Иногда приходится встречать статьи, в которых прямо или косвенно заявляется – дескать, физика «кончилась», всё уже открыто и всё понятно. Ну или почти всё. На самом деле нет: мы, конечно, давно и довольно успешно пытаемся понять и разложить по полочкам нашу Вселенную, но притворяться, что нам уже практически всё понятно, нет никакого смысла. Вот вам простой пример: у нас есть две невероятно хорошо работающие теории, которые мы уже много лет успешно подтверждаем экспериментами, и мы ещё ни разу не видели ни одного экспериментального факта, нарушающего либо Общую теорию относительности (ОТО) Эйнштейна, либо Стандартную Модель (СМ) физики частиц.
В изучении вопросов работы гравитации и её воздействия на любой объект Вселенной ОТО ещё никогда нас не подводила. Эксперименты в лаборатории, атомные часы на орбите, небесная механика, гравитационное линзирование, формирование необъятной космической паутины – во всех этих вопросах ОТО отрабатывает на 100%. Со своей стороны, СМ согласуется с результатами любых экспериментов с частицами и их взаимодействием, будь то сильное, слабое или электромагнитное взаимодействие. СМ и ОТО, каждая в своих областях, по праву могут считаться самыми успешными физическими теориями всех времён.
Однако у обеих этих теорий есть одна, и довольно большая, проблема: они никак не хотят работать совместно. Для построения согласованной картины Вселенной эта ситуация никуда не годится. Рассмотрим же подробнее эту фундаментальную проблему физики XXI века.
ОТО как теория гравитации в своё время казалась радикальной концепцией. Её множество десятилетий атаковали со всех сторон философы и физики всех мастей. В самом деле:
- Как могут пространство и время быть неабсолютными, как их свойства могут отличаться для разных наблюдателей?
- Как гравитация может не действовать мгновенно между двумя притягивающимися объектами, и как это взаимодействие может распространяться с конечной скоростью, совпадающей со скоростью света?
- Как гравитация может влиять не только на массы, но и вообще на все формы энергии, включая безмассовые объекты – фотоны?
- Соответственно, как могут все формы энергии, а не только масса, влиять на восприятие гравитации всеми объектами Вселенной?
- И как вообще у Вселенной может быть какая-то искривлённая базовая геометрия, определяющая движение объектов?
Но как бы кого ни волновала новая картина, нарисованная величайшим научным достижением Эйнштейна, факты не врут – поведение физических объектов Вселенной говорит само за себя. Огромное количество экспериментов и наблюдений подтвердило, что ОТО стало невероятно успешным описанием Вселенной во всех условиях, которые только можно было вообразить и проверить. Ни одна альтернативная теория гравитации таким похвастаться не может.
Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года показали, что гравитация действительно способна изгибать солнечный свет из-за влияния массивных объектов. Это было первое наблюдение, подтвердившее теорию Эйнштейна.
Согласно ОТО, сочетание материи и энергии (плотность энергии, её давление, моментальная плотность и напряжение сдвига в пространстве-времени) определяет тип и степень искривления пространства-времени во всех четырёх измерениях (трёх пространственных и одном временном). В результате искривления пространства-времени все сущности, в нём существующие (включая массивные и безмассовые частицы, но не ограничиваясь ими), движутся не обязательно по прямым линиям, а по геодезическим – по кратчайшим путям между двумя точками, определяемым кривизной пространства, не совпадающего с «плоским космосом».
Чем больше оказывается кривизна пространства, тем сильнее пути отклоняются от прямых, тем значительнее и временные отклонения. Эксперименты в лабораториях, наблюдения в рамках Солнечной системы, на масштабах галактики и даже больше – всё отлично совпадает с предсказаниями ОТО, всесторонне поддерживая эту теорию.
Пока что только такое представление о Вселенной правильно описывает гравитацию. Пространство и время считаются непрерывными (не дискретными), и эта геометрическая конструкция обязательно служит фоном, на котором разворачивается гравитация и все другие взаимодействия.
Частицы и античастицы СМ подчиняются законам сохранения, а также демонстрируют фундаментальные различия между фермионами (частицами и античастицами) и бозонами. Причём у бозонов есть только одно поколение, а у фермионов – целых три. Почему? Никто не знает.
С другой стороны, мы имеем СМ физики частиц. Она основана на квантовой теории поля, в которой существуют:
- кванты-фермионы (частицы) с зарядами,
- кванты-бозоны (частицы), управляющие взаимодействиями между частицами,
- вакуум пространства-времени, в котором эти частицы перемещаются и взаимодействуют.
Электромагнитное взаимодействие основано на электрических зарядах, поэтому все шесть кварков и три заряженных лептона (электрон, мюон и тау) испытывают электромагнитную силу, а передаёт её безмассовый фотон.
Сильное ядерное взаимодействие основано на цветовых зарядах, которые есть только у шести кварков. Передают его восемь безмассовых глюонов. Никакие другие частицы с ним не связаны.
Слабое ядерное взаимодействие основано на слабом гиперзаряде и слабом изоспине – и хотя бы одно из этих свойств есть у всех фермионов. Передают слабое взаимодействие бозоны W— и Z—, а ещё у W-бозонов есть электрические заряды, поэтому они испытывают электромагнитное воздействие и могут обмениваться фотонами.
В квантовой физике все идентичные квантовые состояния неотличимы друг от друга, поэтому они могут смешиваться. Смешивание кварков было предсказано теоретически, а потом подтверждено практически. Его параметры определяются слабым взаимодействием. Сначала считалось, что у нейтрино нет массы. Но потом оказалось, что масса у них есть, и подобное смешивание посредством слабого взаимодействия должно работать и для нейтрино. И весь этот набор взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное, действующее между частицами с подходящими зарядами – описывает всё, что только можно предсказать для частиц в любой ситуации.
А мы проверяли эти предсказания в невероятных условиях. Тут и эксперименты с космическими лучами, и радиоактивный распад, и солнечная активность, и физика высоких энергий в коллайдерах – и все результаты во всех случаях согласовывались со СМ. Открытие бозона Хиггса подтвердило теорию о том, что когда-то электромагнитное и слабое взаимодействие были единым целым – на высоких энергиях они превращаются в электрослабое. Это был серьёзный тест СМ, который она выдержала с честью. Во всей физике не было ни одного результата, который бы не объясняла СМ.
Но есть один подвох. Все вычисления СМ основаны на частицах, существующих в нашей Вселенной – то есть в рамках пространства-времени. Все проводимые вычисления обычно предполагают, что пространство-время плоское. Мы знаем, что технически это не так, однако так просто удобнее (вычисления в искривлённом пространстве-времени проводить гораздо сложнее), а также это хорошая аппроксимация условий на планете Земля.
Это вообще один из любимых методов физики – моделировать систему в как можно более простом виде, учитывая все имеющие отношение к делу эффекты, которые и определят результат эксперимента или измерения. Все расчёты в физике высоких энергий в плоском пространстве-времени дают примерно такие же результаты, как и для искривлённого – если не брать совсем уж экстремальные условия.
Однако экстремальные условия во Вселенной всё же существуют – например, в пространстве-времени близ чёрных дыр. В таких условиях становится понятно, что предполагать, что пространство-время плоское, уже не получится – приходится совершать подвиги и вести вычисления по квантовой теории поля в искривлённом пространстве.
В принципе, оформить всё это не так уж невероятно сложно. Нужно просто заменить привычное плоское пространство-время искривлённым, описываемым ОТО. Зная искривление пространства, можно записать уравнения для такого фона, на котором всё происходит. Зная, какие частицы будут взаимодействовать, можно записать уравнения для их взаимодействия на таком фоне. А вот сами вычисления уже будут достаточно трудными – в общем случае всё зависит от вычислительных мощностей.
К примеру, можно описать, как квантовый вакуум ведёт себя внутри и снаружи горизонта событий чёрной дыры. Отличия поведения квантового вакуума начинают становиться значимыми вблизи сингулярности чёрной дыры, поскольку там пространство-время сильно искривлено. Разница этого состояния с тем, что существует в других местах, ведёт к появлению излучения и рождению пар частица-античастица – так рождается излучение Хокинга, из-за которого в квантовой Вселенной чёрные дыры по природе своей нестабильны и в итоге испарятся.
Однако дальше нам уже не зайти, и не в любых условиях такой подход даст свои плоды. Да, таким образом можно как-то немного примирить ОТО и СМ, но всё равно – мы можем посчитать, как фундаментальные взаимодействия ведут себя в сильно искривлённом пространстве-времени, расположенном достаточно далеко от сингулярностей, существующих в центрах чёрных дыр или в самом начале Вселенной (если оно, конечно, было).
Проблема в том, что в теории гравитация должна воздействовать на все типы материи и энергии. На всё – включая, теоретически, даже те частицы, которые и отвечают за гравитацию. Мы знаем, что свет, являясь электромагнитной волной, одновременно представляет собой и набор отдельных квантов – фотонов. Поэтому мы делаем вывод, что гравитационные волны также состоят из квантов – гравитонов. И мы даже многое знаем о квантовых свойствах этих частиц, несмотря на отсутствие полноценной теории квантовой гравитации.
А она-то как раз нам и нужна. Квантовая гравитация – недостающий кусочек головоломки. Без неё не поймёшь и не предскажешь квантовые свойства гравитации. А они должны быть – без них физическая картинка реальности не складывается.
Двухщелевой эксперимент доктора Тономуры с отдельными электронами
Рассмотрим самый что ни на есть квантовый из всех квантовых экспериментов — эксперимент с двумя щелями. Если отправить квантовую частицу через прибор и заметить, через какую щель она прошла, результат получается детерменированным. Частица ведёт себя так, словно она собиралась пройти через щель, проходит через щель и ей это успешно удаётся. Если это электрон, у него можно измерить электрическое и магнитное поля. Можно также подсчитать, каким было гравитационное поле в любой момент эксперимента (как частица влияла на кривизну пространства-времени).
А что, если не смотреть, через какую щель он проходит? Теперь позиция электрона остаётся неопределённой до тех пор, пока он не встретится с экраном – только тогда можно будет определить, «где» он находится. Даже если это измерение случается, предыдущий его путь остаётся неопределённым. Благодаря возможностям квантовой теории поля мы можем определить, какое у него было электрическое поле. Но поскольку у нас нет квантовой теории гравитации, мы не можем определить его гравитационное поле и влияние. В этом смысле мы гравитацию не понимаем – как на квантовых масштабах, где происходят флуктуации, так и вблизи сингулярностей, где ответы ОТО теряют всякий смысл.
Это работает в обе стороны – поскольку мы не понимаем гравитацию на квантовом уровне, мы не понимаем и сам квантовый вакуум. Квантовый вакуум – это свойства пустого пространства, которые можно измерить разными способами. К примеру, эффект Казимира позволяет измерить электромагнитное взаимодействие, идущее через пустое пространство при различных условиях – просто посредством изменения конфигурации проводников. Если измерить расширение Вселенной за всю её историю, мы получаем суммарный эффект всех взаимодействий на энергию нулевой точки пространства – квантовый вакуум.
А как нам оценить квантовый вклад гравитации в квантовый вакуум? Да никак. Мы не понимаем, как рассчитать поведение гравитации на высоких энергиях, на мелких масштабах, рядом с сингулярностями, или когда квантовые частицы проявляют свои квантовые свойства. Мы также не понимаем, как ведёт себя в любых условиях лежащее в основе гравитации квантовое поле (если оно вообще есть). Поэтому попытки разобраться в фундаментальных основах гравитации не прекращаются, даже несмотря на то, что все предыдущие потерпели неудачу. Мы смогли определить ключевую задачу, которую нужно будет решить для очередного скачка физической науки. Это достижение невозможно будет переоценить. Нам остаётся только пытаться это сделать или сдаться. Даже если все попытки ни к чему не приводят.
