Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"
Автор книги: Владилен Барашенков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 14 страниц)
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ,
посвященная движению со сверхсветовой скоростью, которое происходит в фантастическом мире, где будущее перемешивается с прошлым и можно встретить еще не родившихся потомков и давно умерших предков. Читатель знакомится со сверхбыстрыми тахионами, у которых по сравнению с обычными частицами все шиворот-навыворот
Один из основных постулатов физики утверждает, что в природе существует максимальная скорость. Это скорость света в пустоте – около 300 тысяч километров в секунду. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Безмассовые частицы – фотоны, нейтрино и спрятавшиеся в недрах других частиц глюоны – перемещаются в пространстве с максимальной скоростью. Все другие частицы и тела движутся медленно. Почему? Что им мешает? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению с житейскими нашими скоростями, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Может, в природе все-таки существуют частицы, движущиеся быстрее света, а мы их просто еще не обнаружили? Допущение с научной точки зрения не столь уж крамольное. А если не обнаружили, то где следует их искать и какими свойствами может обладать «сверхсветовое вещество»?
Вопрос о сверхсветовых скоростях – один из спорных пунктов современной физики. Хотя большинство ученых считает, что в природе таких скоростей нет, это мнение не имеет под собой безусловных оснований. Вопрос продолжает беспокоить физиков. В самых серьезных и респектабельных физических журналах время от времени появляются статьи, которые еще и еще раз, с новых точек зрения, анализируют следствия сверхсветовой гипотезы. Число посвященных ей работ—книг, статей, докладов на конференциях – давно перевалило за тысячу.
Все гипотетические тела, движущиеся со сверхсветовыми скоростями, независимо от их массы, размеров и других свойств, принято называть тахионами. Как и многие другие названия в физике, этот термин восходит к греческому корню: слово «тахис» означает «быстрый», «стремительный». Чтобы понять трудности, к которым приводит гипотеза о существовании в природе таких физических объектов, давайте сначала познакомимся со свойствами, которыми они теоретически должны обладать.
Хорошо известно, что масса тела зависит от его скорости: чем быстрее оно движется, тем оно тяжелее. При небольших скоростях увеличение массы незаметно. Но если тело разгоняется так, что его скорость становится близкой к световой, тогда масса увеличивается многократно. В современных больших ускорителях масса электрона возрастает в миллионы и даже миллиарды раз. Электрон становится тяжелее протона. Но чем больше масса тела, тем труднее его ускорять: требуется все больше и больше энергии. Чтобы разогнать одну частицу до скорости света, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии – энергию всей Вселенной. Поскольку это невозможно, долгое время считалось, что тахионов в природе быть не может.
Советский физик Я. П. Терлецкий одним из первых обратил внимание на то, что этот вывод говорит лишь о невозможности перейти через световой барьер путем непрерывного наращивания скорости. Но существуют же частицы, с легкостью движущиеся со скоростью света,– фотоны и нейтрино! Они рождаются, сразу имея такую скорость, без всякого разгона А все оттого, что у них просто нет массы покоя (во всяком случае у фотона). Тахионы тоже должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Другими словами, это совершенно новая форма материи, отделенная от обычной непроходимым световым барьером. Переход происходит всегда скачком: частицы поглощаются и рождаются затем сразу по другую сторону барьера. Они как бы подныривают под него.
Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, когда их скорость уменьшается. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион ускоряется. Эксперимент и теория убеждают нас в том, что вблизи светового барьера частицы с досветовыми скоростями сжимаются в направлении своего движения, а время их жизни (если они склонны к распаду) возрастает. Размеры распадающегося тахиона, напротив, растут – он как бы распухает в направлении движения, а течение времени для него резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, он вытягивается вдоль всей своей траектории. Словом, у тахионов все наоборот, и к этому выводу приводят нас строгие формулы теории относительности.
Впрочем, у тахионов есть еще более поразительные свойства. Оказывается, например, что порядок событий, в которых участвуют сверхсветовые частицы (какое из них раньше, какое позднее), зависит от выбора системы координат. Если в некоторой системе отсчета один атом испускает тахион, а второй атом его поглощает, то в системе координат, движущейся с иной скоростью, этот процесс может выглядеть как переход частицы в обратном направлении: от второго атома к первому. Взаимодействие со вторым атомом здесь происходит раньше, чем с первым. Иначе говоря, в тахионных процессах разделение времени на прошлое и будущее условно, как условно, например, противопоставление правого и левого в нашей обыденной жизни: для меня это – левое, а для стоящего ко мне лицом собеседника – правое. Так и для тахионов – в одной системе координат событие происходит в будущем, а в другой оно оказывается и прошлом.
В тахионном мире ничего не стоит подсмотреть, что произойдет завтра, послезавтра, через год. Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. При этом возникают невероятные ситуации, в которых причинная связь событий нарушена.
У американского писателя-фантаста Рэя Бредбери есть знаменитый рассказ о том, как человек, отправившийся путешествовать в прошлое, пренебрег запретом «Ничего не трогай!» и, гуляя в древнем тропическом лесу, раздавил бабочку. Цепочка последовавших за этим причинно связанных событий привела к тому, что, возвратившись в свое время, неосторожный путешественник обнаружил свою страну такой же, какой она была прежде, только в фамилии человека, баллотировавшегося на пост президента, изменилась буква, и это был уже не умеренный буржуазный демократ, а потенциальный тиран. В мире со сверхсветовыми явлениями возможны и более удивительные происшествия: там можно устроить встречу давно умерших предков с их еще неродившимися потомками.
Свойства тахионов настолько удивительны, что возникают серьезные сомнения в возможности существования таких частиц. Правда, ускорение вместо торможения, распухание и размазывание по всей траектории – хотя и очень непривычные для нас вещи, считать их абсолютно невозможными нет оснований. Странно – не значит невозможно. К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Другое дело – причинность. Ее нарушение – вопиющее противоречие, не совместимое с естественным ходом вещей в нашем мире. Ведь в самом-то деле, не можем же мы беседовать со своими пращурами или давно умершими историческими личностями.
Как избавиться от нарушений причинности, к которым приводит гипотеза тахионов, и можно ли это вообще сделать, пока неясно. Этих трудностей нет в области очень малых пространственно-временных масштабов, где временной порядок событий, возможно, вообще нельзя установить или же он имеет смысл, весьма отличный от того, к которому мы привыкли в нашем макромире. Зависимость этого порядка от системы координат в этом случае не будет нарушать причинности. Некоторые опыты с элементарными частицами указывают на то, что в, субмикроскопических областях пространства и времени однозначно разделить прошлое и будущее действительно нельзя.
Тахионы останутся запертыми в области малых масштабов, если, например, все они короткоживущие частицы. Ведь, как говорилось выше, если время жизни распадающихся досветовых частиц растет с увеличением их скорости, то у тахионов оно, наоборот, уменьшается. Тахионы распадаются тем быстрее, чем больше их скорость, и это может произойти почти сразу же вблизи точек, где они родились. Наблюдать такие частицы в опыте будет крайне трудно. Вероятность их появления в макроскопических областях и, следовательно, вероятность нарушающих причинность явлений будут близки к нулю.
В последние десятилетия физики затратили много усилий на изучение так называемых нелокальных теорий, в которых на больших расстояниях все происходит, как обычно, а на малых взаимодействия совершаются со сверхсветовыми скоростями и поэтому как бы размазаны, не локализованы вокруг точек пространства и моментов времени. Такие сверхсветовые взаимодействия могут передаваться тахионами или иным каким-либо способом – в нелокальных теориях это не конкретизируется. Исследования выполнялись в общем виде: постулировали сверхсветовую скорость передачи сигналов и смотрели, к чему это приведет. Оказывается, можно построить такую нелокальную теорию, которая будет непротиворечива и на больших расстояниях. Более того, по сравнению с обычной теорией поля она даже более последовательна.
Существует ли в природе сверхсветовая нелокальность и удивительные тахионы или же это всего лишь математическая игра физиков-теоретиков? На этот вопрос должна ответить сама природа. Как бы там ни было, повторяем, что в настоящее время нет никаких, ни физических, ни философских, запретов участию тахионов в процессах, которые протекают в ультрамалых областях пространства-времени. Для больших областей вопрос, естественно, не так прост.
Но могут ли, спросит читатель, частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что не могут. Если это так, то тахионы – ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оторваны друг от друга навеки точек соприкосновения у них нет. Трудно, однако, допустить, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же допустить, что между тахионами и досветовым веществом возможно взаимодействие, то тахионы должны рождаться в реакциях, происходящих при столкновениях досветовых частиц, и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов.
Таких опытов выполнено уже немало, но ни один из них не дал убедительных доказательств в пользу существования тахионов. В отдельных случаях, правда, проявлялись эффекты, которые в принципе можно было бы приписать сверхсветовым частицам, но им можно найти и другие объяснения. Бритва Оккама на страже!
Вместе с тем ни один из выполненных до сих пор экспериментов не доказывает и обратного: отсутствия тахионов. Во всех опытах можно увидеть методические просчеты, которые хотя бы отчасти объясняют их неудачу. Вот пример. В одном из опытов регистрировали случаи поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившаяся частица должна при этом получить от тахиона импульс, который физики намеревались зафиксировать. Опыты проводились глубоко под землей, практически при полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений была очень высокой. Тем не менее не удалось обнаружить ни одного случая поглощения тахиона, и был сделан вывод: либо тахионы не существуют в природе, либо взаимодействуют они с досветовым веществом очень слабо – в 1029 раз слабее, чем протон с электроном. Последнее, как уже говорилось выше, представляется маловероятным, поэтому эксперимент, казалось бы, «закрывает» проблему тахионов. Однако это заключение становится неубедительным, если учесть другую, в определенном смысле даже более логичную интерпретацию отрицательного результата опыта: если нет специальных источников, испускающих тахионы, то это значит, что количество этих частиц в окружающем нас пространстве крайне мало, как мало, например, число световых квантов в темной комнате. Кстати, частиц антивещества в окружающем пространстве тоже ведь очень мало, в космических лучах их следы обнаружены лишь совсем недавно.
Таким образом, на вопрос, существуют ли в природе тахионы, следует ответить: пока не известно, это предстоит еще выяснить. Можно быть почти уверенным, что тахионов нет в макроскопических областях пространства. Иначе возникли бы парадоксы с причинностью, нарушались бы законы сохранения энергии и импульса. Тахионы и связанные с ними явления могут прятаться только где-нибудь внутри ультрамалых пространственно-временных интервалов, меньших 10-17 сантиметров и 10-27 секунд, там, где противопоставление прошлого будущему теряет смысл.
Но и здесь следует сделать оговорку. В экспериментах и теоретических расчетах, касающихся тахионов, всегда предполагалось, что эти частицы подчиняются формулам Лоренца. С помощью этих формул при вычислениях и при анализе опытов исследователи переходят из одной системы координат в другую. Но кто может поручиться за то, что формулы Лоренца верны и за световым барьером? Это гипотеза, которая, вообще говоря, может оказаться и неверной. А тогда условия причинности могут выглядеть совсем по-другому. По разным соображениям такая возможность кажется маловероятной, но все же в науках никогда не следует торопиться с отрицаниями и запретами.
Когда во время популярной лекции или доклада мне приходится рассказывать о свойствах тахионов, я обычно заканчиваю свой рассказ словами:
– А теперь я продемонстрирую вам сверхсветовую скорость. Не фокус, а самое настоящее сверхсветовое движение.
– С тахионами? – спрашивает кто-нибудь из слушателей.
– Нет, частиц со сверхсветовыми скоростями никто не видел, а вот сверхсветовое движение наблюдать легко. Давайте выключим все лампы, кроме одной, настольной. И вот теперь, поднеся к ней карманное зеркальце, я мазну световым зайчиком по противоположной стене. Если она далеко, а зеркальце поворачивать быстро, то зайчик побежит по стене быстрее света...
Но как же быть при этом с теорией относительности, которая утверждает, что скорость никогда не может перейти через световой барьер? Никакого противоречия с теорией относительности тут нет. Со сверхсветовой скоростью. перемещается эффект, а не вещество. Скорость света – максимальная скорость перемещения материальных тел, а световой зайчик никакого вещества по стене не переносит. Светового барьера, где бы масса и энергия обращались в бесконечность, для него не существует. Подобных сверхсветовых явлений физическая теория не запрещает.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ,
в которой речь идет о пустоте – обыкновенной пустоте, на поверку, впрочем, оказывающейся совсем не обыкновенной и даже не пустотой, а также о попытках ученых создать вещество из одного пустого пространства и, наконец, о мирах с различной пустотой-вакуумом
Теперь, после того как мы познакомились с кунсткамерой элементарных частиц, обратимся к арене, на которой движутся и взаимодействуют эти частицы,– к пустоте. Казалось бы, о чем тут говорить. Ведь пустота – это когда ничего нет. Но мы уже говорили, что это не так. Пустота – сегодня один из основных объектов физики. Именно она определяет основные свойства нашего мира.
Идея абсолютно пустого пространства – вакуума – возникла несколько тысячелетий назад, как только человек попытался осознать, из чего состоит и откуда произошел окружающий его мир. Следы этой идеи можно найти в самых древних сказаниях и мифах. Кажется, это самое простое, не требующее никаких пояснений понятие – синоним полного «ничто». Что может быть проще? Однако квантовая физика убеждает нас в том, что вакуум – сложнейший объект, можно даже сказать, целый мир. Может быть, это самое сложное из всего, с чем до сих пор приходилось иметь дело науке: некая особая материальная среда, один из видов материи. В каком же смысле можно тогда говорить о пустоте, да и существует ли она в природе? Строго говоря, пустоты нет, а говорить о ней можно в любом смысле, кроме космологического и физического. Например, в житейском. Пустая комната, пустой человек...
Когда мы представляем себе вакуум в виде полной пустоты, вопрос о том, могут ли существовать различные вакуумы, просто не возникает – пустота может быть одна. Все прочее – просто не пустота. Другое дело, если вакуум материален, веществен. Тогда не исключено, что существуют миры с различным вакуумом, и, может быть, наш мир – только один из них. Ведь если все в природе изменяется, пребывает в различных формах, то почему вакуум должен быть исключением?
В действительности проблема вакуума еще сложнее. Некоторые ученые считают, что все материальное содержание мира представляет собой проявление различных свойств пустого, но сложным образом искривленного, скрученного пространства – вакуума.
Итак, с одной стороны, вакуум—это сложная материальная вещественная структура, а с другой, наоборот, оказывается, что само вещество – «искривленная пустота». Так что же такое в конце концов вакуум?
Понятие пустоты – не только объект физической науки, но и один из основных элементов наших представлений о мире в целом. Любая попытка понять его устройство, построить хотя бы приближенную его модель так или иначе связана с этим понятием. На протяжении многих веков оно неоднократно изменялось, отражая сдвиги в мифологическом, религиозном и научном мировоззрениях.
Различные физические и философские школы по-разному относились к понятию пустоты. Знаменитый древнегреческий мыслитель Фалес Милетский, который первым попытался разложить мир на исходные, первичные стихии – элементы, был убежден, что абсолютной пустоты в мире быть не может: любая, даже самая малая его часть заполнена водой, воздухом или еще какой-либо стихией. Демокрит же, напротив, считал пустоту истинной первоосновой мира, на фоне которой как раз и проявляется вся сложность наблюдаемых нами вещей и явлений. Только пустота, учил он, позволяет телам двигаться в пространстве. Если бы все вокруг было чем-то заполнено, то как и куда бы они перемещались? Сжатие тоже требует пустоты.
Пустоты нет, возражал ему Платон. Тела движутся, замещая собой заполняющую все пространство среду. Это подобно вращению колеса: одна его часть замещает другую, и нигде нет разрывов...
Конечно, это были лишь догадки, умозрительные заключения. Возможность практического изучения пустоты появилась много веков спустя. Но шли годы, развивалась техника, и опыт, постепенно убеждал людей в том, что, используя все более и более усовершенствованные приспособления, можно насколько угодно близко подойти к «полной пустоте». Представление о вакууме как о пространстве, из которого «вычерпано» все его материальное содержание, стало казаться самоочевидным, и проблема пустоты на некоторое время перестала волновать умы ученых. Ни у кого не возникало сомнений, что этот вопрос решен окончательно и бесповоротно.
Однако на фундаментальные вопросы, касающиеся свойств и структуры мира, раз и навсегда данного, окончательного ответа не существует. Любой ответ оказывается приближенным и рано или поздно требует дальнейшего уточнения. Более того, представления, казавшиеся ранее взаимоисключающими, на новом, более глубоком уровне знаний часто оказываются тесно связанными, даже выражаются одно через другое. Так случилось и с понятием пустоты. Вопрос о смысле этого понятия превратился в одну из основных физических проблем после того, как были открыты волновые свойства света, и буквально приковал к себе внимание ученых.
Каким образом световая волна бежит в вакууме, если там нет ничего, что могло бы передавать это движение от точки к точке? Не указывает ли сам факт распространения световой волны на то, что вакуум – это все же не пустота, а какая-то особая светоносная субстанция, скажем эфир? Субстанция до того тонкая, что проникает сквозь стенки всех сосудов и ее в отличие от воздуха в принципе нельзя ниоткуда откачать.
Три с половиной столетия назад Рене Декарт, французский математик, физик и философ, писал: «Мы считаем сосуд пустым, когда в нем нет воды, но на самом деле там остается воздух. Если теперь из кажущегося пустым сосуда убрать и воздух, в нем опять что-то должно остаться, но этого «что-то» мы просто не чувствуем». Вот это «что-то» и есть эфир.
Но почему тогда эта заполняющая все пространство субстанция не мешает движению небесных тел, которое веками остается неизменным, хотя для того, чтобы передавать световые волны, эфирная среда должна обладать весьма значительной плотностью? Почему ни в одном эксперименте не удается заметить «эфирный ветер»?
Несколько столетий все это оставалось загадкой. Ответ был найден квантовой механикой совсем недавно – в 20-х годах нашего века. Оказалось, что движение каждой отдельной световой частицы, фотона, настолько сложно и прихотливо, что с определенной вероятностью ее можно обнаружить в самых различных точках пространства. Строгие закономерности проявляются лишь при рассмотрении большого числа фотонов. И вот статистически, в среднем, световые частицы распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение волны. Поодиночке каждый фотон – частица, корпускула, а в совокупности они – волна. И никакой эфирной среды для этого не требуется, квантовые законы, описывающие поведение света, прекрасно действуют и в вакууме.
Для того чтобы сделать картину нагляднее, иногда говорят, что фотоны двигаются в пустом пространстве по нечетко определенным, размазанным траекториям, а «размазка» имеет форму волны. Это очень упрощенное описание того, что происходит на самом деле, но некоторое представление о характере явления отсюда получить можно.
Заметим, впрочем, что такими свойствами обладают не только фотоны, но и все другие микрочастицы. Каждая из них одновременно имеет корпускулярные и волновые характеристики. Таковы законы квантовой механики.
Казалось бы, квантовая механика окончательно «очистила» пространство от эфира. Но все не так просто. По мнению некоторых ученых, квантовую картину волнового движения в абсолютно пустом пространстве еще нельзя считать достаточно ясной. Дело не в том, что сама квантовая механика все еще выглядит странной и парадоксальной. Физики давно уже обжились в мире квантовых образов, а эксперимент убеждает нас в правильности новых законов. Никаких отклонений у них не обнаружено. Неудовлетворенность у некоторых ученых вызывает лишь то обстоятельство, что, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, мы все-таки точно не знаем, что же заставляет тождественные по своим свойствам частицы в совершенно одинаковых условиях вакуума двигаться по-разному.
Может быть, говорят эти ученые, квантовая механика – это всего лишь временная постройка, некое приближенное изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений, где частицы двигаются по строго определенным траекториям, но только эти траектории что-то размазывает, и это «что-то» мы пока еще не нащупали, не можем его выделить? Если это так, то таинственное «что-то» как раз и было бы подлинным материальным содержанием вакуума, так сказать, «заквантовым эфиром».
Было предпринято много попыток построить нестатистическую, «точную» теорию микропроцессов. Еще каких-нибудь 20—30 лет назад в физических журналах нередко можно было встретить статьи, в которых предлагались очередные варианты «заквантовой теории» с точными траекториями частиц. Но все попытки оказались безуспешными. И конечно, не потому, что их авторы были недостаточно искусны. Этой проблемой занимались многие выдающиеся физики. Сам Эйнштейн до конца жизни был убежден в том, что такая теория должна существовать, и пока она не создана, задача физики остается невыполненной. Однако опыт показывает, что чем глубже в микромир мы уходим, тем отчетливее становится статистический характер происходящих там явлений.
Причина этого в том, что микрочастица всегда взаимодействует с окружающей средой. Часто в момент своего рождения она опутана невообразимо сложным переплетением связей с другими микрочастицами, входящими в состав макроскопических тел. Связи эти, а с ними и воздействия на нее усложняются еще более, когда она проходит сквозь различные экраны, линзы и другие устройства, фиксирующие ее состояние. Даже если частицы движутся в вакууме, у каждой из них свои неповторимые начальные условия. Есть еще и другие специфически квантовые связи частицы с ее окружением, о которых здесь трудно рассказать. Вот все эти связи и размазывают, делают вероятностными траектории микрочастиц. Точно учесть все их просто невозможно. Как заметил однажды Вернер Гейзенберг, один из создателей квантовой теории, для этого пришлось бы принять во внимание состояние всей Вселенной. Поэтому можно быть уверенным в том, что любая «заквантовая теория» будет статистической. Такого взгляда в настоящее время держится подавляющее большинство физиков.
Итак, квантовая механика вернула вакууму статус абсолютной безэфирной пустоты, тем более что это подтверждалось и экспериментальными данными: в своих лабораториях физики научились создавать в сотни триллионов раз более разреженное пространство, чем окружающая нас атмосфера, а изучение процессов, происходящих в космосе, говорило за то, что межзвездное пространство практически совсем пустое – на каждый кубический сантиметр там приходится менее одного атома. Это такое же разрежение, как если бы в объеме земного шара имелась одна-единственная бактерия!
Стрелка научного знания сделала полный оборот – от пустоты к мировому эфиру и снова к полной пустоте.
Однако в самой квантовой механике было спрятано нечто такое, что вскоре буквально вывернуло наизнанку все представления о пустом и непустом. И стрелка побежала по новому витку спирали.
Оказалось, что пустое пространство «дышит»!
Каждому понятно, что если пространство пустое, то в нем не должно быть не только материальных тел, но и никаких полей – ни электромагнитных, ни каких-либо других. Ну а поскольку источником полей служат материальные тела, то, удаляясь на достаточно большое расстояние, можно было бы надеяться сделать эти поля какими угодно малыми. Чем дальше от фонаря, тем темнее. Казалось бы, все логично и все ясно.
И вот квантовая механика неожиданно показывает, что это совсем не так. Из ее формул следует, что в любом очень малом объеме пространства на очень короткое время может произойти флюктуация и «из ничего» выплеснется и снова быстро исчезнет электромагнитное или какое-нибудь другое поле. Это как раз тот процесс рождения виртуальных частиц – квантов спонтанно образующихся полей, о котором неоднократно и упоминалось выше. Виртуальные процессы действуют на движущиеся в вакууме частицы: экранируют их заряды, изменяют массы этих частиц, смещают уровни в атомах и так далее. Взаимодействие частиц с вакуумными флюктуациями – одна из причин размазывания их траекторий Под действием флюктуационных толчков микрочастица все время изменяет свое положение, как бы кружится вокруг положения равновесия. Это сложный нелинейный эффект, крепко связанный узел явлений: неопределенность траекторий делает возможными вакуумные флюктуации, а те, в свою очередь, порождают размазку траекторий.
Таким образом, пространство лишь кажется пустым и безжизненным. Такой вид оно имеет, когда его рассматривают «в среднем», имея в виду достаточно длительные временные интервалы и области значительно больших размеров, чем элементарные частицы. А при большом увеличении оно похоже на густой туман спонтанно рождающихся и тут же лопающихся частиц-капелек. Все это дрожит, мелькает, переливается световой радугой. И чем больше увеличение, тем насыщеннее становится вакуум. Представление о пространстве как об абсолютной, ничего не содержащей в себе пустоте оказывается совершенно неверным. При воздействии внешних полей такая «пустота» ведет себя как материальная среда. Например, в электрическом поле она поляризуется подобно диэлектрику в конденсаторе: положительно заряженные флюктуационные частицы смещаются в одну сторону, отрицательно заряженные – в другую. Такой эффект проявляется во многих экспериментах. Более того, выясняется, что вакуум кое-какими своими свойствами напоминает сверхпроводник – совсем уж, казалось бы, невероятная идея, если вспомнить, что сверхпроводимостью чаще всего обладают металлы. Сверхпроводящая пустота! Трудно придумать более противоречивое явление, но таковы факты. Как показывают расчеты, хорошо согласующиеся с опытом, в «газе» микрочастиц, которым «дышит» вакуум, устанавливаются коллективные, упорядоченные связи – подобно тому, как это происходит в электронном «газе» внутри охлажденного металла.
Если в вакуум ввести достаточное количество энергии, так сказать, сильно «нагреть» его, то он начнет испускать частицы. Но разве нагревать вакуум – не то же самое, что варить уху в океане? Нет, если это сделать быстро (например, создавая в пространстве столкновением быстрых ионов тяжелых атомов очень сильное электромагнитное поле), то небольшой «кусочек» вакуума можно довести до «кипения». Да, во многих отношениях действительно вакуум представляет собой своеобразную материальную среду.
Стрелка наших знаний сделала еще полоборота...
Мы уже не раз говорили о том, что на самом глубоком из известных нам уровней материя состоит из кварков и связывающего их глюонного поля. Это поле действует на цветные заряды кварков. Физикам известно уравнение этого поля, описывающее его распространение в пространстве. И вот среди решений глюонного уравнения неожиданно были найдены такие, которые описывают движение необычных микрообъектов – так называемых инстантонов (от английского слова instant – мгновение), спонтанно возникающих в вакууме частицеподобных сгустков глюонного поля с мнимым временем. При решении уравнений, как мы тоже уже говорили, часто появляются мнимые величины, вот и здесь получилось мнимое время. Начиная с Дирака, у которого получалась отрицательная энергия и масса, а за ними, как выяснилось, кроется целый мир античастиц, физики к мнимым величинам относятся с интересом. Не кроется ли и за этими сгустками с мнимым временем что-нибудь важное?
Чтобы понять физический смысл инстантонов, представим себе, что мы ищем решение уравнений ньютоновой механики в необычных условиях – внутри жесткого барьера, разделяющего надвое пространство с движущимися в нем частицами. В квантовой механике из-за размазывания траекторий возможен так называемый туннельный переход микрочастицы сквозь жесткую стенку. Например, если сначала все частицы были с одной стороны стенки, то проходит определенное время, и часть их оказывается уже по другую ее сторону, а некоторые из них – даже внутри стенки.
