Сложность состоит в том, что классическая теория гравитации, в отличие от квантовых теорий, описывает не физические поля в пространстве-времени, а собственно пространство-время. В Общей теории относительности (ОТО) пространство-время выступает как динамическая переменная, в то время как большинство квантовых теорий представляет пространство как внешний фиксированный фон. Из-за этого физический смысл квантования пространства становится совершенно непонятным.
В 1960-х годах американские физики-теоретики Ричард Фейнман и Брайс Девитт решили проквантовать гравитацию используя уже известные приёмы, позволившие перенести электромагнетизм в квантовую электродинамику. В итоге при экстраполяции на высокие энергии теория выдавала бесконечное количество бесконечностей. Но так как гравитация относится к слабым взаимодействиям, то, в большинстве случаев, квантовая физика ею просто пренебрегает[5].
Основные направления на пути к построению квантовой гравитации – это теория струн и петлевая квантовая гравитация. В теории струн все элементарные частицы рождаются из вакуума при вибрации воображаемых струн, имеющих бесконечно малую толщину и протяжённостью порядка 10–35 метра.
Теория петлевой квантовой гравитации наделяет пространство и время дискретностью. Элементарные ячейки пространства определённым образом взаимосвязаны друг с другом, и это создаёт прерывистую структуру пространства. С увеличением масштабов она плавно переходит в привычное для нас непрерывное пространство-время.
Выполненный группой физиков из Франции, Италии и Испании анализ данных съёмки космического телескопа Integral не подтвердил существующую в современных теориях дискретность пространства (см. «Генетический Код Вселенной»).
Один из родоначальников петлевой квантовой теории гравитации Карло Ровелли в своей научно-популярной книге, посвящённой времени, утверждает, что мир состоит не из вещей, а из событий, для описания которых время не нужно. Физика, описывая события, в своих математических формулах может вообще обходиться без таких понятий, как время, утверждает Ровелли[6].
Такой вывод исходит из концепции, что законы физики не отражают внутренние изменения, происходящие в системе. Они описывают события, поэтому во всех уравнениях физики можно направлять время как в будущее, так и в прошлое. Такая особенность физических законов называется симметрией во времени (Т-симметрией). Математические уравнения, описывающие наш реальный мир, применимы как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее.
В 1967 году два американских физика, Джон Уилер из Принстона и Брайс Девитт из Университета Северной Каролины, разработали уравнение квантовой гравитации, в котором вообще отсутствует время. В соответствии с уравнением, четырёхмерный мир пространства-времени оказался в трёх измерениях. Время исчезло в теории квантовой гравитации, и четырёхмерная структура пространства-времени предстала в трёхмерной квантовой физике без времени[7].
Если классическая физика даже в мыслях не покушалась на универсальную переменную, изощрённый математический аппарат сумел избавиться от неудобного для учёных времени. Теоретическая физика, постоянно совершенствуя свой математический формализм, по своей сути, превратилась в математическую физику. Она всё больше и больше удаляется от реального и привычного для нас мира. Большинство выводов современных теорий «висят в воздухе» из-за невозможности их экспериментальной проверки даже в отдалённом будущем.
Но мы живём не в мире теоретической физики. И для нас время никуда не исчезло, а стрела времени не изменила своего движения из настоящего в будущее. Чтобы как-то сгладить противоречие между теоретической физикой и обыденной реальностью, учёные позаимствовали объяснение необратимости движения времени из классической физики.
Впервые в физику понятие времени ввела термодинамика. Но сделала она это в весьма своеобразной форме, сопоставив время с необратимым тепловым движением молекул. Как известно, тепло всегда и безвозвратно переходит от нагретых тел к более холодным. Такой процесс характеризуется возрастанием энтропии. Энтропия во многих случаях может объяснить стрелу времени. Она объясняет, почему осколки разбитого кувшина не собираются в целый кувшин или почему остывший чай самопроизвольно не нагревается. Но термодинамическая стрела времени не определяет для нас направление, которое мы воспринимаем как движение времени.
Рассматривая движение в квантовой механике, французский физик-теоретик Луи де Бройль выдвинул идею, согласно которой установленный для фотонов волновой характер распространения является универсальным. Согласно предположению де Бройля, волновые свойства частиц всегда проявляются при их движении (наличии ненулевого импульса).
Любой движущийся объект можно связать с волной λ, равной постоянной Планка (h=6,6·10–34 Дж·сек), делённой на импульс p. Если частица, обладающая массой покоя, движется со скоростью намного меньшей скорости света (с≈3·108 м/сек), то её импульс р=mv и дебройлевская длина волны:
Данное выражение квантовая физика рассматривает как математическое свидетельство корпускулярно-волнового дуализма частиц. В левой части формулы длина волны, в правой части – масса частицы.
Волны де Бройля, или волны вероятности, имеют специфическую природу и не имеют аналогов среди волн, которые изучает классическая физика. Волна вероятности определяет плотность вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Квадрат амплитуды волны показывает вероятность появления частицы в указанной точке.
В соответствии с квантовой теорией, для нерелятивистского электрона, медленно движущегося в сравнении со скоростью света и ускоренного разностью потенциалов в интервале от сотен до тысяч вольт, дебройлевская длина волны будет ≈10–10 метра, то есть одного порядка с размерами атомов и расстояниями между атомами и молекулами в твёрдых телах.
Для объекта величиной с пылинку массой m=10–6 грамма и скоростью v=1мм/с длина волны де Бройля составит порядка 10–21 метра. Полученная длина меньше наименьшего известного в физике размера – радиуса ядра атома – на 7 порядков (в 10 млн раз).
Когда волна вероятности сопоставима с размерами области, в которой движется данная частица, волновые свойства её проявляются в значительной мере. Для электрона это размеры атома и расстояния между атомами в твёрдых телах. Для рассматриваемой пылинки её волновые свойства становятся настолько незначительными, что ими просто пренебрегают. Поэтому классическая нерелятивистская механика или механика Ньютона входит в релятивистскую и квантовую механику как приближённый предельный случай.
Подобие дуализму, свойственному квантовым объектам, при желании можно усмотреть в фазовых превращениях любого физического вещества. В зависимости от характера проводимых действий, например, изменяя температуру, мы можем превратить вещество в жидкое или твёрдое состояние, а тела аморфного строения, при определённых температурных условиях могут одновременно пребывать в этих двух состояниях. Но если фазовые превращения вещества для нас привычное и полностью предсказуемое явление, то квантовый мир с его причудливым поведением для человеческого сознания представляется нереальным.
Отображение частицы одновременно и частицей, и волной невозможно сопоставить с реальным физическим объектом. Понимая это, датский физик-теоретик Нильс Бор, будучи директором института, приучал молодых учёных к мысли, что мир квантовой механики именно так устроен. С этим ничего не поделаешь и надо принимать квантовую механику такой, какая она есть.
