Объединение сил природы может оказаться не таким сложным, как полагали физики. В один из солнечных весенних дней один из нас (Ланс Диксон), направляясь в аэропорт Хитроу, спустился в лондонскую подземку на станции «Майл-энд». Глядя на незнакомца — одного из более чем 3 млн пассажиров, ежедневно пользующихся лондонским метрополитеном, — он вдруг задумался: какова вероятность, что этот незнакомец выйдет, скажем, в Уимблдоне? Как можно ее вычислить при условии, что человек может направиться по любому из маршрутов? Размышляя об этом, он понял, что вопрос этот сродни сложным задачам, с которыми сталкиваются ученые, работающие в области физики элементарных частиц, в попытке предсказать результат столкновения частиц в современных экспериментах.

Представьте себе, что мир не трехмерен, а двумерен. Какой в этом случае была бы сила гравитации? Неожиданные ответы на этот вопрос указывают физикам путь к единой теории природы. С момента своего становления как науки физика занимается поиском единства в природе. Исаак Ньютон показал, что та же сила, которая заставляет падать яблоко, удерживает планеты на их орбитах. Джеймс Клерк Максвелл объединил теории электричества, магнетизма и оптики в единую теорию электромагнетизма. Спустя столетие физики добавили к ней слабые ядерные силы и создали теорию электрослабого взаимодействия. Альберт Эйнштейн соединил пространство и время в единый континуум пространства-времени.

Современная теоретическая физика наводит на мысль, что течение времени это не более чем иллюзия: просто есть вся вселенная, без наделения каким-либо особым значением текущего момента времени. Эта статья показывает, что такая точка зрения, по существу представляемая обычными пространственно-временными диаграммами, основана на обратимых по времени микрофизических законах, которые не в состоянии схватить существенные черты необратимой во времени природы декогеренции и процесса квантового измерения, а также и макро-физического поведения и развития возникающих сложных систем, в том числе жизни, которые существуют в реальной Вселенной. Когда они будут приняты во внимание, неизменный вид блок-Вселенной в пространстве-времени лучше всего заменить на развивающуюся блок-Вселенную, которая расширяется с течением времени, с потенциально возможным будущим, которое постоянно становится определенным прошлым; само по себе пространство-время эволюционирует, как и те сущности, которые находятся в нем. Однако на этот раз эволюция не связана с какой-либо предпочтительной гиперповерхностью в пространстве-времени, а, скорее это связано с эволюцией собственного времени вдоль семейства мировых линий. Изначально фундаментальная физика не должна считать время необратимым при эволюции физических состояний: это постоянное и необратимое развитие самого времени.

Продолжаем сравнительный анализ двух теорий, претендующих на роль теорий квантовой гравитации. В этой заметки мы подробнее остановимся на достижениях, петлевой квантовой гравитации. Статья изобилует специфической терминологией, как что если у читателей возникнут какие-то вопросы, помогу, чем смогу. Перед прочтением крайне рекомендуется изучить подборку статей по квантовой гравитации, которая расположена на нашем сайте.

Квантовая механика описывает не только поведение мельчайших частиц. Ее законы действуют в телах всех размеров: в птицах, растениях и, возможно, даже в человеке. Стандартные учебники физики утверждают, что квантовая механика - это теория микромира, она описывает поведение частиц - атомов и молекул, но уступает место обычной классической физике в макроскопическом масштабе. Где-то в промежутке между молекулой и, скажем, грушей находится пограничная область, где исчезают странности квантового мира и начинают действовать знакомые законы классической физики. Мнение о том, что законы квантовой механики относятся исключительно к микромиру, общепринято. Классическая же физика, включающая в себя все неквантовые теории, в том числе частную и общую теории относительности Альберта Эйнштейна, имеет дело с крупномасштабными объектами.

Теория струн, и петлевая квантовая теория гравитации очень динамичны как исследовательские программы со значительными шансами открытия новых законов природы. Каждая достигла много больше, чем дальновидные эксперты могли бы предполагать при заключении пари двадцать лет назад. Мы начнем с проблем самой квантовой гравитации.

Возможно, Большой взрыв не был началом нашей Вселенной — она могла образоваться в результате управляемого сложными гравитационно-квантовыми эффектами Большого отскока, стремительного сжатия, породившего взрыв. В современной науке понятие атома — настолько общепринятая концепция, что трудно вспомнить, насколько радикальным оно было когда-то.

Большую часть двадцатого столетия физики имели дело с двумя фундаментальными физическими теориями — квантовой теорией и общей теорией относительности (ОТО). Последняя есть теория Эйнштейна пространства, времени и гравитации, в то время как первая описывает существенно все остальное в природе. Такая ситуация была возможна, так как не было экспериментов, исследующих режимы, в которых представлены и квантовые и гравитационные эффекты.

Если соединить теорию относительности с квантовой теорией поля, то удастся пролить свет на природу пространства и времени. Физика подобна кулинарии. Возьмем один ингредиент, потом другой и соединим их вместе. Главное – сочетать необходимые элементы таким образом, чтобы, как только зазвенит звонок в духовке, вселенная получилась такой, какой нужно, считает Фотини Маркопулу Каламара (Fotini Markopoulou Kalamara), одна из самых многообещающих физиков в мире.

В 1994 Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз прочли цикл публичных лекций по общей теории относительности в Институте Математических Наук имени Исаака Ньютона при Кембриджском университете. Наш журнал представляет вам выдержки из этих лекций, выпущенных в этом году издательством Princeton University Press под названием "Природа пространства и времени", которые позволяют сравнить взгляды этих двух ученых.