Зерно раздора
Квантовая физика в глубокой задумчивости: исследования не обнаружили «зернистости» пространства. Это ставит крест на ряде современных физических теорий.
В июле группа европейских ученых под руководством доктора Филиппа Лорана сообщила, что самые тщательные попытки обнаружить квантование пространства (то есть найти мельчайшие «ячейки», на которые оно, согласно теории, должно делиться) завершились полным фиаско. Открытие квантования помогло бы «сшить» два основных физических столпа — общую теорию относительности (ОТО) и квантовую теорию.
Две величайшие физические теории ХХ века существуют рядом, как бы не замечая, что друг с другом не вполне стыкуются. ОТО описывает космические объекты, исходя из постулата, что пространство — некая непрерывная гладкая среда. Напротив, вся квантовая теория основана на предположении о зернистом характере пространства. Конечно, в своей научной практике астрономам, изучающим звезды и галактики, не приходится иметь дело с квантовыми эффектами, точно так же физики-ядерщики почти не встречаются с явлениями, описываемыми ОТО. Поэтому в повседневной работе физиков-практиков это противоречие не слишком заметно. Тем не менее серьезный теоретический дискомфорт, имеющий место из-за разделения современной физики на два лагеря, наблюдается. Есть и другой парадокс: квантовая теория работает хорошо, выдает многие точные результаты. Да вот незадача: квантовая природа самого пространства до сих пор не обнаружена.
На протяжении всего прошлого века продолжались попытки создать объединенную общую теорию. Ее не смог осилить Эйнштейн, на ней сломали зубы десятки не менее талантливых ученых. Чтобы как-то уложить наблюдаемые физиками эффекты в строгие постулаты и формулы, были придуманы гипотезы разной степени экзотичности. Как, например, теория струн. Это направление математической физики, изучающее динамику и взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяженных объектов. В ее основе — гипотеза, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн. Предполагается также, что наше четырехмерное пространство-время является частным случаем общего многомерного пространства. Другая гипотеза утверждает, что «кирпичиками» нашего мира являются не струны, а квантовые петли. Так или иначе, во всех этих теориях главной неопределенной величиной являлись характеристики размеров, будь то зерна, струны или петли.
Ученые считали, что минимально возможный поперечник зерна пространства или минимальная длина в природе — 1,6•10—35 м (так называемая планковская длина). Для сравнения: диаметр электрона — 2,8•10—12 м, кварка — 10—18 м. Как видим, между гипотетическим «зерном пространства» и электроном такая же пропасть в размерах, как между электроном и земным шаром. Сколько загадочных субъядерных, субкварковых явлений может скрываться в этакой бездне! Тем не менее для хотя бы косвенного подтверждения всех этих теорий требовалось доказать, что «зерна пространства» действительно существуют, и приблизительно прикинуть их размеры.
Похороны теории струн
Как же соединить в одном наблюдении космические расстояния и квантовые явления? Теория предсказывала: пространство, если оно зернистое, должно поляризовать проходящее сквозь него гамма-излучение. Согласно расчетам, крошечные зерна оказывают влияние на лучи света в пространстве, заставляя их вращаться в плоскости, перпендикулярной направлению движения, и менять направление. При высоких энергиях лучи должны скручиваться сильнее, чем при более низких, и это различие в поляризации может быть использовано для оценки размеров квантового зерна. Но чтобы эффект был наблюдаемым, мощность излучения и пройденное им расстояние должны быть воистину астрономических масштабов. Возможным источником гамма-лучей, считают ученые, могут послужить очень мощные гамма-вспышки, происходящие, когда массивная звезда коллапсирует в нейтронную или сверхновую. Длятся они от нескольких секунд до минут, но на это короткое время «освещают» целые галактики. Степень влияния зернистости пространства на поляризацию излучения зависит от его энергии, поэтому если пространство действительно «квантуется», то гамма-лучи должны приходить с разной поляризацией, в зависимости от энергии конкретных частиц.
Для своих вычислений группа физиков из Франции, Италии и Испании воспользовалась результатами измерений европейского космического телескопа Integral, его съемкой гамма-вспышки GRB 041219A, произошедшей 19 декабря 2004 года. Расстояние до источника составило, по меньшей мере, 300 млн световых лет. Это был очень удачный случай, позволивший проверить существующие представления. Вспышка была настолько мощной, что Международная обсерватория гамма-лучей смогла записать ее в подробностях. После обработки данных ученые пришли к выводу: никакого изменения поляризации гамма-лучей при этой вспышке не наблюдалось. А ведь данные измерения были в тысячи раз точнее, чем все предыдущие. Это не означает, что пространство гладкое и не состоит из элементарных «ячеек», но они, во всяком случае, должны быть меньше, чем 10—48 м. Это, по крайней мере, на 13 порядков (!) меньше, чем предполагалось до сих пор.
Руководитель группы доктор Филипп Лоран высказывается осторожно: «Мы получили очень важный результат для фундаментальной науки. Данная экспериментальная оценка похоронила некоторые разновидности теории струн и петлевой теории гравитации».
Общая теория относительности и квантовая теория снова не нашли общих точек…
Справка «УТГ»
Квантовая теория — «зонтичный» термин, подразумевающий весь комплекс теорий квантовой физики.
