О прекрасном в теорфизике: Самовозникновение пространства-времени

В прошлый раз я рассказывал про красивое явление дуальности в теорфизике. Сейчас расскажу про ещё более сногсшибающую находку теоретиков -- идею, что пространство и время, в каком-то смысле, нам только кажутся, а на самом деле их нет.

Движение порождает новые объекты

Начну с приземленного -- со звуковых волн. Звуковые волны в среде -- это синхронные (не беспорядочные) колебания множества отдельных атомов. Эти звуковые волны распространяются, отражаются, сталкиваются; им можно приписать хорошо определенную плотность энергии, импульса. Их вообще можно представить в виде потока неких частиц (а точнее, квазичастиц) -- фононов.

Получается забавная вещь. В исходных уравнениях, описывающих поведение среды, фигурировали только атомы. Никаких фононов не было. Фононы появились динамически, как только мы стали интересоваться развитием во времени состояния системы.

То есть, сам факт движения порождает новые объекты.

Такого типа эффекты возникают в физике сплошь и рядом.
Они называются самовозникающими явлениями (emergent phenomena), потому что они изначально отсутствуют в исходных уравнениях,
а появляются лишь потом, на стадии их решения, как бы сами по себе.

Примеры

Например, уравнения движения атомов не знают ни о какой сверхпроводимости; она возникает сама собой при описании конденсированной среды. Точно так же при описании атомов железа изначально не закладывается никакой статический магнетизм -- он возникает сам собой при описании большого числа атомов железа.

В физике элементарных частиц такими самовозникающими объектами явдяются протоны, нейтроны и прочие адроны. Исходно их в теории нет, а есть только кварки и глюоны, но потом оказывается, что в процессе динамической эволюции, они порождают адроны.

Кстати, кварки сами по себе очень легкие, и в этом смысле почти вся масса протона -- динамически порожденная величина. Т.е. примерно на 99% масса тел -- это "конденсат динамики".

Наконец, общая теория относительности утверждает, что и гравитационная сила есть самовозникающее явление (оно есть проявление геометрических неоднородностей в пространстве-времени).

Вещество как динамически порожденный объект

Во многих случаях свойства "возникших" объектов столь сильно похожи на свойства их "исконных" собратьев, что закрадывается подозрение:

а может быть вообще любой объект (частицу или явление) можно представить как спонтанно "возникшую" из простейших законов движения каких-то совсем мелких фундаментальных объектов на совсем глубоком уровне?

Это общий вопрос остается пока открытым, и подозреваю, что за решение его легко могут дать Нобелевскую премию. Тем временем теоретики не скучают и продолжают изучать конкретные примеры и находить механизмы самовозникновения буквально самых-самых основных, самых нерушимых объектов нашего мира.

Впечатляющая подборка содержится в 1000-страничной книге Стефена Вольфрама "New Kind of Science" (краткая резенция на нее). В ней описывается то, как многие природные объекты и явления получаются сами собой в результате эволюции простейших клеточных автоматов.

Про другой пример я недавно писал в заметке Предложен новый взгляд на природу элементарных частиц. Здесь речь идет о работе, в которой развивается идея о том, что сами элементарные частицы -- кирпичики нашего мира -- не существуют изначально сами по себе, а есть лишь видимость, "геометрический результат" сложного переплетения мельчайших струн.

И наконец пространство-время

И вот, все чаще стали встречаться работы, в которых "самое святое", что есть в физике -- само пространство-время -- тоже представляется как самополучающийся усредненный результат "внутренней эволюции" какой-то системы. Т.е. в буквальном смысле: начинаем с физической системы с какими-то внутренними степенями свободы в одной единственной точке, то есть, в которой изначально нет никакого пространства-времени. А результат оказывается такой, что кое-какие комбинации этих степеней свободы "кажутся" пространством и временем.

Некое представление о том, как такое чудо может возникать, я попытался дать в заметке Дополнительные пространственные измерения входят в моду.

Сейчас, похоже, за эту идею взялись серьезно.
Вот, например, свежий препринт Натана Зайберга hep-th/0601234, который так и называется -- "Самовозникающее пространство-время" (Emergent space-time).

Автор начинает с примеров (относящихся к теории струн), когда само понятие пространства, в котором распространяется струна, становится двусмысленным.

Как такое может быть? Оказывается, теория, описывающая движение струн, совершенно не различает ситуации, когда струна очень большая или очень маленькая. В теории струн такое явление называется Т-дуальностью. В результате неё получается, что непонятно, с какой линейкой подходить к измерению длины струны!

Проблема с однозначным понятием пространства усугубляется в квантовой теории. В ней, например, оказывается, что нет никакой возможности "проникнуть" на очень мелкий масштаб расстояний, меньше планковской длины. Физика "ведет себя" так, словно там пространства-то и нету совсем.
Что же там "есть", пока никто не знает.

Наконец, автор обсуждает возможно того, что и то, что мы воспринимаем как "время", есть тоже самовозникающее явление. Правда, в отличие от пространства, конкретных примеров тут пока нет, но автору кажется, что это лишь вопрос времени (прошу прощения за каламбур).

Интересны, кстати, и мысли Александра Полякова на этот счет, изложенные в коротком тексте hep-th/0602011.

Что ж, посмотрим, во что это все выльется. А пока что от перспектив захватывает дух.

[Комментарии на Элементах]