Квант. Путеводитель для запутавшихся

Урок Планка

Сегодня поиски теории квантовой гравитации, которая объединила бы все четыре силы, представляют собой чрезвычайно интересную область теоретических исследований. В оставшейся части этой главы я опишу связанные с ней основные идеи.

Занимающихся этой темой ученых можно условно разделить на два лагеря. Один лагерь утверждает, что квантовая механика содержит более фундаментальные идеи, поэтому начинать нужно с нее и искать способ включить в нее общую теорию относительности. Другой лагерь настаивает на обратном и предпочитает отталкиваться от общей теории относительности, включающей фундаментальные понятия пространства и времени, и пытается проквантовать ее. Само собой, есть и другие мнения: ряд физиков полагает, что ни одна из теорий не сможет пережить столкновения и обе нужно будет подвергнуть серьезным операциям, прежде чем они смогут быть объединены в теорию квантовой гравитации. Более маленькая группа мыслителей даже считает, что по-хорошему нужно отбросить в сторону и квантовую механику, и общую теорию относительности и начать все с ноля. Но так как каждая из теорий отлично работает в своей сфере, сложно поверить, что в них не содержится фундаментальной истины о природе мира.

Как минимум в одном все теоретики квантовой гравитации сходятся: не стоит забывать об уроке, который нам сто лет назад преподал Планк. Он запустил квантовый снежный ком, предположив, что энергия не может бесконечно делиться, а состоит из неделимых сгустков, или квантов, подобно тому как материя состоит из мельчайших кирпичиков. Теперь теоретики квантовой гравитации понимают, что пространство и время тоже должны состоять из неделимых сгустков. Масштаб длины и времени, на котором должно происходить это квантование, в честь отца-основателя идеи называется масштабом Планка. Именно на этом масштабе – который можно считать как масштабом расстояния, так и масштабом энергии/температуры – и объединяются все силы.

Так каков же размер самой маленькой единицы пространства, кванта объема? Давайте дадим контекст: в одном стакане воды содержится больше атомов, чем число стаканов воды, которое необходимо, чтобы наполнить все моря и океаны мира. Так что атомы очень малы. Далее, в пространство, которое занимает один атом, можно уместить тысячу миллиардов атомных ядер. Так что ядра гораздо меньше. Далее – глубокий вдох, – атомное ядро может вместить в себя столько квантовых объемов, сколько кубических метров входит в галактику Млечный Путь (приблизительно 1062 м3). А нашу галактику тесной не назвать: она простирается на восемьдесят тысяч световых лет и содержит сотню миллиардов звезд. Такое сложно себе даже представить.

Раз это самая маленькая единица пространства, нет смысла даже говорить о том, чтобы поделить ее надвое.

Что насчет продолжительности квантовой единицы времени? Она так мала, что я даже не могу придумать подходящую аналогию, чтобы вас удивить. Достаточно сказать, что в одной секунде содержится гораздо больше квантов времени (1043), чем количество секунд, прошедших с момента рождения Вселенной (менее 1018).