# Мэтт О'Дауд: «Пространство-время — это бурлящий квантовый океан»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=uvubLp5o5Wg
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 24.08.2023

---

## Квантовая пена: что скрывается за гладкостью пространства?
[[JUMP:0:00]]

На макроскопическом уровне, в котором мы привыкли существовать, пространство кажется нам непрерывным, гладким и лишенным каких-либо структур. Однако, как утверждает Мэтт О'Дауд, ведущий канала PBS Space Time, на фундаментальном, планковском уровне реальность может кардинально отличаться. Существуют веские основания полагать, что пространство-время на самом деле представляет собой «кипящий океан» из черных дыр и кротовых нор, возникающих и исчезающих в бесконечном процессе, который ученые называют квантовой пеной.

### Конфликт великих теорий и идея Джона Уилера
[[JUMP:0:40]]

Современная физика опирается на две фундаментальные теории, которые, несмотря на свою точность, находятся в глубоком противоречии друг с другом:

* Общая теория относительности Альберта Эйнштейна — описывает геометрию пространства и гравитацию на космических масштабах.
* Квантовая механика — описывает поведение материи на субатомных масштабах.

По словам О'Дауда, попытки объединить их в единую теорию квантовой гравитации (например, через теорию струн или петлевую квантовую гравитацию) до сих пор сталкиваются с колоссальными трудностями при попытках экспериментального подтверждения. Тем не менее, логическое объединение принципов обеих теорий позволяет предсказать структуру пространства-времени на планковских масштабах. Эту концепцию впервые предложил Джон Арчибальд Уилер, легендарный физик и наставник таких ученых, как Ричард Фейнман и Кип Торн.

### Аналогия с океаном: от штиля к пене
[[JUMP:1:57]]

Чтобы объяснить, как выглядит пространство на предельно малых расстояниях, Уилер предложил использовать аналогию с поверхностью океана:

1.  **Вид с высоты:** Если лететь на самолете над Атлантикой, океан кажется гладким и лишенным деталей, подобно тому как мы воспринимаем пространство в повседневной жизни.
2.  **Спуск ниже:** При снижении мы начинаем замечать небольшие волны — это легкие искажения геометрии.
3.  **Вид с лодки:** Находясь непосредственно в воде (или на уровне планковского масштаба), мы видим пену, «барашки» и бурлящие потоки — здесь геометрия пространства становится динамичной и хаотичной.

В рамках этой аналогии, на планковском масштабе пространство-время настолько искривлено, что черные дыры и кротовые норы возникают и распадаются буквально в каждом микроскопическом объеме.

### Неопределенность геометрии
[[JUMP:4:08]]

Фундамент концепции квантовой пены строится на принципе неопределенности Гейзенберга. В квантовой механике невозможно одновременно с высокой точностью измерить положение и импульс частицы. Попытка уточнить положение объекта (например, с помощью коротковолнового фотона) неизбежно меняет его импульс.

При добавлении в эту картину общей теории относительности ситуация усложняется:

* Масса и энергия фотона, используемого для измерения, меняют геометрию пространства между наблюдателем и объектом.
* Чем точнее мы пытаемся измерить расстояние, тем больше энергии вносим в систему, увеличивая неопределенность геометрии.
* Согласно О'Дауду, этот предел точности равен планковской длине — примерно $1,6 \times 10^{-35}$ метра.

На этом масштабе кривизна пространства становится полностью переменной, и пространство начинает «закручиваться» само на себя. Такие образования, как планковские черные дыры, по мнению ведущего, должны мгновенно испаряться из-за излучения Хокинга, а кротовые норы — схлопываться, что делает квантовую пену крайне эфемерной.

### Квантовые флуктуации вакуума
[[JUMP:7:56]]

Дополнительным аргументом в пользу пены выступает принцип неопределенности энергии и времени. Квантовая теория поля гласит, что «пустого» вакуума не существует — в нем постоянно происходят энергетические флуктуации, порождающие виртуальные частицы.

Поскольку любая энергия согласно Эйнштейну искривляет пространство, эти энергетические флуктуации неизбежно приводят к флуктуациям геометрии. Виртуальные частицы, обладающие даже отрицательной массой, могут создавать экзотические объекты, такие как кротовые норы. В результате на планковском уровне пространство-время находится в суперпозиции множества состояний, а то, что мы видим в макромире — это лишь усредненная картина всех этих конфигураций.

### Можно ли это увидеть?
[[JUMP:11:28]]

На данный момент прямое наблюдение квантовой пены невозможно из-за невероятно малых масштабов, на которых проявляются эти эффекты. Однако ученые ищут косвенные подтверждения. О'Дауд сравнивает это с наблюдением за объектами на очень больших расстояниях:

* Свет от далеких квазаров или гамма-всплесков, преодолевая миллиарды световых лет, может испытывать небольшие искажения, проходя через «бурлящее» пространство.
* Астрономы изучают дифракционные узоры (например, «дифракционные шипы» вокруг звезд) в данных космического телескопа Hubble.
* Ультрафиолетовое излучение, имеющее короткую длину волны, более чувствительно к турбулентности пространства-времени, чем инфракрасное, фиксируемое телескопом James Webb.

Хотя текущие исследования пока лишь позволили исключить некоторые экстремальные модели квантовой пены, точность измерений постепенно растет, и возможно, будущие ультрафиолетовые телескопы смогут окончательно подтвердить существование этого «бурлящего океана», скрытого за нашей гладкой реальностью.