Самая радикальная теория в современной физике

Вся привычная нам реальность — материя, из которой мы состоим, пространство, в котором движемся, и время, которое отмеряет наши жизни, — может оказаться лишь удобной иллюзией. Что, если фундаментальные строительные блоки Вселенной — это не крошечные шарики материи, а нечто совершенно иное? Допустим — абстрактная математическая информация?

Это довольно радикальная идея, но она постепенно набирает силу в теоретической физике. Она утверждает: частиц нет, пространства и времени тоже нет. Все, что есть, — это квантовые поля, описываемые не простыми значениями, а таблицами чисел. Эти таблицы, или «q-числа», и есть подлинная ткань бытия. Как такой взгляд меняет все и какие три опоры классической картины мира он разрушает.

Первая опора: проблема наблюдателя

Квантовая механика с самого своего рождения была одержима фигурой наблюдателя. Классическая интерпретация гласит, что до измерения частица находится в суперпозиции — размытом облаке вероятностей. Например, электрон одновременно находится в нескольких местах. Но стоит нам провести измерение, как это облако мгновенно коллапсирует в одну конкретную точку.

Этот процесс породил столетние споры. Что такое наблюдение? Требуется ли для него человеческое сознание? Что, если один физик наблюдает за частицей, а другой наблюдает за первым физиком, как в знаменитом парадоксе «друга Вигнера»? Чье наблюдение является окончательным?

Новый подход предлагает отбросить понятие наблюдателя вовсе. Вместо этого следует говорить о квантовой запутанности.

Запутанность — это фундаментальная связь между двумя квантовыми системами. Когда они запутываются, их свойства становятся взаимозависимыми, независимо от расстояния. Измерив одну систему, вы мгновенно узнаете состояние другой. Так вот, то, что мы называли наблюдением, — это всего лишь частный случай запутывания. Измерительный прибор (или глаз физика) — это просто еще одна квантовая система. В момент измерения она запутывается с частицей. Никакого коллапса, вызванного сознанием, не происходит. Происходит распространение квантовой связи.

Этот взгляд убирает человека с пьедестала творца реальности и возвращает физику в область объективных процессов. Наблюдателей нет — есть только взаимодействия.

Вторая опора: иллюзия частиц

Если наблюдатель — это лишь точка запутывания, то что же такое частица, за которой он наблюдает? Привычный образ электрона как крошечного шарика, летящего сквозь пространство, — наследие классической физики. Квантовая теория полей предлагает совершенно иную картину.

Фундаментальной сущностью является не частица, а поле — невидимая субстанция, пронизывающая все пространство. Частицы — это лишь локальные возбуждения, или кванты, этого поля. Чтобы понять суть новой идеи, нужно разобраться, как физика описывает эти поля.

В классическом мире все просто: в каждой точке пространства поле имеет одно конкретное значение. Например, напряженность магнитного поля в условной точке — 5 единиц. Это обычное, или c-число (классическое число). Оно определенное и однозначное. Но квантовая реальность сложнее. В ней любая характеристика поля — это не одно число, а целый спектр потенциальных значений, то есть облако вероятностей.

Чтобы описать такое облако математически, одного числа уже недостаточно. Нужна более сложная структура — по сути, целая таблица, которая содержит все возможные исходы и связи между ними. Вот эту информационную структуру, или таблицу возможностей, физики и называют квантовым числом, или q-числом.

Новый подход утверждает, что реальны именно эти q-числа — абстрактные математические объекты. А частица — это просто удобный ярлык, который мы используем для описания определенного набора q-чисел.

Доказательства этого скрыты в странностях самой квантовой теории. Например, при квантовании электромагнитного поля появляются так называемые призрачные фотоны. Теория требует их существования для математической состоятельности, но их невозможно обнаружить напрямую. Они — ненаблюдаемые возбуждения поля. Если реальны только частицы, то как быть с этими? Однако, если реальны q-числа, то проблемы нет. Это просто еще один набор q-чисел в уравнениях, и можно предсказать, что они, хоть и невидимы, должны запутываться с обычными электронами. Экспериментальная проверка этого предсказания могла бы помочь пересмотреть идею частиц как фундаментальных объектов.

Более того, оказывается, что одна-единственная частица в суперпозиции может быть запутана сама с собой. Ее состояния в разных точках пространства ведут себя как две запутанные частицы. Это звучит как бред, если мыслить о частице как о едином шарике. Но это совершенно логично, если считать, что реальны два набора q-чисел, описывающих ее возможное местоположение, и эти наборы чисел связаны между собой.

Третья опора: пустота пространства и времени

Самый радикальный шаг — это отказ от пространства и времени как от фундаментальных сущностей. Со времен Эйнштейна мы привыкли думать о пространстве-времени как о гибкой ткани, которую искривляет масса, создавая гравитацию.

Согласно новому взгляду, гравитация — это такое же квантовое поле, как и все остальные. И искривляет оно не некое абстрактное полотно под названием пространство-время, а другие квантовые поля — электромагнитное, электронное и так далее. Все, что мы воспринимаем как материю, — часы, линейки, наши тела — связано электромагнитными силами. Гравитационное поле напрямую взаимодействует с электромагнитным полем, заставляя его изгибаться.

Мы воспринимаем этот изгиб как искривление пространства и замедление времени. Но на самом деле это лишь следствие деформации полей, из которых состоит вся материя. Пространство и время — просто удобная система координат, которую мы используем для упорядочивания взаимодействий между полями. Их не существует как физических объектов.

Что остается? Только информация

Если отбросить наблюдателей, частицы, пространство и время, что останется? Только информация. Вселенная в этой картине предстает как гигантская, бесконечно сложная информационная система. Все физические константы, которые мы считали незыблемыми, — скорость света, заряд электрона — в этой модели тоже могут оказаться не простыми числами, а сложными q-числами, то есть проявлениями еще неизвестных нам квантовых полей.

Хотя на многие вопросы эта теория всё равно не даёт ответ. Замена наблюдения на запутанность хоть и обходит проблему сознания, но пока не отвечает на главный вопрос: почему из всех возможностей реализуется лишь одна? А идея о бесконечной вложенности q-чисел, хотя и смелая, рискует заменить поиск фундаментального кирпичика мироздания на уход в бесконечность.

Источник The Royal Society