Содержание
Невидимый дирижёр Вселенной. О тёмной энергии рассказывает академик В.Рубаков
Природа темной энергии — возможно главная загадка физики XXI века. Именно темная энергия будет определять дальнейшую судьбу Вселенной. Один из ведущих мировых специалистов в области физики элементарных частиц и космологии, академик РАН Валерий РУБАКОВ рассказал о Вселенной на ранних стадиях, трех сценариях ее будущего и о том, что известно о темной энергии сегодня.
Справка. Валерий Анатольевич Рубаков — академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник отдела теоретической физики Института ядерных исследований РАН, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.
– Валерий Анатольевич, для начала напомните, пожалуйста, что такое темная энергия – дайте определение?
– Давать какие-то определения здесь сложно. Мы знаем на самом деле очень мало про эту субстанцию, которую принято называть темной энергией.
Реально мы знаем только то, что растяжение, расширение Вселенной в настоящее время (на протяжении последних нескольких миллиардов лет) происходит с ускорением. Это факт необыкновенный, потому что в рамках общей теории относительности, если Вселенную заполняет обычное вещество, то она должна расширяться с замедлением. А экспериментальный факт, наблюдательный факт, за открытие которого, кстати, в свое время была присуждена Нобелевская премия, говорит об обратном – наша Вселенная расширяется с ускорением, что, казалось бы, противоречит общей теории относительности. И как раз для того, чтобы как-то объяснить это ускоренное расширение, ввели понятие темной энергии: некой необыкновенной субстанции, которая отвечает за это расширение. Вот что мы сегодня понимаем под термином «темная энергия». А что это такое – вопрос отдельный, который пока совершенно непонятен.
– Есть разные предположения о том, что такое темная энергия. Две популярные гипотезы: темная энергия – это энергия вакуума и темная энергия – это новое фундаментальное поле наравне с электромагнитным или гравитационным полем. А вам какая версия ближе?
– Такое понятие как энергия вакуума, по существу, в свое время ввел еще Эйнштейн: этот параметр он назвал космологической постоянной. Это число. С точки зрения Эйнштейна, оно характеризует теорию гравитации, но на него же можно смотреть и как на энергию вакуума. Это разные стороны одного и того же явления. Одно-единственное, очень странное число – некая фундаментальная мировая константа, еще одна в дополнение к небольшому числу фундаментальных констант, существующих в мире.
Связь темной энергии с вакуумом вполне возможна, и все экспериментальные данные, которые на сегодня существуют, не противоречат такому представлению. С другой стороны, вполне возможно и то, что это некое новое дополнительное поле, очень слабо взаимодействующее с известными нам частицами. А откуда оно взялось, какова его природа – пока непонятно. Значит, приходится это поле как бы “руками” вводить в теорию. Но такое тоже не исключено.
Вакуум — это состояние (всей системы частиц и полей в природе) с наименьшей энергией. Такое состояние не является мертвым, отсутствием чего бы то ни было. Согласно квантовой теории поля, там всегда существуют так называемые нулевые вакуумные флуктуации.
Я не могу сказать, что придерживаюсь какой-то конкретной точки зрения. Стараюсь держать глаза открытыми для всего нового. На мой взгляд, вопрос должен решаться на основании новых, более точных экспериментов, более точных наблюдений, связанных с расширением нашей Вселенной в прошлом.
В июне 2020 года Валерию Рубакову была присуждена одна из самых престижных научных наград в мире – Гамбургская премия по теоретической физике. Фото: Янина Хужина
– Если говорить о прошлом, то мы знаем, что раньше темная энергия в процентном соотношении сильно отставала от нормальной материи. Сейчас Вселенная примерно на 70% состоит из темной энергии, а, скажем, 8 миллиардов лет назад, это было всего 13%. Получается, нормальная материя со временем убывает, а темная энергия начинает превалировать. К чему это может привести в будущем?
– Для того, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной, приходится считать, что плотность темной энергии или совсем не зависит от времени, или меняется очень медленно. А наше вещество, обычное вещество, которое заполняет Вселенную, уменьшает свою плотность по мере расширения Вселенной – из-за того, что объем пространства увеличивается. Для обычного вещества плотность массы и плотность энергии – это одно и то же. Такие же свойства имеет темная материя – еще одна компонента, существующая во Вселенной и состоящая из массивных частиц, про которые мы пока мало что можем сказать определенного.
Из-за этого в сегодняшней ситуации темная энергия доминирует. Да, в прошлом плотность обычного вещества и темной материи была гораздо большей, чем сегодня, а плотность темной энергии была примерно такой же, как сегодня. Поэтому в прошлом, действительно, основной вклад в плотность энергии давали темная материя и обычное вещество. А если пойти на более ранние стадии эволюции Вселенной, то там вклад давало релятивистское вещество: фотоны и нейтрино. Фотоны сейчас – малоэнергичные: их температура составляет всего 2,7 градуса Кельвина. Но когда-то они были более энергичными и давали больший вклад в плотность энергии, чем вещество.
Вот такая картина была, что сначала доминировали фотоны (и другие релятивистские частицы), затем стали доминировать наши, нерелятивистские частицы (ядра и частицы темной материи), а потом обнаружилась та самая темная энергия, и в будущем она будет еще сильнее доминировать над обычным веществом и темной материей.
ТРИ СЦЕНАРИЯ БУДУЩЕГО ВСЕЛЕННОЙ
Будущее Вселенной, в значительной степени, зависит от того, как темная энергия ведет себя со временем. Если она не зависит от времени совсем, то наша Вселенная будет вечно расширяться с ускорением. Таким образом, далекие галактики будут еще сильнее отдаляться от нас, Вселенная будет становиться всё более разреженной, пустой. Немного грустная картина.
Баланс энергий в современной Вселенной. Из презентации В. А.Рубакова
Но есть и другой сценарий. Если плотность темной энергии всё же убывает со временем, то ситуация кардинально меняется. Так, если темная энергия будет убывать и в конце концов дойдет до нуля и станет чуть-чуть отрицательной, то Вселенная в своем расширении остановится и начнет сжиматься. В итоге она сожмется опять в очень горячее плотное состояние с огромной плотностью материи и огромной плотностью радиации: то, что было у нас во Вселенной в далеком-далеком прошлом.
Есть и третий сценарий. Он экзотический, но тоже возможен. Если плотность темной энергии растет со временем, то тогда Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее, и если эта плотность энергии в конце концов станет огромной, бесконечной, тогда и темп расширения станет огромным, и Вселенную ожидает совершенно неожиданная судьба под названием «большой разрыв». Планеты улетят от своих звезд, а при более быстром расширении – развалится вещество и на звездах, и на планетах, ведь гравитационных сил не будет хватать, чтобы его удержать. Потом и электроны улетят от ядер атомов – словом, всё развалится на мелкие кусочки.
Резюмируя. Пока мы не можем точно сказать, как именно темная энергия ведет себя во времени и какой сценарий будущего наиболее вероятен. Но есть надежда, что когда-нибудь, с помощью более совершенных методов наблюдения, мы это узнаем.
Валерий Рубаков создал теорию катализа распада протона магнитными монополям – эффект Каллана-Рубакова, в которой протон не является стабильной частицей. Фото: Николай Малахин
ПАРАДОКС МАЛЕНЬКОГО ЧИСЛА
– Может ли быть так, что в каких-то отдаленных частях Вселенной, за пределами нашей видимости, плотность темной энергии имеет совсем другое значение и другое процентное соотношение в сравнении с материей?
– Да, такую возможность рассматривают, и вполне серьезно. Это связано с тем, что плотность темной энергии безумно маленькая. По всем меркам физики микромира она принимает невероятно маленькое, но не нулевое, значение. Если точнее, плотность темной энергии – количество энергии в единице объема – такая, какая была бы в «среде», где есть 4 атома водорода в кубометре. Всего 4 энергии покоя протона на кубометр! Настолько мизерная величина, что это вызывает чрезвычайное удивление.
Если б мы, теоретики, этого не знали, а сидели бы “в башне из слоновой кости” и придумывали, чему равна плотность этой самой темной энергии, то мы бы всё рассчитали, как смогли, и получили число на много-много порядков больше, чем есть на самом деле. Это поразительное расхождение теории с экспериментом, которого по идее быть не должно. Когда у вас есть такие чрезвычайно маленькие числа, причем фундаментальные, то это как-то очень странно – хотелось бы их объяснить, но не получается.
И вот тут на помощь и приходит идея о том, что это число – значение плотности темной энергии – может быть разным в разных областях гигантской Вселенной. Возможно, темная энергия может принимать и отрицательное значение. И там, где плотность темной энергии большая (отрицательная большая, положительная большая), наше существование невозможно в принципе. Ведь если есть темная энергия большая и положительная, процесс ускоренного расширения происходит очень быстро и не могут сформироваться ни галактики, ни звезды, ни другие структуры – вообще ничего. Если же плотность темной энергии большая и отрицательная, то вместо ускоренного расширения происходит ускоренное сжатие и опять не хватает времени на то, чтобы сформировать галактики, звезды, планеты. А жизнь, мы с вами, возможна только в той области Вселенной, где звезды и планеты образоваться смогли: в области с маленьким значением плотности темной энергии. Там мы и оказались.
ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И ВРЕМЯ
– А есть какие-то предположения о том, появилась ли темная энергия вместе с Большим взрывом или существовала ранее, еще на инфляционной стадии?
– Знаете, это сложный вопрос. Зависит опять-таки от ее природы. Если это какое-то новое поле, то, может быть, оно образовалось, в каком-то смысле, на ранних стадиях эволюции Вселенной – на инфляционной стадии или позже – а затем пришло в то состояние, в котором сейчас находится, и породило темную энергию. Но это необязательно так, ведь если темная энергия – это космологическая постоянная, то она была всегда. То есть темная энергия – это, возможно, еще одна мировая константа.
Схема расширения Вселенной. © NASA.
– А сами законы физики эволюционируют со временем или они, как и мировые константы, всегда остаются неизменными?
– Это тоже вопрос открытый. Пока нет указаний на то, что законы физики меняются со временем. Хотя физики, конечно, народ любопытный и пытаются искать изменения физических законов во времени. Их интересует, например, возможно ли изменение мировых констант, таких как заряд электрона или гравитационная постоянная. Результат подобных поисков пока отрицательный. Более того, мы довольно уверенно можем говорить, что гравитационные взаимодействия сейчас и всего через одну секунду после Большого взрыва, то бишь почти 14 млрд лет назад, были устроены одинаково. И гравитационные, и ядерные силы, и электромагнитные взаимодействия были устроены так же, как сегодня.
– Может, мало времени прошло? Всего-то 14 миллиардов лет…
– Да, не исключено, что со временем физические законы могут как-то поплыть, но пока никаких указаний на то нет. Хотя время от времени появляются сообщения о том, что якобы обнаружено изменение, скажем, заряда электрона. Но до сих пор такие данные оказывались недостоверными.
НАЗАД В РАННЮЮ ВСЕЛЕННУЮ
– В физике много загадок, какие из них в последнее время вас интересуют больше всего? Например, в одном из интервью вы говорили, что вам не дает покоя вот эта разница значений темной энергии в теории и в реальности.
– Да, некоторое время назад я этот вопрос пытался решить, но не могу сказать, что я или кто-то другой уже приблизился к решению этой загадки. Новых идей на эту тему у меня, да и не только у меня, нет пока.
Сейчас мне особенно интересен вопрос о Вселенной до горячей стадии. То, что космическая плазма была когда-то чрезвычайно плотной и горячей, а Вселенная расширялась очень быстро, мы знаем наверняка. Но сейчас ясно, что эта стадия не была первой. Наиболее популярная гипотеза – это стадия инфляции (очень быстрого расширения, раздувания с гигантской плотностью энергии и темпом расширения), которая предшествовала Большому взрыву. Вопрос в том, единственная ли это возможность или могли реализовываться и другие сценарии? Именно это меня сегодня больше всего интересует, и над такими альтернативами инфляционной модели я сейчас работаю. Это, оказывается, очень непросто.
Например, такой сценарий. Можно представить, что Вселенная изначально вообще была пустая, плоская и статическая. Расширения никакого не было, а плотность энергии была практически нулевой. Потом потихоньку плотность энергии начала нарастать, и вот, что-то вроде темной энергии, только с растущей плотностью, в этой Вселенной начинает возникать. Из-за того что там появляется плотность энергии, начинает происходить процесс расширения Вселенной. Это всё накапливается: нарастает плотность энергии, увеличивается темп расширения – и это происходит очень долго. Но в какой-то момент плотность энергии становится огромной, как и темп расширения. Тут-то и происходит переход на горячую стадию – разогрев Вселенной. Это картина, противоположная гипотезе об инфляции. Такой сценарий, конечно, требует нетривиальных усилий, но эта возможность, как мне кажется, очень интересна. И нам с коллегами удалось убедиться, как мы думаем, что такая возможность непротиворечива с точки зрения теории.
Валерий Анатольевич Рубаков родился 16 февраля 1955 года, окончил физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова (1978 г.). Фото: «ТВЦентр»
ИНФЛЯЦИЯ СТИРАЕТ ПАМЯТЬ О ПРОШЛОМ ВСЕЛЕННОЙ
– Столь популярная гипотеза инфляции, предшествовавшей Большому взрыву, подразумевает некие флуктуации вакуума, которые потом раздулись до гигантских размеров, и последовал Большой взрыв? (прим.: флуктуации — колебания, случайные отклонения от среднего).
– Не совсем. Предполагается, что была стадия очень быстрого экспоненциального расширения, раздувания, когда за очень короткое время микроскопический объем во Вселенной растянулся до размера, гораздо большего, чем видимая область Вселенной. Чтобы создать такую быструю стадию расширения, нужны специальные условия: материя, похожая на нынешнюю темную энергию, но с намного большей плотностью. И вот, энергия, которая заставляет Вселенную раздуваться с гигантским ускорением, должна в какой-то момент перейти в тепло. В результате на горячей стадии впоследствии образовались знакомые нам частицы. Получается такая картина эволюции Вселенной: сначала очень быстрое раздувание, а потом переход на горячую стадию и сравнительно медленное остывание.
– Допустим, инфляционная модель верна, тогда дальше нам нужно опять думать, а что было еще раньше, до инфляции? И так до бесконечности… Или это некое постоянное состояние, до которого ничего быть и не могло?
– Да, с одной стороны, нужно думать о том, что же было до инфляции. А с другой стороны, что бы вы ни придумали – сейчас проверить невозможно.
Во время инфляционной стадии Вселенная растягивается так сильно, что всё, что было до того – до этой инфляционной стадии – что бы там ни было, всё забывается. Инфляция как бы замывает память о том, что было до нее. Но думать о предшествующих стадиях вообще стоит, да.
Может быть, это сейчас нам кажется, что проверить невозможно; но придет время, и мы сможем разобраться и в этом вопросе.
Беседовала Янина Хужина. Фотограф: Николай Малахин/»Научная Россия». Некоторые фотографии были предоставлены В.А.Рубаковым
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:
-
А.Н. Петров «Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор» Изд-во Век 2, 2013 г. (в особенности гл. 9)
-
Б.Е. Штерн «Прорыв за край мира», Изд-во Троицкий вариант, 2014. (в особенности гл. 13)
-
Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков. Введение в теорию ранней Вселенной: Теория горячего Большого взрыва. Изд. 2-е – М.: ЛЕНАНД, 2016 г.
-
Д.С. Горбунов, В.А. Рубаков. Введение в теорию ранней Вселенной: Космологические возмущения. Инфляционная теория. – М.: КРАСАНД, 2010 г.
-
Презентация В.А.Рубакова “Загадки Вселенной”
Поговорим о Вселенной — ЗНАНИЕ-СИЛА
Наш собеседник Валерий Анатольевич Рубаков — физик-теоретик, специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, профессор, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.
— Валерий Анатольевич, вы занимаетесь космологией. Эта наука изучает свойства Вселенной, самого крупного объекта, который мы можем наблюдать. Есть физики, которые изучают квантовую механику, физику элементарных частиц — то есть микромир, и которые космологией не занимаются.
— Есть, конечно.
— Однако, современный космолог не может не разбираться в квантовой механике, физике элементарных частиц.
— Это зависит от того, что понимать под словом «космология». На самом деле есть довольно большие области космологии, которые не требуют знаний и методов физики элементарных частиц. Это наблюдательная космология, изучающая то, что вокруг: существование и образование космических структур, галактик, скоплений галактик. Это, в общем, классические процессы, не требующие знания квантовой механики.
— Структуры галактик изучают и астрофизики, и астрономы.
— Да, это ближе к астрофизике. Хотя изучение распределения галактик во Вселенной относится к космологии: распределение, количество, рост галактик и скоплений галактик, как они возникали, как в целом вся эта картина структуры Вселенной появлялась.
— Но ведь свойства скоплений галактик зависят от свойств материи, которая, в свою очередь, определяется свойствами элементарных частиц.
— Это правильно, однако фактически всё, что вам нужно знать — это свойства частиц темной материи: тяжелые они, легкие, как они взаимодействуют между собой, если взаимодействуют. И надо быть уверенным, что гравитационные взаимодействия у них такие же, как у обычных частиц. Ну, и всё. Больше особенно ничего и не надо. Конечно, они описываются квантовой физикой, но в большинстве случаев это не очень существенно. Поэтому эти вопросы не требуют квантовой физики. А вот процессы, связанные, скажем, с тем, как изначально образовались неоднородности на самых ранних этапах существования Вселенной, — это уже квантовые процессы. И их изучение требует привлечения аппарата квантовой физики.
— Процесс расширения Вселенной как-то связан со свойствами микромира или нет?
— Что нужно знать для того, чтобы описать расширение Вселенной? Нужно знать свойства темной материи, нужно предположить, что существует темная энергия — может быть космологическая постоянная или что-то очень похожее на космологическую постоянную. И после этого расширение Вселенной на нынешнем этапе и на довольно ранних этапах уже может быть описано опять-таки в рамках более или менее классической физики. Не квантово-механической, не квантовой, а классической физики.
— Сейчас космологам известно, что происходило в первые доли секунды существования Вселенной. Картина довольно хорошо подтверждается наблюдательными данными.
— Это так.
— Они знают, что происходило и после первой секунды. Практически всю историю существования Вселенной! Наверное, без знания свойств микромира это было бы невозможно?
— Конечно. Есть вещи, которые требуют знания свойств микромира. Например, откуда мы знаем про то, как была устроена Вселенная через одну секунду после Большого взрыва, или чуть позже? Мы знаем это из первичного нуклеосинтеза. Это процессы образования легких ядер из протонов и нейтронов. Тогда образовывался дейтерий, потом он перерабатывался в тритий, в конце концов, образовывались легкие ядра вплоть до лития седьмого[i]. В основном альфа-частицы[ii] — ядра гелия-четыре. И по тому количеству, в котором они образовались, мы можем судить о самом процессе, о темпе расширения Вселенной, о ее содержании. Конечно, описание этих процессов требует привлечения ядерной физики, физики элементарных частиц. Надо хорошо знать, как происходит образование ядер, термоядерный синтез, для того, чтобы можно было это посчитать. Мы надеемся выяснить, как образовалась темная материя и что за частицы ее составляют. Это, конечно, тоже вопрос к физике микромира. Пока что мы не знаем, из каких частиц она состоит. Их пока прямо не обнаружили. Знаем только их воздействие на расширение Вселенной, на образование структуры Вселенной. Как они образовались, как они из очень ранней Вселенной «дошли» до нашего времени — это тоже вопрос к физике микромира о том, как происходили взаимодействия этих частиц в ранней Вселенной, в невероятно горячей космической среде. Так что, если вы идете назад, на первые доли секунды после Большого взрыва, физика микромира там крайне важна.
Итак, если вы занимаетесь ранней Вселенной, то, конечно, необходимо знать физику элементарных частиц. И космологи в большинстве своем очень хорошо представляют, как устроена физика частиц, какие есть частицы, как они взаимодействуют между собой. Да и астрофизики тоже должны это знать, потому что в астрофизике тоже есть много процессов, которые требуют знания, по крайней мере, ядерной физики, физики элементарных частиц не очень высоких энергий.
— Изучение микромира дает знание констант, связанных с микромиром. Это константы слабого и сильного фундаментальных взаимодействий, массы частиц, которые определяются взаимодействием с полем Хиггса. Кроме того, мы давно знаем электромагнитную и гравитационную постоянные. И оказывается, что все эти константы имеют весьма удачные для нас значения…
— Да, это так. Мы не имели бы сложных молекул в природе, если бы не существовал легкий — много легче протона — электрон, а константа электромагнитного излучения не была бы достаточно мала. От соотношения масс электрона, протона и нейтрона вместе с электромагнитной постоянной зависят плотности всех веществ, возможность сложной химии. Если бы нейтрон был чуть полегче, или протон чуть потяжелее, то во Вселенной после Большого взрыва протоны распались бы и остались бы одни нейтроны. И не было бы вообще атомов. А масса протона напрямую зависит от константы сильных взаимодействий, а разница в массе нейтрона и протона — от масс кварков.
— То есть все константы имеют нужное для нашего существования значения.
— Да, небольшое изменение каждой из них сделало бы Вселенную непригодной для известной нам формы жизни, а, скорее всего, для жизни вообще.
— И встает тот самый вопрос, который давно уже волнует людей: как возник этот мир? Вполне закономерный вопрос.
— Вечный вопрос.
— Тут впору затронуть тему антропного принципа. Есть два принципиальных варианта. Один — считать, что этот мир создан для нас кем-то. Богом, Творцом, Космическим разумом. То есть предполагать некое целенаправленное вмешательство. Другой вариант — считать, что некие физические процессы привели к тому, что мы оказались в этой Вселенной, имеющей такие свойства. Этот вариант принято называть слабым антропным принципом. В отличие от первого — сильного.
— Первый давайте сразу отложим в сторонку. Потому что он не совсем научный — это вопрос веры. А слабый антропный принцип, наоборот, вполне научный. Он предполагает наличие множества возможностей, наличие многих мест во Вселенной или множества разных вселенных…
— Наличие большого числа, может, даже бесконечного числа вселенных.
— Ну, или вселенных, или, в другом варианте, в предположении, что Вселенная очень большая и очень разнообразная по своим свойствам в разных местах, наличие разных мест.
— Тогда Вселенная с большой буквы — нечто гораздо большее, чем наша вселенная.
— Огромная. Мы живем в ее части. Ну, и вполне может оказаться так, что в разных частях Вселенной (или в разных вселенных) разные физические законы, разные физические константы, разные физические взаимодействия, физика совсем разная. Ну и мы оказались там, где мы могли оказаться. Не то, что нам повезло. Везения никакого нет. Мы оказались там, где есть такая возможность. В других местах такой возможности нет. Полная аналогия с тем, как мы живем на Земле. Мы ведь не можем жить в произвольной точке космоса.
— Только там, где есть возможность существования органической жизни. Для чего надо выполнить множество условий: наличие звезды определенного типа, наличие планетной системы, наличие твердой планеты в зоне обитаемости, на которой присутствует вода в жидкой фазе, и еще уйма чего. В принципе, можно говорить о неких ступенях возможностей для жизни. Первая — это Вселенная, в которой возможно существование значительного числа элементов.
— И химия. Нам химия очень не вредна.
— Разумеется. Она необходима для существования сложных молекул. Второе — это существование условий, необходимых для возникновения космических объектов, которые, в конце концов, приводят к образованию Солнечной системы и одной из планет в зоне обитаемости, на которой возникает жизнь, а в результате долгой эволюции появляются разумные существа.
— По крайней мере, так мы думаем. Хотя слабый антропный принцип не до конца сформулирован. Потому что слово «жизнь» может иметь много разных смыслов. Лучше говорить о существовании наблюдателя. И следует допустить возможность существования наблюдателя совершенно другого типа.
— У Айзека Азимова был рассказ про мыслящее межзвездное облако, которое питается энергией звезд. Оно пощадило жизнь на Земле и ушло от Солнца, чтобы земная жизнь не погибла.
— Мы пока не знаем, какие бывают формы жизни, кроме земной.
— Но если говорить об органической жизни…
— Если думать о наблюдателях нашего типа, то да, нужны и химия, и Солнце, и соответствующая планета, и много еще чего.
— И вот вопрос, связанный именно со слабым антропным принципом. Если мы считаем, что верна инфляционная теория, которую предложил А. А. Старобинский, а потом развили А. Гут и А. Д. Линде, то она предполагает флуктуации вакуума и возникновение пузырей, которые начинают раздуваться, и один их таких пузырей — это наша вселенная. Хотя надо уточнить. Если все мироздание, в котором за счет флуктуаций возникают пузыри — Вселенная, то наш пузырь — часть Вселенной. И все, что происходит в нашей части Вселенной, определяется соответствующим набором констант. Но в других пузырях, то есть в других частях Вселенной, набор констант другой, и там вообще может не быть галактик, звезд, планетных систем и какой-нибудь формы жизни. Но как в процессе флуктуаций вакуума и образования пузырей возникают константы? Те константы, которые определяют, если можно так выразиться, судьбу той или иной части Вселенной.
— Это не очень разработанный вопрос: как возникают разные части Вселенной с разной физикой? Такая возможность есть в теории суперструн. Оказывается, что она допускает существование огромного числа вакуумов. Вакуум — это устойчивое состояние. И в каждом своя физика. В каждом свои константы, в каждом свои частицы, типы частиц и все остальное.
— Струнная теория описывает частицы как некий аналог струн, совершающих определенные колебания…
— В принципе, да. Но важно другое. Важно, что там есть множество возможностей, вот с чем связанных. Теория суперструн предполагает существование десяти измерений. Не четырех, как у нас (три пространственных, одно — время), а десяти. (Хотя в версии более широкой теории, чем теория суперструн, их даже одиннадцать). И необходимо объяснить, как лишние шесть измерений оказались ненаблюдаемыми. И наиболее логичное объяснение — что они компактные, не бесконечные, как три известные нам измерения, а наоборот, очень маленькие, колечки такие, условно говоря. И из-за того, что они очень маленькие, мы их не чувствуем.
— То есть, они существуют на уровне микромира?
— Да. И надо иметь очень высокие энергии, чтобы доказать, что есть на самом деле такие колечки. Хотя, строго говоря, это не колечки, а некие довольно сложные геометрические объекты. Вот тут-то и появляется огромное количество возможностей. Потому что эти многообразия могут быть очень разными. И разные поля в результате этих многообразий могут быть. Появляется безумное количество возможностей. 10500 вариантов! И от того, как устроены эти все многообразия и какие там есть поля — от этого зависит уже наблюдаемый спектр частиц, то, что у нас есть в большом четырехмерном пространстве. Какие есть электроны или не электроны, протоны — не протоны, их взаимодействия. Все зависит от того, как произошла компактификация, то есть свертывание дополнительных измерений. Из-за того, что таких способов очень много, появляется возможность существования очень большого числа разных физик в макроскопическом мире.
Теперь о том, как происходит попадание в один или в другой вакуум. То есть, как множество возможностей реально, динамически реализуется? Это вопрос не разработанный. То есть, возможность такая имеется, но как именно динамически она может реализоваться, как эти 10500 вакуумов существуют: в одном месте один, в другом — другой, в третьем — третий… Пока это вопрос не решенный.
— Вот возникла часть Вселенной, в которой мы живем, наряду с другими частями Вселенной. Возникла с такими константами, которые делают возможным всё то, что происходило и происходит в нашей части Вселенной. А каков механизм поддержания констант? Почему они, установившись, не меняются?
— Это можно связать с тем, что вакуумы в теории суперструн дискретны. Что не непрерывный набор возможностей существует, а дискретный. То есть, если уж вы попали в один набор констант, то там и будете оставаться. Если у вас произошла компактификация, дальше ее разрушить или заставить эти внутренние лишние измерения измениться не удастся, потому что для этого нужна гигантская энергия. Иными словами, если у вас дискретный набор констант, то вам надо «перепрыгнуть» из одного набора в другой, надо потратить очень много энергии. Поэтому, как только вы попали в более-менее низкоэнергетическую ситуацию, температура у вас не 1018 ГэВ, а на несколько порядков меньше, или темп расширения не гигантский, то у вас уже недостаточно энергии, чтобы совершить переход. Поэтому константы «замораживаются» в этой части Вселенной. И то, что мы имеем действительно дискретный набор параметров — это вроде видно. Хоть и 105000 вариантов, но их все-таки конечное и дискретное количество.
— Такой подход проясняет будущее нашей части Вселенной?
— Нет. Наше будущее зависит совсем от другого. Наше будущее зависит от того, что такое темная энергия. Она сегодня доминирует, большая часть энергии в ней как раз сосредоточена — 70% примерно. А дальше она будет еще больше доминировать. Через несколько десятков миллиардов лет уже вклад материи в плотность энергии будет совсем незначительным. Подавляющий вклад давать будет темная энергия. И будущее зависит от того, как она будет меняться со временем, и будет ли меняться.
— Некоторые космологи ставят знак равенства между энергией вакуума и темной энергией. Это уже как-то устоялось?
— Нет. Это не известно. Это одна из возможностей, что темная энергия, энергия вакуума или космологическая постоянная — это одно и то же. Вообще говоря, обсуждается возможность того, что темная энергия — это не постоянная величина. А энергия вакуума должна быть постоянна во времени. Почти по определению. Раз вакуум не меняется локально, значит, у него плотность энергии фиксирована. Ну, а в формулах общей теории относительности это просто постоянная величина, космологическая постоянная. Хотя, может быть, она зависит-таки от времени, тогда это не энергия вакуума в прямом понимании этих слов, это энергия какого-то гипотетического нового поля, которое «разлито» в нашей части Вселенной и несет на себе эту темную энергию. И от этого действительно зависит наше будущее. Если это энергия вакуума, то нашей части Вселенной бесконечно расширяться, а если это энергия некого поля, то не обязательно. Тогда расширение может остановиться.
— Если расширение будет бесконечным, то, в конце концов, все вещество будет разорвано на отдельные частицы…
— Да. Это еще одна возможность. Если темная энергия постоянна во времени, то ничего такого не будет, будет постоянное расширение с тем же темпом, как сегодня. Медленное. Но если темная энергия растет во времени, то тогда темп расширения будет увеличиваться. В принципе, возможно то, что называют «Большой разрыв».
— Это когда силы тяготения в галактике уже будет недостаточно, чтобы удерживать объекты.
— Совершенно верно. Когда Вселенная настолько быстро будет расширяться, что сначала Галактику разорвет, потом Солнечную систему, а потом — Землю. И так далее. Такое не исключено. Пока мы не знаем, как устроена темная энергия, такое исключать нельзя.
— Но это будет, в любом случае, не скоро.
— Через 20 миллиардов лет как минимум.
— Вопрос, который волнует людей, не имеющих физического образования: почему космологи утверждают, что у Вселенной, а если соблюдать нашу договоренность, то правильнее сказать у нашей части Вселенной, нет границ? Это же действительно странно: пространство есть, а границ нет.
— Стандартная аналогия — воздушный шарик. Вот у вас есть воздушный шарик, он расширяется, раздувается и может раздуться до гигантских размеров. А вы можете ходить только по его поверхности. И тогда для вас никакой границы нет. Будете ходить, и ходить, и, может быть, в конце концов, возвратитесь назад. Пока он не слишком раздуется. Но сколько бы вы ни ходили, никогда никакой границы вы не увидите.
— Здесь аналог такой же, но только в трехмерном пространстве?
— Да. Только это не двумерный шарик, а трехмерный. Это — во-первых. А во-вторых, воздушный шарик мы себе представляем вложенным в трехмерное пространство. А наше трехмерное пространство, скорее всего, никуда не вложено. Но оно может быть замкнуто. Поэтому мы можем перемещаться по нему бесконечно. Но границы никогда не достигнем.
— В процессе расширения нашей части Вселенной увеличивается количество пространства?
— В каком-то смысле, да. Хотя такого термина нет — количество пространства.
— Но Галактики и скопления галактик разбегаются.
— Все расстояния увеличиваются. Можно говорить о растяжении пространства.
— Завершу наш разговор таким вопросом: мы говорили о теории инфляции, согласно ей наша вселенная — часть еще более огромной Вселенной. Но теория инфляции, строго говоря, не доказана. Есть ли надежда, что мы получим доказательства ее верности?
— Теория инфляции получит подтверждение с обнаружением реликтовых гравитационных волн. Речь об очень длинных волнах, сравнимых с размерами нашей части Вселенной — длина таких волн в миллиарды световых лет.
— Реально ли их обнаружить?
— Да. По поляризации реликтового микроволнового излучения. Результат может быть получен в обозримом будущем.
Беседу вел Игорь Харичев
[i] Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: 5Li (7,5%) и 7Li (92,5%).
[ii] Альфа-частица (α-частица) — положительно заряженная частица, образованная двумя протонами и двумя нейтронами.
Science Journals — 404 СТРАНИЦА НЕ НАЙДЕНА
Вся истина проходит через три этапа. Во-первых, это высмеивается. Во-вторых, яростно противится. В-третьих, это принимается как само собой разумеющееся: Артур Шопенгауэр. В вопросах науки авторитет тысячи не стоит скромных рассуждений одного человека. Галилео Галилей. зарабатывайте этим на жизнь: Альберт Эйнштейн. Когда вы устраните невозможное, то, что когда-либо останется, каким бы невероятным оно ни было, должно быть правдой: Сэр Артур Конан Дойл. Мы все согласны с тем, что ваша теория безумна, но достаточно ли она безумна? Нильс Бор — Всякий раз, когда появляется истинная теория, она будет ее собственным доказательством. Его проверка состоит в том, что он объяснит все явления: Ральф Уолдо Эмерсон — С тех пор как математики вторглись в теорию относительности, я и сам ее больше не понимаю: Альберт Эйнштейн — Я бы сказал, что эфир – это среда, изобретенная человеком для распространения его заблуждения из одного места в другое: W.F.G. Суонн: — Большинство фундаментальных идей науки по существу просты и, как правило, могут быть выражены на языке, понятном каждому: Альберт Эйнштейн — Физика является математической не потому, что мы так много знаем о физическом мире, а потому что мы так мало знаем: Бертран Рассел. Если бы я мог объяснить это обычному человеку, я не был бы достоин Нобелевской премии. Р. П. Фейнман. Я не чувствую себя обязанным верить, что тот же самый Бог, который наделил нас чувство, разум и интеллект предназначили нам отказаться от их использования: Галилео Галилей. Как смеем мы говорить о законах случая? Разве случайность не является антитезой всему закону?: Бертран Рассел — Только две вещи бесконечны, вселенная и человеческая глупость, и я не уверен в первом: Альберт Эйнштейн — Слава математики в том, что вы не должен сказать, о чем вы говорите: Ричард Фейнман — Все возможно, если вы не знаете, о чем говорите: Автор неизвестен — В жизни все относительно — кроме теории Эйнштейна: Леонид С. Сухоруков — — Не беспокойтесь о том, что люди украдут ваши идеи. Если ваши идеи хоть сколько-нибудь хороши, вам придется вбивать их людям в глотки: Говард Эйкен. Несомненно, придет день, когда эфир будет отброшен как бесполезный: А. Пуанкаре. Сначала вам скажут, что вы неправильно, и они могут это доказать; тогда они говорят вам, что вы правы, но это не важно; тогда они говорят вам, что это важно, но они всегда знали это: Чарльз Кеттеринг — Не раз и не два, а бесчисленное количество раз одни и те же идеи появляются в мире: Аристотель — Противоположностью истинному утверждению является ложное утверждение. Противоположностью глубокой истине вполне может быть другая глубокая истина: Нильс Бор — Новая научная истина торжествует не потому, что убеждает своих противников и заставляет их увидеть свет, а скорее потому, что ее противники в конце концов умирают, и новое поколение вырастает, знаком с ним: Макс Планк — Евклид научил меня, что без допущений нет доказательств. Поэтому в любом споре исследуйте предположения: Эрик Темпл Белл. Половина этой игры на девяносто процентов ментальная: Йоги Берра
Похоже, мы не можем найти эту страницу. Если вы использовали закладку или прямую ссылку, возможно, содержимое было перемещено.
Жизнь в квантовом мире
Согласно стандартным учебникам по физике, квантовая механика — это теория микроскопического мира. Она описывает частицы, атомы и молекулы, но уступает место обычной классической физике в макроскопических масштабах груш, людей и планет. Где-то между молекулами и грушами лежит граница, где заканчивается странность квантового поведения и начинается знакомство с классической физикой. Впечатление, что квантовая механика ограничена микромиром, пронизывает общественное понимание науки. Например, физик из Колумбийского университета Брайан Грин пишет на первой странице своей чрезвычайно успешной (и в остальном превосходной) книги «Элегантная Вселенная», что квантовая механика «обеспечивает теоретическую основу для понимания Вселенной в самых малых масштабах». Классическая физика, которая включает в себя любую теорию, кроме квантовой, включая теории относительности Альберта Эйнштейна, имеет дело с самыми большими масштабами.
Однако это удобное разделение мира — миф. Немногие современные физики считают, что классическая физика имеет такой же статус, как и квантовая механика; это всего лишь полезная аппроксимация мира, квантового во всех масштабах. Хотя квантовые эффекты труднее увидеть в макромире, причина не в размере как таковом, а в том, как квантовые системы взаимодействуют друг с другом. До последнего десятилетия экспериментаторы не подтверждали, что квантовое поведение сохраняется в макроскопическом масштабе. Однако сегодня они регулярно это делают. Эти эффекты более распространены, чем кто-либо когда-либо подозревал. Они могут действовать в клетках нашего тела.
Даже те из нас, кто занимается изучением этих эффектов, еще не усвоили то, что они говорят нам о работе природы. Квантовое поведение ускользает от визуализации и здравого смысла. Это заставляет нас переосмыслить то, как мы смотрим на Вселенную, и принять новую и незнакомую картину нашего мира.
Запутанная история
Для квантового физика классическая физика — это черно-белое изображение разноцветного мира. Наши классические категории не могут охватить этот мир во всем его богатстве. В старом представлении учебника насыщенные оттенки размываются с увеличением размера. Отдельные частицы являются квантовыми; в массе они классические. Но первые признаки того, что размер не является определяющим фактором, восходят к одному из самых известных мысленных экспериментов в физике — коту Шредингера.
Эрвин Шредингер придумал свой болезненный сценарий в 1935 году, чтобы проиллюстрировать, как микромир и макромир соединяются друг с другом, предотвращая проведение между ними произвольных линий. Квантовая механика говорит, что радиоактивный атом может и распасться, и не распасться одновременно. Если атом соединить с бутылкой кошачьего яда, так что кошка умрет, если атом распадется, тогда животное останется в том же квантовом подвешенном состоянии, что и атом. Странность одного заражает другого. Размер не имеет значения. Загадка заключалась в том, почему владельцы кошек видят своих питомцев только живыми или мертвыми.
С современной точки зрения мир выглядит классическим, потому что сложные взаимодействия объекта с его окружением скрывают квантовые эффекты от нашего взгляда. Информация о состоянии здоровья кошки, например, быстро просачивается в окружающую среду в виде фотонов и теплообмена. Отличительные квантовые явления включают в себя комбинации различных классических состояний (например, мертвых и живых), и эти комбинации имеют тенденцию рассеиваться. Утечка информации является сутью процесса, известного как декогеренция [см. «100 лет квантовых тайн» Макса Тегмарка и Джона Арчибальда Уилера; Scientific American , февраль 2001 г. ].
Более крупные объекты, как правило, более подвержены декогеренции, чем более мелкие, что объясняет, почему физикам обычно удается рассматривать квантовую механику как теорию микромира. Но во многих случаях утечку информации можно замедлить или остановить, и тогда квантовый мир открывается нам во всей красе. Квинтэссенцией квантового эффекта является запутанность, термин, который Шредингер ввел в той же статье 1935 года, которая представила миру его кота. Запутанность связывает отдельные частицы в неделимое целое. Классическая система всегда делима, по крайней мере в принципе; какие бы коллективные свойства он ни имел, они возникают из компонентов, которые сами обладают определенными свойствами. Но запутанную систему нельзя разрушить таким образом. Запутанность имеет странные последствия. Даже когда запутанные частицы находятся далеко друг от друга, они все равно ведут себя как единое целое, что приводит к тому, что Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии».
Обычно физики говорят о запутанности пар элементарных частиц, таких как электроны. Такие частицы можно грубо представить себе как маленькие волчки, которые вращаются по часовой стрелке или против часовой стрелки, их оси указывают в любом заданном направлении: горизонтально, вертикально, под углом 45 градусов и так далее. Чтобы измерить вращение частицы, вы должны выбрать направление, а затем посмотреть, вращается ли частица в этом направлении.
Предположим, ради аргумента, что электроны ведут себя классически. Вы можете заставить один электрон вращаться в горизонтальном направлении по часовой стрелке, а другой — в горизонтальном направлении против часовой стрелки; таким образом, их общее вращение равно нулю. Их оси остаются фиксированными в пространстве, и когда вы проводите измерение, результат зависит от того, совпадает ли выбранное вами направление с осью частицы. Если вы измерите их обоих по горизонтали, вы увидите, что они оба вращаются в противоположных направлениях; если вы измерите их по вертикали, вы не обнаружите никакого вращения ни для того, ни для другого.
Однако для квантовых электронов ситуация поразительно иная. Вы можете настроить частицы так, чтобы их общий спин был равен нулю, даже если вы не указали, каковы их индивидуальные спины. Когда вы измерите одну из частиц, вы увидите, как она вращается по часовой стрелке или против часовой стрелки случайным образом. Как будто частица сама решает, в какую сторону ей повернуться. Тем не менее, независимо от того, какое направление вы выберете для измерения электронов, при условии, что оно одинаково для обоих, они всегда будут вращаться в противоположных направлениях, один по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки. Откуда они это знают? Это остается совершенно загадочным. Более того, если вы измерите одну частицу по горизонтали, а другую по вертикали, вы все равно обнаружите некоторый спин для каждой; оказывается, что частицы не имеют фиксированных осей вращения. Следовательно, результаты измерений совпадают до такой степени, которую не может объяснить классическая физика.
Действовать как единое целое
В большинстве демонстраций запутанности задействовано не более нескольких частиц. Большие партии труднее изолировать от окружающей среды. Частицы в них с большей вероятностью запутаются с бродячими частицами, скрывая их первоначальные взаимосвязи. В соответствии с языком декогеренции в окружающую среду просачивается слишком много информации, заставляя систему вести себя классически. Сложность сохранения запутанности является серьезной проблемой для тех из нас, кто стремится использовать эти новые эффекты для практического применения, например, в квантовых компьютерах.
Аккуратный эксперимент, проведенный в 2003 году, показал, что более крупные системы тоже могут оставаться запутанными, если утечку уменьшить или каким-то образом противодействовать. Габриэль Эппли из Университетского колледжа Лондона и его коллеги взяли кусок соли фтористого лития и поместили его во внешнее магнитное поле. Вы можете думать об атомах в соли как о маленьких вращающихся магнитах, которые пытаются выровняться с внешним полем, реакция, известная как магнитная восприимчивость. Силы, которые атомы воздействуют друг на друга, действуют как своего рода давление сверстников, чтобы привести их в соответствие быстрее. Когда исследователи меняли силу магнитного поля, они измеряли, насколько быстро атомы выравнивались. Они обнаружили, что атомы реагировали гораздо быстрее, чем можно было бы предположить по силе их взаимодействий. Очевидно, что какой-то дополнительный эффект помогал атомам действовать в унисон, и исследователи утверждали, что виновником была запутанность. Если это так, то 1020 атомов соли образуют сильно запутанное состояние.
Чтобы избежать искажающих эффектов случайных движений, связанных с тепловой энергией, команда Эппли проводила свои эксперименты при чрезвычайно низких температурах — несколько милликельвинов. Однако с тех пор Александр Мартинс де Соуза из Бразильского центра физических исследований в Рио-де-Жанейро и его коллеги обнаружили макроскопическую запутанность в таких материалах, как карбоксилат меди, при комнатной температуре и выше. В этих системах взаимодействие между спинами частиц достаточно сильное, чтобы противостоять тепловому хаосу. В других случаях внешняя сила отражает тепловые эффекты [см. «Легко уйти, легко прийти» Джорджа Массера; Новости Скан, Scientific American , ноябрь 2009 г.]. Физики наблюдали запутанность в системах с увеличивающимся размером и температурой, от ионов, захваченных электромагнитными полями, до ультрахолодных атомов в решетках и сверхпроводящих квантовых битов.
Эти системы аналогичны коту Шредингера. Рассмотрим атом или ион. Его электроны могут находиться близко к ядру или дальше — или и то, и другое одновременно. Такой электрон действует подобно радиоактивному атому, который либо распался, либо не распался в мысленном эксперименте Шредингера. Независимо от того, что делает электрон, весь атом может двигаться, скажем, влево или вправо. Это движение играет роль мертвого или живого кота. Используя лазеры для управления атомом, физики могут объединить эти два свойства. Если электрон находится близко к ядру, мы можем заставить атом двигаться влево, тогда как если электрон находится дальше, атом движется вправо. Таким образом, состояние электрона связано с движением атома точно так же, как радиоактивный распад связан с состоянием кошки. Живое и мертвое животное из семейства кошачьих подражает атому, который движется и влево, и вправо.
Другие эксперименты расширяют эту основную идею, так что огромное количество атомов запутываются и входят в состояния, которые классическая физика считает невозможными. И если твердые тела могут быть запутаны, даже если они большие и теплые, достаточно лишь небольшого скачка воображения, чтобы спросить, может ли то же самое быть верно для очень особого вида большой теплой системы: жизни.
Птицы Шрёдингера
Европейские малиновки — хитрые маленькие птички. Каждый год они мигрируют из Скандинавии на теплые равнины экваториальной Африки и возвращаются весной, когда погода на севере становится более терпимой. Малиновки преодолевают этот кругосветный путь протяженностью около 13 000 километров с естественной легкостью.
Люди давно задавались вопросом, могут ли птицы и другие животные иметь встроенный компас. В 1970-х годах муж и жена Вольфганга и Розвиты Вильчко из Франкфуртского университета в Германии отловили малиновок, мигрировавших в Африку, и поместили их в искусственные магнитные поля. Как ни странно, они обнаружили, что малиновки не обращали внимания на изменение направления магнитного поля, что указывало на то, что они не могли отличить север от юга. Однако птицы реагировали на наклон магнитного поля Земли, то есть на угол, под которым силовые линии образуют поверхность. Это все, что им нужно для навигации. Интересно, что малиновки с завязанными глазами вообще не реагировали на магнитное поле, что указывает на то, что они каким-то образом ощущают поле глазами.
В 2000 году Торстен Ритц, физик из Университета Южной Флориды, страстно любивший перелетных птиц, и его коллеги предположили, что ключом является запутанность. В их сценарии, основанном на предыдущей работе Клауса Шультена из Университета Иллинойса, у птичьего глаза есть тип молекулы, в которой два электрона образуют запутанную пару с нулевым общим спином. Такую ситуацию просто невозможно воспроизвести с помощью классической физики. Когда эта молекула поглощает видимый свет, электроны получают достаточно энергии, чтобы разделиться и стать восприимчивыми к внешним воздействиям, включая магнитное поле Земли. Если магнитное поле наклонено, оно по-разному воздействует на два электрона, создавая дисбаланс, который изменяет химическую реакцию, в которую вступает молекула. Химические пути в глазу переводят эту разницу в неврологические импульсы, в конечном итоге создавая образ магнитного поля в мозгу птицы.
Хотя доказательства механизма действия Ритца носят косвенный характер, Кристофер Т. Роджерс и Киминори Маеда из Оксфордского университета изучили молекулы, подобные молекулам Ритца, в лаборатории (а не внутри живых животных) и показали, что эти молекулы действительно чувствительны к магнитному излучению. полей из-за запутанности электронов. Согласно расчетам, проведенным моими коллегами и мной, квантовые эффекты сохраняются с высоты птичьего полета около 100 микросекунд, что в данном контексте является долгим сроком. Рекорд для искусственно сконструированной электронно-спиновой системы составляет около 50 микросекунд. Мы пока не знаем, как естественная система может так долго сохранять квантовые эффекты, но ответ может дать нам идеи о том, как защитить квантовые компьютеры от декогеренции.
Другим биологическим процессом, в котором может действовать запутывание, является фотосинтез, процесс, посредством которого растения преобразуют солнечный свет в химическую энергию. Падающий свет выбрасывает электроны внутри растительных клеток, и все эти электроны должны найти свой путь в одно и то же место: в химический реакционный центр, где они могут передать свою энергию и запустить реакции, питающие растительные клетки. Классическая физика не может объяснить почти идеальную эффективность, с которой они это делают.
Эксперименты нескольких групп, таких как Грэм Р. Флеминг, Мохан Саровар и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Грегори Д. Скоулз из Университета Торонто, предполагают, что квантовая механика объясняет высокую эффективность процесса . В квантовом мире частице не нужно просто двигаться по одному пути за раз; он может принимать их все одновременно. Электромагнитные поля внутри растительных клеток могут привести к тому, что некоторые из этих путей нейтрализуют друг друга, а другие усиливают друг друга, тем самым уменьшая вероятность того, что электрон пойдет по расточительному обходному пути, и увеличивая вероятность того, что он будет направлен прямо к реакционному центру.
Запутывание будет длиться всего долю секунды и будет включать молекулы, содержащие не более 100 000 атомов. Существуют ли в природе случаи более крупного и устойчивого запутывания? Мы не знаем, но этот вопрос достаточно волнующий, чтобы стимулировать новую дисциплину: квантовую биологию.
Значение всего этого
Для Шредингера перспектива одновременно живых и мертвых кошек была абсурдной; любая теория, делающая такое предсказание, безусловно, ошибочна. Поколения физиков разделяли этот дискомфорт и думали, что квантовая механика перестанет применяться в еще большем масштабе. В 19Роджер Пенроуз из Оксфорда предположил, что гравитация может привести к тому, что квантовая механика уступит место классической физике для объектов массивнее 20 микрограммов, и трио итальянских физиков — Джанкарло Гирарди и Томазо Вебер из Университета Триеста и Альберто Римини из Университета Нью-Йорка. Павиа — предположил, что большое количество частиц спонтанно ведут себя классически. Но эксперименты теперь оставляют очень мало места для таких процессов. Разделение между квантовым и классическим миром не кажется принципиальным. Это всего лишь вопрос экспериментальной изобретательности, и мало кто из физиков сейчас думает, что классическая физика когда-либо действительно вернется в любом масштабе. Во всяком случае, общее убеждение состоит в том, что если более глубокая теория когда-либо заменит квантовую физику, она покажет, что мир еще более нелогичен, чем все, что мы видели до сих пор.
Таким образом, тот факт, что квантовая механика применима во всех масштабах, заставляет нас столкнуться с глубочайшими тайнами теории. Мы не можем просто списать их со счетов как простые детали, которые имеют значение только в самых мелких масштабах. Например, пространство и время — два самых фундаментальных классических понятия, но согласно квантовой механике они вторичны. Запутывания являются первичными. Они соединяют между собой квантовые системы без привязки к пространству и времени. Если бы существовала разделительная линия между квантовым и классическим мирами, мы могли бы использовать пространство и время классического мира, чтобы обеспечить основу для описания квантовых процессов. Но без такой разделительной линии — да и без подлинно классического мира — мы теряем эту рамку. Мы должны объяснить пространство и время как некое порождение фундаментально внепространственной и вневременной физики.
Это понимание, в свою очередь, может помочь нам примирить квантовую физику с другим великим столпом физики — общей теорией относительности Эйнштейна, которая описывает силу гравитации в терминах геометрии пространства-времени. Общая теория относительности предполагает, что объекты имеют четко определенное положение и никогда не находятся более чем в одном месте одновременно, что прямо противоречит квантовой физике. Многие физики, такие как Стивен Хокинг из Кембриджского университета, считают, что теория относительности должна уступить место более глубокой теории, в которой пространство и время не существуют. Классическое пространство-время возникает из квантовых запутанностей в процессе декогеренции.
Еще более интересная возможность заключается в том, что гравитация — это не сила сама по себе, а остаточный шум, возникающий из-за квантовой нечеткости других сил во Вселенной. Эта идея «индуцированной гравитации» восходит к физику-ядерщику и советскому диссиденту Андрею Сахарову в 1960-х годах.