Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

І де ж ці кванти простору? Ніде. Вони не в просторі, тому що вони самі, власне, і є простір. Простір створюється шляхом зв’язування цих окремих квантів гравітації. І знову, здається, сутність світу полягає не в об’єктах, а у взаємодії.

Це другий наслідок теорії, зате – найекстремальніший. Просто ідея безперервного космосу, що містить у собі предмети, – зникає; так само ідея простого (самозрозумілого) та відначального «часу», що плине, не зважаючи на предмети, – теж зникає. Рівняння, що описують зерна космосу і матерію, більше не містять змінної «час». Але це не означає, що все нерухомо та незмінно.

Навпаки, це означає, що ці зміни – всюдисущі, але елементарні процеси не можна упорядкувати в загальній послідовності миттєвостей. В екстремально дрібному масштабі зерен космосу танець природи не відбувається за ритмом палички єдиного диригента, в єдиному темпі: кожен процес танцює самостійно зі своїми сусідами, у своєму власному ритмі. Плин часу – внутрішній процес для світу, народжений разом зі світом, він – у взаємодії квантових подій, що, власне, становлять світ і самі є джерелом часу.

Світ, описаний теорією, все більше віддаляється від добре нам знайомого. Немає тепер простору, який містить у собі світ; і немає вже часу, коли відбуваються події. Є лише елементарні процеси, при цьому кванти простору і матерії взаємодіють між собою. Ілюзія простору і часу, що триває навколо нас, – лише розмите бачення всього цього роїння елементарних процесів; це так само, як абсолютно спокійне і чисте Альпійське озеро – насправді стрімкий танок міріад дрібнесеньких молекул води.

Розглядаючи екстремально крупним планом за допомогою надпотужного збільшувального скла передостаннє зображення нашого третього уроку, ми маємо змогу показати зернисту структуру простору:

Мал. 9

Чи можна перевірити цю теорію експериментально? Ми думаємо і намагаємося, але експериментального підтвердження досі немає. Між іншим, була ціла низка різноманітних спроб. Одна з них випливає з вивчення чорних дір. На небі ми спостерігаємо чорні діри, які утворились на місці зірок, що колапсували. Розчавлена власною вагою, матерія цих зірок впала сама на себе і зникла з нашого поля зору. Але куди вона поділася? Якщо теорія петльової квантової гравітації правильна, то матерія не може розпастися на нескінченно малі точки, оскільки нескінченно малих точок не існує – є тільки кінцеві частинки простору. Колапсуючи під власною вагою, матерія має стати більш щільною, до такої міри, що квантова механіка має чинити протилежний врівноважувальний тиск.

Це гіпотетична заключна стадія життя зірки, де квантові флуктуації простору-часу збалансовують масу матерії, і це те, що відомо як Планкова зірка. Якщо Сонце перестане горіти і сформує чорну діру, вона буде за розміром приблизно півтора кілометра в діаметрі. Усередині такої чорної діри сонячна матерія буде стискатись, формуючи Планкову зірку. Її розмір буде порядку розміру атома. Уся матерія Сонця сконденсується в просторі, що займає атом: Планкова зірка є таким-от екстремальним станом матерії.

Зірка Планка не є стабільною: після максимального стиснення вона починає зворотний процес і розширюється знову. Це призводить до вибуху чорної діри. Якби гіпотетичний спостерігач бачив усе це, сидячи на чорній дірці, він би відчув, що вона відскочила з шаленою швидкістю. Але час не плинув би для нього так само, як для інших, за межами чорної діри; з тієї самої причини, з якої час плине швидше в горах, ніж на рівні моря. Але для спостерігача, через екстремальні умови, різниця в плині часу буде разючою. І те, що для спостерігача на зірці буде сприйматись як стрімкий стрибок, для тих, хто ззовні, буде відбуватись тривалий час. Саме тому ми спостерігаємо чорні діри, що лишаються незмінними протягом тривалого часу: чорна діра – це зірка, що переходить від стиснення до розширення, але бачиться в дуже повільному русі.

Можливо, що в горнилі першої миті творення Всесвіту утворились чорні діри і деякі з них зараз вибухають. Якщо це правда, можливо, ми могли б спостерігати сигнали, які вони випускають під час вибуху у формі високоенергетичних космічних променів, що йдуть від неба, таким чином даючи нам можливість спостерігати і вимірювати прямий ефект феномена, що ним керує квантова гравітація. Це смілива ідея – вона може не працювати, наприклад, якщо в зародковому всесвіті сформувалось недостатньо чорних дір, щоб дозволити нам відстежувати їхні вибухи сьогодні. Але пошук сигналів уже почався. Подивимось.

Іще один із наслідків теорії, і один із найбільш видовищних, стосується виникнення Всесвіту. Ми знаємо, як відмотати історію назад, у початковий період, коли наш світ був крихітний. Як щодо того, що було ще раніше? Добре, рівняння петльової теорії дозволяють нам повернутися ще далі назад у реконструкції цієї історії.

Ми бачимо, що коли Всесвіт іще надзвичайно стиснутий, квантова теорія створює протидійну силу, як результат – великий вибух, або так: Великий Вибух; може насправді було Великий Стрибок… Наш світ, можливо, насправді був народжений від попереднього всесвіту, який стягнувся під власною вагою до того, що міг бути втиснутий у крихітний простір, – потім він стрибає і знову розширюється, ставши за розміром таким Всесвітом, який ми спостерігаємо навколо.

Момент цього стрибка, коли Всесвіт скоротився до розміру горіхової шкаралупки, – справжнє царство квантової гравітації: і час, і простір зникли, світ розчинився в рухливій хмарі ймовірності, яку, до речі, досі можна описати рівняннями. І остання картинка третього уроку трансформувалась би ось так.

Мал. 10

Наш Всесвіт міг виникнути внаслідок стрибка на своїй початковій фазі i пройти крізь проміжну фазу, в якій не було ні простору, ні часу.

Фізика відчиняє вікна, крізь які ми можемо бачити на далекі відстані… Те, що ми бачимо, не перестає дивувати нас. Ми розуміємо, що в нас повно забобонів і що наша інтуїтивна картина світу є частковою, обмеженою, неадекватною. Земля не є пласкою і нерухомою. Світ змінюється на наших очах, і ми поступово бачимо його докладніше і ясніше. Якщо ми спробуємо зібрати докупи все те, що у ХХ столітті людство дізналося про фізичний світ, усі підказки вкажуть на щось, що глибоко відрізняється від