Почему физики хотят избавиться от пространства-времени?

Может ли ткань реальности, которую мы называем пространством-временем, — быть всего лишь иллюзией? То, что Эйнштейн объединил в единый континуум, сегодня физики называют устаревшей концепцией. Они ищут способы заменить пространство-время чем-то более фундаментальным, абстрактным и лишенным привычных измерений. Зачем? Ответ кроется в противостоянии двух столпов современной физики: теории относительности и квантовой механики.

Пространство и время долгое время считались независимыми сущностями. Ньютон описывал их как абсолютные категории: пространство — сцена, где разворачиваются события, время — равномерный поток, не зависящий от материи. Но в 1905 году Эйнштейн перевернул эти представления. Его специальная теория относительности (СТО) объединила пространство и время в четырехмерный континуум, где движение и гравитация искажают саму структуру реальности.

В 1915 году общая теория относительности (ОТО) превратила пространство-время в динамическую сущность: масса и энергия искривляют его, создавая то, что мы воспринимаем как гравитацию. Эта модель работала безупречно — до встречи с квантовой механикой.

Квантовая механика описывает мир частиц и полей, где вероятности и неопределенность заменяют детерминизм. Но когда физики попытались объединить ее с ОТО, возник парадокс. Гравитация, согласно Эйнштейну, — это искривление пространства-времени. Но на квантовом уровне, где частицы ведут себя как волны, сама идея гладкого континуума рушится.

На масштабах меньше планковской длины (10⁻³⁵ метров) квантовые флуктуации становятся настолько сильными, что пространство-время теряет смысл. Уравнения предсказывают бесконечности, которые невозможно интерпретировать. Это как пытаться измерить пену волн линейкой — традиционные инструменты перестают работать.

Квантовая пена и пределы непрерывности

Физик Джон Уилер в 1955 году предложил концепцию квантовой пены: на сверхмалых масштабах пространство-время подвержено постоянным флуктуациям, превращаясь в "пену" из виртуальных частиц и искривлений. Это означает, что привычная гладкая структура пространства-времени — лишь приближение, работающее на больших масштабах.

Пространство-время как производное явление

Современные теории квантовой гравитации рассматривают пространство-время не как фундаментальную сущность, а как производное явление. В петлевой квантовой гравитации пространство состоит из дискретных "петель", образующих спин-сети. Эти сети описывают квантовые состояния гравитационного поля, а их эволюция — спин-пены — моделируют динамику пространства-времени.

В теории струн фундаментальными объектами являются одномерные струны, чьи колебания порождают частицы и силы. Пространство-время в этой теории возникает из взаимодействий струн и дополнительных измерений, свернутых в компактные формы.

Перепутанность и геометрия

Квантовая перепутанность — явление, при котором состояния частиц связаны независимо от расстояния между ними — может быть ключом к пониманию происхождения пространства-времени. Исследования показывают, что структура перепутанности в квантовых системах определяет геометрию пространства. Это связано с голографическим принципом, согласно которому информация о объёме пространства может быть закодирована на его границе.

Космогедрон и абстрактные модели

Некоторые учёные разрабатывают математические конструкции, такие как "космогедрон" — абстрактный многогранник, способный описывать квантовые состояния вселенной без обращения к пространству-времени. Эти модели предлагают альтернативные способы описания реальности, где пространство и время возникают как следствия более фундаментальных структур.

Черные дыры и энтропия

Черные дыры — еще один камень преткновения. Согласно ОТО, они искривляют пространство-время так сильно, что даже свет не может вырваться из их пределов. Но квантовая механика добавляет сюрприз: черные дыры излучают частицы (эффект Хокинга) и обладают энтропией, которая зависит от площади их горизонта событий.

Энтропия обычно связана с количеством микроскопических состояний системы. Но если черная дыра — это чистое искривление пространства-времени, что тогда считать ее «состояниями»? Физики предполагают, что пространство-время само состоит из дискретных элементов, как мозаика, которую мы не видим на макроуровне.

Почему это важно?

Отказ от пространства-времени не означает, что оно «исчезнет». Речь о том, чтобы найти более глубокий уровень реальности. Например, вода кажется непрерывной, но состоит из молекул. Так и пространство-время может быть коллективным эффектом.

Исторически подобные сдвиги уже случались. Ньютоновский абсолютный эфир уступил место полям Максвелла, а затем релятивистскому континууму. Сегодня физики повторяют этот путь, ища теорию квантовой гравитации.

Post Scriptum

Если пространство-время окажется иллюзией, это не изменит наш повседневный опыт. GPS по-прежнему будет учитывать релятивистские эффекты, а яблоки — падать на головы. Но для фундаментальной науки последствия колоссальны.

Как писал Герман Минковский, пространство и время — лишь тени более сложной реальности. Возможно, следующая революция в физике покажет, что даже их объединенная форма — всего лишь приближение.

Пока же теории вроде петлевой гравитации и струн остаются гипотезами. Но эксперименты с черными дырами, квантовыми компьютерами и гравитационными волнами могут дать ключи. Как когда-то Майкельсон и Морли опровергли эфир, так и новые данные заставят нас пересмотреть саму ткань реальности.

-----

Если понравился материал и вы считаете его познавательным и стоящим, вы можете поддержать автора «трудовым рублем» по ссылке ниже