Из чего сделан мир?

Пространство как сцена исчезло, время исчезло, классические частицы исчезли, как и классические поля. Так из чего же состоит мир?

Ответ теперь прост: частицы – это кванты квантовых полей; свет образован квантами поля; пространство – это не более чем поле, которое также состоит из квантов; время появляется из процессов в тех же полях. Другими словами, мир целиком состоит из квантовых полей (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Из чего состоит мир? Из одного-единственного ингредиента – ковариантных квантовых полей

Эти поля не живут в пространстве-времени; они, так сказать, просто живут: одно поверх другого – поля на полях. Пространство и время, которые мы воспринимаем в крупных масштабах, это наш размытый и приблизительный образ одного из этих квантовых полей – гравитационного поля.

Поля, которые живут сами по себе, не нуждаясь в пространстве-времени в качестве субстрата или опоры, и которые способны сами порождать пространство-время, называются ковариантными квантовыми полями. Сущность, составляющая наш мир, радикально упростилась за последние годы. Мир, частицы, свет, энергия, пространство и время – все это есть не что иное, как проявление одного-единственного типа сущностей – ковариантных квантовых полей.

Ковариантные квантовые поля стали сегодня лучшим описанием того, что мы можем назвать апейроном (???????) – первичной субстанцией, из которой образовано все остальное. Это понятие выдвинул человек, который, вероятно, может быть назван первым ученым и первым философом, – Анаксимандр[109].

Граница между искривленным и непрерывным пространством эйнштейновской общей теории относительности и дискретными квантами квантовой механики, помещенными в плоское однородное пространство, исчезает. Кажущегося противоречия больше нет. Между континуумом пространства-времени и квантами пространства отношения такие же, как между электромагнитными волнами и фотонами. Волны дают приближенное крупномасштабное представление о фотонах. Фотоны – это способ, которым взаимодействуют волны. Непрерывные пространство и время – это крупномасштабный образ динамичных квантов гравитации. Кванты гравитации – это способ, которым взаимодействуют пространство и время. Одна и та же математика согласованно описывает квантовое гравитационное поле и другие квантовые поля.

Концептуальная цена, уплаченная за это, – отказ от традиционных идей пространства и времени в качестве общих структур, в рамки которых помещается мир. Пространство и время – это приближения, которые возникают лишь в крупных масштабах. Кант, по-видимому, был прав, утверждая, что субъект знания и его объект неразделимы, но он определенно ошибался, когда рассматривал ньютоновские пространство и время как априорные формы знания, неотъемлемые составляющие грамматики, необходимой для понимания мира. Эта грамматика изменилась и продолжает изменяться с ростом нашего знания.

Общая теория относительности и квантовая механика в конечном счете не настолько несовместимы, как это кажется. При тщательном рассмотрении они пожимают руки и замечательно вступают в диалог. Пространственные отношения, которые составляют суть эйнштейновского искривленного пространства, это ровно те же взаимодействия, которые составляют суть отношений между системами в квантовой механике. Две теории становятся совместимыми и объединяются подобно двум сторонам одной монеты, как только мы понимаем, что пространство и время – это проявления квантового поля и что квантовые поля могут существовать, даже не будучи помещенными во внешнее пространство.

Эта утонченная картина фундаментальной структуры физического мира и есть предлагаемый сегодня квантовой гравитацией новый взгляд на реальность.

Главное преимущество, которое дает эта физика, состоит, как мы увидим в следующей главе, в исчезновении бесконечностей. Бесконечно малого больше не существует. Бесконечности, портящие жизнь в квантовой теории поля, предпосылкой которых служит представление о непрерывном пространстве, теперь исчезают, поскольку они порождаются именно этим физически некорректным допущением о непрерывности пространства. Сингулярности, в которых уравнения Эйнштейна теряют смысл, когда гравитационное поле становится слишком сильным, тоже исчезают: они возникают лишь в результате пренебрежения квантованием поля. Шаг за шагом фрагменты пазла встают на свои места. В последней части книги я остановлюсь на некоторых физических следствиях этой теории.

Может показаться странным и трудным думать о дискретных элементарных сущностях вне пространства и времени, отношения которых, однако, составляют суть пространства и времени. Но представьте, насколько странно должны были звучать слова Анаксимандра, когда он утверждал, что под нашими ногами находится такое же небо, как то, что мы видим у себя над головой. Или слова Аристарха, который пытался измерить расстояние от Земли до Луны и Солнца и обнаружил, что они находятся чрезвычайно далеко, а значит, представляют собой не небольшие шары, а гигантские, и Солнце многократно превосходит размерами Землю. Или выводы Хаббла, когда он понял, что маленькие туманные облачка не звездном небе – это колоссальные скопления далеких звезд…

В течение столетий мир вокруг нас постоянно изменялся и расширялся. Теперь мы видим дальше, понимаем его лучше и поражаемся тому, как он трансформируется в зависимости от ограничений, наложенных на наше восприятие. Его описание, которое нам удается построить, становится все более изощренным, но одновременно более простым.

Мы подобны маленьким слепым кротам под землей, которые почти ничего не знают о мире. Но мы продолжает его изучать…

Однако их рассказ об этой ночи,

Об их совместном извращеньи мыслей

Свидетельствует больше, чем о грезах,

И вырастает в подлинное нечто;

Хоть это все и странно, и чудесно.[110]