На фундаментальном уровне Вселенная состоит из квантов — отдельных сущностей, обладающих такими физическими свойствами, как масса, заряд, импульс и т. д., которые могут взаимодействовать друг с другом. Два или более кванта могут вступать в связь друг с другом, образуя сложные структуры, такие как протоны, атомы, молекулы, а из них уже состоят стулья, кастрюли и люди. Хотя квантовая физика как точная наука появилась относительно недавно, в основном в прошлом веке, идея о том, что Вселенная состоит из неделимых сущностей, которые взаимодействуют друг с другом, уходит корнями более чем на 2000 лет назад, по крайней мере, к Демокриту Абдерскому.

Но из чего бы ни состояла Вселенная, для того чтобы взаимодействовать, вещам, из которых она состоит, нужна сцена, на которой они могли бы размещаться и двигаться.

До появления Эйнштейна сценой заведовал Ньютон. Всех «актёров» во Вселенной можно было описать набором координат: их местоположение в трёхмерном пространстве, в конкретный момент времени. Всё происходило на декартовой сетке: в трёхмерной структуре с осями x, y и z, где каждый квант можно было характеризовать импульсом, описывающим его движение в пространстве как функцию времени. Само время предполагалось линейным, всегда протекающим с одинаковой скоростью. В картине Ньютона и пространство и время были абсолютными.

Однако открытие радиоактивности в конце 19 века поставило картину Ньютона под сомнение. Тот факт, что атомы могут испускать субатомные частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, позволил нам узнать нечто интересное: когда частица движется со скоростью, близкой к скорости света, она «ощущает» пространство и время совсем иначе, чем медленно движущаяся или находящаяся в состоянии покоя частица.

Нестабильные частицы, которые в состоянии покоя распадались бы очень быстро, жили тем дольше, чем ближе была их скорость к скорости света. Те же частицы, прежде чем распасться, преодолевали большие расстояния, чем можно было бы предположить по их скорости и времени жизни. А при попытке вычислить энергию или импульс движущейся частицы, разные наблюдатели, движущиеся относительно неё с разными скоростями, получали значения, не согласующиеся друг с другом.

Видимо, что-то было не так с ньютоновским представлением о пространстве и времени. На скоростях, близких к скорости света, время расширялось, длины сокращались, а энергия и импульс оказывались относительными. Короче говоря, получалось, что то, как вы воспринимаете Вселенную, зависит от характера вашего движения сквозь неё.

Отсюда и возникло понятие специальной теории относительности Эйнштейна: некоторые вещи оставались неизменными, например, масса покоя частицы или скорость света, но другие менялись в зависимости от того, как вы перемещались в пространстве и времени. В 1907 году учитель Эйнштейна, Герман Минковский, совершил блестящий прорыв: он показал, что пространство и время можно представить в единой формулировке. Одним махом он разработал формализм пространства-времени. Это давало возможность описывать то, как частицы перемещаются по Вселенной (относительно друг друга) и взаимодействуют друг с другом, но в этом описании не хватало гравитации. Разработанное им пространство-время, известное сегодня как пространство Минковского, описывает всю специальную теорию относительности, а также служит фоном для подавляющего большинства расчётов квантовой теории поля, которые мы проводим.

Но в нашей реальной Вселенной есть ещё и гравитация. Гравитация — это не сила, которая действует мгновенно и на любом расстоянии. Она распространяется с той же скоростью, с которой движутся все безмассовые кванты: со скоростью света (но если у неё и есть кванты-переносчики, их пока не нашли). Все правила, сформулированные в специальной теории относительности, по-прежнему применимы к реальной Вселенной, но для того, чтобы ввести в теорию гравитацию, потребовалось нечто новое: представление о том, что пространство-время само по себе обладает кривизной, зависящей от наличия в нём материи и энергии.

В некотором смысле всё просто: когда вы ставите на сцену актёров, эта сцена должна выдерживать вес самих актёров. Если актёры достаточно массивны, а сцена не является идеально жёсткой, то сама сцена будет деформироваться из-за присутствия актёров.

То же самое происходит и с пространством-временем: присутствие материи и энергии искривляет его, и эта кривизна влияет как на расстояния (пространство), так и на скорость хода часов (время). Более того, она влияет на них обоих сложным образом, и если вы подсчитаете эффекты, которые материя и энергия оказывают на пространство-время, то «пространственный» эффект и «временной» эффект окажутся взаимосвязанными. Вместо ровных линий прямоугольной трёхмерной сетки, которые мы представляли себе в специальной теории относительности, в общей теории относительности мы получаем искривлённые линии.

При желании можно представить пространство-время как чисто вычислительный инструмент и не углубляться в детали. Математически любое пространство-время можно описать метрическим тензором: формализмом из области дифференциальной геометрии, который задаёт способ измерения расстояний, углов и площадей в пространстве (в том числе искривлённом). Пространство может быть плоским или искривляться произвольным образом; пространство может быть конечным или бесконечным; пространство может быть открытым или закрытым; пространство может содержать любое количество измерений. В общей теории относительности метрический тензор является четырёхмерным (с тремя измерениями пространства и одним измерением времени), а кривизна пространства-времени определяется материей, энергией и напряжённостями, присутствующими в нём.

Говоря простым языком, содержимое вашей Вселенной определяет, как искривлено пространство-время. Определив это, мы можем взять кривизну пространства-времени и использовать её для предсказания того, как каждый квант материи и энергии будет двигаться и вообще вести себя в вашей Вселенной. Правила общей теории относительности позволяют нам предсказать, как материя, свет, антиматерия, нейтрино и даже гравитационные волны будут перемещаться по Вселенной, и эти предсказания прекрасно согласуются с тем, что мы наблюдаем и измеряем.

Но что мы не можем измерить, так это само пространство-время. Мы можем измерять расстояния и временные интервалы, но это лишь косвенные показатели лежащего в основе пространства-времени. Мы можем измерить всё, что взаимодействует с нами — наши тела, наши приборы, наши детекторы и т. д., — но взаимодействие происходит только тогда, когда два кванта занимают одну и ту же точку в пространстве-времени: когда они встречаются, порождая некое «событие».

Мы можем измерить каждый из эффектов, которые искривлённое пространство-время оказывает на материю и энергию во Вселенной. Но тот факт, что мы можем измерить только влияние пространства-времени на материю и энергию во Вселенной, а не само пространство, говорит нам о том, что пространство-время ведёт себя неотличимо от чисто вычислительного инструмента.

Всё большее число физиков, работающих в разных областях с различными подходами, сходятся в одной глубокой идее: пространство и, возможно, даже время не являются фундаментальными. Вместо этого пространство и время могут быть эмерджентными: они могут возникать из структуры и поведения более простых компонентов природы (такой своего рода синергетический эффект). На самом глубоком уровне реальности такие вопросы, как «Где?» и «Когда?», могут просто не иметь ответов. И в физике есть много намёков на то, что пространство-время, как мы его понимаем, не является чем-то фундаментальным.

Эти радикальные представления появились в результате недавних поворотов в столетней охоте за теорией квантовой гравитации. Лучшей теорией гравитации для физиков является общая теория относительности. Лучшая теория для описания всего остального — квантовая физика, которая поразительно точно определяет свойства материи, энергии и субатомных частиц. Обе теории легко прошли все испытания, которые физики смогли придумать за последнее столетие. Если соединить их вместе, можно подумать, что получится «теория всего».

Но эти две теории не очень-то дружат. Спросите у общей теории относительности, что происходит в контексте квантовой физики, и вы получите противоречивые ответы прорывающимися тут и там наружу бесконечностями. Природа знает, как применять гравитацию в квантовом контексте — это произошло в первые мгновения Большого взрыва, и это (вероятно) до сих пор происходит внутри чёрных дыр, — но мы, люди, всё ещё пытаемся понять, как этот трюк выполняется. Частично проблема кроется в том, как две теории относятся к пространству и времени. В то время как квантовая физика рассматривает пространство и время как неизменные, ОТО искажает их.

Теория квантовой гравитации должна каким-то образом примирить эти представления о пространстве и времени. И один из способов сделать это — устранить проблему в её источнике, самом пространстве-времени, заставив пространство и время возникнуть из чего-то более фундаментального. В последние годы появилось несколько различных направлений исследований с предположением о том, что на самом глубоком уровне реальности пространство и время существуют не так, как в нашем повседневном мире. За последнее десятилетие эти идеи радикально изменили представления физиков о чёрных дырах. Теперь исследователи используют эти концепции, чтобы прояснить работу ещё более экзотических явлений: червоточин — гипотетических туннелеподобных соединений между удалёнными точками пространства-времени. Эти успехи сохраняют надежду на ещё более глубокий прорыв. Если пространство-время эмерджентно, то выяснение того, откуда оно берётся и как оно может возникнуть из чего-либо ещё, может стать тем самым ключом, который наконец-то откроет дверь к Теории всего.

Одно из наиболее популярных среди физиков теорий квантовой гравитации, хотя и не оправдавшей возложенных на неё надежд, является теория струн. Согласно этой идее, струны являются фундаментальными составляющими материи и энергии, порождающими мириады фундаментальных субатомных частиц, наблюдаемых на ускорителях частиц по всему миру. И они даже ответственны за гравитацию — гипотетическая частица, переносящая гравитационную силу, «гравитон», является неизбежным следствием теории.

Но теорию струн трудно понять — она живёт на математической территории, на изучение которой у физиков и математиков ушли десятилетия. Большая часть структуры теории всё ещё остаётся неизведанной, экспедиции ещё планируются, а карты ещё предстоит составить. В этом новом царстве основным методом навигации являются математические дуальности — соответствия между одним видом систем и другим.

Теория струн вводит дуализм — она утверждает, что если вы попытаетесь втиснуть измерение в маленькое пространство, то в итоге получите нечто математически идентичное миру, где это измерение огромно. Согласно теории струн, эти две ситуации одинаковы — вы можете свободно переходить от одной к другой и использовать приёмы из одной ситуации, чтобы понять, как работает другая.

Подобная двойственность и навела теоретиков струн на мысль, что пространство само по себе является эмерджентным. Эта идея зародилась в 1997 году, когда Хуан Мальдасена, физик из Института перспективных исследований, обнаружил дуализм между хорошо понятной квантовой теорией, известной как конформная теория поля (CFT), и особым видом пространства-времени из общей теории относительности, известным как антидеситтеровское пространство (AdS). Эти две теории кажутся совершенно разными — в CFT нет ни следа гравитации, а в пространстве AdS есть вся теория гравитации Эйнштейна. Однако одна и та же математика может описывать оба мира. Когда это соответствие AdS/CFT было обнаружено, оно дало ощутимую математическую связь между квантовой теорией и настоящей вселенной с гравитацией.

Но откуда берётся пространство в AdS-пространстве? Если это пространство эмерджентно, то из чего оно возникает? Ответ заключается в особом и странно квантовом виде взаимодействия в CFT: запутывании, дальней связи между объектами, мгновенно управляющей их поведением статистически невероятным образом. Запутанность, как известно, очень беспокоила Эйнштейна — он назвал её «пугающим дальнодействием».

Однако, несмотря на свою жутковатость, запутывание является основной особенностью квантовой физики. Когда два любых объекта взаимодействуют в квантовой механике, они, как правило, становятся запутанными и будут оставаться запутанными до тех пор, пока они остаются изолированными от остального мира — независимо от того, как далеко друг от друга они будут находиться. В экспериментах физикам удавалось поддерживать запутанность между частицами, находящимися на расстоянии более 1000 километров друг от друга, и даже между парой частиц, одна из которых находится на Земле, а другая отправилась на орбиту. В принципе, две запутанные частицы могут поддерживать свою связь на противоположных концах галактики или Вселенной. Расстояние просто не имеет значения для запутанности — загадка, которая не даёт покоя многим физикам уже несколько десятилетий.

В последние годы физики стали подозревать, что подобная запутанность может удерживать вместе и саму Вселенную. «Что удерживает пространство вместе и не даёт ему распасться на отдельные субрегионы? Ответ — запутанность между двумя частями пространства», — говорит Леонард Сасскинд, американский физик-теоретик, один из создателей теории струн. «Непрерывность и связность пространства обязаны своим существованием квантово-механической запутанности». Запутанность, таким образом, может лежать в основе структуры самого пространства, образуя нити основы, которые порождают геометрию мира. «Если бы вы могли каким-то образом разрушить запутанность между двумя частями [пространства], пространство бы распалось», — говорит Сасскинд. «Произошло бы нечто противоположное эмерджентности — случилась бы де-эмерджентность».

Если пространство «держится» на запутанности, то загадка квантовой гравитации решается гораздо проще: не нужно пытаться объяснить искривление пространства квантовыми методами, поскольку пространство само возникает из фундаментально квантового явления. Возможно, именно поэтому теорию квантовой гравитации было так трудно найти с самого начала. Однако учёт эмерджентного пространства — это только половина дела. Поскольку пространство и время так тесно связаны в теории относительности, любое описание того, как возникает пространство, должно объяснить и появление времени.

Если теоретики струн правы, то пространство построено из квантовой запутанности, и время, возможно, тоже. Но что бы это значило на самом деле? Как пространство может быть «создано» из запутанности между объектами, если эти объекты сами не находятся где-то? Как эти объекты могут стать запутанными, если они не испытывают времени и не меняются? И как могут существовать вещи, не населяющие «истинное» пространство и время?

Это вопросы, граничащие с философией, и действительно, философы физики воспринимают их всерьёз. С одной стороны, наша интуиция противится такой вещи, как эмерджентное пространство-время. С другой — наша интуиция развивалась в африканской саванне, взаимодействуя с макрообъектами, жидкостями и животными, а это очень плохо переносится в мир квантовой механики. Возможно, проблема в том, что сами наши вопросы не имеют смысла.

Если в повседневной жизни предметы живут в определённых местах и испытывают течение времени, это не означает, что пространство и время должны быть фундаментальными — просто они должны надёжно возникать из того, что является фундаментальным. «Рассмотрим жидкость», — говорит Кристиан Вютрих, философ физики из Женевского университета. «В конечном счёте, это элементарные частицы, такие как электроны, протоны и нейтроны, или, что ещё более фундаментально, кварки и лептоны. Обладают ли кварки и лептоны свойствами жидкости? Это просто не имеет смысла, верно? Тем не менее, когда эти фундаментальные частицы собираются вместе в достаточном количестве и демонстрируют определённое совместное поведение, коллективное поведение, тогда они ведут себя так, что напоминают жидкость».

Теория струн — не единственная идея, предполагающая эмерджентность пространства-времени. Теория струн не оправдала своих надежд как способ объединить гравитацию и квантовую механику, но она предоставляет чрезвычайно богатый набор инструментов, который широко используется во всём спектре физики.

Самой популярной альтернативой теории струн является петлевая квантовая гравитация. В петлевой квантовой гравитации пространство и время не являются гладкими и непрерывными, как в общей теории относительности. Вместо этого они состоят из дискретных компонентов, этаких «атомов пространства-времени».

Эти атомы пространства-времени соединены в сеть, а одно- и двумерные поверхности соединяют их в то, что специалисты по петлевой квантовой гравитации называют спиновой пеной. И несмотря на то что эта пена ограничена двумя измерениями, она порождает наш четырёхмерный мир, в котором есть три измерения пространства и одно — времени. Это похоже на ткань — она состоит из одномерных нитей, которые будучи упакованы и переплетены вместе, образуют двумерную поверхность.

Хотя и теория струн, и петлевая квантовая гравитация предполагают эмерджентность пространства-времени, вид эмерджентности в этих двух теориях различен. Теория струн предполагает, что пространство-время (или, по крайней мере, пространство) возникает из поведения, казалось бы, несвязанных систем, в форме запутанности (как из автомобилей возникает пробка). В петлевой квантовой гравитации, напротив, возникновение пространства-времени больше похоже на песчаную дюну, возникающую в результате коллективного движения песчинок под ветром. Гладкое, знакомое нам пространство-время возникает из коллективного поведения крошечных «песчинок» пространства-времени; как и дюны, песчинки всё ещё остаются песком, хотя кристаллические зёрна не выглядят и не ведут себя так, как волнистые дюны.

Поскольку и квантовая физика, и общая теория относительности настолько феноменально точны, квантовая гравитация нужна только для описания экстремальных ситуаций, когда огромные массы помещаются в непостижимо крошечные пространства. Такие условия существуют лишь в нескольких местах в природе, например, в центре чёрной дыры — но не в физических лабораториях. Потребуется ускоритель частиц размером с галактику, чтобы напрямую проверить поведение природы в условиях, где царит квантовая гравитация. Отсутствие прямых экспериментальных данных во многом объясняет, почему поиски теории квантовой гравитации продолжаются так долго. Физикам остаётся надеяться только на космологию — в самые ранние моменты после Большого взрыва вся Вселенная была феноменально мала и плотна — как раз та ситуация, описание которой требует квантовой гравитации.

Однако лабораторные эксперименты могут пригодиться для проверки теории струн, по крайней мере, косвенной. Учёные надеются изучить соответствие AdS/CFT, не исследуя пространство-время, а создавая сильно запутанные системы атомов и наблюдая, проявляется ли в их поведении аналог пространства-времени и гравитации.

Узнаем ли мы когда-нибудь истинную природу пространства и времени? Данные небесных наблюдений, возможно, появятся нескоро. Лабораторные эксперименты могут оказаться неудачными. И, как хорошо известно философам, вопросы об истинной природе пространства и времени очень стары. Всё, что существует, «теперь все вместе, одно, непрерывно», — сказал философ Парменид 2500 лет назад. «Всё полно того, что есть». Парменид утверждал, что время и перемены — это иллюзии, что всё везде одно и то же. Его ученик Зенон, чтобы доказать правоту своего учителя, создал знаменитые парадоксы, доказывающие, что движение вообще невозможно. Их работы подняли вопрос о том, не являются ли время и пространство иллюзорными, и эта тревожная перспектива преследует западную философию уже более двух тысячелетий.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»