Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 15 (всего у книги 18 страниц)

Проблема причинности

Первоначально физикам казалось, что вопиющим противоречием является уже сам факт изменения временного порядка в процессах с тахионами. Ведь если, например, один наблюдатель зафиксировал, что тахион испущен атомом урана и поглощен атомом серы, то другой наблюдатель может увидеть, что атом серы поглощает тахион, который еще только будет испущен ураном. Явная бессмыслица!

Выход нашел работающий ныне в США пакистанский физик Сударшан. Он учел, что для любого процесса с элементарными частицами всегда можно найти обратный, в котором все частицы заменены на античастицы, а античастицы, в свою очередь, – на частицы. Другими словами, процесс испускания частицы всегда можно рассматривать, как поглощение античастицы, и наоборот. Такая симметрия хорошо проверена на опыте. Это означает, что, с формальной точки зрения, прямой и обратный процессы можно считать одной и той же реакцией, если античастицы рассматривать, как частицы, движущиеся обратно во времени. Например, если тело A испускает электрон или отрицательно заряженный тахион, который поглощается телом B, то ни в самой реакции, ни в ее окружении ничего не изменится, если считать, что на самом деле тело B испустило позитрон или положительный тахион, который затем поглотило тело A. А раз так, то, возвращаясь к опыту с атомами урана и серы, допустимо считать, что второй наблюдатель увидит процесс, в котором атом серы испускает антитахион, а атом урана его поглощает. И никакого противоречия нет, концы с концами сходятся.

С первого взгляда рассуждения Сударшана выглядят, может быть, не совсем понятными, но если изобразить их в виде простенькой схемы на бумаге, в них легко разобраться.

Тем не менее всех противоречий остроумное предложение Сударшана все же не устранило. Дело в том, что ни один сверхсветовой процесс нельзя изолировать от окружающей «досветовой» обстановки. Это можно сделать лишь в теории, а в реальном мире всякое явление бесконечным числом связей скреплено с окружающими телами. Полностью отгородиться от них невозможно. Таково одно из основных свойств нашего мира. Поэтому изменение направления времени в сверхсветовом процессе неизбежно приходит к противоречию с направлением течения времени в нашем мире, или, как говорят философы, со «стрелой времени», которая задается движением окружающих нас досветовых тел и временным порядком происходящих в них процессов. Если такие тела соседствуют с тахионами, возникают похожие на чудо ситуации, в которых нарушена причинная связь событий. Следствие может опередить вызывающую его причину.

Допустим, например, что охотник тахионной пулей поражает сидящую на столбе ворону. Космонавт же в иллюминатор пролетающей мимо ракеты увидит, что по какой-то непонятной причине из вороны вылетела тахионная пуля, которая была поймана ружьем охотника. А главное, тот каким-то образом заранее знал, в какую сторону и под каким углом ему следует направить ствол ружья, чтобы поймать шарик тахионного вещества! Космонавту все это покажется подлинным чудом. Подобных ситуаций можно придумать множество.

В мире со сверхсветовыми явлениями прошлое перепутано с будущим. Там ничего не стоит подсмотреть, что находится «по ту сторону завтра». Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. В таком мире наказание предшествует суду, а преступление совершается в последнюю очередь. Там можно найти такую систему координат, где еще не родившийся внук может поговорить по сверхсветовому телефону со своей давно умершей бабушкой. Стоит только изменить скорость, и вы из будущего перенесете свой взор в далекое прошлое или наоборот. Там можно застрелить самого себя в прошлом. Куча нелепостей! Фантасты, которые в своих романах пишут о космических кораблях со сверхсветовыми скоростями, наверное, ничего не слышали об этих парадоксах.

Как избавиться от нарушений причинности в процессах с тахионами и можно ли это вообще сделать, остается не ясным. Недавно итальянским физикам удалось показать, что нарушение причинности всегда сопровождается нарушением законов сохранения энергии и импульса. Другими словами, если требовать точного выполнения этих законов, то нарушающие причинность взаимодействия просто не должны происходить, и физическое тело по отношению к тахионам будет вести себя, как абсолютно прозрачное. К сожалению, это тоже не устраняет всех противоречий. Оказывается, если невозможно взаимодействие тахиона с телом, как с целым, то может произойти взаимодействие с его частью или наоборот. Полностью запретить непричинные взаимодействия не удается.

Результат итальянских физиков можно считать теоретическим доказательством того, что в больших, макроскопических областях пространства и времени тахионов нет, так как иначе нарушалась бы не только причинность, но и законы сохранения энергии и импульса, можно было бы построить вечный двигатель, превратить холод в тепло и тому подобное. Поскольку ничего такого в природе не бывает, то тахионы, если они все же рождаются в нашем мире, не могут выходить за пределы ультрамалых пространственно-временных областей. Опыт подсказывает, что временной порядок там становится не таким строгим, как на больших расстояниях, и его зависимость от системы координат уже не будет нарушать причинность.

При этом, конечно, возникает вопрос: что же удерживает тахионы в ультрамалом, не дает им разлететься?

Как будет, если, например, тахионы – короткоживущие частицы, обладающие способностью самоускоряться? Время жизни таких частиц будет сокращаться при увеличении их скорости, и, самоускоряясь, они распадутся почти сразу же вблизи точки своего рождения. Могут быть и другие причины «пленения» сверхсветового вещества, природа неистощима на выдумки.

Как бы там ни было, пока нет никаких запретов существованию тахионов в очень малых областях пространства и в течение очень кратких моментов времени. Следовательно, и время там может идти вспять. А вот существуют ли на самом деле такие частицы и такие вывернутые во времени процессы – здесь слово за экспериментом.

Что говорит опыт?

Понятно, что обнаружить сверхсветовые частицы можно лишь по следам, которые они оставляют в окружающем веществе. Но могут ли вообще частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что эти два типа вещества просто не чувствуют друг друга, проходят одно сквозь другое, как свет сквозь прозрачный материал. Если это так, то тахионы – ненаблюдаемые объекты, а световой и сверхсветовой миры оторваны один от другого – у них просто нет точек соприкосновения. Трудно, однако, думать, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же между тахионами и досветовым веществом есть взаимодействие, то тахионы должны рождаться при столкновениях досветовых частиц и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении средств.

Таких опытов выполнено уже немало. В ряде случаев отмечались эффекты, которые, в принципе, можно было бы приписать сверхсветовым частицам. Однако всегда удавалось найти и более привычное объяснение. Например, английские физики изучали распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере высокоэнергетическими частицами космического излучения. Во многих ливнях детекторы зафиксировали сигналы, значительно опережающие приход лавины частиц. Этот результат можно объяснить, допустив, что в ливне присутствуют частицы со скоростями, намного большими, чем у остальных. А поскольку скорость большинства частиц в ливне близка к скорости света, это, казалось бы, подтверждает присутствие тахионов. К сожалению, более детальный анализ показал, что, сделав некоторые дополнительные предположения, не выходящие за рамки известной досветовой физики, опережающие сигналы детектора можно объяснить причинами технического характера, как неточные, ложные выбросы.

Особенно часто сверхсветовые аномалии возникают в астрономических наблюдениях, где детали движения изучаемых объектов бывают плохо известны. Так, недавно в печати сообщалось о наблюдении американскими астрофизиками сверхсветовых выбросов вещества квазарами – излучающими огромную энергию космическими объектами на краю видимой нами части Вселенной. Из сравнения двух фотографий, сделанных с интервалом примерно в один год, получен вывод о том, что выбросы удаляются от квазаров со скоростью, в несколько раз превосходящей световую. Тем не менее последующий анализ обнаружил такие особенности процессов, которые устранили противоречия с «досветовой физикой». Тахионный эффект оказался всего лишь оптическим обманом.

Интересный опыт по поиску тахионов в микропроцессах выполнили другие американские физики. Они допустили, что тахионы взаимодействуют с веществом, как и досветовые частицы, но время их жизни чрезвычайно мало. Участвуя во взаимодействиях, они изменяют энергии и направления движения досветовых частиц. Эти изменения совсем не такие, какие вносили бы быстро распадающиеся частицы со скоростями, меньшими, чем у света. Вот по таким специфическим искажениям параметров участвующих в реакции частиц и можно установить, принимали в ней участие сверхсветовые тахионы или нет. При тщательной обработке экспериментального материала были обнаружены ожидаемые аномалии в скоростях и углах вылета. Они хорошо объяснялись, если допустить, что сталкивающиеся в реакции частицы обменивались (как бы играли в бадминтон) тахионами с массой, большей нуклонной, и временем жизни около 10^-24 секунд.

Однако и здесь можно объяснить результаты опытов, если сделать дополнительные допущения. И хотя по мнению выполнявших эксперимент физиков такое объяснение более сложно, срабатывает знаменитая «бритва Оккама» – если явление можно объяснить на основе уже известных принципов, такому объяснению отдается предпочтение.

Ни один из выполненных экспериментов не дал убедительных доказательств существования сверхсветовых частиц. Но они не доказали и обратного, поскольку во всех опытах есть особенности, которыми можно, хотя бы отчасти, объяснить их неудачу.

Мы видим, что невозможность изменить направление времени уходит своими корнями в самые фундаментальные свойства материального мира – неисчерпаемость его внутренних взаимосвязей и их причинную обусловленность. В конечном счете именно эти свойства запрещают путешествия в машине времени. Изменить временной порядок событий, возможно, удастся лишь внутри субмикроскопических интервалов пространства и времени.

Со сверхсветовыми скоростями дело сложнее. Не исключено, что они могут встретиться нам и на больших расстояниях. Не следует забывать, что выводы об их тесной связи с обращением времени получены на основе формул теории относительности, которые могут оказаться неверными вблизи светового барьера, где концентрация энергии возрастает почти до бесконечности. Абсолютный нуль и бесконечность всегда были источниками новых открытий. В окрестностях светового барьера, возможно, потребуется какая-то новая теория, тогда условия причинности для сверхсветовых частиц могут стать совсем иными и не будут приводить к противоречиям. Хотя такая возможность сегодня кажется маловероятной, но все же… Устанавливая теоретические шлагбаумы на дорогах физики, следует быть осторожным.

Мир, построенный из пустоты

Слово «вакуум» обычно понимается как абсолютное «ничто» – «чистое пространство», в котором нет ничего материального. Однако мы уже видели, что это не верно. Такого пространства в природе нет. Квантовая механика показала, что в любом малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация, и из пустоты выплеснется и снова быстро погаснет электромагнитное или какое-либо другое поле, родятся и тут же исчезнут частицы. Вакуум так же материален, как и вещество. В различных мирах он разный. По существу, это – одно из состояний материи.

Ныне физики достаточно хорошо знают «крупнозернистые» свойства вакуума в пространственных кубиках с размерами вплоть до 10^-15 – 10^-16 сантиметров. О том, что творится в еще меньших объемах, можно строить лишь гипотезы. В частности, есть основания предполагать, что очень важную роль там играет гравитация. В обычных условиях она важна только для массивных, тяжелых тел; ее действие на элементарные частицы пренебрежимо слабое – слишком уж малы их массы. Однако на расстояниях порядка 10^-32 – 10^-33 сантиметров гравитация становится сильной и существенно влияет на свойства микромира. Там возможны всплески очень сильного гравитационного поля, которые приводят к тому, что пространство, причудливо изгибаясь и скручиваясь, образует замысловатые полости, почти самозамыкающиеся пузыри. Заполняющий мир вакуум становится похожим на пену, испещренную пятнышками ультрамикроскопических черных дыр – почти самозамкнувшихся объемов с исключительно сильным тяготением. Ультрамалые черные дырочки – весьма неустойчивые образования. Они сливаются, исчезают, появляются вновь.

Некоторые ученые придерживаются мнения, что вакуум – это такое состояние материи, из которого можно построить все остальные, все многообразие элементарных частиц и состоящих из них тел. Это может показаться невозможным – как это, весомая материя и вдруг… из пустоты? Однако для этого есть веские основания.

Создав свою общую теорию относительности, Эйнштейн впервые доказал, что законы физики можно свести к законам геометрии. В его теории силы тяготения имеют чисто геометрическое объяснение. Их можно рассматривать как проявление кривизны пространства и времени их действия на погруженные в вакуум физические тела. Кривизна старается направить их движение по оптимальному руслу – по своеобразным ложбинкам, что и воспринимается как некая сила. Но если удалось найти геометрическое объяснение для поля тяготения, то почему этого нельзя сделать для электромагнитного, внутриядерных и всех других полей, переносящих взаимодействие между частицами? Кроме того, следует иметь в виду, что все элементарные частицы обладают волновыми свойствами, поэтому их все можно считать квантами соответствующих волновых полей – нейтринного, электронного, кваркового и так далее. В физике есть специальный раздел «Квантовая теория поля», изучающий свойства таких полей. Для них тоже можно искать геометрическое истолкование.

Создается впечатление, что вообще всю материю – все частицы и все состоящие из них тела – можно рассматривать как проявление каких-то геометрических свойств пустого пространства: его кривизны, кручения, самозамыкания и так далее. Вдохновленный успехом своей теории, Эйнштейн писал, что теперь есть возможность считать пространство более первичным и фундаментальным, чем материя.

Иллюстрируя идею мира, построенного целиком из пустоты, известный американский теоретик Джон Уилер, профессор Института высших исследований в Принстоне, вблизи Нью-Йорка, проводит аналогию с наблюдателем, который с высокой башни изучает движение темных пятен на поверхности озера. Он изучил их движение настолько детально, что смог вывести для них уравнения и установить законы действующих между пятнами «эффективных» сил. Но вот однажды, вооружившись биноклем, он видит, что пятна – это не чужеродные объекты на поверхности жидкости, а всего лишь ее вихри. По мнению Уилера, элементарные частицы и все вещество нашего мира – такие же своеобразные «пятна» в пустом пространстве, особые возбуждения «вакуумной пены».

«Сумасшедшая» мысль о том, что в мире нет ничего, кроме пустого пространства в его различных формах, стала казаться особенно убедительной после того, как физики пришли к идее единого поля, объединяющего в себе все известные нам силы природы. Поскольку одно из его состояний, гравитация, имеет геометрическую природу, можно рассчитывать, что все остальные его состояния-братья имеют подобное же происхождение.

Вообще говоря, идея о чисто геометрической природе мира не является изобретением лишь нашего века. Ее высказывали и древнегреческие ученые. Пифагор был убежден в том, что в основе всех вещей и явлений лежит «гармония чисел». Он считал, что законы мира – это законы чисел, где все выражается через целые и их отношения. Другой древнегреческий мыслитель, Платон, доказывал, что самым первичным и исходным в природе являются законы геометрии. И всякий раз эти идеи наталкивались на непреодолимые трудности. Так, для Пифагора и его учеников выглядело необъяснимой загадкой, почему некоторые величины, например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали, нельзя выразить ни целым, ни дробным числом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течение многих лет скрывали его, как одну из самых ужасных, необъяснимых тайн бытия.

Сорок лет жизни безуспешно потратил Эйнштейн на создание полностью геометризованной картины мира. Не удалось ее построить и его последователям. Чтобы описать многообразие свойств мира, одного пространства недостаточно. Состояния единого поля действительно выражаются через величины, имеющие геометрический смысл, однако «чисто геометрическими» их можно назвать лишь формально. Таковыми они являются не в обычном окружающем нас пространстве, а в абстрактных математических пространствах, где по осям откладываются не длина, ширина и высота, а значения электрического заряда, странности цветного заряда и другие характеристики, не связанные с геометрией привычного нам трехмерного пространства и одномерного времени. Ведь с математической точки зрения, пространством можно назвать множество любых элементов, характеристики которых связаны такими же соотношениями, как координаты точек окружающего нас пространства. Математика позволяет единым образом описывать объекты самой различной физической природы, и геометрическими их можно назвать лишь потому, что связывающие их соотношения имеют сходную математическую структуру. То, что мы обычно называем пространством, – только одно из бесчисленного количества свойств природы. Мир нельзя построить из «чистой пустоты».

Это очень сложные вопросы, и не стоит унывать, если пока не все понятно. О пустоте-вакууме спорят с тех пор, как появилась наука, а сегодня эта проблема, пожалуй, центральная в теоретической физике. Длина, ширина и высота – только часть измерений пустого пространства. В микромире есть, по-видимому, еще шесть или семь дополнительных осей-измерений. И снова возникает вопрос: что же это такое – пространство? На этот вопрос не могут точно ответить пока ни философы, ни физики.

Пожалуй, на этом нам следует остановиться, иначе мы заблудимся в джунглях теоретических схем и гипотез. На переднем крае науки их много. Они во множестве рождаются на страницах физических журналов, борются и погибают, немного углубив и расширив наше знание, – ведь узнать, что неправильно или невозможно, тоже очень важно. Это расставляет вехи и ограничительные знаки на пути в Страну Неизвестного. Кроме того, бывают идеи, назначение которых в том, чтобы расшатать сложившиеся представления, так сказать, навести на размышления. Они как трамплин для бегуна.

Хотя физики-теоретики иногда с горечью говорят, что работают в основном на мусорную корзинку, их работа удивительно интересна. То, с чем рядовой читатель встречается в научно-фантастических повестях и романах, – лишь бледное отражение идей, с которыми в своей работе имеет дело теоретик. Трудно найти специальность, более интересную и увлекательную!

Впрочем, иногда можно услышать: а зачем все это нужно? Разве вокруг нас нет более земных и злободневных дел, которыми следует заняться прежде, чем тратить время, усилия и средства на изучение проблем, обещающих практическую отдачу лишь в далеком будущем? Оправдывает ли себя создание дорогостоящих ускорителей частиц и огромных радиотелескопов? Может быть, прав тот ученый, который на вопрос: «Что такое «чистая наука»?» – ответил с юмором, что это – удовлетворение собственного любопытства за государственный счет.

Эти вопросы мы и рассмотрим в следующей главе книги.

Глава IV

Надежды и трудности

Мы привыкли к быстрому и все ускоряющемуся прогрессу науки и спешащей за ней техники. Но насколько «вечен» такой прогресс? Продвижение вперед становится все более сложным и дорогостоящим. Оно сопровождается оскудением и без того уже истощенных природных богатств планеты. Вместе с тем резко возрастает объем научной информации, которую необходимо освоить, прежде чем приступить к исследовательской работе. Учиться приходится все дольше и дольше: семь классов, десять, институт, аспирантура, стажировка на производстве или в лаборатории… Возникает что-то вроде информационного барьера – чем больше мы узнаем, тем труднее двигаться дальше. Как жадному грибнику, который собирает все грибы подряд и сам не может унести то, что собрал. Невольно закрадывается подозрение: не может ли это стать причиной сначала замедления, а затем и конца науки?

Может быть, выход в том, чтобы ограничиться основными, наиболее перспективными направлениями, наикратчайшим путем ведущими к открытию новых законов природы? Но как узнать, какое направление является более перспективным?

А может быть, следует вообще прекратить самые дорогие научные исследования, ведь ученые и так открыли уже очень много законов, может, хватит?

Так что же все-таки ожидает науку в будущем? Где ее границы? Какие проблемы будут волновать ученых через много лет?