Текст книги "Тайны открытий XX века"

Автор книги: Александр Волков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 38 страниц)

Как расставить все точки над i

Одно из перечисленных выше свойств и есть та лазейка, через которую тахионы влетели в мир эйнштейновской относительности, да так и остались в нем. Тахионы обладают мнимой массой покоя – не отрицательной, не положительной, не нулевой, а мнимой, то есть квадрат этой величины меньше нуля.

В мире математики у этой массы покоя есть «родственная душа» – i, корень из минус единицы. В мире действительных чисел i места нет. Однако стоит перемножить это число само на себя, как оно, изменившись до 1, проникает в ряды «обычных» чисел. Вообще же мнимые и действительные числа образуют так называемое «комплексное числовое пространство», в котором можно находить ответ на любые задачи.

Вот и гипотетические тахионы: они – пусть в отдельных гипотезах – образуют удивительное единство с миром тардионов. В этой «комплексной Вселенной» время не тратится безвозвратно, растекаясь в пучине наших дел, а переливается из Будущего в Прошлое и наоборот. Время течет по замкнутому кругу, и оба его направления – вперед и назад – равноправны. Это время поистине равно библейскому Времени: оно вмещает в себя все свои ипостаси. «Время родиться и время умирать.., время разрушать и время строить,., время отыскивать и время дать потеряться, время хранить и время тратить, время рвать и время сшивать» (пер. И.М. Дьяконова).

Одно время не теряет связи с другим. Из одного времени в другое тянутся «нити». Чем не повод пофантазировать? В научной фантастике сплошь и рядом с помощью сверхсветовой (читай: тахионной) связи летят весточки в прошлое, чтобы повлиять на события, которые только свершатся. Короче: тахионы – незаменимое «топливо» любой машины времени. Вот только можем ли мы, особи, состоящие из тардионов, получать весточки, сложенные совсем из иной материи? Не запрещено ли это законами природы?

Вот классический парадокс: тахионная машина саморазрушения. Ее можно запрограммировать так, что она взорвется в два часа дня, если в час дня получит приказ, отправленный в три. Но если машина в самом деле получит команду в час дня, тогда часом позже она взорвется, и никакой приказ никогда не отправит в прошлое. Но если этого не произойдет, она не взорвется в два, и тогда приказ будет отправлен… Логическая неувязка. Машина взорвется, если только… не взорвется.

Джеральд Фейнберг называл подобные неувязки «главным возражением» против существования тахионов. Если бы к нам беспрерывно прилетали вести из будущего, мир превратился бы в хаос, в котором исчезло бы всякое представление о причинах и следствиях. Внезапно цепочки событий, которые мы привычно выделяем в окружающем нас мире, свились бы в непроглядный лабиринт, где не найти ничего закономерного – где обманывало бы любое явление.

Большинство физиков придерживаются того же мнения. Но, может быть, ученые не вполне точно представляют себе мир тахионов? Да ведь и теория Эйнштейна – вовсе не всеобъемлющее учение. Будущим генерациям теоретиков еще предстоит в поисках «единой формулы мироздания» связать воедино теорию относительности и квантовую механику. Понадобятся ли в этой формуле тахионы? Впишутся ли они в этот научный конструкт? И как тогда разрешится, например, приведенный выше парадокс?

^{«Мы привыкли считать, что наши действия определяются лишь нашим прошлым, но это не всегда так», – говорит американский физик Лоренс Шульман}

А вообще, всегда ли мы правы, доискиваясь в происходящем до сути – до четкой картины причин и следствий? «Мы привыкли считать, что наши действия определяются лишь нашим прошлым, но это не всегда так, – говорит американский физик Лоренс Шульман. – Возможно, сосуществуют две противоположно направленные стрелы времени. Тогда нам придется отказаться от традиционного принципа причинно-следственных связей… Нам уже нельзя будет четко разграничивать причины и следствия».

Что, например, ведет вперед, к триумфу, человека, одержимого какой-либо великой идеей? Быть может, он бессознательно ощущает, что настанет день и эту идею он претворит в жизнь? О таких людях говорят: «Его ведет счастливая звезда». Почему его? Почему не других? Потому что много лет спустя именно он добьется триумфа! Все остальные потерпят поражение. И «отсвет» будущего успеха, – сказал бы энтузиаст обсуждаемой нами гипотезы, – лежит на челе этого героя, принесенный к нему… потоками тахионов.

Жили-были в трех параллельных мирах…

Некоторые исследователи полагают, что уже в опытах наших современников удается проникать в таинственный мир тахионов. Время от времени из какой-нибудь научной лаборатории приходит известие о том, что в эксперименте удалось достичь сверхсветовой скорости. Однако всякий раз находится более прозаичное объяснение этого опыта.

Так, случалось, что творцы подобных сенсаций, например, не учитывали, что известная нам константа – скорость света – это скорость распространения света в вакууме. В такой среде, как стекло или вода, свет движется медленнее. А вот нейтрино или электроны перемещаются здесь быстрее, чем свет, – они движутся со «сверхсветовой скоростью», что и фиксируют приборы. Одновременно наблюдается характерное голубоватое свечение. Впервые этот эффект наблюдал советский физик, будущий нобелевский лауреат, П.А. Черенков в 1934 году. Сторонники «тахионной гипотезы» тоже говорили о том, что если бы тахионы обладали электрическим зарядом, то при их движении наблюдался бы эффект Черенкова-Вавилова. Подобные вспышки света искали, но так и не зафиксировали. В конце концов, пришлось предположить, что у тахионов нет электрического заряда.

А может быть, тахионы участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами атомов? Вот и миры тардионов и фотонов вовсе не отделены друг от друга непроницаемой стеной.

Тогда немедленно возникают вопросы. К примеру, такой: в гравитационном взаимодействии участвуют объекты, обладающие некоторой массой. Если масса мнимая, то и сила тяготения будет мнимой. Как это можно представить в нашем реальном мире?

Если же тахионы никак не взаимодействуют с материей, то и обнаружить их нельзя. Мир тахионов, образно говоря, «параллелен» нашему миру; оба они не пересекаются друг с другом. Мы можем описывать тахионы на языке математики, но эти формулы не оживут для нас ни в одном эксперименте.

^{Физик Ричард Готт из Принстонского университета предположил, что в момент Большого Взрыва зародились сразу три вселенных} 

Физик Ричард Готт из Принстонского университета предположил, что в момент Большого Взрыва зародились сразу три вселенных: наша состоит из материи, и время в ней течет из прошлого в будущее; в другой вселенной все состоит из антивещества, и время в ней течет вспять; третья вселенная лежит по ту сторону светового барьера – она состоит из тахионов.

Три «параллельных мира»… Ничто не соединяет их. Но, может быть, «тени» других миров все-таки падают на наш мир, как порой падает на землю тень пролетающего над ней самолета?

Иные физики считают подобной тенью… нейтрино и пытаются доказать свои гипотезы и теоретически, выстраивая цепочки превращений одних частиц в другие, и практически, наблюдая за нейтрино. Подобные эксперименты не приносят пока ожидаемых результатов, но отбрасывать саму идею тахионов нельзя, говорят энтузиасты. Тахионы могут существовать, отнюдь не перечеркивая теорию Эйнштейна, а вписываясь в нее – пусть даже на сверхсветовых скоростях!

1.8. ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ

Время течет беспрестанно и бесповоротно. Так происходит в повседневной жизни. Однако до сих пор остается загадкой, какова физическая природа феномена времени. Возможно, время порождено расширением Вселенной. Тайна времени – одна из важнейших проблем современной физики.

Мне кажется, что есть глубокое несоответствие между тем, что мы ощущаем, воспринимая течение времени, и тем, что наши теории говорят об окружающем мире

Роджер Пенроуз, американский физик

По законам релятивистского времени

Законы физики не приближают нас к пониманию природы времени. В них нет ничего, что мы могли бы интерпретировать как описание времени, процесса его течения.

С появлением частной теории относительности мы начали все отчетливее понимать, насколько загадочен и сложен феномен времени. Ведь из уравнений, выведенных Эйнштейном, явствовало, что для двух человек, движущихся один относительно другого, само время течет по-разному. Чем быстрее перемещается человек, тем медленнее для него течет время. Классическим стал пример с молодым космонавтом, который вернулся на Землю после полета со скоростью, близкой световой, и увидел, что его брат-близнец за короткое время разлуки стал дряхлым стариком; сам же космический странник, «человек юный, бодрый», с ужасом глядел на эту непостижимую перемену.

С точки зрения Эйнштейна и современных физиков, в этой перемене не было ничего сверхъестественного. Такого понятия, как «истинное время», не может быть. У каждого наблюдателя есть свое собственное, «индивидуальное время».

В современных космических полетах время замедляется всего на считанные доли секунды, поскольку скорости полетов невысоки. Если же когда-нибудь ракеты помчатся со скоростью, близкой световой, то «парадокс близнецов», возможно, воплотится наяву.

В экспериментах, проведенных физиками, уже доказана относительность времени. Так, в опыте немецкого физика Геральда Хубера, поставленном в начале 1990-ых годов в лаборатории Гейдельбергского университета, ионы лития разгоняли до скорости 19 200 километров в секунду. Затем сравнивали их поведение с поведением частиц, находившихся в покое. Так было установлено, что для ионов лития, мчавшихся с большой скоростью, время замедлялось на одну десятимиллионную долю секунды.

Особенно эффектен был эксперимент, поставленный в 1976 году. Известно, что период полураспада мюонов, тяжелых собратьев электронов, составляет полторы миллионные доли секунды. В лабораторных условиях мюоны удалось разогнать до скорости, равной 99,94 процентам скорости света. Тут-то и выяснилось, что продолжительность их жизни возросла в 29 раз.

^{Еще пару веков назад Вселенную любили сравнивать с часовым механизмом}

^{Самый точный прибор, измеряющий время, – это атомные часы} 

Ситуация станет еще запутан-нее, если принять во внимание уравнения обшей теории относи-тельности. Согласно им, мощные источники гравитации, то есть сверхмассивные объекты, также замедляют течение времени. И это доказано экспериментально.

Если взять пару чрезвычайно точных атомных часов, показывающих одно и то же время, и оставить одни часы в лаборатории, а другие поместить на борт самолета, совершающего сверхдальний перелет, то после его приземления часы на его борту будут спешить на несколько миллиардных долей секунды. Наша планета создает мощное гравитационное поле и замедляет течение времени. Данный эффект был достоверно зафиксирован еще в семидесятые годы. В 1985 году он был подтвержден с высокой степенью точности в рамках эксперимента NAVEX, проводившегося на борту космического корабля «Space Shuttle».

Меняется время и в окрестности черных дыр. При приближении к черной дыре постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила замедляет бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на часы, лишь изредка толкая стрелку. Это время за пределами черной дыры мчится, как лавина с горы. Здесь же, возле самого сердца Тьмы, время словно взрывается. За доли секунды остынет Солнце – будто и не было пяти миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, еще недавно уходившая в вечность, внутри черной дыры сжимается в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть «до скончания веков». А потом?

По всем расчетам, там должна наступить сингулярность – то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры – средоточие нашего неведения. Там нарушаются законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.

Приходится признать, что наши привычные представления о времени крайне примитивны, поскольку опираются лишь на известные нам факты – на наблюдение за природой одного крохотного уголка мироздания. Вселенная же непомерно велика и неведома.

Куда метит стрела времени

Согласно общей теории относительности, время существовало всегда. Однако многие физики, например, Стивен Хоукинг, полагают, что в момент Большого Взрыва, не только возникла материя, но и родились пространство и время. «Рассуждать о том, что было за секунду до Большого Взрыва, так же бессмысленно, как и говорить о том, что находится на километр к северу от Северного полюса», – поясняет Хоукинг.

Да что там «за секунду до»?! По мнению физиков, не существовало и некоторых моментов времени после Большого Взрыва. Предположительно, есть «квант времени» – минимальный неделимый отрезок времени. Подсчитана и его величина – десять в минус сорок третьей степени секунды. В таком случае нельзя спрашивать, что было через десять в минус пятидесятой степени секунды после Большого Взрыва или что было через десять в минус сотой степени секунды. Таких моментов времени просто не было в природе.

Пустота, мнимость, ничто – и вдруг, как по мановению фокусника, из пустоты рождается доля секунды, «Северный полюс времени». И в следующие мгновения выстроится цепочка этих песчинок времени – его квантов. Цепочка, уходящая за горизонт. На веки веков! Река времени, пробившая твердь пустоты. Теперь ее бег не остановить.

Но почему же время течет в одном направлении? Почему его река не петляет, не сворачивает, не возвращается к истоку? Почему она необратима, как кажется нам? Основные законы физики, описывающие природные феномены, инвариантны по отношению к времени. Это значит, что в принципе любой физический процесс является обратимым. Время отнюдь не течет из прошлого в будущее – с таким же успехом оно может течь из будущего в прошлое. Однако повседневный опыт учит иному: что-то мы ни разу не видели, чтобы осколки разбитой чашки снова склеились или упавшее яблоко взлетело вверх.

И тут нельзя не вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что энтропия, то есть «мера беспорядка», замкнутых систем неизменно нарастает. Порядок превращается в хаос. Конечно, в отдельных сегментах системы может происходить и нечто противоположное: чашка склеивается, яблоко, вопреки мнению Ньютона, взлетает на ветку. Однако вероятность этого практически равна нулю, – ну, может быть, пару раз в вечность и случится такое.

Значит, второй закон термодинамики нарушает симметрию времени. Физики говорят о «термодинамической стреле времени», которая, может быть, и заставляет время течь из прошлого в будущее. Проблема только в одном: этот закон нельзя вывести из основных уравнений физики. Это – постулат, в его основе лежит опыт, обретенный многими поколениями людей.

Такой ответ не устраивает физиков, представителей строго научной школы. В 1998 году сотрудники CERN провели эксперименте К-мезонами, или каонами, и их античастицами – антикаонами, анализируя скорость их распада. Результаты этого эксперимента можно истолковать так: время течет назад и вперед с разной скоростью, то бишь время отнюдь не зеркально симметрично. Физики говорят об «асимметрии времени в квантовом мире», о «врожденной ориентации каонов во времени», о «стреле времени в микромире».

По предположению израильского физика Ювала Неемана, «направленность времени, проявляющаяся в поведении каонов, связана с расширением Вселенной». Если бы Вселенная не расширялась, а сжималась, то преобладали бы антикаоны.

Итак, физики вновь и вновь возвращаются к мысли о том, что Большой Взрыв породил время, а начавшийся процесс расширения Вселенной сыграл роль «стрелы времени», придал происходящему в ней особую внутреннюю динамику.

^{По мнению Лоренса Шульмана, во Вселенной есть островки, где время течет вспять}

Что же касается термодинамических процессов деградации, наблюдаемых во Вселенной, то они, как предположил, нобелевский лауреат Илья Пригожий, являются локальными событиями, и нет доказательств, будто они определяют ее судьбу. Во Вселенной, полагают некоторые космологи, есть и островки, где время течет вспять. По мнению Лоренса Шульмана, «подобные островки могли бы состоять из невидимой нами темной материи, из которой состоит большая часть Вселенной».

Вообще, если оставаться на строго научных позициях, нельзя однозначно сказать, не повернет ли «стрела времени» когда-нибудь назад и не начнет ли Вселенная сжиматься, а время – течь вспять. Тогда процесс самоорганизации возьмет верх, и Вселенная будет вечно становиться все сложнее. Пойдут вспять и термодинамические процессы: например, холодные газы, рассеянные в космическом пространстве, начнут само собой нагреваться – только за счет постепенного сжатия Вселенной.

«Вселенная вступит в эру чудес. Лучи света превратятся в звезды, из упавших яблок вырастут деревья, из горсток праха возродятся люди – они будут молодеть на глазах, пока не превратятся в нерожденные комочки клеток», – пишет австралийский философ Хью Прайс, автор книги, посвященной «стреле времени».

Впрочем, астрономические открытия последних лет свидетельствуют, что наша Вселенная будет, по-видимому, расширяться вечно. Со временем все разрушится, Вселенная опустеет. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр. Все пространство заполонит космическая пыль. Вечность преборет все, хотя, как печально заметил Джеймс Джойс, «к концу всех этих биллионов и триллионов лет вечность едва начнется».

Под действием силы тяжести отдельные пылинки время от времени будут сливаться друг с другом. Эти сгустки, коллапсируя, вновь превратятся в черные дыры, которые вслед за тем снова аннигилируют. Вселенная, как заезженная пластинка, будет какое-то время наигрывать одну и ту же мелодийку: сгущение, коллапс, аннигиляция, сгущение, коллапс, аннигиляция… Но когда-нибудь уничтожатся и эти остатки вещества.

К тому времени вся жизнь во Вселенной, «свершив печальный круг, угаснет». В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей.

Что впереди? «Холодно, холодно, холодно. Пусто, пусто, пусто. Страшно, страшно, страшно» (А.П. Чехов). И течет бесконечное Время.

… Легко понять, что в опустевшей Вселенной не будет стрелы времени, потому что там ничего не будет происходить. Вселенная словно умрет… Чтобы родиться в новых гипотезах физиков! И тогда вместе с ней, как феникс из пепла, восстанут и время, вытянувшись цепочкой квантов, и стрела времени. Все начнется вновь? Станет еще одним звеном в той цепи перерождений, в которую веруют буддисты? И что это за цепь? Время? Так что же такое время?

1.9. МАШИНЫ ВРЕМЕНИ ПОЛЕТЯТ СКВОЗЬ ИЗЪЯНЫ ПРОСТРАНСТВА?

Известный – и проверенный временем – принцип физики гласит, что произойти может все, что не запрещено законами природы. Поэтому многим ученым стало не по себе, когда они обнаружили, что, по принципиальным соображениям, теория относительности Эйнштейна отнюдь не исключает появление машины времени.

 
Скромная дама по имени Брайт
Быстрее света любила летать.
Тихо покинула нас, в прошлое перенеслась
Релятивистская дама по имени Брайт.
 

А.Х. Реджинальд Баллер

В век каменный на железной птице?

С тех пор физики раздумывают над тем, как можно использовать формулы Эйнштейна для построения машины времени. Выдвигались самые разные идеи, но лишь один концепт выдержал критику оппонентов. Речь идет о так называемых «червоточинах» – особых туннелях, ведущих из одной эпохи в другую (их называют также «кротовыми норами»).

Общая теория относительности позволяет нам однозначно описать подобную «червоточину». Как только один ее конец придет в движение, часы, висящие здесь, замедлят свой бег. По крайней мере так будет казаться со стороны. Это явление называется релятивистским расширением времени. «Чем быстрее одна система отсчета движется относительно другой, – писал Эйнштейн, – тем сильнее время в ней замедляет свой ход».

Перемещаясь по «червоточинам», можно переноситься в прошлое или будущее, а также молниеносно перелетать с одного конца Вселенной на другой. Эта идея увлекла даже вполне уважаемых физиков. Так, лет десять назад статью на эту тему в «Physical Review Letters» опубликовали Кип Торн, Майкл Моррис и Ульви Юртсивер из Калифорнийского технологического института. «Цивилизация, достигшая бесконечно высокого уровня развития, могла бы превратить подобную “червоточину” в настоящую машину времени», – полагает Кип Торн.

^{В 1979 году Стивен Хоукинг стал профессором прикладной математики и теоретической физики в Кембриджском университете (Великобритания). Триста лет назад эту кафедру занимал Исаак Ньютон, с которым Хоукинга часто сравнивают}

Вот пример: путешествуя по галактике, космонавт наткнулся на небольшую «червоточину». На входе в нее он оставляет своего напарника (для вящего эффекта скажем, что это его брат-близнец). Теперь, взяв на буксир другой конец «червоточины», он унесется прочь почти со световой скоростью. Через некоторое время он остановится и повернет назад, туда, где его брат ожидает окончания эксперимента. И тут выяснится, что пока наш герой «маневрировал» в Космосе (это заняло совсем немного времени!), его брат изнемог от ожидания. Для него прошло, быть может, несколько десятилетий! Наш же герой ничуть даже не состарился.

Подобный мысленный эксперимент основан на «парадоксе близнецов», придуманном Эйнштейном. Согласно ему, если один из братьев остается на Земле, а другой, усевшись в космический корабль, уносится с огромной скоростью прочь, то для него время идет медленнее, чем для того, кто остался ждать. Благодаря «червоточине» этот парадокс к общей радости разрешается. Состарившемуся братцу достаточно потерпеть, пока его единокровный родственник не примчится назад и не привезет с собой другой конец «червоточины». Теперь, стоит юркнуть туда, можно попасть в свое прошлое. Миновав этот туннель, обретаешь давно исчезнувший мир и самого себя, только молодого, такого, каким ты был в ту пору, когда твой брат отправился в путешествие.

Есть лишь одно ограничение. Путешествуя в прошлое подобным образом, можно добраться лишь до того момента, когда эту «червоточину» впервые использовали как машину времени. Проникнуть куда-нибудь дальше и стать очевидцем «времен Очаковских и покоренья Крыма» – нельзя. Зато в другую сторону дорога открыта, и можно катапультироваться в будущее.

«Смеем надеяться, что когда-нибудь, при соответствующем развитии науки и техники, людям удастся построить машину времени, – обмолвился как-то Стивен Хоукинг, выступая с лекцией в Кембриджском университете. – Но если это так, почему до сих пор никто никогда не прилетал к нам из будущего, дабы поведать, как там идут дела? Быть может, на то есть свои разумные причины, и пока мы находимся на нашей нынешней, примитивной стадии развития, тайна путешествия во времени должна быть скрыта от нас».

Можно вообразить себе даже поездки, организованные турфирмами по маршруту «В век каменный на железной птице» (рекламный слоган, как часто бывает, обманчив). Итак, в девять утра в субботу вы прибываете на стоянку «Тайм-экспресс» и с любопытством смотрите, как водитель разогревает «автобус времени». Эта странная конструкция вращается с невероятной скоростью. Рядом, на табло, – два циферблата. Один исправно показывает время – вы может сверить по нему часы. Второй как будто барахлит. Циферки на экране мелькают все реже. Время зримо замедляется. В самом деле этот циферблат показывает, сколько сейчас времени внутри этой конструкции, – а время там подчиняется высшей логике мироздания, описанной уравнениями Эйнштейна, а вовсе не нашему здравому смыслу – узкому провинциальному кругозору жителя планеты Земля, что затеряна где-то в Млечном Пути.

Однако мы отвлеклись. Пора отправляться в путь. В одиннадцать часов вы входите внутрь этой диковинной конструкции и – ничего особенного, никаких рыцарей Грааля, живого кодоведа да Винчи или тирексов юрского периода. Обычный коридор, только очень длинный. Вы идете по нему почти час. Даже надоедает глазеть по сторонам. Перед вами распахивается дверь. Вы спрыгиваете в проем, невольно взглянув на часы: 12.00 и – попадаете в прошлое. Вот и солнце еще не так высоко, и уличные часы показывают всего десять. Вы перенеслись на целый час назад. Только и всего? Но ведь и первые фильмы в синематографе длились считанные минуты и не демонстрировали зрителям ничего, кроме политых поливальщиков и прибывших поездов. А вот теперь, глядите-ка, как все развернулось! Может статься, так и произойдет когда-нибудь с путешествиями во времени?

Что если астрофизики какой-нибудь высокоразвитой цивилизации уже научились выискивать в квантовой пене миниатюрные червоточины и увеличивать их? Но если такое возможно, то, может быть, Хоукингне прав, и депутации их туристов давно посещают нас тайком, перелетая из будущее в наше «такое унылое», кажется нам, настоящее, чтобы полюбоваться им, вглядеться в «невыносимую легкость земного бытия», как мы, став зрителями, глядим порой на счастливые и трагические картины, разыгрываемые на театральной сцене?