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.

ФОТИНИ МАРКОПУЛУ КАЛАМАРА

• Работает в Институте теоретической физики в Ватерлоо, Канада.

• Считает, что если каузальная теория спиновых сетей верна, то Вселенная подобна гигантскому квантовому компьютеру.

• Утверждает, что необходимо получать удовольствие от работы, иначе не избежать стресса. Можно заблуждаться, полагая, что Вселенная состоит из атомов! Надо мыслить свободно.

Выдающиеся физики Роберт Майерс (Robert Myers), Ли Смолин (Lee Smolin) и Фотини надеются объединить общую теорию относительности Эйнштейна и квантовую теорию и таким образом найти объяснение природе пространства и времени. Подобное объединение – величайшая задача современной физики. Предыдущим претендентом на эту роль была теория струн, в которой предполагалось, что строительный базис материи – крошечные одномерные струны, колебания которых, словно из музыкальных нот, создают знакомое попурри из элементарных частиц.  

Несмотря на то, что в теории струн гравитация включена в квантовое описание материи, некоторые физики полагают, что у нее есть недостатки, не позволяющие ей стать универсальной. Теория предполагает, что существуют 26 пространственных измерений – гораздо больше, чем можно обнаружить экспериментальным путем. Важнее то, что хотя струны великолепно подходят для описания материи, они не годятся для определения пространства, в котором совершают колебания. Проблема, возможно, будет решена при помощи новейших вариантов теории струн. Но небольшая группа физиков, в которую входят Смолин, Абхай Аштекар (Abhay Ashtekar) из Пенсильванского университета и Карло Ровелли (Carlo Rovelli) из Центра теоретической физики в Марселе, придают большее значение другому подходу: петлевой квантовой гравитации, или LQG.
В рамках  LQG все сущее состоит из взаимодействующих и соединяющихся петель, образующих спиновые сети, впервые введенные английским математиком Роджером Пенроузом (Roger Penrose) в 60-х гг. прошлого века в виде абстрактных графов. Для квантования уравнений общей теории относительности Смолин и Ровелли воспользовались стандартной методикой и под грудой математических вычислений обнаружили сети Пенроуза. Узлы и грани графов содержат дискретные значения площади и объема, давая начало квантовому трехмерному пространству. Но так как теоретики исходили из релятивизма, у них оставалось некоторое подобие пространства и вне квантовых сетей.  

В Лондонском имперском колледже Фотини Маркопулу Каламара прослушала курс лекций Криса Айшема (Chris Isham) и под его научным руководством защитила кандидатскую диссертацию, посвященную теории квантовой гравитации. Позже она присоединилась к Смолину в Пенсильванском университете и занялась петлевой квантовой гравитацией. Она начала с вопроса: «Почему бы, оттолкнувшись от спиновых сетей Пенроуза (не входящих ни в одно существовавшее прежде пространство), не синтезировать их с некоторыми выводами LQG?» Так появились несуществующие в пространстве нематериальные сети, своей архитектурой определяющие пространство и материю. На доске (см. фото) не представлено ничего вещественного, лишь геометрические взаимосвязи. Пространство перестает быть местом, где сталкиваются и преобразуются частицы, и становится калейдоскопом постоянно изменяющихся структур и процессов. Каждая спиновая сеть представляет собой моментальный снимок, застывшее состояние Вселенной. В реальности спиновые сети эволюционируют и изменяются в соответствии с простыми математическими правилами, увеличиваясь, усложняясь и превращаясь в итоге в огромное пространство, в котором мы существуем. Прослеживая эту эволюцию, Маркопулу Каламара постигает структуру пространства и времени. В частности, она утверждает, что абстрактные петли способны воспроизвести одно из наиболее важных положений теории Эйнштейна – световые конусы, области пространства-времени, внутри которых свет от некоторого события может достичь наблюдателя. Световые конусы обеспечивают соблюдение последовательности причины и следствия различных событий. Наглядный пример – звездное небо: мы знаем, что есть бесчисленное количество звезд, света которых мы не видим, так как с момента рождения Вселенной прошло недостаточно времени, чтобы их свет осветил наш путь; они находятся за пределами нашего светового конуса.

Все это становится не столь очевидным при внедрении концепции световых конусов в теорию спиновых сетей, подчиняющихся законам квантовой механики. В странном мире неопределенности каждая сеть способна трансформироваться бесконечным количеством способов, не оставляя при этом и следа своего развития. «Мы не знали, как в рамках нашей теории ввести понятие причинности в  LQG», – признался Смолин. Маркопулу Каламара предложила удачное решение, связав световые конусы с узлами сетей. В результате их эволюция приобрела законченность, и при этом сохранилась структура последовательности событий.

Световые конусы определяют все прошлые и будущие причинно-следственные связи события.

Проблема в том, что спиновая сеть представляет собой всю Вселенную. С позиций традиционной квантовой механики объекты и события остаются в царстве вероятности до момента их регистрации наблюдателем. Но ведь никто не способен оказаться за пределами Вселенной и обозреть ее извне. Каким же образом тогда может существовать Вселенная? «В этом-то и вопрос, – говорит Маркопулу Каламара. – Кто смотрит на Вселенную? Мы». Внутри Вселенной существуют свои собственные наблюдатели, представленные узлами сети. Идея проста: чтобы написать большую картину, нужен не один, а несколько художников. Световые конусы, использованные для переноса принципа причинности в квантовое пространство-время, точно определяют зону обзора каждого наблюдателя.  

Из-за того, что скорость света конечна, мы наблюдаем только ограниченную часть Вселенной. Ваше положение в пространстве-времени уникально, поэтому обозреваемый вами срез Вселенной немного отличается от среза любого другого наблюдателя. Несмотря на то, что не существует внешнего наблюдателя, имеющего доступ ко всей вселенской информации, мы можем воссоздать осмысленную картину Вселенной на основе частичной информации, которую получает каждый из нас. Прекрасная мысль: у любого из нас есть своя Вселенная! Не следует, однако, забывать о некоторых совпадениях, так как в основном мы видим одно и то же, то есть целостную Вселенную вместо квантованного пространства-времени.  

«Теоретическая физика во многом схожа с искусством. Соединение всех элементов воедино напоминает работу скульптора с куском глины. Мне нравится, что здесь есть элемент творчества», – заключает Маркопулу Каламара. Сейчас она работает над выведением одномерного времени из квантовой причинности. Фотини считает, что если основные положения теории спиновых сетей подтвердятся в ходе наблюдений, то удастся устранить и некоторые ее недочеты. Один из экспериментов может заключаться в наблюдении гамма-излучения источника, удаленного на миллиарды световых лет. Если пространство-время действительно дискретно, то скорости единичных фотонов должны несколько различаться и зависеть от длины волны. Маркопулу Каламара пытается определить вид этой дисперсии. Сегодня Маркопулу Каламара интенсивно работает, ожидая звонка духовки. Если ее предсказания сбудутся, то наше представление о структуре пространства изменится навсегда. 

Фотини Маркопулу Каламара (Fotini Markopoulou Kalamara) родом из Греции, ей 31 год. Она – сотрудник Института теоретической физики в Ватерлоо, Канада (канадский аналог Института специальных исследований в Принстоне, штат НьюДжерси).

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.