Наталия Лескова
Так, примерно, выглядит структура пространства-времени на субъядерных масштабах.
Коллаж Михаила Минина. Источник: Брайан Грин, «Элегантная Вселенная», «Time»
В последние десятилетия физики и математики задаются парадоксальными, казалось бы, вопросами: действительно ли пространство непрерывно или больше похоже на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер? Откуда вообще взялось время?
Большой Взрыв перестает быть особой точкой рождения Вселенной. Кажется, удается не только проследить его протекание, но и заглянуть в то, что было до Большого Взрыва. Краткое описание результатов теоретических работ на эту тему опубликовано в одном из последних номеров солидного физического журнала Physical Review Letters (96, 141301, 12 april 2006). Известный американский астрофизик и космолог русского происхождения, профессор Пенсильванского университета Ли Смолин полагает: ученые заметно приблизились к ответам на эти вопросы.
«Эти ответы стали возможными благодаря теории с витиеватым названием «петлевая квантовая гравитация», разработанной мной и моими коллегами, – рассказал в беседе с корреспондентом «НГ» Ли Смолин. – Уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально: мы обнаружим атомы пространства, если они действительно существуют».
Теория эта появилась почти случайно. В конце 70-х годов прошлого века ученые как в России, так и за рубежом пытались разработать долгожданную квантовую теорию тяготения. Дело в том, что по отдельности квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна экспериментально подтверждены. Однако еще ни разу не удавалось создать условия для того, чтобы проверить обе теории одновременно. Ведь квантовые эффекты заметны лишь в малых масштабах, а для того чтобы стали заметны эффекты общей теории относительности, требуются, наоборот, массы масштаба галактических.
Расчеты, проведенные в 1960-х и 1970-х гг., свидетельствовали о том, что квантовую механику и общую теорию относительности объединить невозможно. В попытках достижения компромисса родились такие направления, как теория твисторов, некоммутативная геометрия и супергравитация. Петлевая квантовая теория стала в каком-то смысле лазейкой современной физики.
«Мы решили отказаться от концепции гладкого непрерывного пространства и не вводить никаких гипотез, кроме хорошо проверенных экспериментально положений общей теории относительности и квантовой механики, – продолжает Ли Смолин. – К нашему восторгу, из расчетов следовало, что пространство квантовано, дискретно! Так мы заложили основу теории петлевой квантовой гравитации. Кстати, термин «петлевая» был введен из-за того, что в некоторых вычислениях использовались маленькие петли, выделенные в пространстве-времени».
На что же похожи кванты объема и площади? Как все выглядит на самом деле, не знает никто, однако для удобства физики решили изображать квантовые состояния объема и площади в виде диаграмм, которые не лишены своеобразной красоты.
А что же время? В теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. При введении концепции пространства-времени в теорию петлевой квантовой гравитации спиновые сети, представляющие пространство, превращаются в так называемую спиновую пену. С добавлением еще одного измерения – времени – линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. Таким образом, время тоже дискретно. Оно не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен времени Планка, или 10–43 сек.
Любая экспериментальная проверка теории петлевой квантовой гравитации сопряжена с колоссальными техническими трудностями. Характерные эффекты, описываемые теорией, становятся существенными только в масштабе длины Планка, который на 16 порядков меньше, чем можно будет исследовать в ближайшее время на самых мощных ускорителях. Впрочем, недавно ученые предложили несколько доступных способов проверки этой удивительной теории.
Современная аппаратура позволяет регистрировать излучение гамма-всплесков, расположенных в миллиардах световых лет. Правда, точность современных приборов в 1000 раз ниже необходимой, но уже в 2006 г. будет запущена спутниковая обсерватория GLAST, прецизионное оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.
«Теория петлевой квантовой гравитации заставляет нас по-новому взглянуть на происхождение Вселенной и помогает представить, что происходило сразу после Большого взрыва, – подводит итог Смолин. – В соответствии с общей теорией относительности в истории мироздания был самый первый, нулевой момент времени. Это не согласуется с квантовой физикой. Расчеты, проведенные моим коллегой Мартином Боджовальдом на основании теории петлевой квантовой гравитации, указывают: этот взрыв фактически был Большим отскоком, так как до него Вселенная быстро сжималась. Не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать, что же происходило до Большого взрыва и откуда вообще взялось время».
Дарья Гармоненко 