Помоги проекту - поделись книгой:
Если наша Вселенная представляет собой замкнутый мир, то взаимное притяжение всех находящихся в нем тел — звезд, межзвездного газа и пыли, галактик и их совокупностей — будет в точности равно энергии их общей массы. Другими словами, будет существовать полное равенство инертной и гравитационной энергии. Так огромная Вселенная может оказаться почти в замкнутом мире, а ее внешние размеры могут быть микроскопическими и даже нулем.
Разумеется, так кажется внешнему наблюдателю: малая масса локализована внутри сферы микроскопически малого радиуса. Для наблюдателей же изнутри все выглядит совершенно по-другому: внутри этой кажущейся малой сферы в принципе может помещаться целая Вселенная со всеми своими галактиками, звездами и скоплениями галактик. Возможность существования подобных объектов вытекает из общей теории относительности. Теория допускает существование неограниченного числа фридмонов, а если учесть, что последние астрономические данные говорят о том, что во Вселенной может существовать электрически нейтральная скрытая масса, то вполне возможно, что и мир, в котором мы живем, не что иное, как фридмон.
Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе всего лишь одну галактику, звезду… А также несколько граммов или даже несколько сотых грамма вещества. Самое удивительное, что при всем этом все фридмоны внешне могут выглядеть совершенно одинаково. В таком случае, казалось бы, в природе должны встречаться частично замкнутые миры самых различных размеров, по крайней мере при наружном наблюдении. Ну а поскольку трудно представить себе, что огромная Вселенная имеет микроскопический электрический заряд, то фридмон, включающий в себя огромные миры, вроде бы должен иметь весьма малое распространение. Тут природа как бы проявляет симпатию к этому удивительному феномену.
Согласно расчетам Хокинга, почти замкнутая система с большим электрическим зарядом должна быть неустойчива. Чтобы обрести эту самую устойчивость, она стремится во что бы то ни стало выбросить из себя избыток электричества. Причем тот заряд, при котором система приобретет хотя бы хрупкое равновесие, должен быть как раз микроскопический, близкий к заряду, которым обладают многие элементарные частицы.
Таким образом, получается, что если пространство в какой-то момент времени и обладало большим зарядом, то через некоторое время заряд этот неизбежно уменьшится. А значит, соответственно сократятся размеры и масса пространства, каковыми они предстают перед сторонним наблюдателем. То есть, говоря проще, согласно математическим выкладкам получается, что стягивание гигантских миров в точку вполне вероятно.
Все эти и другие фантастические рассуждения не должны в принципе противоречить главной на сегодняшний день теории пространства-времени — ОТО, показывающей, как именно геометрические свойства нашего Мира зависят от распределения в нем материи. Проще всего было бы вспомнить двумерный мир, населенный плоскунами Хокинга. В этой модели Вселенная имеет вид изогнутого эластичного листа, кривизна которого определяется плотностью вещества, проявляя себя как гравитационное поле. Тогда вблизи гигантских масс все метрические соотношения привычной для нас геометрии Евклида будут меняться самым неузнаваемым образом, и весь Мир действительно может стянуться в точку…
Как-то раз на кафедральном семинаре Хокинга с участием Пенроуза и Торна в ходе мозгового штурма возникла идея о том, что максимон может проявить себя и как черная микроскопическая дыра. Правда, из такого его толкования на первый взгляд следует, что говорить о наличии какого-то внутреннего объема не имеет смысла, поскольку вся материя в процессе гравитационного коллапса должна превращаться в гравитационные волны.
В ходе обсуждения Хокинг заметил: необходимо учитывать обстоятельство, что далеко не вся материя коллапсирующей звезды превращается в гравитационные волны. Значительная часть первичного вещества, и, прежде всего, элементарные частицы, могут сохранять свою массу покоя. В процессе гравитационного коллапса эта часть вещества звезды увлекается гравитационными волнами в область виртуальной геометрии и уже из нее выбрасывается в другую вселенную (или в другую точку нашей Вселенной). Такую возможность вполне можно рассматривать как выбрасывание вещества звезды внутрь максимонов, принадлежащих этим вселенным.
При этом Торн дополнил утверждение Хокинга соображением о наличии у планкеонов конкретного внутреннего объема, поскольку в качестве миров-частиц могут рассматриваться не только вселенные с иной пространственной геометрией, но и с иными измерениями пространства-времени. Такая точка зрения, уточнил Пенроуз, автоматически объясняет устойчивость многомерной структуры миров-частиц. Нельзя говорить, устойчива или неустойчива эта структура, поскольку друг от друга подобные параллельные вселенные отделены областью виртуальной геометрии, где нет аналогов нашим понятиям, основанным на совсем иной физической реальности.
Хокинг подвел итоги мозгового штурма: первое, что следует из нашего толкования миров-частиц — это то, что в области виртуальной геометрии многомерные миры совершенно неотличимы от элементарных частиц. Хотя бы потому, что при этом относительны не только их пространственные и временные размеры, но и сами критерии, по которым вселенные отличаются от элементарных частиц. Пенроуз добавил: обособленность многомерных вселенных может быть не только полной, но и частичной, что позволяет наблюдать их во внутреннем пространстве какой-нибудь одной вселенной. Просто там, где эти вселенные связаны друг с другом, виртуальная геометрия частично утрачивает неопределенные метрические свойства, а значит и допускает в какой-то мере обычное наблюдение. Именно такие области физической реальности с частично нарушенной виртуальной геометрией и можно отождествить с «горловинами миров», связывающими отдельные «микроскопические вселенные».
Торн заключил: получается, что если пространство в какой-то момент времени и обладало большим зарядом, то через некоторое время заряд этот неизбежно уменьшится. А значит, соответственно сократятся размеры и масса пространства, каковыми они предстают перед сторонним наблюдателем. То есть, согласно математическим выкладкам, получается, что стягивание гигантских миров в точку вполне вероятно.
Развивая тему квантового многомирья, Хокинг решил посвятить следующий кафедральный семинар многомировой интерпретации квантовой механики, сравнимой по фантастичности вводимых понятий разве что с гипотезой миров-частиц.
Свое выступление профессор Хокинг начал довольно необычно, погрузив слушателей в интеллектуальную атмосферу середины ХХ века. Тогда, по его словам, среди всяческих экстрасенсов, медиумов и прорицателей поползли странные слухи. В основном они сводились к тому, что кто-то где-то слышал, будто ученые наконец-то доказали реальность существования паранормального мира, в котором правят законы магии. Более информированные даже произносили умные, но и им самим непонятные слова, о новой реальности квантового мира. В конце концов к обсуждению подключились научно-популярные журналы и передачи, и тогда выяснилось, что речь идет о новой парадоксальной теории, предсказывающей одновременное существование множества различных Вселенных. Несмотря на кажущуюся фантастичность, эта идея быстро прижилась среди физиков. В дальнейшем она получила развитие, и термин Мультиверс замелькал на страницах солидных научных журналов. Сейчас уже многие теоретики полагают, что когда-нибудь в далеком будущем из подобной «научно-фантастической физики» вполне могут возникнуть новые представления о фундаменте нашего Мироздания.
В конце прошлого века существовало три версии иномирья: разные проекции нашего Мира, параллельные вселенные и миры-частицы. Однако первой вошла в физику парадоксальная многомировая интерпретация квантовой теории, которую в 1957 году предложил Хью Эверетт, аспирант знаменитого космолога Джона Уилера.
Эверетт обратился к анализу одного из основных принципов квантовой теории, который прекрасно объяснил выдающийся физик Георгий Гамов. В его научно-популярной книге «Мистер Томпкинс в стране чудес» описывается охота в «квантовых джунглях». Там охотники стреляют по расплывающимся силуэтам «квантовых зверей» (микрочастиц), которые после попадания «пуль» (измерительных приборов) материализуются в неподвижную «дичь» (видимый результат измерений).
Если продолжить аналогии Гамова, то охота в «многомировых квантовых джунглях» выглядела бы следующим образом. Перед охотниками скакали бы табуны зверей — частиц, а каждая пуля «реализовывала» бы охотников вместе с жертвой в одной из бесконечного множества параллельных и равноправных «копий» нашего Мира. Получается, что интерпретация Эверетта описывает единый квантовый Мультиверс, который представляет собой наложение бесконечного числа всех возможных состояний. В случае «квантовой охоты», описанной Гамовым, Мультиверс разбивается на бесчисленные классические «срезы» нашей реальности, в каждом из которых есть свои охотники — экспериментаторы и звери — мишени, за которыми следят независимые наблюдатели. При этом любой возможный результат «охоты» (конкретного измерения) с разной степенью вероятности реализуется в той или другой из этих альтернативных мировых проекций.
В определенном смысле интерпретация Эверетта выглядит несколько проще традиционной теории, но за это приходится платить, допуская невероятную картину постоянного расщепления квантового Универсума на бесчисленное множество классических миров. Как некогда писал Мартин Рис, один из ведущих астрономов Великобритании: «Когда я впервые познакомился с теорией Эверетта, то сразу же ощутил ее парадоксальность, оригинальность и элегантность. Затем я представил, как каждое мгновение расщепляюсь на биллионы биллионов копий. От этого слегка кружится голова и начинаешь ощущать себя истинно научным шизофреником…»
Между тем, похоже, что многомировая интерпретация принципиально не проверяема, поскольку не вводит новых физических объектов, существование которых можно было хотя бы косвенно подтвердить или опровергнуть на опыте. Более того, все физические расчеты, выполненные на основе стандартной квантовой механики и ее эвереттовской интерпретации, дают абсолютно одинаковые результаты.
Несмотря на то, что статью Эверетта с его первоначальным вариантом многомировой интерпретации к опубликованию рекомендовал один из создателей атомной физики Нильс Бор, большинство ученых не приняло такую фантастическую идею. Ситуация изменилась только после того, как к ней проявили интерес такие крупные физики, как Брюс де Витт и Джон Уилер. Особенно много для популяризации новой теории сделал сам Уилер, и именно после его работ теория стала называться «многомировая интерпретация Эверетта — Уилера». Вообще-то название не точно и уже ввело в заблуждение множество журналистов, литераторов и философов, правильнее было бы говорить «многопроекционная интерпретация», однако менять что-то уже было поздно — терминология получила широкое распространение.
Согласно мысли Эверетта, при измерении какого-либо эффекта в микромире имеется столько миров, сколько возможно альтернативных результатов. В каждом из этих миров имеется и измеряемая система, и прибор, и наблюдатель. И состояние системы, и состояние прибора, и сознание наблюдателя в каждом из этих миров соответствует лишь одному результату измерения, но в разных мирах результаты измерения различны. Любопытная ситуация, не правда ли? Как здорово было бы реализовать в одном мире надоедливую тещу, в другом сварливую жену, в третьем оболтусов-студентов, а самому в четвертом (лучшем из миров) с приятелями физиками-теоретиками обсуждать за кружкой пива хитросплетения Мультиверса, изредка (чтобы контролировать ситуацию) появляясь в первых трех вариантах Вселенной. Прекрасная, но, увы, судя по всему, абсолютно недостижимая мечта…
Дело в том, что в интерпретации Эверетта управляющего воздействия на выбор Мира, ни тем более связи между альтернативными Вселенными не существует даже в теории, а жаль…
Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта-Уилера, сама по себе гипотеза множественных вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав поток работ по теоретической физики. Многие ученые, занимающиеся физикой времени, увидели здесь шанс решить знаменитый «Парадокс убитого дедушки», заключающийся во влиянии измененного прошлого на настоящее и будущее. Суть этого логического парадокса вызвана классическим образом линейного времени.
Если путешественник по времени отправится в прошлое и помешает там встретиться своей бабушке и дедушке, то он, естественно, никогда не родится и не сможет отправиться в прошлое. Если же он не будет мешать встрече, то это позволит ему путешествовать во времени и расстроить встречу своих предков. Таким образом, каждая возможность отрицает логику событий и образует т. н. петли времени.
Существуют и другие парадоксы, приводящие к «узлам времени». Например, можно вернуться в прошлое и похитить чертежи машины времени. Тогда Т-агрегат никогда не будет построен и вы никогда не попадете в прошлое… Наиболее радикальной ситуацией был бы «автоинфантицид», когда вы возвращаетесь в прошлое и убиваете самого себя в детстве.
Многомировая интерпретация легко решает любые временные парадоксы, включая «парадокс убитого дедушки». Дело в том, что модель Эверетта — Уилера порождает вместо линейного времени «веер миров». Таким образом, путешествие в прошлое происходит по независимым проекциям Мироздания, и все действия путешественника влияют только на историю той вселенной, куда попадает Т-агрегат. Таким образом, с погружением в прошлое возникает альтернативная линия времени, в которой «хрононавт» никогда не будет рожден….
Если же принять интерпретацию Эверетта, дополнив ее вдобавок гипотезой, что выбор одного из параллельных эвереттовских миров переносит нас во вселенную-планкеон, тогда возникает совершенно другая схема взаимоотношений квантового и классического миров.
В этой схеме квантовый мир объективен, потому что он не зависит от сознания. Он существует в форме параллельных миров-частиц, каждый из которых не менее реален, чем все остальные. Что же касается классического мира, то он возникает лишь после того, как сознание выбирает один из параллельных миров. При этом остальные миры вовсе не перестают существовать, поэтому то, что лишь один, выбранный мир, реален — это лишь иллюзия, возникающая в сознании наблюдателя….
Мостики Эйнштейна — Розена чем-то напоминают подземные уличные переходы. Различие лишь в том, что подпространственные каналы соединяют не только разные части нашей Метагалактики, но и разные времена. Двигаясь вдоль червоточины, можно попасть как в отдаленный участок Вселенной, так и в другую временную эпоху. Космическая система кротовых нор, подобная описанной в романе Карла Сагана «Контакт», могла бы служить своеобразной транспортной сетью, быстро переносящей нас из прошлого в отдаленное будущее и обратно — в наше настоящее и в прошлое.
Однако насколько правдоподобны выводы физиков-теоретиков? Существуют ли в действительности червячные ходы в пространстве-времени, или же это всего лишь нереализуемые математические фантазии? Но тогда почему они не реализуются, ведь опыт убеждает нас в том, что в мире воплощается все, что не противоречит законам природы? И самый главный вопрос — можно ли предложить какие-либо реальные эксперименты, вплоть до создания искусственных подпространственных кротовых нор, пусть даже в отдаленном будущем, когда наша цивилизация станет достаточно развитой и мощной?
Здесь стоит вспомнить об очень любопытном факте, что кажущееся нам пустым пространство физического вакуума только кажется пустым. При очень большом увеличении оно похоже на шевелящуюся мягкую губку или кипящую мыльную пену, где вспыхивают и мгновенно гаснут всплески полей, а окружающее пространство-время под действием их тяготения искривляется и скручивается в микроскопические пузырьки и раковины, в которых возникают многочисленные воронки и ручки сверхмикроскопических червоточин. Правда, размеры их невообразимо малы — песчинка для них также велика, как для нас сама Метагалактика. Естественно, что ни один современный прибор не может зафиксировать следы таких объектов. Исследовать их математики и физики-теоретики могут лишь умозрительно, строя компьютерные модели. Но именно с существованием подобных удивительнейших объектов ученые связывают возможность еще одного типа подпространственных переходов, впрочем, более подробно об этом будет рассказано в следующем разделе.
Все эти вопросы — на грани научной фантастики, однако сегодня их серьезно обсуждают и сами ученые, поскольку это помогает лучше понять особенности современной теории и представить себе гипотетические возможности космических цивилизаций.
Серьезный анализ возможностей подпространственных переходов пока доступен только математике, поскольку ее формулы — единственный способ, позволяющий обрисовать контуры воображаемых миров и сложные пространственно-временные структуры. Посвященные этим вопросам научные работы напоминают лес формул, но если не претендовать на большую строгость и пользоваться наглядными образами, то общая постановка вопросов и результаты исследований могут быть доступны и далеким от теоретической физики читателям.
С похожим эффектом мы уже встречались в теории относительности, там ход времени зависит от того, по каким часам его измерять. Со сверхсветовыми иллюзиями мы иногда встречаемся и в повседневной жизни. Например, скорость, с которой скользит по стене отраженное зеркалом пятно света, может принимать любые значения, стремящиеся к бесконечности, но ни энергия, ни вещество при этом не перемещаются, и никаких нарушений причинности не происходит. Еще один пример — неоновая реклама, в которой буквы вспыхивают независимо одна от другой, и нам кажется, что каждая из них зажигает следующую. Здесь неоновый сигнал также может бежать с любой скоростью, ограничиваемой только техническими возможностями электрической цепи.
Исследования теоретиков также показывают, что антигравитационный материал с отрицательным давлением, необходимый для облицовки стен подпространственных туннелей, во многом похож на таинственную темную энергию, благодаря которой космическое пространство расширяется с возрастающей скоростью. Физическая природа этой энергии пока еще не понятна. А ведь от ее свойств зависит судьба нашего Мира. Так, не исключено, что в далеком будущем темная энергия может просто разорвать в клочья всю обычную материю, от галактик до атомов. Однако есть и более оптимистичные сценарии будущего, в которых темная энергия потеряет стабильность и саморазрушится.
Эта гипотеза особенно интересна тем, что астрономические теории предсказывают существование удивительных объектов с прямо противоположными коллапсарам свойствами. Такие «белые дыры» еще более загадочны, чем черные, и должны неудержимо извергать вещество. Нырнув в зев черной дыры, звездолет мог бы вынырнуть из диска ее белой сестры в какую-нибудь пространственно-временную область нашего мира или совсем в другую вселенную, связанную с нашей лишь тонкой горловиной червячного лаза.
Есть большие сомнения в реальности подобных путешествий. Гравитационные поля вблизи гравитационных радиусов черных и белых дыр неимоверно велики и быстро растут по мере того, как звездолет втягивается внутрь подпространственного канала. Они сначала закрутят и вытянут корабль в длинные нити, а затем разорвут на мельчайшие частички. Даже в земных условиях, где тяготение сравнительно невелико, силы притяжения на поверхности планеты и на орбите спутника значительно отличаются. На поверхности Земли они вызывают многометровой высоты приливы и отливы, а в недрах застывших звезд-коллапсаров перепады гравитационных сил просто чудовищны. Им не могут противостоять, распадаясь на части, не только атомные ядра, но и элементарные частички. И спастись никак нельзя, обратного пути нет, ведь черная дыра не выпускает даже лучей света.
Некоторые астрофизики считают, что есть определенные надежды на вращающиеся коллапсары. В этом случае связанные с вращением центробежные эффекты отчасти компенсируют притяжение, и это может сделать входной портал проходимым. Однако расчеты других физиков-теоретиков показывают, что при этом подпространственная червоточина становится крайне неустойчива и под действием стягивающих гравитационных сил может мгновенно «схлопнуться». Как видно, естественные коллапсары — не очень-то подходящие элементы для создания машин времени. Но если нельзя воспользоваться свойствами замерзших звезд в пространстве, может быть, удастся сконструировать искусственный подпространственный портал?
А можно ли создать такое вещество, которое будет обладать свойством антигравитации и иметь отрицательную энергию? Энергия вещества слагается из энергии, связанной с массой составляющих его частиц, и энергии давления и натяжения, связанной с внутренними взаимодействиями. В одних случаях, — скажем, в баллоне сжатого газа — она положительна, в других, например в ядре атома железа, отрицательна; как известно, для расщепления ядра на части необходимо совершить определенную работу. Однако во всех обычных веществах — твердых, жидких, газообразных — энергия, связанная с массой, больше энергии взаимодействий, и суммарная энергия вещества всегда положительна. В экзотическом же веществе, которое нужно для сооружения червоточин, первое место занимает отрицательная энергия внутренних натяжений.
Еще совсем недавно физики были убеждены в том, что подобных веществ просто не бывает. И это, по-видимому, так, если оставаться в рамках классической, доквантовой физики. Однако в области квантовых явлений ситуация иная. Благодаря всплескам спонтанных полей, рождению пар частиц и античастиц на очень короткое время энергия может стать несколько большей или меньшей ее среднего классического значения. Это иногда называют «кипением» физического вакуума, где вблизи нулевого уровня энергии всегда есть области с положительной и отрицательной энергией.
Квантовая физика описывает поведение элементарных частиц статистически. Эта врожденная «статистичность» микрообъектов является одной из самых трудных загадок природы. На микроуровне в любой момент времени можно указать лишь вероятность того или иного физического процесса. Этот вывод очень трудно осознать, и даже Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.
Если исходить из теории фридмонов, то получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной Вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, населенными странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться назад, то пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами. Путешествуя по различным фридмонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и во времени.
Еще два с половиной тысячелетия назад философы стали задаваться вопросом: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы дробления и каковы наименьшие размеры вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем.
Сейчас физики интенсивно исследуют сверхмалые элементарнейшие сущности (частицами их назвать уже затруднительно) — кварки. Правда, никто пока еще не предложил реальных методов их наблюдения, которые однозначно бы ответили на вопрос, существуют ли кварки на самом деле. Естественно, ученым очень хочется, чтобы они существовали. Кварки ныне почти единодушно признаны фундаментальными кирпичиками материи, из которых сложено Мироздание. Однако уже слышны голоса физиков-теоретиков, которые моделируют субкварковые составляющие нашего Мира…
Это бесконечное деление напоминает частицу-матрешку. И главный вопрос здесь, существует ли последняя матрешка, которую уже нельзя разнять… В самом деле, если последней матрешки нет, если процесс деления бесконечен, то мы никогда не узнаем, как устроен мир… С таким выводом нелегко согласиться. Но еще труднее свыкнуться с тем, что делимость вещества на каком-то этапе должна прекратиться. Значит, дойдя до последней матрешки, мы исчерпаем все свойства мира?
Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины — и снова получим яблоко. И не может быть такого, чтобы каждая половинка весила больше целого яблока. В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц… Разнимая матрешки до все более мелких частиц, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось, что масса целой частицы всегда… меньше суммы масс частиц, ее составляющих. Впрочем, физиков это совершенно не удивляет. Еще Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны. Значит, дефект масс, лежащий в основе тех же термоядерных превращений, восполняется выделением соответствующего количества энергии, и никаких нарушений законов сохранения, лежащих в основе физики, не происходит. Несложные подсчеты, основанные на соотношении Эйнштейна, показывают, что грамм кварков может высвободить громадную энергию, эквивалентную сжиганию двух с половиной тысяч тонн нефти!
Глава 10. Стрела мнимого времени
…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…
Рассказывая о творческом наследии выдающегося теоретика, невозможно пропустить исследования Хокингом проблем квантового времени. Выступая перед самыми разными по составу аудиториями, он всегда пытался обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых масштабах. Несколько в стороне от интересов Хокинга оставалось только четвертое измерение континуума Минковского: время.
Впервые Хокинг столкнулся с поведением квантового времени на уровне ячеистого пространства, будучи приглашенным на Берклеевский семинар по струнной физике. Для него стал неожиданностью математический образ дискретного квантового времени. Оказалось, что в ряде «струнных моделей» время не течет как река, а скорее тикает как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка». Это совершенно непредставимая по своей малости величина, описываемая дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, «струнные часы» делают один «тик».
Еще более заинтересовал Хокинга доклад, посвященный «квантовому эффекту Зенона» (КЭЗ).
Зенон — древнегреческий мыслитель, придумавший ряд временных парадоксов, построенных на противопоставлении части и целого. Впервые КЭЗ более-менее достоверно наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть эксперимента состояла в том, что время жизни подуровня было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния на подуровень, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы переводились из начального состояния на еще один подуровень. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода, фиксируя число атомов основного состояния в определенные моменты времени.
Надо заметить, что как скептик и позитивист, Хокинг всегда прекрасно понимал, что обсуждение проблемы влияния наблюдений на течение квантовых процессов во многом зависит от философской позиции того или иного теоретика. Конечно же, с объективной точки зрения, на эти процессы оказывает воздействие не сам акт «отстраненного» наблюдения, иначе это было бы просто идеалистическими выдумками и проявлением солипсизма, а некоторые реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и окружающей средой.
Вернувшись в Кембридж, Хокинг тут же стал делать наброски новой книги, которую он намеревался назвать «Квантовая физика времени». К сожалению, его планам так и не удалось сбыться, но один из фрагментов попал в сборник «Теория Всего». Там можно встретить рассуждения о том, что каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не возвращается. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени.
Связано ли направление течения времени с движением большей части процессов во Вселенной и откуда возникло так часто встречающееся понятие «стрела времени»?
Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление стрелой времени. Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит направление полета и стрела времени.
Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет выраженного направления движения потока времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед.
И здесь теоретик задал вопрос, который мучил его всю оставшуюся жизнь: откуда берется стрела времени? В поисках решения этой фундаментальной проблемы естествознания Хокинг пришел к другому вопросу: могут ли существовать какие-нибудь объекты во Вселенной с иным ходом времени? После обсуждения с коллегами и друзьями теоретик посчитал, что на этот вопрос следует дать положительный ответ. Так возник образ антивселенной.
В этом мире должна соблюдаться очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то «вселенная Хокинга» будет подчиняться всем законам физики.…
По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.
Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.
Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…
Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.
Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.
Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.
Обосновывая свою версию «термодинамической стрелы времени», Хокинг снова ставил вопросы: воспринимаем ли мы одностороннее течение времени из прошлого в будущее из-за второго начала термодинамики? связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени и энтропии?
С некоторого момента Хокинг присоединился к мнению, что дело обстоит именно так. Последним, с кем он обсуждал проблему «термодинамического направления времени», был известный физик и научный популяризатор, профессор Шон Кэрролл. В ходе долгой беседы была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано именно с энтропией.
Энтропия действительно объясняет стрелу времени, доказывал Хокинг на очередном заседании Лондонского королевского общества. В бесчисленных случаях из повседневной реальности, например, кофе с молоком никогда не разделяется на исходные компоненты, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе много примеров этого процесса, пояснял Хокинг, включая комнату, наполненную молекулами: одна часть полна холодных, движущихся медленно молекулами, а другая — горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.
Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В 1870 году физик Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую (уже упоминавшаяся идея «демон Максвелла», она позволяет понизить энтропию системы).
Разумеется, «обхитрить» природу и нарушить второе начало термодинамики с помощью подобных «демонических сил» все равно никогда не удастся. Дело в том, что демону необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием демона — открытая. Если добавить к ней энтропию и самого демона к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором воспринимается ход времени.
Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем).
Большинство ученых утверждает, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом тяготением галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно, как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.
Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной, свойственная самому пустому пространству, преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва, либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые оставил после себя кембриджский теоретик, и они когда-нибудь приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные или наблюдательные признаки, которые могли бы подсказать, пока получены не были.
Хокинг трактовал стрелу времени с точки зрения термодинамики — и это действительно ценное и очень важное понимание. Но если вы хотите узнать, почему вчера раз за разом остается в неизменном прошлом, завтра наступает на следующий день, а настоящее — то, где вы проживаете прямо сейчас, термодинамика вряд ли может ответить на этот вопрос. И пока что, по сути, нет никого, кто бы смог.
К примеру, в квантовой механике соотношение неопределенностей «энергия — время» накладывает специфические ограничения на саму процедуру измерения времени, тесно связанную с множественным характером темпоральной реальности. Из вероятностного характера квантовой физики можно делать потрясающие модели той же суперсимметричной М-теории, однако представления о времени оказались довольно устойчивыми даже для «транссингулярных бран». А стандартная квантовая теория вообще использует время как самую настоящую классическую переменную, не приписывая ей какие-то новые сущности. Тем не менее, течение времени в микромире имеет свои особенности. Прежде всего, это, конечно же, наличие соотношения неопределенности «время — энергия»: ∆t∆E≥ħ, гласящей, что мы можем уточнить либо изменение энергии, либо время, за которое оно произошло. Во-вторых, весь квантовый мир пронизан колебаниями, определяемыми через частоту опять-таки временными характеристиками. Ну и, в конце концов, само выражение для планковского кванта действия из соображений размерности распадается на «энергетическую» и «темпоральную» части.
И хотя чаще всего парадоксы квантовой физики связаны с распространением обыденных макроскопических понятий пространства и времени на квантовые объекты, какой-то аналог «стрелы времени» должен существовать и в микромире. Впрочем, микрочастицы вовсе не обязаны принадлежать только к знакомому нам частному случаю пространства-времени (математики называют его гладким топологическим многообразием Минковского) в виде обычного евклидова пространства трех измерений из школьных учебников, дополненного координатной осью времени. Вполне возможно, что они «обитают» в своем специфическом микропространстве, в которое переходит многообразие Минковского на «планковских дистанциях», выражаемых дробными миллиметрами с тридцатью нулями. В этой таинственной глубине могут происходить совершенно невероятные вещи, предсказываемые формальными математическими моделями, и далекие, даже астрономические расстояния «здесь» могут соответствовать неразличимой близости «там». Вот, кстати, и еще один вариант разгадки ЭПР-парадокса, причем несравненно более «физичный», чем чудотворное квантовое сознание наблюдателей и «разумные потенциалы» микрочастиц, встречающиеся у отдельных современных исследователей.
Фантастика? Однако вспомним некоторые факты из жизни современной квантовой теории поля, описывающей элементарные частицы. Общепризнанно (насколько подобное можно заявить сегодня), что в основе всех физических явлений лежат квантовые поля, дискретными составляющими которых выступают элементарные частицы. Эти частицы постоянно участвуют в сложных процессах взаимопревращения, возникновения и исчезновения.
Для любопытствующих я весьма бы рекомендовал пару лучших книг по данной тематике: «Атомную физику» моего учителя Александра Ильича Ахиезера и «Физику элементарных частиц» Льва Борисовича Окуня, крупнейшего мирового авторитета в данной области. Удивительно, но пространственно-временные представления, которые использует квантовая теория поля, по своей сути являются макроскопическим миром Минковского!
В свое время создание классической механики способствовало формированию такого идеала научного знания, согласно которому теория должна объяснять явления, как четко причинно-обусловленные, происходящие в пространстве и времени, на основе однозначных законов механики Галилея — Ньютона. Высшее развитие принцип классической предопределенности явлений или детерминизма получил в работах знаменитого французского физика и философа Пьера Симона Лапласа. Он писал:
Все явления — даже те, которые по своей незначительности как будто не зависят от великих законов природы, суть следствия столь же неизбежные этих законов, как обращения Солнца. Не зная уз, соединяющих их с системой мира в ее целом, их приписывают конечным причинам или случаю, в зависимости от того, происходили ли и следовали они одно за другим с известной правильностью, или же без видимого порядка, но эти мнимые причины отбрасывались по мере того как расширялись границы нашего знания и совершенно исчезли перед здравой философией, которая видит в них лишь проявления неведения, истинная причина которого мы сами. Всякое имеющее место явление связано с предшествующими на основании того принципа, что какое-либо явление не может возникнуть без производящей его причины.
Детерминизм Лапласа предполагал однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицания объективной случайности.
Модель времени Лапласа была органично связана с представлениями об однозначной предопределенности физических явлений. Оказалось, что и теоретикам очень удобно оперировать понятиями четырехмерного пространства с тремя геометрическими координатами и одной временной.
В простейшем случае движение тела можно изобразить на плоскостной диаграмме, откладывая по одной координате значения времени, а по другой — пройденного пути. Если тело движется с определенной скоростью, то через определенные интервалы времени после начала движения оно сместится от начала своего пути на соответствующие дистанции. На диаграмме эти события отобразятся точками, через которые можно провести линию. Эта линия, образуемая из множества событий-точек, в истории тела называется мировой линией.
В первой четверти координатной плоскости, где и время, и значения пути положительны, мировая линия ведет себя вполне логично. В какой-то мере можно представить себе физически и движение вдоль мировой линии во второй четверти, где время положительно, а путь — отрицателен. В нашем обыденном мире это может означать возвращение в исходную точку. В этом смысле путь может показаться величиной отрицательной: двигаясь по нему, мы удаляемся от нужного нам пункта, вместо того чтобы приближаться к нему.
Но уж совсем необъяснимы с позиций обыденного мира случаи с отрицательным временем. Что это означает? Принципиальную возможность движения в прошлое? Но ведь время, насколько нам всем известно, не может течь вспять…
Мировая линия может изменять свое положение в пространстве в зависимости от того, с какой скоростью происходит движение. Если бы мы могли двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, достижимая на сегодняшний день, — это скорость света. Значит, мировая линия должна быть ограничена прямыми, показывающими распространение света, это будут т. н. световые конусы.
Все эта время мы рассматривали двухмерный случай, но наш мир, как уже говорилось, имеет четыре измерения. Значит, мировая линия может помещаться внутри некоторого светового конуса, очерченного мировыми линиями света. Особенно интересна поверхность конуса прошлого, лежащего в той области, где время отрицательно. Ведь на этой поверхности находится то, что мы можем увидеть. В самом деле: видеть — это, говоря иначе, воспринимать световые лучи. Но пока они донесут информацию от источника до нашего глаза, пройдет какое-то время, значит, видеть мы можем только то, что уже произошло.
Следующие интереснейшие парадоксы физического времени можно встретить в микромире, рассматривая античастицы и обращение времени. Античастица — это частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от нее знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой, барионное и лептонное квантовое число). Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Начиная с тридцатых годов прошлого века было открыто несколько сотен элементарных частиц.
Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако природа состоит именно из «частиц», и соответствующие им античастицы определяются совершенно однозначно. Знаменитые теоретики XX века Ричард Фейнман и Джон Уилер построили оригинальную модель античастиц как обычных частиц, живущих «вспять во времени». Парадоксально, но этого оказалось вполне достаточно для определения их свойств. Следуя идеям Фейнмана — Уилера, Хокинг представил, что если античастица участвует в некотором процессе, скажем, испускания кванта электромагнитного поля, то его вероятность будет в точности равна вероятности обратного процесса поглощения точно такого же фотона обычной частицей.
Это, конечно, еще далеко не обратный поток времени, однако, если существуют антимиры, то и макроскопические процессы в них будут происходить «обратным образом». Вообще же говоря, подобная операция обращения времени носит название темпоральной инверсии (Т-инверсии, или обращения времени). Таким образом, действие Т-инверсии на состояние с определенным импульсом и энергией дает исходное состояние с начальными параметрами и координатами. Это объясняется тем, что после обращения времени следует пространственная инверсия (Р-инверсия, или пространственное обращение), изменяющая знаки у пространственных переменных и возвращающая микросистему в исходное состояние.
А вот как сам Фейнман авторским образом применял концепцию темпоральных инверсий ко вполне обычному процессу рассеяния электрона в веществе: «Обычным способом такой процесс может быть описан следующим образом… В некоторый момент t < t (1) имеется только начальный электрон. В момент t (1) внешний потенциал рождает электрон-позитронную пару. В момент t (2) > t (1) позитрон аннигилирует с начальным электроном, так что при t > t (2) остается только рассеянный электрон…». Далее Фейнман продолжал анализировать рассеяние электрона и выдвинул новую версию рассеяния: «…Вместо такого рассуждения мы хотим обобщить идею рассеяния и считать, что электрон рассеивается назад во времени от t (2) к t (1). Поэтому обычный позитрон проявляется как электрон, движущийся во времени вспять…» В заключение Фейнман делает вывод: «Эти два случая соответствуют частицам и античастицам».
Приведенный отрывок из работы Фейнмана конца 50-х годов прошлого века со всей определенностью свидетельствует, что знаменитый физик считал античастицы частицами, движущимися из будущего в наше настоящее и дальше в прошлое. Хокинг и Уилер, развивая идеи Фейнмана, считали, что подобная «антитемпоральная» природа античастиц позволяет успешно объяснить космологический парадокс видимого отсутствия антиматерии в доступных наблюдению частях Метагалактики. Согласно теории относительности, массивные тела искривляют пространство, и время искривляется. Это явление известно нам, как всемирное притяжение. Но вместе с искривлением пространства-времени могут искривляться и все мировые линии, становясь замкнутыми. Двигаясь по таким замкнутым линиям, объект из будущего неминуемо встретится с самим собой в прошлом и сможет повлиять на уже прошедшие события.
Поделиться книгой: