Чаще всего в течение дня возникают вопросы, на которые мы все можем ответить довольно уверенно. Ты обедал? Вы слышали новую песню Тейлор Свифт? Это признание парня, с которым она когда-то встречалась?
Но когда мы начинаем размышлять над большими вопросами - тот, который мы решаем сегодня, спрашивает, можно ли когда-нибудь примирить квантовую механику и общую теорию относительности - наша уверенность в себе резко падает. Разве квантовая механика не имеет ничего общего с планетами? Является ли общая теория относительности той, в которой энергия равна массе, умноженной на скорость света в квадрате? Подождите, это была масса или движение? Или минуты. Это минуты, не так ли?
Без страха. Хотя на этот вопрос чрезвычайно сложно ответить, сам вопрос так же прост, как расшифровать лирику поп-звезды. Прежде чем мы начнем решать неразрешимую вселенную, давайте разберем компоненты.
Давайте сначала займемся квантовой механикой. И это хорошее место для начала, потому что это изучение чего-то очень малого - материи и излучения на атомном и субатомном уровнях. Только когда ученые начали понимать атомы, обычная старая физика нуждалась в небольшой поправке. Потому что когда ученые смотрели на атомы, они вели себя не так, как остальная Вселенная. Например, электроны не вращаются вокруг ядра, как планета вокруг Солнца, - если это так, то они врежутся в ядро.
Стало ясно, что классическая физика не урезала его до атомарного масштаба. Таким образом, квантовая механика возникла из-за необходимости понять, почему очень маленькие явления ведут себя иначе, чем Большие Вещи в науке. Мы обнаружили, что что-то вроде фотона может действовать как частица (несущая массу и энергию) и как волна (несущая только энергию). Это большое дело - это может быть две вещи одновременно. И это означает, что мельчайшие части Вселенной резко колеблются, и нет никакой возможности узнать конкретное местоположение в любое время.
Это все относительно
Итак, теперь мы понимаем, что квантовая механика существенно расширила наши представления о Вселенной (когда дело доходит до мельчайших масштабов). Например, частицы могут быть волнами. Чтобы добавить веселья, принцип неопределенности квантовой механики говорит нам, что мы не можем точно сказать, где находится частица или как быстро она движется в одно и то же время.
У Эйнштейна этого не было. Мысль о том, что мы не можем точно сказать, где находится частица или что она делает, должно быть, глубоко обеспокоила физика, посвятившего себя определению того, как устроена Вселенная, что и сделал Эйнштейн с помощью общей теории относительности.
Теперь не пугайтесь. В общей теории относительности есть две большие идеи: одна о пространстве и времени, другая о гравитации. Как мы с вами видим, пространство и время отодвигаются на второй план. Они исправлены. Они существуют хронологически (и как бы монолитно). В общей теории относительности пространство и время являются одним единым измерением (для удобства называемым пространством-временем). Но вот в чем дело: пространство-время может быть большим и единым, но оно не висит на заднем плане. Общая теория относительности утверждает, что материя может влиять на пространство-время. Это означает, что вы, как существующая материя, меняете пространство и время.
Хорошо, не совсем так. На самом деле это очень большие вещи, которые вызывают искривление пространства-времени. Солнце, например, искривляет пространство-время к себе. И что бы это означало? Ах, верно: планеты поменьше попадут на орбиту вокруг него.
Что приводит нас к гравитации. В самом деле, общая теория относительности - это не просто Эйнштейн, похлопывающий Ньютона по плечу и говорящий: «Да, сэр, гравитация - это вещь!» Вместо этого Эйнштейн дал нам объяснение гравитации - искривление пространства-времени создало гравитацию и заставило Вселенную вести себя так, как она действовала.
Так в чем проблема? Эйнштейн показал нам умопомрачительный принцип работы Вселенной, а квантовая механика показывает нам удивительный способ работы частиц на атомном и субатомном уровне. К сожалению, одно не объясняет другое. Что означает, что должна быть какая-то более крупная теория, охватывающая их, или нет?
У нас есть мир на ниточке?
Мы не можем понять, как квантовая механика и общая теория относительности могут примириться, не поняв сначала, почему они - прямо сейчас - не примиряются. Потому что оказывается, что ни одно из них не работает, если верно другое.
Эйнштейн сказал, что пространство-время - гладкая константа, и что только большие объекты могут его деформировать. Квантовая механика утверждает, что мельчайшие части Вселенной постоянно резко колеблются и изменяются.
Если квантовая механика верна и все постоянно находится в нечетком движении, то гравитация не будет работать так, как предсказал Эйнштейн. Пространство-время также должно было бы постоянно противоречить всему окружающему и действовать соответственно. Более того, квантовая механика говорит, что вы не можете - с какой-либо уверенностью - объявить установленный порядок. Вместо этого вам пришлось довольствоваться предсказанием вероятностей.
С другой стороны, если общая теория относительности верна, материя не может так сильно колебаться. В какой-то момент вы сможете узнать, где находится вся материя и куда именно она движется. Что, опять же, противоречит квантовой механике.
Но будьте уверены, что ученые, физики и кабинетные эксперты отчаянно пытаются найти способ примирить эти два явления. Одним из лидеров является теория струн, согласно которой частица действует не как точка, а как струна. Это означает, что он сможет махать, двигаться, зацикливаться и вообще делать все, чего не может одна точка. Он также может передавать гравитацию на квантовом уровне, а распространение частиц по струне теоретически сделает атмосферу менее нервной и менее сумасшедшей. Что, конечно же, открывает теорию для согласия с общей теорией относительности. Но имейте в виду, что теория струн никогда не подтверждалась никаким экспериментом, и существует много споров, можно ли ее вообще доказать.
Если бы такой монументальный эксперимент и состоялся, то, скорее всего, на ускорителе частиц. Вот где мы могли бы найти суперпартнеров. (Нет, не Бэтмен и Робин). Суперпартнеры - это часть теории струн, в которой говорится, что у каждой частицы есть суперсимметричная партнерская частица, которая нестабильна и вращается по-разному (например, электрон и селектрон или гравитон и гравитино). К счастью для нас, в 2010 году мы нашли свидетельство существования нашего первого бозона Хиггса при столкновении частиц в Большом адронном коллайдере, так что, возможно, мы находимся на пути к экспериментальному подтверждению теории струн.
Спин также может помочь нам поэкспериментировать сквантовой запутанностью, когда электроны захватываются вращением друг друга. Это легко увидеть в небольших пространствах, но ученые работают над отправкой фотонов в космос и обратно, чтобы измерить, как они работают на большом расстоянии - и кривизне - пространства и времени.
Но мы также можем обратиться к черным дырам, чтобы найти Теорию всего (TOE!). В черной дыре у вас есть очень тяжелая вещь (звезда, к которой применима общая теория относительности) и очень маленькая вещь (крохотная крупинка, в которую она вдавлена, что объясняет квантовая механика). Так что, если мы сможем определить, что происходит - или что меняется - когда большое становится маленьким, мы могли бы примирить квантовую механику и общую теорию относительности.
Примечание автора: объединим ли мы когда-нибудь квантовую механику с общей теорией относительности?
Иногда мне хочется, чтобы заголовок статьи был просто отказом от ответственности: «Не бойтесь этой темы». Жаль, что эти Большие Идеи - теории Эйнштейна, квантовая механика - имеют репутацию непонятных публике. Конечно, математика, стоящая за этим, не под силу большинству из нас, но можно понять идеи и без нее. В физике не бывает драконов; не бойтесь разузнать то, чего не знаете.