Для простоты мы часто рисуем графы в двух измерениях, но лучше представлять их заполняющими трехмерное пространство, потому что именно его они иллюстрируют. Но здесь есть концептуальная ловушка: линии и узлы графа не занимают конкретные положения в пространстве. Каждый граф определяется только тем, как его части соединяются между собой и как они соотносятся с четко заданными границами (например, с границей области B). Однако нет никакого непрерывного трехмерного пространства, в котором, как может показаться, размещаются графы. Линии и узлы – это и есть пространство, геометрия которого определяется тем, как они соединяются.
Описанные графы называются спиновыми сетями, потому что указанные на них числа связаны со спином. Спиновые сети олицетворяют фиксированные квантовые состояния объемов и площадей пространства.
Экспериментальная проверка
Когда в миллиардах световых лет от нас происходит гамма-всплеск, мгновенный взрыв порождает гигантское количество гамма-лучей. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает несколько линий, т. е. некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет гамма-лучи более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет. Если возникшие при всплеске гамма-лучи разных энергий прибывают на Землю в разные моменты времени, то это свидетельствует в пользу теории петлевой квантовой гравитации.
Л. Смолин. Атомы пространства и времениОтдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т. е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10184 узлов.
Итак, спиновые сети описывают геометрию пространства. Но что можно сказать о материи и энергии, находящихся в нем? Частицы, такие как электроны, соответствуют определенным узлам, снабженным дополнительными метками. Поля, такие как электромагнитное, обозначаются аналогичными маркерами на линиях графа. Движение частиц и полей в пространстве представляет собой дискретное (скачкообразное) перемещение меток по графу.
В теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единство. При введении концепции пространства – времени в теорию петлевой квантовой гравитации спиновые сети, представляющие пространство, превращаются в так называемую спиновую пену. С добавлением еще одного измерения – времени – линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. Переходы, при которых происходит изменение спиновой сети (шаги, описанные выше), теперь представлены узлами, в которых сходятся линии пены.
Мгновенный снимок происходящего подобен поперечному срезу пространства – времени. Аналогичный срез спиновой пены представляет собой спиновую сеть. Однако не стоит заблуждаться, что плоскость среза перемещается непрерывно, подобно плавному потоку времени. Так же как пространство определяется дискретной геометрией спиновой сети, время задается последовательностью отдельных шагов, которые перестраивают сеть. Таким образом, время тоже дискретно. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен времени Планка, или 10–43 с. Точнее говоря, время в нашей Вселенной отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».
Глава 5. Квантовая хронофизика
Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже». Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время – это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…
А. Д. Чернин. Физика времениКвантовая физика наглядно демонстрирует нам, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. В действительности и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем неопределеннее будет другая. Физики-теоретики даже сумели количественно выразить соотношение определенности и неопределенности и запросто им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. Ну а как быть со временем?
Этот вопрос тоже в немалой степени занимает внимание теоретиков. Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые бы смогли фиксировать эти частицы.
Единственное, на что мы пока можем положиться, – это опыт всей современной физической науки, который отрицает существование ньютоновского абсолютного времени, существующего как бы «само по себе». Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающей нас физической реальности. А значит, вполне вероятно, что и на время должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Однако если мы хотим серьезно порассуждать о возможности путешествий во времени, а тем более о неких агрегатах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки квантов времени. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 109 джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, едва ли смогут выйти на рубежи даже миллиардной доли этой энергии. По всей вероятности, подобные ускорители, построенные на известных принципах разгона микрочастиц, вообще нельзя будет создать даже в отдаленном будущем, поскольку для их работы не хватит планетарных ресурсов.
Нильс Бор (1885–1962)
Выдающийся датский физик-теоретик, один из основателей квантовой и атомной физики, а также создатель «копенгагенской интерпретации квантовой механики», в которой существенное место отводится наблюдателю измерений. Основатель и бессменный директор знаменитого института теоретической физики в Копенгагене.
Довольно интересны в этом плане идеи «дискретной физики». В ее основе лежит своеобразная «дискретная философия». По мнению создателей, она представляется новым уровнем мышления о фундаментальных процессах в природе, объединяя мега- и микроскопические масштабы. Не без определенных оснований они считают, что как атомистическая в самом общем смысле теория «дискретная наука» логически приводит к экстремальному значению всех физических величин как конечных и дискретных. Это означает, что теоретически любые количественные соотношения могут быть представлены в целочисленном виде. Подобная «дискретная парадигма» в целом подразумевает, что природа не содержит каких-либо бесконечных последовательностей физических величин, так что ставится вопрос о естественных целесообразных границах применения самого математического аппарата исчисления бесконечно малых.
Если хронокванты действительно существуют, то само космологическое расширение Вселенной может быть связано с наличием хроноквантового генератора сдвига по времени. Тогда собственное время материальных объектов разделится на динамически наблюдаемую независимую и ненаблюдаемую абсолютную переменные. Значения данных компонент будут составлять конфигурационное пространство хроноквантового генератора сдвига, определяя течение любых процессов в нашем материальном мире.
В исторической ретроспективе метод модельной хронодискретизации можно связать с отдельными положениями квантовой волновой механики Шредингера – де Бройля. Это позволяет в качестве одного из вариантов развития принципов квантовой хронофизики рассматривать идеи о волновой функции Вселенной.
Предсказания квантовой механики фундаментально вероятностны по своей сути, что заставляет неоднозначно толковать их с точки зрения сохранения причинности. Здесь часто возникает путаница понятий в среде непрофессиональных физиков. Так, предсказания классической физики также вероятностны из-за сложности определения начального состояния и последующей эволюции многочастичных систем. В квантовой механике неопределенность принципиально следует из дополнительности квантовых свойств и классического описания как вероятностного характера законов Вселенной.
