Мы привыкли считать пространство пустой и гладкой сценой, на которой движутся планеты, звезды и частицы. Любой отрезок можно разделить пополам, затем еще раз, потом еще. Кажется, что продолжать это можно бесконечно.

Но современная физика допускает более странную возможность. На глубинном уровне пространство может оказаться не непрерывным, а состоящим из минимальных элементов. Меньше определенного масштаба привычные расстояния, возможно, просто теряют смысл.

У Вселенной может существовать собственное разрешение. Почти как у цифрового изображения, только ее «пиксели» совсем не похожи на квадраты экрана.

2. Почему физики вообще об этом заговорили?

В общей теории относительности пространство-время остается гладким. Масса и энергия искривляют его, а планеты и свет движутся внутри этой геометрии.

Квантовая механика показывает другую картину. Энергия, угловой момент и некоторые другие физические величины могут меняться отдельными порциями — квантами.

Отсюда возникает вопрос: если материя подчиняется квантовым законам, почему сама геометрия пространства должна оставаться бесконечно гладкой?

Особенно остро проблема проявляется при описании черных дыр и ранней Вселенной. В этих условиях плотность и искривление становятся настолько большими, что общая теория относительности приводит к сингулярностям — областям, где вычисления дают бесконечные значения.

Физики считают, что здесь должна вступить в действие квантовая гравитация. Но единой подтвержденной теории квантовой гравитации пока нет.

3. Что такое планковская длина?

Когда говорят о возможном минимальном масштабе, обычно называют планковскую длину. Она составляет примерно:

1,6 × 10⁻³⁵ метра.

Это невероятно малая величина. Протон больше планковской длины примерно в сто квинтиллионов раз.

Но планковскую длину нельзя автоматически называть размером «атома пространства». Она лишь обозначает масштаб, на котором квантовые эффекты гравитации, вероятно, становятся особенно важными.

Ни один современный прибор не способен рассмотреть пространство на таком уровне напрямую.

4. Как может выглядеть квантовое пространство?

Один из известных подходов называется петлевой квантовой гравитацией. В нем пространство описывается с помощью сети квантовых состояний.

Узлы и связи такой сети задают свойства геометрии. Площадь и объем в математическом аппарате теории могут принимать определенные дискретные значения, а не любые числа подряд.

Это немного напоминает лестницу. По ней можно стоять на одной ступени или на другой, но нельзя остановиться между ними.

Однако представлять пространство набором крошечных кубиков было бы ошибкой. Эти элементы не обязательно расположены внутри какой-то уже существующей решетки.

Наоборот, сама сеть должна создавать то, что на больших масштабах мы воспринимаем как расстояние, объем и форму.

Квантовые элементы не находятся в пространстве. Теоретически именно из их отношений пространство и возникает.

5. А что предлагает теория причинных множеств?

Есть и другой подход. В нем пространство-время состоит из отдельных событий, связанных причинными отношениями.

Одно событие может произойти раньше другого и повлиять на него. Из огромного количества таких связей должна возникать привычная геометрия.

Здесь тоже нет готовой сцены, на которой расставлены частицы. Сначала существуют события и отношения между ними, а уже потом появляется крупномасштабное пространство-время.

Это похоже на фотографию, собранную из отдельных точек. Издалека изображение выглядит гладким, но при сильном увеличении проявляется внутренняя структура.

6. Почему нельзя просто найти эти «пиксели»?

Главная проблема — масштаб.

Чтобы непосредственно исследовать расстояния порядка планковской длины, потребовались бы энергии, недоступные даже самым мощным ускорителям частиц.

Поэтому ученые ищут косвенные признаки. Например, возможная зернистость пространства могла бы влиять на распространение света от далеких источников.

Фотоны разных энергий могли бы двигаться немного по-разному, если бы пространство напоминало сложную микроскопическую среду.

Для проверки изучают гамма-всплески, активные ядра галактик и другие далекие объекты. Их свет путешествует миллиарды лет, поэтому даже крошечный эффект мог бы постепенно накопиться.

Пока убедительного подтверждения такой задержки не найдено. Это ограничивает простейшие модели дискретного пространства, но не закрывает вопрос полностью.

7. Может ли пространство быть непрерывным?

Да, и это по-прежнему серьезная возможность.

Пространство-время может оставаться непрерывным даже в квантовой теории. А может оказаться не фундаментальным вообще.

Некоторые современные модели предполагают, что геометрия возникает из квантовой информации и запутанности. Тогда вопрос о мельчайших участках может быть поставлен неправильно.

Например, температура реальна, но отдельной частицы температуры не существует. Она появляется как общее свойство множества движущихся частиц.

Возможно, пространство устроено похожим образом. Оно кажется фундаментальным только потому, что мы наблюдаем мир на больших масштабах.

8. Что изменится, если пространство дискретно?

Такое открытие могло бы помочь объединить квантовую механику и гравитацию.

Возможно, оно объяснило бы, почему внутри черной дыры не возникает настоящая точка бесконечной плотности. Сжатие могло бы остановиться, когда геометрия достигнет минимально возможного состояния.

Дискретное пространство также способно изменить наше понимание Большого взрыва. Начало Вселенной могло быть не математической сингулярностью, а переходом между разными квантовыми состояниями геометрии.

Но пока это модели, а не установленные факты.

9. Главный вывод

Может ли пространство состоять из мельчайших неделимых участков?Современная физика допускает такую возможность.

Некоторые теории предсказывают дискретные значения площади и объема. Другие описывают пространство-время как совокупность отдельных событий или результат квантовых связей.

Однако ученые пока не нашли прямых доказательств существования «пикселей Вселенной». Планковская длина тоже не является подтвержденным размером минимальной ячейки.

Именно поэтому вопрос остается открытым.

Возможно, пространство действительно состоит из фундаментальных элементов. Возможно, оно непрерывно. А возможно, привычная идея пространства исчезнет из будущей теории так же, как исчезло представление о неподвижном эфире.

Мы живем внутри пространства каждую секунду, но до сих пор не знаем, чем оно является на самом глубоком уровне. И, пожалуй, это одна из самых удивительных загадок современной физики.