В рамках программы «Мировая научная ярмарка» (World Science Festival) состоялся глубокий диалог о природе гравитации и устройстве Вселенной. Ведущий обсудил с известным голландским физиком-теоретиком Эриком Верлинде его революционную гипотезу эмерджентной гравитации. В центре дискуссии оказался провокационный вопрос: не является ли темная материя лишь теоретической ошибкой, вызванной неверным пониманием фундаментальных законов физики?
🌌 От струн к квантовой информации: эволюция физических парадигм 0:00
Гравитация традиционно считается силой, которая формирует звезды, галактики и определяет расширение Вселенной. Общая теория относительности Эйнштейна предлагает наиболее точное ее описание, однако фундаментальный статус этой силы десятилетиями остается под вопросом. Эрик Верлинде, профессор Института теоретической физики в Амстердаме, более 40 лет посвятил поиску ответов на эти загадки, начав свой путь со струнной теории.
В 1980-х годах научное сообщество переживало бум теории суперструн, надеясь обнаружить суперсимметрию и новые частицы на Большом адронном коллайдере. По воспоминаниям Верлинде, атмосфера тех лет была наполнена ожиданиями скорого создания «теории всего». Однако суперсимметричные партнеры частиц — такие как селектроны или скварки — так и не были открыты. Верлинде признается, что этот результат не стал для него полной неожиданностью, поскольку его знаменитый соотечественник Герард ’т Хоофт всегда скептически относился к суперсимметрии, а шансы на ее обнаружение изначально напоминали бросок монеты.
Несмотря на критику в обществе о том, что теория струн якобы провалилась, Верлинде и ведущий убеждены в обратном. По мнению Верлинде, теория струн выполнила многие свои обещания, став мощнейшим математическим фундаментом и мостом между гравитацией, физикой конденсированного состояния и квантовой информацией. Проблема экспериментальной проверки на планковских масштабах, как отмечает гость, универсальна для любой квантовой теории гравитации, а не только для струнной модели.
🕳️ Термодинамика черных дыр и парадокс чайной чашки 17:32
Корни идеи об эмерджентном характере гравитации уходят в 1970-е годы, когда физик Джон Уилер предложил своему студенту Якобу Бекенштейну мысленный эксперимент. Уилер спросил, что произойдет со вторым законом термодинамики, если бросить чашку горячего чая в пролетающую мимо черную дыру. Казалось, что энтропия и хаос, содержащиеся в чае, просто исчезнут, превращая черную дыру в идеальный «мусорный бак» для уничтожения энтропии.
Бекенштейн нашел изящное решение этой загадки, доказав, что при падении массы внутрь черной дыры площадь ее горизонта событий неизбежно увеличивается. Он пришел к выводу, что энтропия черной дыры пропорциональна именно площади ее поверхности, а не объему. Позже Стивен Хокинг математически уточнил эти расчеты, доказав существование излучения черных дыр и определив их точную температуру.
Это открытие продемонстрировало глубокую связь между термодинамикой и гравитационной динамикой. Верлинде подчеркивает, что такое поведение принципиально отличает черные дыры от любых привычных нам газов или жидкостей, чья энтропия всегда растет пропорционально занимаемому объему. Понимание этого привело физиков к выводу, что максимальный объем информации, который может вместить область пространства-времени, ограничен площадью ее внешней границы. Причиной такой аномалии, по словам Верлинде, является квантовая запутанность: частицы внутри и снаружи горизонта неразрывно связаны, а линии этой запутанности буквально пронизывают разделяющую их поверхность.
🔮 Голографический принцип и иллюзия гравитации 25:13
Основываясь на площади энтропии, Герард ’т Хоофт и Леонард Сасскинд сформулировали голографический принцип. Согласно этой концепции, трехмерная физика внутри некоторого объема может быть полностью описана процессами, происходящими на его двумерной границе, подобно тому как плоская пластиковая голограмма при правильном освещении создает объемное изображение.
Теория струн предоставила этому принципу строгое математическое подтверждение через разделение струн на два типа:
- Открытые струны: имеют конечные точки, отвечают за микроскопическое описание материи на границе и не содержат гравитации.
- Закрытые струны: не имеют концов, свободно перемещаются внутри объема и выступают переносчиками гравитационного взаимодействия.
В 1997 году физик Хуан Малдасена совершил прорыв, открыв соответствие между пространством Анти-де Ситтера (AdS) и конформной полевой теорией (CFT). Он математически доказал, что квантовая система на границе без гравитации полностью эквивалентна теории с гравитацией внутри объема. Верлинде рассматривает это как прямое доказательство эмерджентности: гравитационное описание возникает в объеме лишь как результат усреднения и огрубления (coarse-graining) сложных микроскопических процессов, происходящих на границе.
🧩 Эмерджентная гравитация: почему Эйнштейн может ошибаться 31:13
В середине 1990-х годов физик Тед Якобсон сделал следующий шаг, показав, что уравнения Эйнштейна можно напрямую вывести из первого закона термодинамики, если предположить, что энтропия квантовой запутанности вакуума всегда пропорциональна площади поверхности. Таким образом, уравнения гравитации оказались не фундаментальным законом, а следствием термодинамических процессов.
Однако Верлинде указывает на критическое ограничение модели Якобсона: пространство Анти-де Ситтера, в котором законы площади работают идеально, обладает отрицательной кривизной и не содержит темной энергии. Наша реальная Вселенная устроена иначе — она расширяется с ускорением и обладает положительной кривизной (пространство де Ситтера). Из-за этого ускорения у нашей Вселенной существует космический горизонт, площадь которого огромна, а энтропия составляет порядка $10^{122}$ единиц информации.
Верлинде выдвигает гипотезу, что в нашей Вселенной энтропия, связанная с темной энергией, распределена равномерно по всему пространству и растет пропорционально его объему, а не площади. Следовательно, базовое допущение Якобсона о строгом следовании «закону площади» в реальном мире оказывается неверным. Если пересчитать термодинамические уравнения с учетом объемного вклада энтропии, то на определенных масштабах классические законы Ньютона и Эйнштейна неизбежно изменятся.
🌌 Прощай, темная материя? Альтернатива Верлинде и феноменология MOND 41:50
Необходимость модификации законов физики становится очевидной при анализе вращения галактик. Астрономические наблюдения показывают, что звезды на окраинах галактик вращаются слишком быстро и должны были бы улететь в космическое пространство, если бы их удерживала только видимая материя. Чтобы спасти существующие уравнения, ученые ввели понятие темной материи, объем которой, как считается сегодня, превышает массу видимого вещества на 70% или 80%.
Верлинде проводит историческую аналогию: в прошлом астрономы успешно предсказали существование планеты Нептун из-за аномалий в орбитах, но попытка объяснить отклонения Меркурия гипотетической планетой Вулкан оказалась ошибочной и потребовала создания новой теории Эйнштейна. По мнению Верлинде, темная материя сегодня — это современный аналог Вулкана, призванный лишь искусственно «подправить» неработающие формулы.
Гипотеза Верлинде позволяет естественным образом объяснить феноменологию модифицированной ньютоновской динамики (MOND), согласно которой сила гравитации меняет свой характер в областях, где она становится экстремально слабой. На этих масштабах ускорение столь мало, что если сбросить предмет с высоты одного метра, ему потребовалось бы около 30 часов, чтобы достичь земли. Верлинде математически вывел, что критическая точка, где законы Ньютона начинают сбоить, в точности совпадает с ускорением на космическом горизонте Вселенной, обусловленным постоянной Хаббла.
Хотя современные космологи предпочитают использовать парадигму темной материи для описания реликтового излучения и эволюции ранней Вселенной, Верлинде считает, что его объемный подход может пролить свет и на давние загадки, включая проблему «напряжения Хаббла» (разницу в измерениях скорости расширения Вселенной). Ученый подчеркивает, что его теория пока находится на предварительной стадии разработки и количественные расхождения с экспериментами на данном этапе закономерны, так как полноценная микроскопическая модель пространства де Ситтера еще только создается.
🌀 Мультивселенная, нелокальность и природа времени 1:04:37
Для объяснения аномально малого, но ненулевого значения темной энергии ($10^{-122}$) многие физики прибегают к концепции Мультивселенной, постулируя существование бесчисленного множества миров с разными физическими константами. Верлинде открыто признается в своей неприязни к этой идее, поскольку она оперирует объектами, которые принципиально невозможно наблюдать. Вместо этого он разделяет позицию Поля Дирака, полагая, что столь колоссальное число отражает лишь внутреннюю сложность и информационную емкость нашей собственной Вселенной.
Развитие эмерджентной гравитации заставляет ученых смириться с феноменом нелокальности, который когда-то так пугал Эйнштейна в квантовой запутанности (парадокс ЭПР). Хуан Малдасена и Леонард Сасскинд предложили равенство ER = EPR, связавшее квантовую запутанность (EPR) с пространственными кротовыми норами (ER). Верлинде подчеркивает иронию судьбы: статьи Эйнштейна по этим двум темам вышли в 1935 году с разницей всего в два месяца, и именно его собственные идеи теперь ведут к замене его же теории пространства-времени.
Современная физика, по мнению гостя, переживает фундаментальный сдвиг: если XX век прошел под знаком частиц, сил и пространства-времени, то XXI век оперирует кубитами, информацией и запутанностью. Из квантовой запутанности рождается не только пространство, но и само время: алгебра фон Неймана позволяет описать течение времени как генерацию потока через квантовые состояния. Верлинде не верит в существование финальной «теории всего», доступной человеческому разуму, метафорично описывая реальность фразой «черепахи до самого низа». Тем не менее, универсальные законы термодинамики, сформулированные когда-то Больцманом, дают надежду на то, что эмерджентные законы гравитации останутся незыблемыми, независимо от того, насколько глубоко человечество сможет познать истинную микроскопическую реальность.
