Олег Фейгин

Механика машины времени

Глава 1. Темные воды Леты

Закладка:

Олег Фейгин

Время представляется важным. Большинству из нас было бы трудно прожить обычный день, не глядя на часы, не заглядывая в календарь или не пытаясь предвосхитить события, планируя, что что-то произойдет в какой-то определенный момент времени. По словам исследователей, «время» является единственным наиболее часто используемым существительным в языке. Время – все вокруг нас, оно наводит порядок на последовательности событий в мире природы.

Введение

Наверное, каждый мыслящий человек хоть раз в жизни задумывался о неумолимых тисках времени, «сжимающих» его настоящее между безвозвратно ушедшим прошлым и неизведанным будущим. Вот и философы вслед за физиками-теоретиками любят повторять, что важнейшим свойством времени является его темпоральная разворачиваемость.

Это означает, что текущий момент отличается как от зафиксированного прошлого, так и от расплывчатого будущего, являясь переходным мостиком между этими двумя состояниями.

Время, за которые вы читаете эти строки, тут же канет в Лету, таинственным образом превратившись из настоящего в прошлое, а его место займет пришедшее из загадочных далей будущее. Этот процесс вечного на протяжении нашей краткой жизни «кругооборота времен» поражает своей неизбежностью, и хотя мы как-то можем повлиять на текущие события, само время совершенно неподвластно нашим усилиям и стремительно движется все дальше и дальше. Как когда-то саркастически заметил Омар Хайям:

В Книге Судеб ни слова нельзя изменить.Тех, кто вечно страдает, нельзя извинить,Можешь пить свою желчь до скончания жизни:Жизнь нельзя сократить и нельзя удлинить.

Чаще всего мысли о времени вызывают образ полноводной реки. Причем у большинства людей волны этой безбрежной глади несут наш мир из прошлого в будущее, у некоторой части (около четверти общего количества, по мнению социологов) – это более сложный образ потока событий, низвергающегося из будущего и уносящий мгновения настоящего в прошлое. И совсем уж единицами время воспринимается как сложный образ концентрических годовых окружностей, дисков и спиралей. При этом и первые, и вторые, и третьи сходятся в мыслях, что, в отличие от где-то рождающихся и исчезающих миров, безучастное ко всему время существует всегда и везде. И никакая сила не в состоянии повлиять на его ход – ни ускорить, ни замедлить.

Эта фундаментальная особенность времени всячески исследуется сегодня теоретической физикой, являясь наиболее очевидным свойством личной истории в повседневной жизни. Именно поэтому загадочный ход времени создает проблему не только в современной науки, но и таит загадку для каждого разумного существа во Вселенной. Ощущая ход времени, мы сознаем и временность своего существования, и невозможность остановить мгновение, сколь бы прекрасным оно ни было, и безвозвратную утрату бесценных мгновений жизни. Все это не внушает оптимизма и заставляет снова и снова конструировать модели «управляемого» потока времени. При этом несмотря на титанические усилия массы теоретиков общее положение дел во многом характеризует остроумное критическое замечание великого философа древности Аристотеля:

«А что такое время и какова его природа, одинаково неясно как из того, что нам стало известно от других, так и из того, что нам было известно раньше… Время или совсем не существует, или едва, будучи чем-то неясным…»

Его дополняет формула «темпорального парадокса» известного средневекового мыслителя Августина Блаженного:

«Прошедшее и будущее время также существуют, хотя и непостижимым для нас образом… Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время.»

«Бытие никак не вещь– замечал Мартин Хайдеггер в книге “Бытие и время”, –соответственно, оно не нечто временное, тем не менее в качестве присутствования оно все равно определяется временем.

Время никак не вещь, соответственно оно не нечто сущее, но остается в своем протекании постоянным, само не будучи ничем временным наподобие существующего во времени.

Бытие и время взаимно определяют друг друга, однако так, что ни первое – бытие – нельзя рассматривать как временное, ни второе – время – как сущее. Обдумывая все это, мы гоняем по кругу взаимопротиворечащих высказываний».

В нашем представлении время безнадежно разорвано на части, ни одна из которых не обладает реальностью. Этот разрыв трагичен. Всякое последующее мгновение несет смерть прошлому. Так представляет себе время Николай Бердяев в работе «Смысл истории»:

«Будущее есть убийца всякого прошлого мгновения; злое время разорвано на прошлое и будущее, в середине которого стоит некая неуловимая точка. Будущее пожирает прошлое для того, чтобы потом превратиться в такое же прошлое, которое в свою очередь будет пожираемо последующим будущим. Разрыв между прошлым и будущим есть основная болезнь, основной дефект, основное зло времени нашей мировой действительности.»

Так в чем же причина парадоксальности наших представлений о времени?

В течение тысячелетий время рассматривалось людьми как нечто вечное, неизменное, ни от чего не зависящее. И механика Ньютона, рассчитывая движение небесных тел на десятки лет вперед, предсказывая наступление солнечных и лунных затмений с точностью до долей секунды, тоже подтвердила эту вековечную уверенность.

В классической физике время является абсолютно свободным, ни с чем не связанным параметром. Это во многом соответствует нашим обыденным представлениям о времени. Мы часто думаем, что, в отличие от вселенных, которые рождаются и умирают, время, инертное и ко всему безучастное, существует всегда и везде. И никакая сила не в состоянии повлиять на его ход – ни ускорить, ни замедлить. Однако столетие назад родилась новая физика – и время тут же потеряло свою монолитную сущность…

И тем не менее до сих пор существует философское течение, в котором провозглашается, что времени просто не существует. Многие физики воспринимают это как нечто вроде околонаучного пиара, когда для привлечения всеобщего внимания нечто явно очевидное и важное объявляется как нереальное, что делает автора подобного «открытия» большим оригиналом. Но отчасти подобные идеи возникают из-за трудности в нашем понимании времени на фундаментальном уровне.

В чем-то обыденном время действительно кажется неуловимым, и возникает сильное искушение объявить его обыкновенной иллюзией. Однако подавляющее большинство ученых все же занимает противоположную позицию: время реально и должно рассматриваться как важнейшая часть природы окружающей физической реальности. Именно поэтому в последнее время появились такие экзотические разделы «темпоральных исследований», как квантовое время, время Мультиверса и хроноквантовая физика.

Ну и, конечно же, рассказывая о четвертом измерении пространства – времени, никак нельзя обойти вопросы: можно ли путешествовать во времени и с помощью машины времени переноситься в отдаленное будущее, возвращаться в прошлое и обратно в настоящее? Каков же может быть принцип действия такой фантастической машины? Что нужно, чтобы разрешить самые жгучие вопросы естествознания, например, побывать при зарождении жизни на Земле, узнать причину гибели динозавров или открыть «недостающее звено» эволюции – человекообезьяну? Не нарушат ли такие посещения весь последующий ход истории, как это произошло в рассказе Рэя Бредбери «И грянул гром»?

Образ времени несомненно является одним из самых востребованных в литературном творчестве писателей самых разнообразных жанров, поэтому в книге использованы в качестве дополнительного иллюстративного материала самые разнообразные тематические фрагменты из научно-популярных и научно-фантастических произведений.

Автор также считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность замечательному научно-популярному издательству «Страта», благодаря которому данная рукопись и увидела свет.

Также и времени нет самого по себе,

но предметы

Сами ведут к ощущенью того, что в веках

совершалось…

Что происходит теперь и что

воспоследует позже.

И неизбежно признать, что никем

ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел

и покоя…

Еще тысячелетия назад наши предки как-то осознали время силою своего разума и воображения, дали ему имя и даже научились его измерять. И как выясняется, обретенные ими знания вовсе не бесполезны для нас сегодня.

Закладка:

Если спросить современного человека о том, как он представляет себе время, то большинство скорее всего ответит, что для них зримый образ времени – это река времени Лета, которая несет наш мир в будущее и никогда не поворачивает свои воды вспять. В греческой мифологии Летой называлась одна из подземных рек, отделявших от мира живых мрачное царство усопших. Воды этой темной и медленной реки несли забвение. «Кануть в Лету» значит исчезнуть из памяти, быть поглощенным вечным забвением, ведь «Лета» – это и есть по-гречески «забвение».

Но в античности так считали далеко не все: многие древнегреческие философы придерживались мнения, что время циклично. Так, Прокл из самых общих соображений доказывал, что «…Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно». Его дополнял знаменитый Эпикур: «Время не поддается такому расследованию, как все остальные свойства предметов…»

Подобные философские идеи продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ними окончательно разделаться. Разумеется, пытаясь давать точные оценки «длительности темпоральных процессов», древние мыслители во многом ошибались. Так, философская школа Платона полагала длительность «Великого года», то есть одного кольцевого цикла времен, почему-то в 36 тысячелетий. Смысл этого загадочного числа совершенно не ясен, хотя и в восточных мистических учениях ламаизма, буддизма и индуизма тоже можно встретить сходные оценки мгновения вечности. Но все-таки: как оно движется, это самое время, по прямой или по кругу?

«Никак! – решил этот вопрос Зенон. – Движения в мире нет…»

До нас дошли его удивительные парадоксы: «Если что-то движется, то оно движется либо в том месте, которое занимает, либо в том, где его нет. Однако оно не может двигаться в том месте, которое занимает (поскольку в каждый момент времени оно занимает все это место), но оно также не может двигаться и в том месте, где его нет. Следовательно, движение невозможно».

Факт противоречия между данными опыта, с одной стороны, и их мыслительным анализом, с другой, был выражен Зеноном в форме парадоксов-апорий. Наиболее известны его апории, направленные против возможности движения: «Дихотомия», «Ахилл», «Стрела».

Большинству современных читателей парадоксы Зенона знакомы в формулировке дихотомии (разделение надвое). Чтобы пересечь комнату, сначала нужно преодолеть половину пути. Но затем нужно преодолеть половину того, что осталось, затем половину того, что осталось после этого – и так далее. Это деление пополам будет продолжаться до бесконечности, из чего делается вывод, что пересечь комнату не удастся никогда.

Апория «Ахилл» еще оригинальнее. Древнегреческий герой Ахилл состязается в беге с черепахой. Если черепаха стартует немного раньше Ахилла, то ему, чтобы ее догнать, сначала нужно добежать до места ее старта. Но к тому моменту, как он туда доберется, черепаха проползет некоторое расстояние, которое нужно будет преодолеть Ахиллу. А за это время черепаха уползет вперед еще на некоторое расстояние. Поскольку число таких отрезков бесконечно, быстроногий Ахилл никогда не догонит черепаху.

Еще один парадокс называется «Стрела». Полет стрелы – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах – но мы живем мгновениями. Значит, в каждое мгновение стрела находится в определенном, единственном положении. Она находится в данном месте точно так, как если бы она покоилась здесь всегда. А значит, полагал Зенон, ее никоим образом нельзя отличить от другой стрелы, которая действительно лежит в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от летящей, значит, никакого движения и не существует…

Самый прямолинейный метод опровержения апорий Зенона – это привлечение практического опыта, вспомните стихи Пушкина:

Движенья нет, сказал мудрец брадатый.Другой смолчал и стал пред ним ходить.Сильнее бы не мог он возразить;Хвалили все ответ замысловатый.Но, господа, забавный случай сейДругой пример на память мне приводит:Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,Однако ж прав упрямый Галилей.

Действительно, можно просто встать и пересечь комнату, обогнать черепаху или выпустить стрелу. Но в философских диспутах той поры применение опытных данных и практических наблюдений считалось неприемлемым. Проблема была разрешена только после создания Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем дифференциального исчисления. Этот раздел математики оперирует понятиями «предел», «дифференциал» и «интеграл», позволяющими суммировать бесконечно малые величины.

В наше время одно из умозаключений Зенона приобрело вдруг совершенно необычное применение в квантовой физике. Будет ли уменьшаться вероятность распада атома в нестабильном состоянии, если достаточно часто измерять, распадается ли этот атом? Будет ли уменьшаться вероятность перехода атома из его начального состояния под влиянием фиксированного воздействия, если достаточно часто измерять, произошел ли этот переход? Утвердительный ответ квантовой теории на этот вопрос с классической точки зрения кажется совершенно невозможным, парадоксальным. Этот эффект изменения закона распада, вероятности перехода в зависимости от частоты измерения так и называется: квантовый эффект Зенона.

Следующий этап в постижении понятия «физическое время» связан с именем Галилео Галилея. Великий ученый одним из первых применил на основе практических наблюдений принцип мысленного эксперимента. Так, глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. По его словам, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, с полным основанием может считать, что книга, лежащая на его столе, находится в состоянии покоя. В то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а значит, у него есть все основания считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль. Так движется ли в самом деле книга или лежит спокойно? Очевидно, что ответ полностью зависит от точки отсчета. Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, что движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить.

Из принципа относительности Галилея следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейное и равномерное – нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь оказаться поближе к корме.

С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, которые ввел его предшественник, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело. Однако Ньютон на этом не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Эта сила – гравитационное воздействие, оказываемое массой тела, которое также ввел Ньютон. По его закону два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

Закон всемирного тяготения одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте, будь то камень на Земле или далекая планета на просторах Вселенной.

Так родилась классическая механика. С помощью этой почтенной науки можно и сегодня успешно объяснять и предсказывать множество явлений – от мельчайших подробностей движения небесных тел, полета ракет и обращения искусственных спутников Земли до океанских приливов, вызываемых тяготением Луны и Солнца.

Однако чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия – без пространства. Время в классической физике измеряется ритмично идущими часами, в самом общем случае показывающими некое абсолютное время, ход которого неизменен во всем окружающем мире.

На протяжении столетий казалось, что эта величественная классическая картина мироздания вечна и неизменна, как сам бег времени. Однако на пороге прошлого века наступили времена новой физики…

Глава 2. Релятивистские парадоксы

Контрамоция – это, по определению, движение по времени в обратную сторону. Как нейтрино. Но вся беда в том, что, если бы попугай был контрамотом, он летал бы задом наперед и не умирал бы на наших глазах, а оживал бы… А вообще-то идея хорошая. Попугай-контрамот действительно мог бы знать кое-что о космосе. Он же живет из будущего в прошлое. А контрамот-Янус действительно не мог бы знать, что происходило в нашем «вчера». Потому что наше «вчера» было бы для него «завтра»…

Закладка:

Глава 2. Релятивистские парадоксы

Скромный служащий швейцарского патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн любил размышлять в свободное время над очень странными вопросами окружающей физической реальности. Еще в гимназии он задумывался о том, что будет, если «оседлать» луч света? Позже, студентом цюрихского Политехникума, он пытался понять: почему же неуловимый поток времени везде и всюду должен быть одинаков? Так постепенно он пришел к проблеме темпа времени в окружающей природе и его «контролируемости» при течении различных физических процессов.

Эти и другие необычные вопросы в конечном итоге привели великого теоретика к созданию одного из краеугольных камней современной физической науки – теории относительности. За этой знаменитой теорией с самого начала утвердилась слава физически трудно постижимой, а уж математически и совсем непонятной. Родился даже исторический анекдот, в котором утверждалось, что вначале гениальное творение Эйнштейна во всем мире понимали только три человека, включая самого автора. Затем количество «релятивистски просвещенных» увеличилось до двенадцати, но сам автор странным образом из этой дюжины выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».

Таким образом, закладывая фундамент современного релятивизма (на латыни – относительности), Эйнштейн постепенно пришел к выводу, что скорость света в пустоте, например в межзвездном вакууме, является одной из мировых констант. Она всегда близка к 300 тыс. км/с и парадоксально не складывается и не вычитается со скоростями других тел, поэтому ничто не может двигаться быстрее луча света.

Но если скорость света постоянна, то что же тогда произойдет при встрече на параллельных курсах двух фотонных звездолетов из фантастических романов, стремительно пожирающих пространство с субсветовой скоростью?

Альберт Эйнштейн (1879–1955)

Родился в Германии в 1879 г. Познакомившись с научно-популярной и философской литературой, увлекся математикой и физикой. Закончил цюрихский Политехникум. Устроился в бернское патентное бюро. В это время написал работы по статмеханике, физике молекул, броуновскому движению, квантовой теории фотоэффекта и Специальной теории относительности. Через десятилетие создал Общую теорию относительности, известную как теория гравитации Эйнштейна. После прихода к власти в Германии нацистов переехал в Принстон (США), где до конца жизни занимался единой теорией поля, пытаясь объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия.

Оказывается, что теория предсказывает очень многое, в том числе и изменение скорости… течения времени!

Чтобы понять этот в высшей степени необычайный вывод, давайте попробуем вслед за самим Эйнштейном провести важный мысленный эксперимент. Рассмотрим двух наблюдателей, один из которых стоит на переезде и смотрит на проносящийся мимо экспресс, а другой находится в купе движущегося поезда. Оба они фиксируют время прохождения световых сигналов вдоль вагона и к наблюдателю на переезде.

Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Наблюдатель движущейся лаборатории находится посередине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света. Эксперимент построен так, что световые сигналы от этих ламп достигают движущегося и покоящегося наблюдателей строго одновременно, и именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?

Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях, и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно». Физик на переезде имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен несколько ранее того момента, когда достиг меня, ведь световые лучи имеют конечную скорость. Отсюда следует, что в момент наблюдения передняя стенка вагона была ко мне ближе, и лампочка на задней стенке вспыхнула раньше».

В результате последующего анализа своих данных наши физики должны прийти к парадоксальному результату, показывающему, что время в движущемся поезде и на обочине дороги течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно предстает совсем не абсолютным, а относительным…

В теории Эйнштейна, дополненной его студенческим преподавателем математики Германом Минковским, пространство и время становятся неразрывными. Они составляют «многообразие Минковского», где единое пространство – время состоит теперь не просто из точек и моментов, но из событий, и для описания места каждого из них в мире нужны уже четыре координаты. Движения частиц и тел в пространстве – времени представляются цепями событий и изображаются линиями, которые называются мировыми.

В пространстве Минковского эти движения мнимые: частицы и тела в действительности неподвижны, события не происходят, а прочно и раз и навсегда закреплены на своих местах, тех самых, что обозначаются тремя пространственными и одной временной координатами. Это относится ко всем событиям независимо от того, происходят они в прошлом или произойдут в грядущем.

Мировые линии

Известный американский ученый Джей Орир в своей «Популярной физике» описывает такой «парадокс близнецов». Предположим, что на Земле живут два близнеца в возрасте 20 лет, и один из них отправляется в космическое путешествие к звезде Арктур. Его субсветовой космолет летит со скоростью 0,99 скорости света и, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он возвращается на Землю через 11,4 года по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет 80,8 года. Так что брат, оставшийся на планете, должен очень постараться, чтобы дождаться возвращения межзвездного путешественника. Ведь ему к моменту возвращения корабля стукнет 108,8 года! Космический странник окажется моложе его на целую жизнь – 69,4 года!

Правда, на сегодняшний день единственные специалисты, которые могут воспользоваться выводами из теории Эйнштейна в своих практических целях, – это астрономы и физики-ядерщики. Ведь только элементарные частицы в сверхмощных ускорителях – циклотронах – достигают околосветовых скоростей.

Расстояния во Вселенной не случайно измеряются световыми годами. Световой год равен расстоянию, проходимому световым лучом за земной год. Стало быть, глядя на звезды, мы видим их не такими, какие они есть в настоящее время, а такими, какими они были много лет назад. Вполне возможно, что сегодня мы видим свет далеких небесных объектов, которых давно уже нет.

Не так давно астрономы открыли группу сверхдалеких квазизвездных объектов (квазаров) на расстоянии свыше 14 млрд световых лет. На основании этого ученым придется пересмотреть часть теории образования Вселенной. Ведь пока считалось, что наш мир образовался в Большом взрыве 15–20 млрд лет тому назад. Однако, если объекты удалены от нас на расстояние в 14 млрд световых лет, это равносильно тому, что мы наблюдаем их в период ранней юности Метагалактики, когда квазары еще не должны были образоваться. Астрономам остается только надеяться, что некоторую ясность в эти вопросы внесут новые обсерватории, выводимые на околоземные орбиты. Возможно, тогда и удастся рассмотреть таинственные истоки вселенской реки времени, истекающей из сингулярности (мнимой точки) Большого взрыва.

В рассказе о практических приложениях временных парадоксов теории относительности важная роль принадлежит физике элементарных частиц. Действительно, многие элементарные частицы, рождающиеся в столкновениях с атомными ядрами, живут очень недолго. Тем не менее их успевают много раз зафиксировать стоящие на пути чувствительные детекторы. Это происходит в полном соответствии с теорией относительности, ведь время их жизни в тысячи раз больше, чем у покоящихся собратьев. Так, сохраняя короткоживущие частицы в релятивистском «застывшем» времени, можно спокойно изучать их удивительные свойства, реакции с другими частицами и рассеяние на атомах.

Закладка:

Вот так совершенно фантастическое замедление времени уже является обыденной процедурой из области экспериментальной физики, оно прочно вошло в научный арсенал исследования микрочастиц, а для профессионалов даже потеряло некоторую часть своего очарования.

На самых мощных ускорителях потоки микрочастиц разгоняются до субсветовых скоростей. Релятивистское увеличение в несколько раз времени жизни таких частиц для некоторых из них является весьма существенным, поскольку только это и позволяет их надежно зарегистрировать.

Давайте совершим фантастическое допущение, что нам удалось построить космический аппарат, движущийся со сверхсветовой скоростью. Мы уже знаем, что для анализа релятивистских эффектов полет ракеты нужно рассматривать в двух системах координат. Одна (условно назовем ее первой) – это поверхность Земли, тот космодром, с которого стартовала ракета. В этой системе отсчета все происходит как обычно: ракета стартует, предположим, в полдень и при пятикратной скорости света достигает цели, например, в следующую полночь.

А вот с точки зрения наблюдателя во второй – релятивистской – системе координат порядок событий в первой системе отсчета может оказаться нарушенным. Как в кино при запуске пленки в обратном направлении, он увидит, что ракета от достигнутой ею цели направляется к месту старта.

Однако при всей своей необычности подобный мысленный эксперимент все же не лишен физического смысла. Здесь надо вспомнить гипотезу о существовании частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями, – тахионов. Такое предположение основано лишь на некоторых теоретических предпосылках. Но если такие частицы вдруг действительно существуют, не исключено, что время для них может течь навстречу нашему. То есть, говоря другими словами, прошлое и будущее таких частиц (с точки зрения стороннего наблюдателя) как бы меняются местами.

Из-за движения со скоростью больше скорости света мы не можем видеть тахион всегда. Только после того как тахион пройдет мимо нас, появляются два удаляющихся изображения тахиона. Черная линия соответствует фронту специального сверхсветового излучения (излучения Вавилова – Черенкова) – свечения, вызываемого в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей.

Подобная ситуация блестяще описана в замечательном научно-фантастическом произведении Аркадия и Бориса Стругацких «Понедельник начинается в субботу». Речь там идет о загадке попугая, умирающего, исчезающего и возникающего вновь без всяких видимых причин, а также его таинственного хозяина – директора НИИЧАВО Януса Полуэктовича.

Вот какую гипотезу обратного хода времени, или «контрамоции», предлагают на страницах романа сотрудники НИИЧАВО: «…Если контрамоция теоретически возможна, значит, теоретически возможно нарушение причинно-следственного закона. Собственно, даже не нарушение, потому что закон этот остается справедлив в отдельности и для нормального мира, и для мира контрамота… А значит, можно все-таки предположить, что попугаев не три и не четыре, а всего один, один и тот же. Что получается? Десятого с утра он лежит дохлый в чашке Петри. Затем его сжигают, превращают в пепел и развеивают по ветру. Тем не менее утром одиннадцатого он жив опять. Не только не испепелен, но цел и невредим. Правда, к середине дня он издыхает и снова оказывается в чашке Петри. Это чертовски важно! Я почувствовал, что это чертовски важно – чашка Петри… Единство места!.. Двенадцатого попугай опять жив и просит сахарок… Это не контрамоция, это не фильм, пущенный наоборот, но что-то от контрамоции здесь все-таки есть… Для контрамота ход событий таков: попугай жив, попугай умирает, попугая сжигают. С нашей точки зрения, если отвлечься от деталей, получается как раз наоборот: попугая сжигают, попугай умирает, попугай жив… Словно фильм разрезали на три куска и показывают сначала третий кусок, потом второй, а потом уже первый… Какие-то разрывы непрерывности… Разрывы непрерывности… Точки разрыва…»

Далее герои романа начинают строить на основе идеи встречного хода времени любопытную гипотезу о природе Тунгусского метеорита…

Глава 3. Загадки четвертого измерения

Есть у времени такие свойства, которые ставят в тупик и классическую механику, и теорию относительности, и квантовую теорию. Эти теории многое сказали о времени, но они не способны ответить на первый и, казалось бы, самый простой из всех вопросов: почему время идет?

В последующих главах мы вернемся к исследованию временных парадоксов, задавшись, прежде всего, следующими вопросами: как смотрит физическая наука на теоретическую возможность создания машины времени? В чем принципиальные особенности движения материального тела по течению времени и против него?

Ну и, конечно же, нам предстоит продолжить разговор о новых исследованиях физиков и узнать, как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня. Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что вначале казалось совершенно нереальным, с течением времени становится обыденностью. Но тут возникают новые вопросы:

►Что нужно, чтобы построить машину времени?

►Когда этого можно ожидать?

►Как далеко в этом направлении продвинулась наука?

Но главным среди них все же остается вопрос:

►Что по своей сути представляет собой время? Ведь для того чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени и научиться управлять его течением. И именно отсюда начинаются все трудности…

Но все-таки это дело не такое уж безнадежное, как может показаться вначале. Современная наука знает о сущности времени не так мало. Более того, теория предсказывает, что некоторые виды «машины времени» могут издавна существовать в окружающем нас мире. И здесь продолжают накапливаться задачи:

►Как их обнаружить?

►В чем состоят принципы их существования?

►Как именно они работают?

►Какую практическую пользу мы можем иметь от них?

►Насколько правы в своих предположениях фантасты?

К глубокому сожалению, на нашем уровне познания мироздания любые проекты по перемещению материальных объектов во времени являются всего лишь более или менее удачными умозрительными построениями.

Классическая физика говорит, что существует лишь одно измерение, а также одно временное пространство. В соответствии с этой точкой зрения, изменение события в прошлом может теоретически обратно изменить историю. Эта теория порождает проблемы «временных парадоксов», о которых было написано в предшествующей главе. Далее мы обратимся к ним с несколько иной точки зрения.

Тем более поразительным был вывод из теории относительности, созданной в начале прошлого века, о том, что время зависит от скорости движения – пассажиры быстро мчащегося авто заметят, что их хронометры все больше и больше отстают от часов, укрепленных на стенах автовокзалов, мимо которых проносится автомобиль. И чем больше его скорость, тем заметнее запаздывание.

Причина этого удивительного явления долго оставалась загадкой. Ответ дала лишь теория тяготения Эйнштейна, объяснившая, что замедление времени связано с искривлением окружающего пространства. Из теории гравитации Эйнштейна следует, что время только кажется инертным и безучастным к проходящим в мире процессам, в действительности же на него действуют силы тяготения. Чем они сильнее, тем более вялым, медленнее текущим становится время. Образно говоря, под действием тяготения река времени перестает быть прямолинейной. Она изгибается, растягивается, скручивается.

Чтобы понять, в чем дело, вспомним широко известный в физике факт: силы инерции – перегрузки, возникающие при ускорении или торможении, например лифта – эквивалентны силе тяжести.

Вспомним, как нас прижимает к спинке сиденья на аттракционе «Русские горки», когда поезд кабинок резко ускоряет движение на подъеме. И если мы изолированы в кабине космического корабля, то никогда не сможем определить – сели ли мы на какую-то планету и на нас действует ее гравитация, или корабль уносится в космическое пространство с каким-то постоянным ускорением.

Поэтому при тренировках космонавтов состояние орбитальной невесомости моделируется их «парением» в салоне пикирующего самолета: земное притяжение при этом полностью компенсируется противонаправленной силой инерции.

Теперь понятно, что на замедление хода часов в движущемся транспорте действуют силы инерции, возникающие при его разгоне. Чем они больше, тем больше его скорость и тем заметнее разница времени между покоящимися и движущимися часами. Несомненно, что открытие зависимости времени от скорости движения и полей тяготения стало одним из самых важных научных достижений прошлого века. Оно позволяет нам в определенных пределах управлять ходом времени, а отсюда уже недалеко и до машины времени, с помощью которой можно так искривить поток времени, что он вынесет нас в будущее или в прошлое.

Закладка:

Так, если экипаж звездолета, который исследовал окрестности коллапсара, – черной дыры с невообразимо гигантскими полями тяготения, вернется домой, он застанет своих ровесников, знакомых и родственников глубокими стариками, живущими в том далеком будущем, до которого членам экипажа еще предстоит дожить. Итак, перед нами первая модель машин времени, созданных самой природой, – черные дыры, или замерзшие звезды, правда, их внешняя оболочка может перебрасывать материю только в сторону будущего.

В научно-фантастических романах часто можно встретить ситуацию, когда очередная сверхцивилизация, овладев законами тяготения, использует мощные генераторы гравитационных волн. Для такого высокоразвитого разума совсем нетрудно было бы построить и компактную машину времени – что-то вроде «универсального блока» из многотомной эпопеи Василия Звягинцева «Одиссей покидает Итаку» или кабины «голема» из романа Василия Головачева «Схрон». Впрочем, мы далеко не случайно остановили внимание на произведениях этих авторов. Редко где еще можно встретить столь тщательно выписанную сложнейшую систему «хронопереходов» между разными временами и эпохами, и даже пришельцев, живущих в «обратном» времени.

Несмотря на фантастичность подобных путешествий, возможно, когда-нибудь их удастся осуществить. История науки убеждает нас в том, что если какая-то возможность разрешена законами природы, то ее осуществление – лишь вопрос времени. Однако сегодня мы еще очень далеки от этого. Честно говоря, мы даже не знаем, как подступиться к практической разработке гравитационной машины времени. Современная техника хорошо умеет генерировать самые различные электромагнитные поля. Это может быть и видимый свет, и радиоволны, и лучи лазеров, уже научились создавать даже пучки неуловимых частиц нейтрино.

Схема фотонного звездолета

1 – отражатель фотонов излучения, возникающего при аннигиляции материи и антиматерии; 2, 4 – защитные экраны; 3 – баки с горючим (антиматерией, подвешенной в магнитном поле); 5 – оранжерея; 6 – производственные помещения; 7 – кают-компания; 8 – специальные и жилые каюты; 9 – обсерватория, научный центр; 10 – космоботы; 11 – ракетопланпланетолет

Но вот как построить мощный генератор гравитационного излучения, который мог бы изменять силу поля тяготения, – этого пока никто не знает. Впрочем, существует обходной путь: заменить гравитацию силами инерции.

Такие силы мы создавать умеем. Как уже говорилось, движущиеся часы идут медленнее неподвижных, и экипаж летчиков станет моложе команды диспетчеров на аэродроме. В обычных условиях это различие, понятно, совершенно ничтожно. Чтобы оно стало заметным, скорость движения должна быть близка к скорости света. Например, космонавты, безостановочно в течение целого года летящие по орбите со скоростью несколько тысяч километров в час, «омолодятся» всего лишь на доли секунды.

Другое дело, если мы находимся на борту уже упомянутого фотонного звездолета, мчащегося с половинной скоростью света. Здесь сдвиг в будущее составит уже около полутора месяцев. Ну, а для путешествия в далекое будущее потребуется скорость, мало отличающаяся от световой.

Разгоняясь почти до скорости света, придется затратить огромное количество энергии. Ресурсов известных нам источников энергии, включая ядерную и термоядерную, для этого недостаточно. Поэтому практическое осуществление подобных полетов прежде всего связано с поиском новых источников энергии. Одним из самых перспективных проектов, обсуждаемых уже много десятилетий, является использование фотонного привода, испускающего реактивную струю мощного светового излучения при аннигиляции материи и антиматерии.

Глава 4. Атомы времени

В последние десятилетия физики и математики задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоит пространство? Действительно ли оно непрерывно – или больше похоже на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе – или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер?

Какие бы проблемы времени мы ни рассматривали, так или иначе возникают вопросы об элементарных составных частях – частицах времени. Ведь еще основатели атомистики, древнегреческие философы Левкипп и Демокрит обсуждали в ходе очень давнего философского диспута реальность атомов времени. К подобному представлению о структуре времени философы и физики периодически обращались на всем протяжении истории. Важные соображения здесь принадлежат великому французскому математику Рене Декарту, который пришел к парадоксальному выводу о том, что для перехода нашего мира из мгновения в мгновение нужны силы, которые и создали Вселенную.

В настоящее время мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов. Причем никто особо не удивляется тому, что фотону свойствен дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, в других – как электромагнитная волна. Более того, если мы углубимся в дебри современной квантовой физики, то в конце концов обнаружим, что микрочастица по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.

В пользу дискретности времени, по мнению многих теоретиков, свидетельствует то обстоятельство, что момент настоящего как еще не пришедшее будущее и уже ушедшее прошлое сводится к точке. Однако физическое явление в объективных материалистических моделях должно иметь протяженность!

Во всяком случае на сегодняшнем этапе развития теории физики полагают, что элементарной первоосновой Вселенной могут оказаться кварки – гипотетические частицы, о которых уже рассказывалось и которые пока никому не удалось экспериментально наблюдать. А если их действительно не обнаружат, то вполне возможно, что физики-экспериментаторы попробуют разделить и их…

Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Точно этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые смогли бы фиксировать эти частицы. Можно лишь предположить, что фундаментальной длине физического пространства должен соответствовать своеобразный атом времени – его квант. Оценку этого кванта можно получить простым делением диаметра ячейки пространства на скорость света. На этих невообразимо малых расстояниях должны действовать законы еще не известной нам физики. Именно в таких масштабах сверхмалое может объединяться со сверхбольшим, и наша Вселенная – переходить в иные миры.

Никто не знает, как выглядят воображаемые атомы времени, но если они реально существуют, то вполне возможно, что «хроноквантовое время» внутри них свернуто в замкнутые циклы. Эти циклы могут не только играть важную роль в процессах взаимного превращения материи и энергии, но и объяснить многие загадочные обстоятельства рождения нашего мира.

Тем не менее опыт всей физики учит, что время, существующее «само по себе», маловероятно. Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающем нас мире. А значит, вполне вероятно, что на него как на физический параметр должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 10 миллиардов джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, смогут обеспечить едва ли миллиардную долю этой энергии. По всей вероятности, подобный ускоритель будет построен не скоро, ведь для его работы понадобятся огромные энергетические ресурсы.

Удивительные дискретные (т. е. делимые на отрезки) свойства времени четко проявляются при излучении энергии атомами. В квантовом явлении излучения нельзя указать точное начало и окончание этого акта во времени. Время, за которое происходит это явление, выступает перед нами как цельный отрезок. У нас нет способов различить в нем отдельные ранние и поздние моменты и вообще разделить его на отдельные части. Опытные исследования различных эффектов в мире квантов и элементарных частиц показывают, что в пределах чувствительности самой современной аппаратуры дискретность потока времени не обнаружена. Не обнаружены пока и основополагающие ячейки пространства.

Закладка:

Квантовые состояния объема и площади

Главный вывод теории петлевой квантовой гравитации относится к объемам и площадям. Рассмотрим область пространства, ограниченную сферической оболочкой В. В соответствии с классической (неквантовой) физикой ее объем может выражаться любым действительным положительным числом. Однако, согласно теории петлевой квантовой гравитации, существует отличный от нуля абсолютный наименьший объем (примерно равный кубу длины Планка, т. е. 1099 см3), а значения больших объемов представляют собой дискретный ряд чисел. Аналогично, есть ненулевая минимальная площадь (примерно квадрат длины Планка, или 1066 см2) и дискретный ряд допустимых площадей большего размера. Дискретные спектры допустимых квантовых площадей и квантовых объемов в широком смысле похожи на дискретные квантовые уровни энергии атома водорода.

Много интересных следствий можно получить из гипотезы о неделимом атоме времени. Если она справедлива, то время течет не плавно и непрерывно, а, по образному выражению видного исследователя физики времени, профессора А. Д. Чернина, «отдельными одинаковыми толчками, как кровь в артерии». В обычных условиях, по его словам, эти толчки времени совершенно неразличимы из-за немыслимо малой их длительности.

В современной науке любое исследование физических свойств времени все чаще связывается с принципами квантовой механики. Так, в картине мироздания физики вполне определенно выделяют минимальные размеры ячеек пространства, называя их «фундаментальной длиной» – квантами пространства. Предполагаемая величина этих гипотетических «атомов пространства» реально совершенно невообразима, она представляет собой дробь с 33 нулями в знаменателе. Если бы мы увеличили размер таких клеток пространства до одного сантиметра, то диаметр атома возрос бы до 30 миллиардов световых лет, в два раза превзойдя размер Метагалактики. Атом – это минимальный реально наблюдаемый в электронный микроскоп объект, следующий за ним на пути в глубины материи – атомное ядро. Если повторить увеличение, ядро атома превратится в галактику, свет по которой будет путешествовать 300 000 лет.

Еще труднее представить себе элементарный «атом времени» – хроноквант. Его длительность в секундах выражается дробью уже с 44 нулями в знаменателе. Именно столько времени требуется на то, чтобы свет прошел расстояние, равное фундаментальной длине – кванту пространства.

Согласно теории со странным названием «петлевая квантовая гравитация», пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные в рамках этой концепции, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву.

Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально: мы обнаружим атомы пространства, если они действительно существуют.

Представьте себе тяжелый шар, помещенный на резиновый лист, и маленький шарик, который катается вблизи большого. Шары можно рассматривать как Солнце и Землю, а лист – как пространство. Тяжелый шар создает в резиновом полотне углубление, по склону которого меньший шарик скатывается к большему, как будто некоторая сила – гравитатация – тянет его в этом направлении. Точно так же любая материя или сгусток энергии искажают геометрию пространства – времени, притягивая частицы и световые лучи; это явление мы и называем гравитацией.

Модель земной гравитации

В те же десятилетия, когда зарождалась квантовая механика, Альберт Эйнштейн разработал Общую теорию относительности, которая представляет собой теорию гравитации. Согласно ей, сила тяготения возникает в результате изгиба пространства и времени (которые вместе образуют пространство – время) под действием материи.

По отдельности квантовая механика и Общая теория относительности Эйнштейна экспериментально подтверждены. Однако еще ни разу не исследовался случай, когда можно было бы проверить обе теории одновременно. Дело в том, что квантовые эффекты заметны лишь в малых масштабах, а для того, чтобы стали заметны эффекты Общей теории относительности, требуются большие массы. Объединить оба условия можно лишь при каких-то экстраординарных обстоятельствах.

Помимо отсутствия экспериментальных данных существует огромная концептуальная проблема: Общая теория относительности Эйнштейна полностью классическая, т. е. неквантовая. Для обеспечения логической целостности физики нужна квантовая теория гравитации, объединяющая квантовую механику с Общей теорией относительности в квантовую теорию пространства-времени.

Физики разработали множество математических процедур для превращения классической теории в квантовую. Многие ученые тщетно пытались применить их к Общей теории относительности.

Кстати, термин «петлевая» был введен из-за того, что в некоторых вычислениях использовались маленькие петли, выделенные в пространстве-времени.

Согласно теории петлевой квантовой гравитации, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, т. е. объем изменяется порциями. Другая величина, которую можно измерить, – площадь границы, которая тоже оказывается дискретной. Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема.

Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка очень мала: 10–33 см; она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, или 10–66 см2. Наименьший возможный объем, отличный от нуля, – куб длины Планка, или 10–99 см3. Таким образом, согласно теории, в каждом кубическом сантиметре пространства содержится приблизительно 1099 атомов объема. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).

На что же похожи кванты объема и площади? Быть может, пространство состоит из огромного количества крошечных кубов или сфер? Все оказывается далеко не просто.

Вот как описывает проблему визуализации известный квантовый теоретик Ли Смолин. Вообразите область пространства, по форме напоминающую куб. На диаграмме мы изображаем ее как точку, представляющую объем, с шестью выходящими из нее линиями, каждая из которых изображает одну из граней куба. Число рядом с точкой указывает величину объема, а числа рядом с линиями – величину площади соответствующих граней.

Поместим на вершину куба пирамиду. У наших многогранников есть общая грань, и их следует изобразить как две точки (два объема), соединенные одной из линий (грань, которая соединяет объемы). У куба осталось пять свободных граней (пять линий), а у пирамиды – четыре (четыре линии). Аналогично можно изобразить любые комбинации различных многогранников: объемные полиэдры становятся точками, или узлами, а плоские грани – линиями, соединяющими узлы. Математики называют такие диаграммы графами.

Квантовые состояния объема и площади

В нашей теории отбрасываем рисунки многогранников и оставляем только графы. Математика, описывающая квантовые состояния объема и площади, обеспечивает нас набором правил, указывающих, как линии могут соединять узлы и какие числа могут располагаться в различных местах диаграммы. Каждое квантовое состояние соответствует одному из графов, и каждому графу, удовлетворяющему правилам, соответствует квантовое состояние. Графы представляют собой удобную краткую запись возможных квантовых состояний пространства.

Диаграммы гораздо больше подходят для представления квантовых состояний, чем многогранники. В частности, некоторые графы соединяются такими странными способами, что их невозможно аккуратно преобразовать в картину из полиэдров. Например, в тех случаях, когда пространство изогнуто, невозможно изобразить многогранники, стыкующиеся должным образом, зато совсем нетрудно нарисовать граф и по нему вычислить, насколько искажено пространство. Поскольку именно искажение пространства создает гравитацию, диаграммы играют огромную роль в квантовой теории тяготения.

Для простоты мы часто рисуем графы в двух измерениях, но лучше представлять их заполняющими трехмерное пространство, потому что именно его они иллюстрируют. Но здесь есть концептуальная ловушка: линии и узлы графа не занимают конкретные положения в пространстве. Каждый граф определяется только тем, как его части соединяются между собой и как они соотносятся с четко заданными границами (например, с границей области B). Однако нет никакого непрерывного трехмерного пространства, в котором, как может показаться, размещаются графы. Линии и узлы – это и есть пространство, геометрия которого определяется тем, как они соединяются.

Закладка:

Описанные графы называются спиновыми сетями, потому что указанные на них числа связаны со спином. Спиновые сети олицетворяют фиксированные квантовые состояния объемов и площадей пространства.

Экспериментальная проверка

Когда в миллиардах световых лет от нас происходит гамма-всплеск, мгновенный взрыв порождает гигантское количество гамма-лучей. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает несколько линий, т. е. некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет гамма-лучи более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет. Если возникшие при всплеске гамма-лучи разных энергий прибывают на Землю в разные моменты времени, то это свидетельствует в пользу теории петлевой квантовой гравитации.

Отдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т. е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10184 узлов.

Итак, спиновые сети описывают геометрию пространства. Но что можно сказать о материи и энергии, находящихся в нем? Частицы, такие как электроны, соответствуют определенным узлам, снабженным дополнительными метками. Поля, такие как электромагнитное, обозначаются аналогичными маркерами на линиях графа. Движение частиц и полей в пространстве представляет собой дискретное (скачкообразное) перемещение меток по графу.

В теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единство. При введении концепции пространства – времени в теорию петлевой квантовой гравитации спиновые сети, представляющие пространство, превращаются в так называемую спиновую пену. С добавлением еще одного измерения – времени – линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. Переходы, при которых происходит изменение спиновой сети (шаги, описанные выше), теперь представлены узлами, в которых сходятся линии пены.

Мгновенный снимок происходящего подобен поперечному срезу пространства – времени. Аналогичный срез спиновой пены представляет собой спиновую сеть. Однако не стоит заблуждаться, что плоскость среза перемещается непрерывно, подобно плавному потоку времени. Так же как пространство определяется дискретной геометрией спиновой сети, время задается последовательностью отдельных шагов, которые перестраивают сеть. Таким образом, время тоже дискретно. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен времени Планка, или 10–43 с. Точнее говоря, время в нашей Вселенной отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».

Глава 5. Квантовая хронофизика

Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже». Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время – это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…

Квантовая физика наглядно демонстрирует нам, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. В действительности и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем неопределеннее будет другая. Физики-теоретики даже сумели количественно выразить соотношение определенности и неопределенности и запросто им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. Ну а как быть со временем?

Этот вопрос тоже в немалой степени занимает внимание теоретиков. Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые бы смогли фиксировать эти частицы.

Единственное, на что мы пока можем положиться, – это опыт всей современной физической науки, который отрицает существование ньютоновского абсолютного времени, существующего как бы «само по себе». Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающей нас физической реальности. А значит, вполне вероятно, что и на время должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Однако если мы хотим серьезно порассуждать о возможности путешествий во времени, а тем более о неких агрегатах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки квантов времени. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 109 джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, едва ли смогут выйти на рубежи даже миллиардной доли этой энергии. По всей вероятности, подобные ускорители, построенные на известных принципах разгона микрочастиц, вообще нельзя будет создать даже в отдаленном будущем, поскольку для их работы не хватит планетарных ресурсов.

Нильс Бор (1885–1962)

Выдающийся датский физик-теоретик, один из основателей квантовой и атомной физики, а также создатель «копенгагенской интерпретации квантовой механики», в которой существенное место отводится наблюдателю измерений. Основатель и бессменный директор знаменитого института теоретической физики в Копенгагене.

Довольно интересны в этом плане идеи «дискретной физики». В ее основе лежит своеобразная «дискретная философия». По мнению создателей, она представляется новым уровнем мышления о фундаментальных процессах в природе, объединяя мега- и микроскопические масштабы. Не без определенных оснований они считают, что как атомистическая в самом общем смысле теория «дискретная наука» логически приводит к экстремальному значению всех физических величин как конечных и дискретных. Это означает, что теоретически любые количественные соотношения могут быть представлены в целочисленном виде. Подобная «дискретная парадигма» в целом подразумевает, что природа не содержит каких-либо бесконечных последовательностей физических величин, так что ставится вопрос о естественных целесообразных границах применения самого математического аппарата исчисления бесконечно малых.

Если хронокванты действительно существуют, то само космологическое расширение Вселенной может быть связано с наличием хроноквантового генератора сдвига по времени. Тогда собственное время материальных объектов разделится на динамически наблюдаемую независимую и ненаблюдаемую абсолютную переменные. Значения данных компонент будут составлять конфигурационное пространство хроноквантового генератора сдвига, определяя течение любых процессов в нашем материальном мире.

В исторической ретроспективе метод модельной хронодискретизации можно связать с отдельными положениями квантовой волновой механики Шредингера – де Бройля. Это позволяет в качестве одного из вариантов развития принципов квантовой хронофизики рассматривать идеи о волновой функции Вселенной.

Предсказания квантовой механики фундаментально вероятностны по своей сути, что заставляет неоднозначно толковать их с точки зрения сохранения причинности. Здесь часто возникает путаница понятий в среде непрофессиональных физиков. Так, предсказания классической физики также вероятностны из-за сложности определения начального состояния и последующей эволюции многочастичных систем. В квантовой механике неопределенность принципиально следует из дополнительности квантовых свойств и классического описания как вероятностного характера законов Вселенной.

Закладка:

Здесь необходимо сделать небольшое отступление и обсудить предопределенность событий в нашей реальности. Ньютоновская механика породила лапласовский детерминизм. Для иллюстрации такого механического детерминизма Лаплас придумал своего демона. Демон Лапласа – это некое воображаемое существо, которое в некоторый момент времени знает с абсолютной точностью координаты и скорости всех частиц, может бесконечно быстро решать уравнения динамики, ну и, стало быть, знает все прошлое и все будущее Вселенной.

Фактически такую интерпретацию развивали Эйнштейн, Планк, Шредингер и их сторонники, когда утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории. Они ориентировали физиков на поиск такой теории микроявлений, которая по своей структуре и характеру законов была бы подобна классической механике или классической электродинамике. В этом русле строилась программа развития вероятностных представлений из теории микромира путем обнаружения «скрытых параметров», т. е. таких свойств элементарных частиц, знание которых позволило бы достичь их строго однозначного описания.

Против такой интерпретации выступили Борн, Бриллюэн и другие, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию. Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в современной физике не закончены до сих пор, тем не менее развитие квантовой механики существенно ослабило позиции сторонников «скрытых параметров».

Итак, мы не можем проследить траектории отдельных частиц и метаморфозы волновой функции сложных квантовых объектов. Из этого следует, что причинность в классическом и в квантовом смысле нарушается, но в более точном хроноквантовом смысле она может соблюдаться. Из максимально полно определенного темпорального начального состояния может быть получено единственно возможное, на данном хроноквантовом интервале, конечное состояние.

Известно, что пространство состояний квантовой системы линейно. Это значит, что наряду с любыми двумя ее состояниями возможным состоянием является также и их линейная комбинация (суперпозиция). Множество состояний классической системы не является линейным пространством. Классическая система может находиться в одном из возможных состояний, но нельзя придать никакого смысла сумме этих состояний. Здесь явственно наблюдаются признаки парадокса Шредингера, связывавшего детектирование суперпозиционных состояний с логикой макроскопических наблюдений.

Фактически переход квантового мира в мир классический связан с действием принципа усиления – это превращение суперпозиции состояний микросистемы в макросистему при квантовых измерениях с образованием запутанных состояний с макроскопическим количеством системных степеней свободы.

При усилении происходит взаимодействие квантовой системы (находящейся в состоянии суперпозиции) с другими системами (или степенями свободы), вызывающее запутывание (квантовую корреляцию) с ними. Затем и исходная система, и уже запутанные с ней взаимодействуют с еще большим количеством систем, вовлекая и их в запутанное состояние. Так происходит до тех пор, пока не образуется свойство, включающее огромное число систем или, по крайней мере, огромное число степеней свободы.

До сих пор в квантовой механике, которая возникла одновременно с теорией относительности, не стихают бурные споры о глубинных причинах вероятностной природы нашей реальности. Каких только самых невероятных гипотез нет на эту тему! Физики-теоретики говорят о мгновенном ветвлении нашей Вселенной на мириады миров, в каждом из которых экспериментатор получает разные результаты одного и того же опыта, и об управлении окружающей действительностью «сверхсознанием» наблюдателя, и даже о действии разумных элементарных частиц и атомов! Многие романы современных писателей-фантастов выглядят на этом фоне блекло!

Между тем гипотеза о неделимых хроноквантах может совершенно по-иному осветить данную проблему. Достаточно лишь предположить, что вероятность квантового события связана с моментом его реализации в границах выделенного хронокванта. И как только длительность микроявления выходит за рамки границ «атома времени», оно реализуется в нашем мире.

Глава 6. «Стрела времени»

Пространство-время – это эволюционирующая Блок-Вселенная, она продолжает эволюционировать вдоль каждой мировой линии, пока не достигает своего конечного состояния как неизменной Финальной БлокВселенной. Можно было бы сказать, что тогда время изменилось в вечность. Будущее сомнительно и неопределенно до тех пор, пока локальные определения того, что происходит, имело место на пространственно-временном событии «здесь и теперь», определяя настоящее на мировой линии в определенный момент; после того это событие оказывается в прошлом, становится неподвижным и неизменным, и уже новое событие на мировой линии определяет настоящее. Нет никакого уникального способа сказать, как это происходит относительно различных наблюдателей; анализ эволюции удобно основывать на привилегированных (связанных с материей) мировых линиях вместо поверхностей времени. Однако чтобы описать это в целом, будет удобно выбрать определенные поверхности времени для анализа, но они – выбор удобства, а не потребности.

Современные философы считают, что после атаки «вооруженных и очень опасных» физиков-теоретиков на мировоззренческий базис физической реальности наша Вселенная выглядит как-то не так. Сначала это утверждение кажется несколько странным, поскольку в распоряжении космологов имеется не так уж много вселенных для сравнения. Как узнать, на что должна быть похожа «правильная» Вселенная? Спустя долгие годы теоретических и наблюдательных исследований астрономы выработали достаточно четкое представление о том, что считать «нормой», и та Вселенная, которую мы видим сейчас, не совсем удовлетворяет этому представлению.

Конец ознакомительного фрагмента.

Спасибо за чтение

Вернуться к книге