Фото №1 - Небезобидное квантование

Можем ли мы хотя бы теоретически что-то рассмотреть в планковском масштабе?

Проблема «добраться» до достаточно малой длины — то есть «разглядеть», что именно там происходит, — возникает из-за наличия фундаментального свойства природы, так называемого соотношения неопределенностей. Что это за соотношение? Оно по существу означает вот что: любая попытка посмотреть на явление сколько-нибудь пристально непременно оказывает на это явление неконтролируемое воздействие, причем тем более неконтролируемое, чем более мелкие детали вас интересуют. Чуть по-другому то же самое звучит так: для того чтобы различать малый масштаб, требуется большая энергия. Именно отсюда и вытекает необходимость постройки ускорителей (таких как Большой адронный коллайдер): нужно разгонять частицы всё сильнее, если мы хотим изучить всё более мелкие детали.

Применительно к планковской длине постройка соответствующего ускорителя невозможна по причинам, далеко выходящим за рамки финансовых. Чтобы «добраться» до планковского масштаба, необходимо собрать в одном месте едва ли не всю энергию, что есть во Вселенной. Она когда-то и была заключена в таком предельно малом, планковском объеме, но лишь в момент, близкий к рождению нашей Вселенной. В ближайшем обозримом будущем повторения подобного не предвидится. Отсюда и наша обреченность на косвенные — очень косвенные — попытки выяснить, что же реально происходит на планковских масштабах.

А откуда мы знаем, что там что-то необычное происходит?


Здесь-то всё просто. Мир (в доступной нам части) управляется квантовой механикой — той самой наукой, существенным элементом которой является соотношение неопределенностей. Конечно, падение капли дождя, полет самолета и практически всё не слишком маленькое не требует квантовой механики, а прекрасно описывается в рамках ее радикального упрощения, называемого для ясности классической механикой. Но для всего, что имеет размер порядка размера атома и меньше, классическое описание оказывается только приближением к настоящему, квантовому описанию, причем часто — плохим, неточным и неправильным приближением (классическая механика не в состоянии объяснить ни сам факт существования атомов, ни, например, радиоактивные превращения атомных ядер). Когда мы пытаемся угадать, как с помощью математики описать, скажем, ядерные силы, мы начинаем с классического описания, а потом делаем с ним то, что называется квантованием, — видоизменяем, чтобы превратить в настоящую, квантовую теорию. Процедура эта небезобидная, и успех вовсе не гарантирован. В случае с ядерными силами всё в конце концов получается хорошо — квантовая теория оказывается, во-первых, осмысленной, а вовторых, с какой-никакой предсказательной силой (даже с учетом того, что многое нам еще непонятно).

А с теорией гравитации?

С теорией гравитации — той самой общей теорией относительности Эйнштейна — всё плохо. Теория Эйнштейна описывает, как материя и энергия во Вселенной изменяют свойства пространства-времени таким образом, что между носителями массы и энергии возникает притяжение. Но это классическая — не квантовая — теория. Применим к ней квантование так, как мы это умеем делать в других случаях. Квантовые эффекты (в отличие от классического описания) оказываются ничтожными даже для малых объектов масштаба атомного ядра (и даже много меньших!). Казалось бы, всё хорошо? Нет, потому что имеется масштаб, на котором квантовые эффекты становятся не просто большими, а неконтролируемо огромными, лишая всякого смысла сами наши попытки в них разобраться. Этот и есть планковский масштаб.

Настоящая квантовая теория гравитации нам неизвестна. Угадать, как она устроена, исходя из классической теории гравитации, не получается изза специальных свойств этой последней. Но именно неизвестные нам правила игры квантовой гравитации царят на планковских масштабах. Они же определяют конечную судьбу черных дыр, от них же зависело всё, что происходило в момент рождения Вселенной.

Поскольку уже классическая гравитация имеет дело с влиянием материи на структуру пространства-времени, естественный ход мысли подсказывает, что на планковском масштабе с самим пространством-временем что-то сильно не так. Скорее всего, оно не существует ни в каком привычном нам смысле. Проникновение туда, где это происходит, принесло бы нам потрясающее знание о том, что самая, казалось бы, базисная ткань мироздания на самом деле сложена из чего-то еще более фундаментального — чегото, что может взять и сформировать пространство-время, а может, наверное, существовать и в совершенно иных формах.