Здесь я попытался очень кратко изложить свои соображения о том, в каком направлении должна двигаться научная мысль в попытках понять, как работает гравитация на квантовом уровне.
Сразу поясню, зачем предпринимать такие попытки.
После того, как физика столкнулась с проблемой ультрафиолетовой катастрофы, и стало ясно, что с помощью классических представлений о природе излучения решить эту проблему не удастся, Макс Планк был вынужден выдвинуть ровно на рубеже веков, в 1900 году, "сумасшедшую" гипотезу о квантовой природе излучения. И понеслось. Через пять лет Альберт Эйнштейн напишет свою нобелевскую статью о фотоэффекте. А дальше - больше. Классическая физика посыпалась, как карточный домик. Рождалось совершенно новое понимание природы. Конечно, классическая теория гравитации Ньютона, электродинамика Максвелла, термодинамика Больцмана продолжали прекрасно работать в определенных пределах. Но оказалось, что они рушатся в области высоких энергий, скоростей, а также в области микромира. То есть у всех классических теорий четко обозначилась область применимости, за пределами которой законы классической физики оказываются не верны.
В течение ХХ века была фактически построена новая современная физика, существенно раздвинувшая область применимости. И в какой-то момент (годах в 50-х - 60-х) уже казалось, что вот-вот, еще немного, еще чуть-чуть, и мы сможем разгадать все фундаментальные секреты природы.
Однако, к концу ХХ века стали накапливаться новые проблемки, а также оставались нерешенными отложенные старые. И вот сейчас в 20-е годы века нынешнего мы, похоже, стоим на пороге новой катастрофы. Нет, пока физикам удается находить способы подпирать покосившееся здание современного небоскреба знаний. Но теперь оно уже совсем не выглядит таким стройным и футуристичным, каким оно обещало стать сто лет назад.
Какие же проблемы нависли над этим величественным сооружением? Давайте перечислим основные.
Пожалуй, самая неразрешимая и общая проблема на сегодня - органическая несовместимость теории относительности и квантовой механики. Они, две части одного здания, по сути своей стоят на разных тектонических плитах: теория относительности зиждется на представлении о непрерывном пространстве-времени, квантовая механика опирается на дискретно-волновую концепцию. При таком раскладе они никогда не срастутся в единое непротиворечивое строение. Их общее вместилище всегда будет трещать по швам.
Внутри обоих столпов современной физики также присутствуют внутренние проблемы.
В квантовой механике остается по существу нерешенным парадокс квантово-волнового дуализма. Есть, конечно, академическое решение, которое по сути постулирует этот самый дуализм как данность. Но при этом такое решение не имеет логического обоснования. И по факту мы просто технически отмахиваемся от этой проблемы, хотя с философской точки зрения она весьма существенна.
Для теории относительности таковой является проблема сингулярностей, то есть бесконечных, расходящихся решений в области черных дыр и в пресловутой модели Большого Взрыва. Также довольно много толков возникает в последние годы вокруг темных масс и энергии. Эти новые сущности вынужденно вводятся для объяснения "аномального" наблюдаемого распределения скоростей движения рукавов в спиральных галактиках и также для объяснения ускоренного "разбегания" Вселенной.
Все эти соображения подталкивают к определенным сомнениям в том, правильно ли мы вообще понимаем, где находится общий фундамент обеих теорий. Возможно, он скрывается где-то глубже, чем представление о пространстве-времени как о едином непрерывном напряженном поле и квантах, порхающих в нем то в обличье частиц, то обратившись волнами?
И вот тогда зададимся вопросом: с чего бы начать, чтобы проникнуть под видимый сегодня треснувший фундамент и попытаться разглядеть под ним единую плиту?
Формулы здесь не помогут. Специалистам они хорошо известны. И мы не будем подвергать их сомнениям (по крайней мере в области применимости, которая сегодня подтверждена по крайней мере в пределах, доступных прямому измерению без привлечения модельных допущений).
Важно взглянуть на проблему с самых общих позиций. Итак, теория относительности и квантовая механика конфликтуют. Это факт. И корень этого конфликта находится в области понимания того, что пространство и время не квантуются, то есть они непрерывны, а квантовая механика вынуждена жить в этой непрерывной математической среде, оперируя по сути дискретными понятиями. Отсюда и проистекают как сингулярность черных дыр, так и принцип неопределенности Гайзенберга. Это можно было предсказать, не написав еще ни одной формулы. Ведь теория гравитации работает с непрерывными понятиями поля и использует соответствующую математику аналитических функций, а для квантовой теории непрерывное пространство является препятствием. Для нее естественным является дискретное пространство состояний, а обычное пространство-время оказывается в ней каким-то неудобным рудиментом, в котором даже нельзя толком определить координату (x, t) кванта. Собственно это искусственное положение классического непрерывного пространства и порождает пресловутую неопределенность и дуализм.
Это принципиальная проблема. Для ее устранения нужна квантовая теория гравитации, то есть дискретное пространство и время. И как в нем строить тензор напряженности не очень понятно. Здесь должна быть какая-то другая математика и, что еще более важно, другая философия, другое понимание пространства-времени. Естественно, когда размером ячеек пространства-времени будет можно пренебречь, мы должны прийти к известным формулам теории относительности, как этого требует научный подход.
Двигаясь в этом направлении, можно представить пространство в виде сети переходов между квантовыми состояниями. Собственно, само понятие пространства в классическом понимании, по-видимому, следует считать сгенерированным нашим восприятием реальности. То есть пространство существует только в нашем сознании как некая модель, помогающая нам ориентироваться в физическом мире, но не вполне отражающая суть вещей.
Сеть переходов можно представить себе в виде ветвистой сети, когда входящая ветвь приходит к узлу ветвления, из которого торчат уже несколько исходящих ветвей. Простейший вариант узла ветвления состояний в трехмерном представлении:
То есть движение квантов в таком пространстве происходит от узла к узлу, в каждом из которых происходит выбор исходящего направления. Причем этот выбор может содержать как элемент случайности (стохастический выбор), так и некое правило (закономерный отбор). При таком построении мы сразу избавляемся от противоречивости построения квантовой теории на непрерывном пространстве. Очевидно, что этот гипотетический ветвистый базис состояний должен каким-то образом трансформироваться в обычное пространство при наблюдении больших групп квантов или одного кванта на большом промежутке времени (при большом числе переходов между узлами).
Далее, из самых общих соображений, вытекающих из общей теории относительности и наблюдающихся явлений в далеком космосе, можно сделать некоторые предположения об этой связи между базисом состояний и наблюдаемым (осознаваемым) нами пространством.
Основным постулатом ОТО является констатация эквивалентности инерциальных и ускоренных систем отсчета, если последние не испытывают никаких внешних сил, кроме гравитации. То есть, в космическом корабле, свободно падающем на Землю из космоса никакими приборами невозможно определить гравитационное воздействие Земли. Тем не менее Земля будет с ускорением приближаться к кораблю. И можно понимать это так, что пространство как будто бы "набегает" на корабль со стороны Земли. Но то же самое может сказать и наблюдатель на корабле, падающем на Землю с противоположной стороны. То есть масса Земли заставляет расширяться пространство во все стороны от центра масс. Казалось бы, абсурдное положение дел. Но что, если, так оно и есть. Нет логического запрета на такую интерпретацию наблюдаемого факта.
И тогда возникает следующая модель. Если все кванты, составляющие массу Земли, движутся в ветвистом пространстве сети состояний так, чтобы занять наиболее свободное, удаленное от соседей, состояние. Это выглядит естественно и подобно тому, как ведут себя молекулы воздуха, разлетающиеся из лопнувшего воздушного шара. При этом расстояния между соседними молекулами воздуха увеличиваются, скажете вы, а молекулы Земли остаются слепленными и никуда не убегают. В этом и заключается фокус нашего сознания. Это называется нормировочным произволом. Удобно и практично считать, что наша Земля не разлетается на части, если мы тоже синхронно разлетаемся вместе с ней. Для нас, как наблюдателя, растущего вместе с Земным шаром, все размеры будут выглядеть неизменными. Будут расти горы, но и линейка будет расти вместе с Землей и вместе с нашими руками, которые держат эту линейку. То есть здесь вопрос в том, как нормировать расстояния во времени? А нормировать мы их можем только электромагнитным образом. Да, именно свет, а точнее электромагнитные кванты являются практически единственными нормировщиками нашего восприятия. Если исключить короткодействующие ядерные силы, то все пространственно-временные ориентиры мы имеем исключительно благодаря электромагнитному взаимодействию (точнее - электрослабому, но в данном контексте это не существенная неточность). Если бы не было электромагнитного взаимодействия, мы свободно проходили бы сквозь стены и вообще не имели бы представления о пространстве. И не случайно скорость света инвариантна для всех систем отсчета. Ведь мы, если досконально разобраться, всегда измеряем расстояния по времени задержки светового сигнала при прохождении измеряемого расстояния. И время мы, очевидно, всегда измеряем тем же методом. То есть мы изначально замкнули свое ощущение пространства и времени на скорость света. И то, и другое мы сознательно или бессознательно нормируем по свету.
Поэтому не исключено, что не менее адекватным восприятием является пространство, нормированное на разбегание толпы гравитирующих таким образом квантов, которые, "хаотично толкаясь" в итоге образуют внешне согласованное разбегание и завоевание все новых областей в "пространстве состояний". То есть гравитация - это не сжатие, а, наоборот, разбегание квантов. И то, что мы наблюдаем "разбегание" Вселенной тоже вытекает из этой склонности квантов к занятию максимально отдаленных от соседей мест на ветвях пространства состояний.
Но как же тогда образуются компактные массы: планеты, звезды, черные дыры, галактики? Напомню, что эту компактность мы наблюдаем в нашей привычной нормировке, когда увеличивающиеся расстояния в пространстве состояний воспринимаются нами как неизменные. Но в пространстве состояний вполне логичной выглядит картина, когда в периферийных областях "разбегание" квантов происходит быстрее. Представьте, как тяжело выбраться из центра тесной толпы, собравшейся на большой площади. Какое-то время вообще невозможно сдвинуться с места - все соседние места заняты. Но чем ближе к краю площади, тем реже толпа, тем проще и быстрее найти выход и выбраться на свободное пространство. Тем более, те, кто изначально был ближе к краю, имеет фору и имеет больше шансов бежать быстрее прочь.
На основе данной идеи можно попробовать посчитать различные сценарии (модели). Во всяком случае, есть надежда, что моделирование развития систем квантов на различных решетках при различных начальных условиях и правилах отбора может дать результат, согласующийся с ОТО и реальными наблюдениями больших гравитационных систем. Если это случится, то можно будет надеяться на то, что будет найден, наконец, путь к построению квантовой теории гравитации.
При такой схеме рассуждений гравитационные явления приобретают квантовую и вероятностную природу (скачкообразность передвижения и возможность введения элемента случайности в выбор направления очередного шага).
Фотоны и другие бозоны (именно бозоны являются переносчиками взаимодействий) выступают в роли квантов-"разведчиков", дающих фермионам информацию о наличии рядом других фермионов. Эта информация влияет на выбор следующего шага фермиона, меняя распределение вероятностей выбора направления выхода из узла. Фотон при этом является переносчиком активного, и, что важно, "дальнодействующего" взаимодействия.
В короткой статье трудно с полной ясностью изложить все детали идеи о том, что наше ощущение пространства и времени является лишь одним из возможных вариантов интерпретации реального положения вещей. Наверняка мне не удалось представить свои соображения простым и понятным образом. Но надеюсь, что кого-то они заинтересуют, и исследования в этом направлении продолжатся.
В случае возникновения интереса к затронутой теме рекомендую к прочтению также статью Корпускулярно-волновой дуализм или цепи Маркова.