Спиновая пена

Если представить пространство нашего мира как ячеистую сеть с волчками - спинами, то с течением времени линии такой спиновой сети будут расширяться и переходить в двумерные поверхности, а узлы растягиваться в линии. Мгновенный снимок происходит подобно поперечного среза пузырьков спиновой пены пространства-времени.

 

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами определенной условной поверхности, при которых шаг за шагом меняется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов с научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она спучуется и проваливается. Вспомним, что в теории относительности пространство и время не отделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены. Разрабатывая теорию квантовой гравитации, группа американских исследователей возвестила удивительное явление: будто фотоны различных энергий должны перемещаться с различными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

 

Очень интересно ведет себя на уровне ячеистого пространства время, будучи также дискретной величиной. Время не течет, как река, и тикают, как часы. Интервал между «тиками» примерно равна особом «времени Планка» - совершенно не воображаемой по своей скудностью величине, описываемой дробью с несколькими десятками нолей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопические уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».

 

Когда в миллиардах световых лет от нас происходят ужасные взрывы звездных объектов, то в окружающее пространство устремляются гигантские потоки радиации. Согласно теории петлевой квантовой гравитации, частица такой радиации - фотон, движущийся по спиновой сети, - ежесекундно занимает некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет радиацию более высокой энергии перемещаться чуть быстрее. Разница незначительная, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет и может наблюдаться в околоземном пространстве.

 

Хотя силовое воздействие всемирного тяготения буквально пронизывает все без исключения нашу среду обитания, его кванты в виде частиц-гравитонов еще не наблюдал ни один исследователь. Убежденность в их существовании идет преимущественно от физиков-теоретиков, которые, опираясь на квантовую механику, утверждают, что все без исключения силовые поля должны состоять из элементарных энергетических порций - квантов. Проблемы наблюдения отдельных гравитонов обусловлены его чрезвычайно слабым взаимодействием с веществом, лежит за границей чувствительности современных детекторов, ведь она более чем на сорок (!) Порядков слабее электромагнитных сил. Даже по сравнению с самой неуловимой частицей - нейтрино, для поисков которой используют толщу Мирового океана и сверхглубокие шахты, взаимодействие Гравитон выдается в биллионы миллиардов раз слабее. Каким же образом сила всемирного тяготения, управляющей рождением Вселенной, определяет современный облик нашего мира и когда-нибудь через десятки миллиардов лет поставит последнюю точку в истории нашей реальности? Мощность грандиозного силового поля Вселенной основывается на бесчисленности его всепроникающих квантов, образуют всемирной океан гравитационной энергии, в потоках которой плывут тела во взаимодействии. Если воспользоваться умозрительной моделью, то гравитон будет подобен винтообразно закрученного вихря энергии, летящий со скоростью света и чем-то напоминает микроскопический торнадо. По сравнению со всеми известными элементарными частицами, гравитон, по прогнозам теоретиков, должен быть «найзакру-ченишою» частью, ведь ее спин вдвое больше, чем у фотона, и вчетверо превышает спин электрона и нейтрино.

 

Вот какими удивительными свойствами обладают кванты с детства привычного для нас поля земного тяготения. Что же говорить о квантовых образы других моделей гравитационных полей, иногда имеют несколько компонентов с различными спинами. Здесь примером могут служить гравифотоны и гравискаляры, ситуация с которыми отдаленно напоминает электромагнитное поле с его магнитным и электрическим компонентам. Теория говорит, что взаимодействовать с веществом они должны столь же слабо, как и гравитон, но, в отличие от него, это достаточно массивные частицы со своей массой. Они могут ускоряться и замедляться, а силы гравитации, они переносят, обрываются в пространстве более резко, чем гравитон. В этом плане новые гравичастинкы, предусмотренных теоретиками, похожие на мезоны, которые переносят ядерные силы. Только мезоны достаточно тяжелыми частицами, в триста раз массивнее от электрона, масса же гравичастинок пока еще известна лишь очень приблизительно. Скорее всего, они очень легкие, возможно, даже сотни триллионов раз легче электрона. Для сравнения: электрон столь же легче средней молекулы.

 

С квантовой теории следует, что радиус сил, которые переносятся настолько легкие частицы, как гравифотоны и гравискаляры, может составлять десятки километров. Внутри круга с таким радиусом новые силы будут давать небольшую прибавку к классическому закону всемирного тяготения, которую, однако, физики-экспериментаторы пока не смогли идентифицировать. Одновременно в космическом масштабе дополнительные гравитационные силы практически исчезают. Это наглядно демонстрируют детальные астрономические наблюдения движения планет и других небесных тел внутри Солнечной системы, а их движение прекрасно вычисляют на основе обычной ньютоновской теории без всяких дополнительных гравитационных компонентов. Здесь прослеживается четкая логическая связь, ведь если бы частицы поля тяготения были еще легче, то их радиус действия увеличился бы настолько, что они были бы неизбежно замечены земными наблюдателями. В то же время некоторые из квантов гравитации могут быть очень тяжелыми, превосходя в тысячи раз протоны и нейтроны. Тогда их влияние будет проявляться на ультрамалых расстояниях, еще не доступных современном эксперимента. В этом случае возникают интересные вопросы для специалистов-физиков. Каким образом подобная квантовая гравитация может воздействовать на процессы в макромире? Связана квантовая гравитация с таинственной «темной энергией» и на что могут быть похожи эти связи?

 

Как видим, здесь еще много неясного, и помочь этому готов лишь эксперимент, результаты которого могут оказаться очень неожиданными. На сегодня концепцию квантовой гравитации еще трудно соотнести с выводами других теорий, интенсивно развиваются: инфляционной Вселенной, багатосвитовои интерпретации, Мультиверсу и квантовой хронофизикы. Так, в последний на вселенскую сцену также выходят «атомы пространства и времени», однако их образ предстает не феноменологическим путем, а в результате анализа фундамента квантовой теории - структуры планковского кванта действия. В начале прошлого века, вскоре после создания основ квантовой механики, Планк ввел несколько физических величин, которые получили название «планковских»: длину, массу и время. Среди физиков-теоретиков до сих пор не утихают споры о том, что же скрыто за мнимым горизонтом сверхмалых планковских масштабов. Одни видят там кипящий вакуум виртуальных частиц, из пены которого возникают новые миры, тут же проваливаясь в пропасть других измерений, другие считают, что континуум пространства-времени заполнен там мембранами их суперструн, а третьи мысленным взором охватывают бесконечные соты ячеек свернутых измерений. Сам Планк, выводя свои параметры, руководствовался простым правилом размерностей, комбинируя известные тогда мировые константы, среди которых была и гравитационная постоянная, и это уже может быть одной из нитей, связывающих стандартную теорию с новейшими теориями.

 

В научных кругах часто можно услышать выражение, что выбор той или иной инновационной теории в физике является прежде всего делом вкуса ученого. Здесь можно в зависимости от степени своего оптимизма с нетерпением ждать потока «открытий века» или считать все это просто блестящей игрой ума теоретиков, ведь за прошедшее столетие множество гипотез не получила опытного подтверждения ...

 

Тем не менее, несмотря на скепсис в выборе конкретного пути исследования, сама по себе проблема новых гравитационных сил представляет собой одно из самых интересных и актуальных вопросов развития современной физики. Это подтверждает и популярная статья, опубликованная в журнале «Мир науки» одним из ведущих теоретиков квантовой гравитации Хуаном Малдасеною, отрывки из которой приведены ниже.