Многие из великих достижений науки отмечены открытием, что аспект природы, который мы считали фундаментальным, на самом деле является иллюзией из-за грубости наших чувственных восприятий.
Например, одна из иллюзий состоит в том, что физические объекты взаимодействуют только с другими близкими к ним объектами.
Это называется принцип локальности.
Мы можем выразить это более точно по закону, согласно которому величина сил между любыми двумя объектами быстро уменьшаются - по увеличению расстояния между ними. Это можно объяснить, полагая, что тела взаимодействуют не напрямую, а только посредством поля, такого как электромагнитное поле, которое распространяется от одного тела к другому. Поля расширяются по мере их распространения, причем полевые линии покрывают постоянно большую площадь, обеспечивая естественное объяснение законов, согласно которым сила между зарядами и массами падают как квадрат расстояния между ними.
Локальность является аспектом еще более убедительной иллюзии: мы существуем в абсолютном пространстве, в отношении которого мы отмечаем свои позиции, когда мы движемся «сквозь» его.
Ньютон полагал, что движение в конечном счете определяется как изменение положения относительно абсолютного пространства.
Но никакие измерения не могут установить связь физического объекта с этим воображаемым абсолютным пространством - Ньютон заверил нас, что Бог видит абсолютное пространство, делая ваше местоположение относительно него аспектом божественности мира. Мы, люди, должны обходиться относительными положениями и движениями, которые определяются относительно физических объектов, которые мы можем видеть.
Лейбниц сломал мистификацию, заявив, что все, что существует, это относительные позиции и движения.
Он предложил в принципе, что любая приемлемая наука о движении должна быть сформулирована в терминах только относительных движений.
И это, после двух веков ожидания Эйнштейн передал нам в своей общей теории относительности. В этой славной конструкции пространство относится к пространству-времени, которое можно объяснить как динамично развивающуюся сеть отношений.
И что определяет эти отношения?
Ничего, кроме причинности.
Элементами пространства-времени являются события - окончательное выражение локальности - и каждый из них вызван событиями в их прошлом. Каждое событие также станет причиной событий в будущем. Большая часть информации в геометрии пространства-времени на самом деле является кодированием отношений причинности, которые связывают события.
Итак, мы видим, что идея о том, что физические силы должны действовать локально, является следствием более глубокого принципа, который заключается в том, что физические эффекты обусловлены причинными процессами.
И основные принципы теории относительности утверждают, что причины могут распространяться только в пространстве с конечной скоростью, которая не может превышать скорость света. Мы называем это принципом релятивистской причинности.
Этот принцип кажется настолько естественным, что он должен быть правдой.
Но из всех странных аспектов квантовой физики, обнаруженных к настоящему времени, самым странным должно быть открытие того, что принцип релятивистской причинности нарушается квантовыми явлениями. Грубо говоря, если две частицы взаимодействуют, а затем разделяются, разлетаясь далеко друг от друга, они, тем не менее, могут продолжать обладать свойствами странного вида, которые могут быть приписаны паре, при этом каждый из индивидуумов не обладает какими-либо определенными свойствами. Мы говорим, что две частицы «запутаны».
Оказывается, что когда две частицы находятся в таком запутанном состоянии, экспериментатор может непосредственно и немедленно воздействовать на свойства одной из частиц, выбирая для измерения какое-то конкретное соответствующее свойство другой. И неважно, что для непосредственного воздействия такого воздействия потребуется сигнал намного быстрее, чем свет.
Следовательно, невозможно использовать нелокальность, присутствующую в запутанных парах, чтобы посылать сигнал быстрее, чем свет.
Нужна новая, улучшенная версия квантовой теории.
Она заменила бы существующую статистическую теорию более полной, которая обеспечила бы полное и точное описание того, что происходит в каждом отдельном квантовом процессе. Чтобы такая теория работала, она должна основываться на влияниях, распространяющихся произвольно быстрее света, что разрушает принцип релятивистской причинности и наши интуитивные представления о местном влиянии.
Мы должны объединить геометрическую картину пространства-времени, заданную общей теорией относительности, с квантовой физикой.
Есть некоторые теоретические доказательства того, что проект создания квантовой теории гравитации потребует, чтобы пространство и пространство-время стали дискретными и построенными из конечных атомов геометрии.
В том же смысле, что жидкость - это просто описание коллективных движений множества атомов, пространство и пространство-время станут просто способом говорить о коллективных свойствах большого числа атомных событий.
Цель квантовой теории гравитации состоит в том, чтобы сначала выдвинуть гипотезу законов, управляющих элементарными событиями, посредством которых они постоянно возникают, а затем уходят в прошлое. Затем мы должны показать, как возникает крупномасштабная картина, в которой эти дискретные события включаются в эмерджентное описание гладкого и непрерывного пространства-времени - как описано в общей теории относительности Эйнштейна.
Должно появиться представление о потоке событий, в совокупности приводящих к плавному описанию в терминах геометрии пространства-времени, и наиболее важным аспектом этого является локальность. Должно появиться понятие расстояния, и таким образом, чтобы те события, которые близки друг к другу, в среднем с большей вероятностью влияли друг на друга.
Обратите внимание, если наши рассуждения верны, то можно говорить о двух понятиях локальности:
• фундаментальная местность, которая основана на фактах, фундаментальными событиями которых были причины;
• приблизительное, коллективное, возникающее понятие, какие события находятся рядом друг с другом в пространстве и пространстве-времени.
Известное макроскопическое понятие расстояния основано на коллективном усреднении всего множества фундаментальных причинных процессов.
Как много в этом усреднении?
В течение каждой секунды в каждом кубическом сантиметре пространства происходит около 10120 элементарных событий.
Поэтому, один из способов приблизиться к квантовой гравитации - это попытаться вывести уравнения Эйнштейна, которые являются законами общей теории относительности, применяемыми к пространству-времени, из законов термодинамики, применяемых к множеству элементарных событий.
Но здесь мы получаем сюрприз.
Для коллективного крупномасштабное понятие близости должно соответствовать фундаментальному понятию причинности, как усредненное по огромному количеству событий. Это дает отдельным фундаментальным событиям и их причинно-следственным связям большую свободу отклонения от средних значений.
Из статистического усреднения возникает закон - всегда происходят редкие события, в которых отдельные атомы нарушают правило, которое в среднем выполняется.
Это называется - колебания.
Хорошим примером является тенденция коллекций атомов при охлаждении формировать правильные кристаллические структуры. Но время от времени один атом оказывается в неправильном месте, нарушая красивую симметрию расположения кристаллов и мы говорим, что модель была беспорядочной.
Когда локальность и само пространство возникают в результате усреднения по фундаментальным процессам, включающим множество отдельных событий, неизбежно локальность будет беспорядочной.
В основном, влияние будет локальным, потому что в большинстве случаев причинно-следственные события оказываются близко друг к другу в появившемся приблизительном описании, которое мы называем пространством. Но так же будет много пар причинно связаных событий, которые окажутся далеко друг от друга, что приведет к беспорядку в пространстве и локальности.
Детали не важны, особенно на этой ранней стадии.
Вполне, интуитивная идея о том, что объекты влияют друг на друга, потому что они находятся близко в пространстве, скоро станет еще одним из тех простых убеждений, которые оказываются неверными, когда мы смотрим глубже.
Гладкость пространства скоро станет иллюзией, которая скрывает крошечный и сложный мир причинных взаимодействий, которые не живут в пространстве, а скорее определяют и создают пространство, поскольку они создают будущее из настоящего.
/Источник/
Journal information