Вы до сих пор думаете, что пространство — это что-то материальное, что можно искривить или растянуть? А вдруг его вообще нет?
Новая статья — не фантастика, а честный разговор о трёхсотлетнем споре Ньютона и Лейбница, о том, почему Эйнштейн почти победил, но не до конца, и о том, как современная физика (петлевая квантовая гравитация, эмерджентная гравитация Верлинде, зеркальные вселенные) возвращается к идее, что пространство — это абсолютное Ничто, а вся наша Вселенная — лишь временная вспышка краски на вечном холсте.
Без формул и зауми. Только живой язык, понятные аналогии и ссылки на настоящие исследования.
Ничто, которое всегда было: почему пространство может оказаться пустым холстом, а не резиновой плёнкой
Вместо вступления: разговор, с которого всё началось
Представьте себе: вы смотрите на ночное небо, видите звёзды, галактики, тёмные провалы между ними — и вдруг вас осеняет простая и наглая мысль. А что, если всё это пространство, которое, как нас учили, искривляется, расширяется, «дышит» под тяжестью материи, — что, если оно на самом деле не обладает никакими свойствами? Что, если это просто вечное, абсолютно пустое Ничто, а вся наша огромная Вселенная со всеми её квазарами, чёрными дырами и тёмной материей — лишь временная, мимолётная вспышка краски на этом бесконечном холсте?
С такого вот полуночного озарения, друзья (именно так — я буду обращаться к вам на «вы», но без лишнего пафоса), и начался наш разговор. А закончился он тем, что я полез в книги и вдруг обнаружил: эта «дилетантская» идея бьёт точно в центр одного из самых старых и самых жарких споров в истории науки. Спор идёт больше трёхсот лет, в нём участвовали Ньютон, Лейбниц, Эйнштейн, а сегодня над ним работают физики-теоретики вроде Ли Смолина и Эрика Верлинде. И да, у этой идеи есть шанс оказаться не просто красивой метафорой, а реальной альтернативой тому, что мы называем стандартной космологией.
Я попробую провести вас по этому пути без формул и сложных терминов. Обещаю: будет интересно, местами странно, но в конце вы, возможно, начнёте смотреть на пустоту между звёздами совсем другими глазами.
Глава 1. Двое гениев, которые ненавидели друг друга (и правильно делали)
Начнём с самого начала — с драки. Ну, не совсем драки, а переписки. В начале XVIII века жили два великих человека. Один — Исаак Ньютон, который открыл закон всемирного тяготения и создал механику, на которой до сих пор держится половина инженерных расчётов. Другой — Готфрид Лейбниц, математик, философ, изобретатель двоичной системы и, между прочим, создатель того самого дифференциального исчисления, которое вы учили в школе (да-да, не один Ньютон).
Так вот, они спорили обо всём, но главный их спор касался вот чего: что такое пространство?
Ньютон говорил: пространство — это как огромная сцена, которая существует сама по себе. Абсолютная, бесконечная, неподвижная. Вы убираете все вещи, все звёзды, все атомы — сцена остаётся. Именно по отношению к этой сцене тело либо движется по-настоящему, либо покоится. Помните знаменитый эксперимент с ведром воды?
Ньютон придумал: если крутить ведро с водой, вода сначала отстаёт, потом раскручивается и поднимается по стенкам — образуется воронка. Но если крутить ведро, а воду не крутить, воронки не будет. Значит, говорит Ньютон, вращение — это абсолютное движение относительно самого пространства. И точка. (Newton, I. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, 1687, схолии к определениям)
Лейбниц закатывал глаза и отвечал: «Какая чушь! Пространство — это просто порядок сосуществования вещей. Если нет вещей, нет и порядка. Уберите все предметы — и пространство исчезнет, как исчезает номер дома, когда дом снесли». Для Лейбница пространство было чем-то вроде картотеки: отношения «левее», «правее», «выше» — это всё, что есть. Никакой самостоятельной сцены. (Leibniz, G.W., Clarke, S. Correspondence, 1715–1716)
Три столетия этот спор шёл с переменным успехом. Сначала выиграл Ньютон — его механика прекрасно работала, а философские тонкости никого не волновали. Потом, в конце XIX века, поднял голову австрийский физик Эрнст Мах (тот самый, в честь которого назвали число Маха для сверхзвука).
Мах сказал: «А что, если инерция — то есть сопротивление тела ускорению — возникает не из-за абсолютного пространства, а из-за всей остальной материи во Вселенной? Если бы Вселенная была пуста, у тела не было бы инерции. Его можно было бы сдвинуть с места мизинцем». Эта идея называется принципом Маха, и она позже сведёт с ума Эйнштейна. (Mach, E. Die Mechanik in ihrer Entwicklung, 1883)
Глава 2. Эйнштейн: почти получилось, но нет
Когда Эйнштейн создавал общую теорию относительности (ОТО), он был буквально влюблён в Маха. Он писал, что махианская идея о происхождении инерции от взаимодействия масс — это то, к чему надо стремиться. (Einstein, A. The Meaning of Relativity, 1922)
И знаете, он действительно убил ньютоновское абсолютное пространство. В ОТО пространство-время искривляется, сокращается, расширяется — но оно уже не независимая сцена. Оно связано с материей: масса говорит пространству, как искривляться, а искривлённое пространство говорит массе, как двигаться. Это красиво.
Но вот незадача: пространство-время в ОТО всё равно сохранило слишком много самостоятельности. Оно может существовать без материи — например, пустое пространство Минковского (то есть плоское, ничем не заполненное). Оно может переносить гравитационные волны — да, те самые, которые в 2015 году «услышал» детектор LIGO. У него есть своя энергия — та самая загадочная тёмная энергия, связанная с космологической постоянной. В общем, пространство у Эйнштейна — это не просто порядок вещей, а вполне себе физическая «резина», как мы с вами её назвали в начале.
Принцип Маха так и не был реализован. Многие физики сегодня говорят прямо: ОТО несовместима с принципом Маха. (Barbour, J. The End of Time, 1999). И вот тут-то возникает наша альтернатива: а что, если пойти дальше Эйнштейна? Отказаться не только от абсолютного пространства Ньютона, но и от «резины» Эйнштейна? Что, если пространство — это вообще не сущность, а просто вместилище, ноль, ничто? А все эффекты — расширение, красное смещение, гравитация — это свойства самой материи и её взаимодействий?
Глава 3. Квантовая гравитация: когда пространство «собирается» из кусочков
Долгое время идея «пространство — это ничто» казалась уделом философов и фантастов. Но в 1970–80-е годы физики, которые пытались объединить квантовую механику и гравитацию, вдруг наткнулись на похожую интуицию с другой стороны.
Один из самых ярких современных физиков — Ли Смолин (да, тот самый, который написал бестселлер «Проблемы физики»). Смолин и его коллеги, работающие над петлевой квантовой гравитацией, утверждают: пространство и время не фундаментальны. Они возникают — как возникает температура у газа из движения молекул. На самом глубоком уровне нет никакого «гладкого пространства». Есть квантовые узлы, спиновые сети, какие-то дискретные кусочки. А гладкость, которую мы чувствуем, — это иллюзия, как гладкость воды на озере, хотя на самом деле там миллиарды молекул.
Смолин прямо говорит: дискуссия о фоновой независимости (то есть о том, что теория не должна опираться на заранее заданную геометрию) — это прямое продолжение спора Лейбница и Ньютона. (Smolin, L. The Trouble with Physics, 2006; Rovelli, C. Quantum Gravity, 2004)
То есть, друзья, та самая интуиция про «пустой холст» оказывается не маргинальной фантазией, а ровнёхонько в центре самой современной области теоретической физики. Утешает, правда?
Глава 4. Гравитация — это не сила, а «побочный эффект» информации
Но самый, пожалуй, захватывающий поворот случился в 2010 году. Голландский физик Эрик Верлинде (кстати, он начинал как специалист по теории струн, а потом разочаровался) опубликовал статью с громким названием «О происхождении гравитации и законах Ньютона». И сказал там примерно следующее.
Вы знаете, что такое температура? Это не свойство отдельной молекулы. Это коллективный эффект огромного числа молекул, которые движутся хаотично. Так вот, говорит Верлинде, гравитация — это тоже коллективный, порождённый (эмерджентный) эффект. Никакого отдельного «поля гравитации» нет. Есть микроскопические степени свободы, скрытые в структуре пространства (кстати, это тесно связано с голографическим принципом, который придумал ’т Хоофт, а развил Сасскинд). Когда материя перемещается, она меняет распределение информации об этих степенях свободы — и возникает энтропийная сила, которую мы и называем гравитацией. (Verlinde, E. JHEP, 2011(4), 29)
Позже, в 2016 году, Верлинде выпустил новую работу, где попытался объяснить и тёмную материю. Он предположил, что в порождённой (эмерджентной) гравитации появляется дополнительная «упругая» сила, которая ведёт себя как тёмная материя. И эта «упругость» — она удивительно напоминает тот самый эффект, о котором мы говорили в нашем разговоре: когда коллективная статистика может неожиданно сжиматься там, где ждёшь расширения.
Есть даже любопытный парадокс Браеса из теории транспортных сетей: если добавить новую дорогу, пробки могут не уменьшиться, а вырасти. Похожая логика работает и здесь. (Verlinde, E. arXiv:1611.02269, 2016)
Что это значит для нашего «холста»? А то, что пространство перестаёт быть даже резиной. Оно становится тенью, статистической проекцией. Абсолютным Ничто, если угодно, но с очень сложной математикой внутри.
Глава 5. Зеркальные вселенные: почему тёмная материя может быть «эхом» соседей
Помните, мы предположили, что тёмная материя — это не какие-то неизвестные частицы, а «отпечатки» других миров, которые существуют в том же самом Ничто, но невидимы для нас? Оказывается, и здесь физики уже начудили.
Ещё в 1966 году советские физики Кобзарев, Окунь и Померанчук предложили идею зеркальной материи. Представьте себе, что есть ещё один набор частиц — зеркальные электроны, зеркальные протоны, зеркальные фотоны. Они взаимодействуют друг с другом точно так же, как наши, но почти не взаимодействуют с нами. Только через гравитацию. Позже эту идею развил Роберт Фут. (Foot, R. IJMPA, 29(19), 1430016, 2014)
А некоторые исследователи пошли дальше: тёмная материя — это «искажённая зеркальная Вселенная», где чуть-чуть по-другому прошли фазовые переходы. В нашей Вселенной атомы смогли собраться, а в зеркальной — нет. Поэтому она и тёмная. И она может находиться буквально в том же «месте», что и наша, — просто мы её не видим.
Согласитесь, это очень похоже на нашу метафору про матрёшку: множество вложенных миров, которые занимают одно и то же пространство-Ничто, но не замечают друг друга. Гравитация — единственная ниточка, которая их связывает.
Глава 6. Мир на мембране: струны, дополнительные измерения и почему гравитация такая слабая
Вы наверняка слышали про теорию струн. Если очень кратко: там вместо точечных частиц — крошечные вибрирующие струны, а пространство-время имеет не четыре измерения, а десять или даже одиннадцать. И там есть идея мира на мембране.
Что такое мембрана (брана)? Это многомерная поверхность. Представьте себе лист бумаги — это двумерная мембрана, плавающая в трёхмерном пространстве. Наша Вселенная, по этой модели, — трёхмерная мембрана, плавающая в многомерном «объёме». В известной модели Рэндалл-Сандрума (1999) все частицы Стандартной модели приклеены к нашей мембране, а гравитоны (переносчики гравитации) могут уходить в объём. Вот почему гравитация такая слабая по сравнению с электромагнетизмом: она «размазывается» по дополнительным измерениям. (Randall, L., Sundrum, R. Phys. Rev. Lett., 83(17), 3370, 1999)
И снова: разные мембраны — это разные вселенные, которые могут существовать в одном и том же объёме, почти не взаимодействуя. Опять наша идея «множества миров в едином Ничто» получает научную прописку.
Глава 7. А если Больших взрывов было много? Вечная инфляция и циклы Пенроуза
Одна из самых интересных деталей нашего разговора: а что, если Большой взрыв — не единственный? Что, если их была бесконечная череда и мы просто живём внутри одного из пузырей?
Здесь нам на помощь приходит модель вечной хаотической инфляции Андрея Линде. Линде — российско-американский физик, один из создателей инфляционной космологии. Он говорит: Вселенная в целом никогда не перестаёт расширяться и порождать новые «пузыри» — дочерние вселенные. Каждый пузырь живёт своей жизнью, может расширяться, остывать, рождать звёзды и галактики. А потом, возможно, исчезать. Но процесс в целом вечен. Мультивселенная — это бесконечный фрактал, растущее дерево, у которого нет корня и нет вершины. (*Linde, A. Mod. Phys. Lett. A, 1(02), 81-85, 1986; а также его книга «Particle Physics and Inflationary Cosmology», 1990*)
А есть ещё Роджер Пенроуз — нобелевский лауреат, гениальный математик, который не любит мультивселенные и инфляцию. Он придумал свою конформную циклическую космологию. Пенроуз утверждает: Вселенная живёт циклами — эонами. В конце каждого эона она расширяется настолько, что все массивные частицы распадаются, остаётся только безмассовое излучение (фотоны, гравитоны). А потом происходит математическое преобразование: бесконечно далёкое будущее одного эона превращается в Большой взрыв следующего эона. И самое интересное: Пенроуз заявил, что нашёл в реликтовом излучении концентрические круги — возможные «отпечатки» чёрных дыр из предыдущего эона. Правда, данные до сих пор спорные, но идея прекрасна. (Penrose, R. «Cycles of Time», 2010)
Что это значит для нашего «вечного Ничто»? В любой из этих моделей — у Линде или у Пенроуза — время теряет точку начала. Не было единого «момента творения». Есть бесконечное число вспышек материализации, и каждая из них — локальная драма на пустом холсте.
Глава 8. А что со временем? Может, его тоже нет?
Мы с вами всё говорим о пространстве, но ведь есть ещё время. В реляционной картине время — это тоже «порядок последовательности событий», как учил Лейбниц. Нет событий — нет времени.
Подумайте: если Вселенная — это множество отдельных вспышек материи, разбросанных в вечном Ничто, то можно ли говорить о «глобальном времени»? Скорее всего, нет. У каждой вспышки — своя внутренняя хронология. А между вспышками нет никакого «раньше» и «позже» в абсолютном смысле.
Эта мысль поначалу вызывает головокружение. Как это — нет времени? Мы же чувствуем, что оно течёт. Но современная физика, особенно в версии Джулиана Барбура («Конец времени», 1999), всерьёз рассматривает модель, где время — иллюзия, порождённая тем, что мы сами находимся внутри одной из конфигураций материи. Как говорится, «времени нет, есть только изменения». (Barbour, J. The End of Time, 1999)
Наш разговор о «вечном холсте» подводит к той же мысли: Ничто вечно не в смысле бесконечной длительности, а в смысле внеположенности времени. Для пустоты нет ни секунд, ни миллиардов лет. Она просто есть. А все часы тикают только там, где есть материя.
Глава 9. Ладно, это красиво, но как проверить?
Я слышу ваш скептический вопрос: «Всё это замечательно, но где доказательства? На чём ловить ваше Ничто?»
Честно скажу: пока что эта картина — гипотеза. У неё есть сильные стороны и слабые.
Сильные стороны:
- Она снимает проблему сингулярности. В стандартной космологии в момент Большого взрыва плотность становится бесконечной — это физики ненавидят. Если пространство — Ничто, оно не может схлопнуться в точку. Сингулярность — это просто предел концентрации материи, а не коллапс самого пространства-времени.
- Она естественно объясняет, почему существует тёмная материя и тёмная энергия: это взаимодействие с другими «вспышками» или порождённые (эмерджентные) эффекты.
Слабые стороны (и пока нерешённые вопросы):
- Если пространство не расширяется, а материя просто разлетается в стационарном Ничто, то почему реликтовое излучение такое изотропное (одинаковое во все стороны)? Почему нет видимого центра взрыва? (Данные спутника Planck 2018 года показывают, что отклонения от изотропии — всего одна десятитысячная.)
- Почему далёкие галактики удаляются от нас быстрее скорости света? В специальной теории относительности нельзя двигаться сквозь пространство быстрее света, но в расширяющемся пространстве — можно. А если пространство не расширяется, то как быть? (Planck Collaboration, A&A, 641, A6, 2020)
Сторонники реляционной модели отвечают: изотропия возникает потому, что мы находимся внутри одной большой области материализации, а свет от других областей ещё не дошёл. А сверхсветовые скорости — это не движение сквозь пространство, а относительная скорость двух далёких объектов, которые не связаны причинно; ограничение на скорость касается только передачи информации в локальной окрестности.
Но, конечно, это ещё не доказательства. Просто — возможные ответы.
Вместо заключения: холст, который не нарисован
Друзья, мы с вами проделали большой путь. От случайной ночной догадки до трёхсотлетней истории споров, от Лейбница и Ньютона до квантовых узлов Смолина и энтропийной гравитации Верлинде. И что мы видим?
Та самая метафора «холста и красок», с которой всё началась, оказалась на удивление живучей. Холст — это абсолютное Ничто, у которого нет свойств, кроме одного: оно есть. Оно не расширяется, не искривляется, не пульсирует. Оно просто позволяет чему-то быть. А краски — это материя, энергия, поля, все эти вспышки, которые мы называем вселенными. Их может быть много, они могут накладываться друг на друга, переплетаться гравитацией, оставлять следы в реликтовом излучении.
Эта картина не отменяет стандартную космологию. Модель ΛCDM (лямбда-холодная тёмная материя) по-прежнему лучшая из тех, что у нас есть. Но у неё есть проблемы — расхождение в значении постоянной Хаббла, загадка космологической постоянной, вопрос о сингулярности. И альтернативы, подобные нашей, имеют право на существование.
Я не утверждаю, что пространство — точно Ничто. Я говорю, что это возможно. И что эта возможность — не дилетантский бред, а вполне серьёзное направление на переднем крае физики.
Так что в следующий раз, когда вы выйдете ночью на улицу и поднимете голову к звёздам, вспомните: а вдруг между ними нет ничего, кроме абсолютной, девственной пустоты? И все эти миллиарды световых лет, все галактики, все взрывы сверхновых — просто мимолётные краски на холсте, который был всегда и останется, когда не останется ничего.
Красивая мысль, правда?
Если вы захотите копнуть глубже, вот те самые источники, на которые я опирался (все они доступны в переводах или на английском):
- Newton, I. (1687). Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. (Схолии к определениям).
- Leibniz, G.W., Clarke, S. (1716). Переписка.
- *Mach, E. (1883). Механика. Историко-критический очерк.*
- Einstein, A. (1922). Смысл относительности (Принстонские лекции).
- Barbour, J. (1999). Конец времени. Oxford University Press.
- Smolin, L. (2006). Проблемы физики. Houghton Mifflin.
- Rovelli, C. (2004). Квантовая гравитация. Cambridge University Press.
- Verlinde, E. (2011). «On the Origin of Gravity and the Laws of Newton». Journal of High Energy Physics.
- Verlinde, E. (2016). «Emergent Gravity and the Dark Universe». arXiv:1611.02269.
- *Foot, R. (2014). «Mirror Matter-type Dark Matter». International Journal of Modern Physics A.*
- Randall, L., Sundrum, R. (1999). «Large Mass Hierarchy from a Small Extra Dimension». Physical Review Letters.
- Linde, A. (1986). «Eternal Chaotic Inflation». Modern Physics Letters A.
- Penrose, R. (2010). Циклы времени. Bodley Head.
- Planck Collaboration. (2020). «Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters». Astronomy & Astrophysics.
P. S. Маленькая, но важная кнопка справа
Если вы дочитали до этого места — спасибо вам. Честно. Потому что такие тексты рождаются не из пустоты, а из живого любопытства: вашего и моего. Вы задаёте вопрос — я лезу в книги, статьи, архив научных препринтов «ArXiv», пересматриваю лекции Смолина и интервью Верлинде. А потом сижу и думаю, как переложить всё это на человеческий язык без потери смысла.
И вот тут на сцену выходит та самая кнопка «Поддержать», которая находится под статьёй справа. Не постесняюсь сказать о ней прямо.
Эти пожертвования — не про «купить автору кофе» (хотя кофе, если честно, тоже идёт в дело). Они про другое. Когда я вижу, что кому-то из вас материал показался ценным, настолько ценным, что вы готовы его поддержать рублём, — у меня включается совсем другой мотор. Возникает не просто желание, а настоящий интерес: искать для вас ещё более глубокие, редкие, выверенные темы. Разбираться в том, о чём в популярных блогах не пишут, потому что «сложно» и «не залетит». А вы, оказывается, любите сложное — если его хорошо объяснить.
Так работает обратная связь. Вы помогаете каналу — канал помогает вам. Не громкими заголовками, а честными разборами, которые меняют взгляд на реальность.
Поэтому если у вас есть возможность и желание — нажмите. Любая сумма скажет мне: «Это нужно, продолжай». А если нет возможности — ничего страшного. Ваше чтение, ваши мысленные «ага!» в середине текста и редкие комментарии — это тоже поддержка, просто другого рода.
В любом случае — я рад, что мы прошли этот путь от ночного озарения до квантовой гравитации вместе. Увидимся в следующем тексте.
Следуйте своему счастью
Внук Эзопа