственную теорию. Дополнительные пространственные измерения, возникающие из математики теории струн, и, возможно, обнаруживаемые экспериментами на ускорителях в течение следующего десятилетия. Мир на бране, в котором наши три пространственные измерения могут быть лишь одной вселенной среди многих, плавающих в многомерном пространстве-времени. И, возможно, даже новое пространство-время, в котором сама ткань пространства и времени составлена более фундаментальными беспространственными и безвременными сущностями.
В течение следующего десятилетия все более мощные ускорители обеспечат почти необходимый экспериментальный вклад, и многие физики уверены, что данные, собранные из высокоэнергетических столкновений, которые планируются, подтвердят большое число стержневых физических построений. Я разделяю этот энтузиазм и страстно ожидаю результатов. До тех пор, пока наши теории не соприкоснулись с наблюдаемыми, проверяемыми явлениями, они остаются в подвешенном неопределенном состоянии – они остаются многообещающими коллекциями идей, которые могут иметь или могут не иметь отношения к реальному миру. Новые ускорители существенно продвинут вперед уменьшение зазора между теорией и экспериментом и, мы, физики, надеемся, введут многие из этих идей в область признанной науки.