Hi-Tech

Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?

В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. «Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики.

Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Непонятно только, откуда. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то.

Что такое пространство-время?

Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.

«Например, величина массы Планка кажется подозрительной. «Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом». Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов.

В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин. Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (~10-35 м).

Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?

Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.

Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение. Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться.

Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10-35 м, 5,39 х 10-44 с и 2,18 х 10-5 г. В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине.

Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10-18 м. Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл. Прекрасным примером будет температура.

Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. «В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Значение планковской массы кажется подозрительным. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».

И поэтому, когда мы используем уравнения Эйнштейна, мы описывает Вселенную в больших масштабах и возникает необходимость вводить дополнительную гравитационную постоянную, известную как космологическая постоянная «лямбда». Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы. Первую можно интерпретировать как квант массы, вторую — уровень массы наблюдаемой Вселенной, а третья напоминает массу адронов (например, масса нейтрона равна 1,67 х 10-24. Если, при построении фундаментальных единиц, расширить наш изначальный набор трех постоянных лямбдой, в случае с массой мы получим не одно, а три фундаментальных значений: 1,39 х 10-65 г, 2,14 x 1056 г и 0,35 х 10-24 г. Точно так же, принимая во внимание лямбду, появится единица измерения 6,37 х 10-15 м, очень близкая к размеру адронов.

К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. «Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.

Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки. Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства.

Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. «Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной.

Расскажите в нашем чате в Телеграме. Согласитесь с ним?

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть