«З чого зроблено простір-час?», задається питанням фізик Арон Уолл зі Стенфордського інституту теоретичної фізики. Протягом останніх років фізики по-різному намагаються осмислити загадку простору-часу, розглядаючи його не просто як порожній фон, на якому розгортається історія Всесвіту, а скоріше як потік квантової інформації, яка перетікає з однієї точки в іншу. Уолл і його колеги все більше переконуються, що таке уявлення простору-часу може бути ключем до розробки теорії, яка зможе пояснити гравітацію з використанням принципів квантової механіки. Про це фізики мріють ще з часів Альберта Ейнштейна.
Петро Зенчиковський з Інституту ядерної фізики Польської академії наук задається таким питанням, що і Уолл. Є простір-час абсолютною, незмінною, вічно і завжди присутньою ареною, на якій розгортаються події? Або, можливо, це динамічне утворення, яке виникає на певному масштабі відстаней, часу або енергії? Згадка абсолюту не вітається в сучасній фізиці. Вважається, що простір-час емерджентна, тобто виникає звідкись. Незрозуміло тільки, звідки.
Що таке простір-час?
Більшість фізиків вважає, що структура простору-часу формується незрозумілим чином в межах масштабів Планка, тобто на масштабах, близьких до однієї трильйонної від трильйонної частки метра. Однак є деякі переконання, які ставлять під сумнів однозначність такого тлумачення. Існує чимало аргументів на користь того факту, що виникнення простору-часу може відбуватися в результаті процесів, які набагато ближче до нашої реальності: на рівні кварків та їх конгломератів.
Більшість фізиків схильні припускати, що простір-час створюється на планківських масштабах, на відстанях, близьких до однієї трильйонної трильйонної частки метра (~10-35 м). У своїй статті в Foundations of Science Зенчиковський систематизує спостереження різних авторів щодо формування простору-часу і стверджує, що гіпотеза про його формування в масштабах кварків і адронів (або кваркових агрегатів) цілком розумна по ряду причин.
Питання про природу простору і часу спантеличували людства з давніх часів. Може бути окремим від матерії, що створює «контейнер» для рухів і подій, які відбуваються за участю часток, як це вважав Демокріт в 5 столітті до н. е.? Або, може бути, все це атрибути матерії і не можуть без неї існувати, як припустив Арістотель сторіччям пізніше?
Незважаючи на те, що минула вже тисяча років з того часу, ці питання досі не вирішені. Навіть більше, обидва підходи — незважаючи на їх очевидну відмінність — глибоко вкоренилися в стовпах сучасної фізики. У квантовій механіці події відбуваються на жорсткій арені з рівномірно поточним часом.
Між тим, в загальній теорії відносності речовина деформує пружний простір-час (розтягує і скручує його), а простір-час повідомляє частинкам, як рухатися. Іншими словами, в одній з теорій актори виходять на вже підготовлену сцену, щоб грати свої ролі, а в іншій вони створюють сцену під час вистави, що, в свою чергу, впливає і на їхню поведінку.
У 1899 році німецький фізик Макс Планк зауважив, що при певних комбінаціях деяких констант в природі можна отримати найбільш фундаментальні одиниці вимірювання. Всього три постійних — швидкість світла c, гравітаційна стала G і постійна Планка h — і ми отримуємо одиниці відстані, часу та маси, рівні (відповідно) 1,62 х 10-35 м, 5,39 х 10-44 с і 2,18 х 10-5 р. Виходячи із сучасних переконань, простір-час має народжуватися на планковій довжині. Але немає жодних суттєвих аргументів на користь раціональності цієї гіпотези.
Як наші найскладніші експерименти, так і теоретичні описи досягають масштабу кварків на рівні 10-18 м. Звідки ж нам знати, що на шляху до планкової довжини — протягом дванадцяти послідовних і ще менших порядків величини — простір-час знаходить свою структуру? Ми навіть не знаємо, чи раціонально поняття простору-часу на рівні адронів! Поділ не може відбуватися нескінченно, тому що на певному етапі питання наступної меншої частини просто перестає мати сенс. Прекрасним прикладом буде температура. Ця концепція прекрасно служить на макромасштабах, але при послідовних діленнях матерії ми досягаємо масштабу окремих частинок і поняття температури втрачає сенс.
Оскільки ми хочемо описати фізичний світ, ми повинні спиратися на фізичні, а не на математичні аргументи. І тому, коли ми використовуємо рівняння Ейнштейна, то описує Всесвіт у великих масштабах і виникає необхідність вводити додаткову гравітаційну постійну, відому як космологічна постійна «лямбда». Якщо, при побудові фундаментальних одиниць, розширити наш початковий набір трьох постійних лямбди, у випадку з масою ми отримаємо не одне, а три фундаментальних значень: 1,39 х 10-65 р, 2,14 x 1056 р і 0,35 х 10-24 р. Перше можна інтерпретувати як квант маси, другу — рівень маси спостерігається Всесвіту, а третя нагадує масу адронів (наприклад, маса нейтрона дорівнює 1,67 х 10-24. Точно так само, беручи до уваги лямбду, з’явиться одиниця виміру 6,37 х 10-15 м, дуже близька до розміру адронів.
«Ігри з постійними можуть бути ризикованими, тому що багато залежить від того, які константи ми вибираємо. Наприклад, якщо б простір-час дійсно було продуктом кварків і адронів, то його властивості, включаючи швидкість світла, також повинні бути емерджентними. А це означало б, що швидкість світла не може бути серед основних констант», зазначає Зенчиковський.
Іншим фактором на користь утворення простору-часу в масштабі кварків і адронів є властивості самих елементарних частинок. Стандартна модель, наприклад, не пояснює, чому існує три покоління частинок, звідки беруться їх маси або чому існують так звані внутрішні квантові числа, які включають ізоспін, гіперзаряд і колір. У картині, представленої професором Зенчиковським, ці значення можуть бути пов’язані з певним шестимірним простором, створеним положенням частинок і їх імпульсами. Побудований таким чином простір однаково поважає положення частинок (матерія) і їх руху (процеси). З’ясовується, що властивості мас або внутрішні квантові числа можуть бути наслідком алгебраїчних властивостей шестимірного простору. Більш того, ці властивості також пояснюють неможливість спостерігати вільні кварки.
«Виникнення простору-часу може бути пов’язане зі змінами в організації матерії, яка відбувається у масштабі кварків і адронів, в більш первинному шестимірному фазовому просторі. Однак не зовсім зрозуміло, що далі робити з цією картиною. Кожен наступний крок потребує виходу за межі того, що ми знаємо. І ми навіть не знаємо правил гри, за якими Природа грає з нами, нам все одно доводиться їх вгадувати. Однак представляється розумним, що всі конструкції починаються з матерії, тому що вона є фізично та експериментально доступною. У цьому підході простір-час буде лише нашою ідеалізацією відносин між елементами матерії», – підсумовує професор Зенчиковський.