Настоящая глава — это краткий экскурс в бурный период становления современной физики. Это был этап глубоких исканий, заблуждений и противоречий, изменивший лицо человеческого общества. Период, предвосхитивший эпоху новой науки, когда человечество все чаще вынуждено решать, на какое направление ее развития следует наложить запрет и как убедить или даже заставить повиноваться этому запрету многотысячную интернациональную армию исследователей.

Студентам моего времени посчастливилось слышать историю возникновения новой физики двадцатого века из уст крупнейших советских ученых с мировым именем, таких, как Антон Карлович Вальтер, Моисей Исаакович Каганов, Арнольд Маркович Косевич, Эммануил Айзикович Канер, Валентин Григорьевич Песчанский, Виктор Моисеевич Цукерник, Лев Самойлович Палатник, Игорь Иванович Фалько.

Больше всего мне запомнилось, как начинал этот раздел своего лекционного курса один из самых видных теоретиков прошлого века, академик А. И. Ахиезер, а начинал он его с риторического вопроса: как правильно рассказать о той «драме идей», по словам Альберта Эйнштейна, которая сопровождала мучительное рождение нового знания о природе окружающего мира? Ну а дальше, будучи блестящим лектором, Александр Ильич погружал нас в один из самых таинственных и притягательных разделов физики, которым уже долгое время (практически с момента возникновения) остается квантовая механика. Второе название данной области науки — волновая механика. Это теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также общую связь величин, характеризующих микромир частиц, с физическими величинами окружающего нас большого мира (макромира).

В классической физике Лагранж, Гук и Ньютон рассматривали окружающую природу как абстрактный мир бильярдных шаров с абсолютно точными пространственными координатами и скоростями.

Опыт показывает, что такое описание не всегда справедливо для микромира элементарных частиц. Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной Планка, которая называется также квантом действия и разбивает все окружающие потоки энергии на мельчайшие порции — кванты энергии. Обычно последние называют просто квантами и говорят, что энергия квантована. Отношение между классической и квантовой физикой наглядно иллюстрирует очень простой пример из геометрии. Как непрерывные линии и поверхности состоят из невидимых точек, так непрерывные процессы в природе квантуемы и состоят из квантов.

Впервые понятие квантов было введено в 1900 году выдающимся немецким физиком Максом Карлом Эрнстом Людвигом Планком в работе, посвященной решению парадокса теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения абсолютно черного тела (АЧТ), построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии — квантами. Итак, попробуем приглядеться к одной из самых глубоких трещин на монументе классической физики.

В конце девятнадцатого века многие физики усиленно пытались найти распределение излучения абсолютно черного тела. Моделью АЧТ является замкнутая полость с небольшим отверстием. Главной особенностью АЧТ является то, что любое излучение, попавшее внутрь через узкую горловину, будет многократно отражаться от внутренней поверхности, прежде чем сможет выйти обратно. Хорошей моделью АЧТ служит обычная мартеновская печь с литовкой — отверстием для потока металла.

Вам наверняка доводилось видеть что-то похожее на черное тело. В очаге, например, случается, что несколько поленьев сложатся практически вплотную, а внутри них выгорит довольно большая полость. Снаружи поленья остаются темными и не светятся, в то время как внутри выгоревшей полости накапливаются жар (инфракрасное излучение) и свет, и, прежде чем вырваться наружу, эти лучи многократно отражаются от стен полости. Если заглянуть в щель между такими поленьями, вы увидите яркое желто-оранжевое высокотемпературное свечение, и оттуда на вас буквально полыхнет жаром. Просто лучи на какое-то время оказались пойманными в ловушку между поленьями.

Понаблюдаем за излучением мартеновской печи. После заправки металла, кокса и различных добавок для получения нужного сорта стали мартеновская печь начинает интенсивно разогреваться. При этом литовка (отверстие для слива расплава) светится сначала багряно-красным цветом, затем ярко-красным и наконец перед самым выходом металла — ослепительно белым.

Все законы теплового излучения в девятнадцатом веке были установлены именно для АЧТ, поскольку именно для них можно четко выделить зависимость светимости от температуры. Это понятно, ведь все волны после долгого блуждания внутри полости АЧТ выходят одинаковыми, как фарш из мясорубки!

Один из таких законов носит название закона Стефана — Больцмана по имени открывших его ученых и связывает энергию, испускаемую АЧТ, с четвертой степенью его температуры. Второй закон, получивший имя Вина, в честь австрийского физика, гласит, что чем выше температура АЧТ, тем короче длина его волны. Ну а поскольку длина световой волны растет от ультрафиолета (ему мы обязаны загаром) до инфракрасного света (им обогревают помещения и используют в приборах ночного видения), то при высокой температуре ослепительное белое сияние вроде бы должно постепенно сменяться фиолетовым свечением. Однако ни в мартеновских печах, ни в самых ярких кострах мы никогда не увидим подобного перехода. В чем же дело?

Через некоторое время интенсивность испускания и поглощения лучей внутри АЧТ уравниваются. Вот до этого момента поведение АЧТ остается еще достаточно понятным. Проблемы начинают возникать при попытках подсчитать энергию излучения, сохраняемую внутри абсолютно черного тела в равновесном состоянии. И скоро выяснились две вещи. Во-первых, чем выше волновая частота лучей, тем больше их накапливается внутри черного тела. Во-вторых, чем выше частота волны, тем большую энергию она несет и, соответственно, тем больше ее сохраняется внутри черного тела.

Напомним, что такое спектр излучения. Обычно мы называем спектром цветную полосу, образованную лучами света после прохождения через стеклянную призму. При этом надо уточнить, что свет по своей природе представляет собой электромагнитное излучение, или же электромагнитные волны, распространяющиеся посредством электромагнитных полей. Электромагнитные волны строго определенной длины (или частоты) называют монохроматическими, что можно перевести с латыни как «единоцветные».

Таким образом, спектр электромагнитного излучения — это разделение излучения таким образом, что по каждому направлению распространяется монохроматическая волна. Конечно же, вовсе не обязательно применять понятие «спектр» только к электромагнитному излучению. Общее определение гласит, что спектр — это совокупность частот (длин) волн, содержащихся в каком-либо излучении, или даже еще более общее, математическое: спектр — это совокупность значений какой-либо величины.

Нельзя не сказать еще несколько слов о роли столь значительного объекта, как спектр, в истории физики. Именно он часто играет роль проницательного детектива, исследующего с помощью своего замечательного метода — спектрального анализа — самые запутанные физические парадоксы и теории. На его счету раскрытие тайн звездного света и открытие нового элемента в атмосфере Солнца, он работает в школьных кабинетах физики и настоящих криминалистических лабораториях, управляет сверхчувствительными комплексами уникального оборудования на межпланетных автоматических станциях и помогает открыть секреты древней булатной стали.

Именно спектральный анализ излучения АЧТ привел к самым настоящим катастрофическим последствиям для всей классической физики. Согласно классической механике и теории электромагнитного излучения, созданной великим шотландским ученым Джеймсом Кларком Максвеллом, вся энергия АЧТ должна быть поделена между всеми волнами самой различной длины, заполняющими внутреннюю полость. Поскольку, согласно закону Вина, максимум энергии приходится на самую коротковолновую — ультрафиолетовую часть спектра, то все нагретые тела должны светить не красным или белым, а невидимым ультрафиолетовым светом. Естественно, что такой результат, полученный впервые знаменитым английским ученым лордом Релеем, грубо противоречил наблюдаемой действительности. Вместе эти заключения привели к немыслимому результату: энергия излучения внутри черного тела должна стремиться к бесконечности! Эта злая насмешка над законами классической физики была окрещена ультрафиолетовой катастрофой, поскольку высокочастотное излучение лежит в ультрафиолетовой части спектра. На самом деле закон Вина распространяется лишь на цвет, соответствующий максимальной яркости излучения, при этом предполагается, что в общем потоке присутствуют все цвета с большими длинами волн. При нагревании АЧТ цветовая гамма излучения расширяется в коротковолновую часть, естественно сливаясь при этом в единый цвет.

Грузовой транспорт внутри Большого адронного коллайдера

Большой адронный коллайдер (БАК) — это современный сверхмощный ускоритель частиц, благодаря которому ученые надеются проникнуть в неизвестные глубины материи. Эксперименты на коллайдере позволяют сталкивать пучки частиц с энергией, в миллионы раз превышающей выделяемую в термоядерном синтезе. Оптимисты считают, что БАК откроет новые частицы и поля, а пессимисты — что он навсегда закроет не только науку, но и всю цивилизацию, создав всепоглощающий провал черной дыры.

Таблица цветности излучения абсолютно черного тела
Температура в градусах Кельвина	Цвет
до 1000	Красный
1000—1500	Оранжевый
1500—2000	Желтый
2000—4000	Бледно-желтый
4000—5500	Желтовато-белый
5500—7000	Чисто-белый
7000—9000	Голубовато-белый
9000—15 000	Бело-голубой
15 000—∞	Голубой

Зависимость мощности излучения АЧТ от длины волны

Реальная зависимость интенсивности излучения от длины волны для разных температур (пунктирные кривые) и ее вид по классической теории (сплошная линия)

Модель излучения черного тела

Чтобы понять, что такое черное тело, надо представить себе полую сферу с зеркальной внутренней поверхностью, в одной из стенок которой проделана маленькая дырочка. Луч света, проникающий через микроскопическое отверстие, навсегда остается внутри сферы, бесконечно отражаясь от ее стенок. Объект, не отражающий света, а полностью поглощающий его, выглядит черным, поэтому его и принято называть черным телом. Моделью излучения абсолютно черного тела может служить литовка доменной печи, внутренняя часть жаркого костра или ровный белый свет, излучаемый брусками раскаленного металла.

Памятник Максу Планку во дворе Берлинского университета

Одна из самых бурных научных революций нового времени началась с работ очень скромного, тихого и педантичного немецкого профессора Макса Планка. Планку пришла в голову гениальная мысль, что нужно ввести в теорию излучения некоторый новый элемент, развивающий на ином уровне классические представления всеобщего атомизма, и он выдвинул знаменитый постулат: вещество не может испускать энергию излучения иначе, как конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения. Коэффициент пропорциональности при этом есть некоторая универсальная постоянная, имеющая размерность механического действия, которую Планк и назвал квантом. Энергия, переносимая одним квантом, равна: E = hv, где v — частота излучения, a h и есть знаменитая постоянная Планка (очень часто из соображений рациональности физики используют величину ħ = h/2π, также называемую постоянной Планка с чертой). Вскоре на основе экспериментальных данных Планк рассчитал значение элементарного кванта действия, представляющего собой новую универсальную константу: h = 6,626·10^-34 Дж.с.

В истории человечества кванты действия Планка произвели такой же переворот, как и великие открытия Галилея и Ньютона. Классическая физика господствовала долгие столетия, но экспериментальная техника постоянно усложнялась, и в конце концов опытные данные стали противоречить традиционно сложившимся представлениям. Вот тогда и родилась новая квантовая наука, заставившая пересмотреть многое в основных принципах классической физики. Итак, трещины под постоянным обстрелом экспериментальных фактов разрослись, и фасад здания традиционной науки рухнул. Тем не менее, несмотря на панику отдельных ученых и особенно философов, после того как осела пыль непонимания, стал виден незыблемый каркас объективного знания. И буквально сразу же удивительным образом подобранная команда блестящих физиков, теоретиков и экспериментаторов, стала возводить леса новой квантовой науки.

Величайший мыслитель во всей истории человечества — Альберт Эйнштейн известен большинству окружающих как создатель таинственной теории относительности. Однако в летописи науки его первые шаги связываются совсем с иными исканиями, а именно — с замечательным явлением, связывающим электромагнитное излучение и электрический ток. Этот удивительный процесс «перехода лучистой субстанции в электрическую», как писали научные журналы позапрошлого века, был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем.

Правильнее было бы сказать, что Герц не открыл, а ввел это явление в физическую науку, поскольку несистематические наблюдения влияния солнечного света на электризацию лепестков простейших электроскопов встречались еще в конце восемнадцатого века. Если Герц ввел понятие фотоэффекта в науку, то сделал фотоэффект действительно научным явлением выдающийся русский физик Александр Григорьевич Столетов. Профессор Столетов заслуженно считается создателем новой волны экспериментальной физики, выразившейся прежде всего в возникновении школы естествоиспытателей Московского университета.

Исследуя влияние освещенности на возникновение заряда в проводниках и диэлектриках, Александр Григорьевич сконструировал первый в мире электровакуумный прибор, представлявший собой стеклянную трубку со впаянными электродами, из которой откачивался воздух. Поднося к трубке сильную электроразрядную лампу, ученый тут же фиксировал появление электрического тока. Если внешняя сторона фотоэффекта, в общем-то, была более-менее понятна, то внутренне содержание совершенно не соответствовало принципам классической электродинамики. Действительно, признавая существование неких «элементарных корпускул электричества в разноименном зарядовом состоянии», физика того времени предсказывала, что процесс появления заряда будет протекать наподобие раскачивания электромагнитной волной, скажем, яблони — кристаллической решетки, заполненной спелыми яблоками — электронами. На этой мысленной картинке приложение электромагнитных сил вызовет постепенный процесс роста «града» яблок-электронов по мере нарастания амплитуды раскачивания волнами света ствола — решетки.

Увы! В действительности все выглядело совершенно иным образом! Достаточно было включить источник света — и во внешней цепи тут же появлялся ток. Более того, вскоре выяснилось, что далеко не всякий свет годился для наблюдения фотоэффекта. Красный свет даже высокой интенсивности не мог «запустить» течение процесса, а вот слабый солнечный лучик вполне для этого годился. Картина вырисовывалась довольно странная, как если бы силач, раскачивал-раскачивал ствол медленными движениями, пригибая его чуть ли не до земли, и ни одного яблока не упало, а вот подошел ребенок, резко ударил небольшим молоточком — и тотчас сорвался поток плодов. В ходе многочисленных опытов Столетов вплотную подошел к решению загадки фотоэффекта, но окончательное решение здесь предстояло найти другому гению современности — Эйнштейну.

В то время прошло лишь чуть больше пяти лет после рождения кванта действия Планка, но молодой служащий патентного бюро в Берне смело взялся развивать революционную модель Планка, перенося идеи ее создателя о квантованности электромагнитной энергии на корпускулярное строение светового потока. Действительно, такой подход (кстати, известный задолго до Ньютона, с именем которого обычно связывают понятие «корпускул света») легко позволил объяснить все противоречия фотоэффекта. Достаточно было только предположить, что неделимая частичка света — фотон, выбивая электрон с поверхности металла, должен иметь определенную «пороговую энергию», и все встало на свои места.

Великий Эйнштейн

Явление фотоэффекта

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций — световых квантов.

Сложная волновая поверхность

Что собой представляет электромагнитная волна, легко представить на следующем примере. Если на водную гладь бросить предмет, то на поверхности образуются расходящиеся кругами волны. Они движутся от источника их возникновения (возмущения) с определенной скоростью распространения. Для электромагнитных волн возмущениями являются передвигающиеся в пространстве электрические и магнитные поля. Меняющееся во времени электромагнитное поле обязательно вызывает появление переменного магнитного поля, и наоборот. Эти поля взаимно связаны.

Весь последующий период развития квантовой науки неразрывно связан с именем еще одного из «младших отцов-основателей нового взгляда на материю» — Нильса Бора (1885–1962). Этот знаменитый датский ученый начал свою научную карьеру в святом для каждого физика месте — Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Именно здесь молодой ученый приступил под руководством самого сэра Резерфорда к построению новых моделей атомных структур. В этот период на небосводе науки засверкал первый более-менее достоверный планетарный атом Резерфорда. Эта модель своей наглядностью, простотой и глубоким смыслом (Вселенная в атоме!) еще долго привлекала внимание публики, до сих пор (!) встречаясь в некоторых неудачных учебниках и научных популяризациях. Почему неудачных?

Дело в том, что, вращаясь с центростремительным ускорением вокруг атомного ядра, электрон по законам электродинамики должен мгновенно излучить энергию и упасть. Разрешить эту проблему и направить физиков по верному пути понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, прибывшему на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине. За отправную точку Бор принял новые постулаты квантовой механики, согласно которым на субатомном уровне энергия испускается исключительно квантовыми порциями.

Согласно хрестоматийным постулатам Бора, электрон не излучает энергию, находясь на неких «стационарных» орбитах. При этом сам акт излучения кванта электромагнитной энергии сопоставляется с переходом: «высокая» орбита — «низкая» орбита.

Объяснить странные правила поведения электронов внутри атома Бор в то время не мог, но он уже тогда высказал догадку, что эти отдельные, дискретные орбиты как-то связаны с еще науке неизвестными квантовыми закономерностями движения. Предположения Бора основывались на том, что именно своеобразие квантового движения выделяет отдельные орбиты из всей возможной их совокупности.

Все это уже серьезно расходилось с планетарной аналогией, ведь по законам классической механики орбиты электронов должны были бы быть совсем иными. Получалось, что именно особенности квантового движения внутри атома проявлялись в наличии лишь некоторых избранных состояний трансдислокации электронов.

Впоследствии, после завершения основных этапов развития квантовой науки, выяснилось, что атомные постулаты Бора об устойчивых орбитах на самом деле органически вытекают из нее, как некое приближенное правило. При этом существует орбита с наименьшей из возможных энергий, на которой электрон может находиться неограниченное время. Говоря научным языком, Бор показал, что электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.

Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком» или «квантовым скачком». Боровские правила квантования атомных орбит объяснили не только удивительную стабильность окружающих нас атомов, но и тот удивительный факт, что атомы испускают свет строго определенных частот. Данные частоты Бор выразил через величины зарядов ядра и электрона, их массы и постоянную Планка. Таким образом, загадочные по своему смыслу правила квантования Бора стали описывать все главнейшие свойства атомов.

Следующим этапом торжества квантовой физики стал анализ природы света, а более широко — электромагнитного излучения, которое, как оказалось состоит из квантов — фотонов. Для создания современной картины мира важным событием оказалось то, что (это было показано экспериментально) рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц. Так были выявлены корпускулярные свойства света и экспериментально доказано, что наряду с волновыми свойствами свет как бы состоит из частиц. В этом проявляется двойственность (дуализм) света, его корпускулярно-волновая природа. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других — корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

Когда Джон Дальтон впервые в истории современной науки предложил атомную теорию строения вещества, атомы представлялись ему неделимыми, наподобие микроскопических бильярдных шаров. Однако на протяжении всего девятнадцатого столетия становилось всё очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой здесь стали открытия выдающихся английских физиков-экспериментаторов Джозефа Джона Томсона и Ричарда Резерфорда. После опытов этих ученых стало совершенно ясно, что атом не просто делим, но что он еще и обладает сложной структурой: состоит из массивного положительно заряженного центрального ядра и движущихся вокруг него легких отрицательно заряженных электронов. Тут же возникла новая проблема — составной атом не был устойчив и должен был мгновенно распадаться.

Противоречие снял Бор, применив квантовую теорию к состоянию электронов на атомных орбитах.

Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света — фотон определенной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету, так, раскаленный металл имеет желтовато-белый цвет, вольфрамовая проволочка в электрической лампочке — желтый, угли костра — насыщенно-красный, всеми цветами радуги светятся различные инертные газы в лампах неоновой рекламы. А для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.

В картине атома по Бору, таким образом, электроны переходят вниз и вверх по орбитам дискретными скачками — с одной разрешенной орбиты на другую, подобно тому, как мы поднимаемся и спускаемся по ступеням лестницы. Каждый скачок обязательно сопровождается испусканием или поглощением кванта энергии электромагнитного излучения — фотона.

Сейчас специалисты в области атомных спектров довольно легко рассчитывают характеристики этих волн и интерпретируют их для объяснения свойств самых сложных по структуре атомов. Однако первые шаги в данном направлении сделал именно Бор в далеком 1913 году, обрисовав в озарении практически все основные черты современной квантовой механики атомной физики.

Следующий судьбоносный шаг в новой науке сделал в 1924 году выдающийся французский физик, впоследствии нобелевский лауреат Луи де Бройль. Де Бройль долго раздумывал над объяснением атомных постулатов Бора и о принципах квантования атомных орбит. В итоге своих размышлений он выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы. То есть не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.

Модель атома Бора

С планетарной моделью атома возникли принципиальные проблемы. Прежде всего, согласно физическим законам, такой атом не мог бы просуществовать дольше доли мгновения. В соответствии с законами механики, электрон, находящийся на орбите, движется с ускорением. Следовательно, он должен излучать электромагнитную энергию и вскоре упасть на ядро. Противоречия классической модели решил Бор, в его формальной модели атома электрон движется по стационарным орбитам не излучая; излучением кванта электромагнитного поля сопровождается его переход на более низкую орбиту, а поглощением того же фотона — скачок на более высокий уровень.

Нильс Бор, основатель копенгагенской школы квантовой механики (Принстон, США, 1948)

Нильс Бор является одним из главных разработчиков современных представлений о мире атомов и элементарных частиц. Бор создал первую квантовую модель строения атома и был удостоен за это Нобелевской премии по физике 1922 года. Помимо выдающихся научных достижений, он был наставником для целого поколения физиков из всех стран мира и пользовался глубоким уважением даже у своих научных оппонентов, таких, как Эйнштейн, Гейзенберг и де Бройль, расходившихся с ним во взглядах на философские основы квантовой теории.

Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгой систематической формулировке в рамках законов квантовой механики, и в частности концепции двойственной природы элементарных частиц — корпускулярно-волновому дуализму. Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, обращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, плещущимися внутри своих орбит — подобно приливам и отливам в бассейне сложной формы.

Физический смысл соотношения де Бройля кроется в том, что одна из физических характеристик любой частицы — скорость. При этом физики по ряду теоретических и практических соображений предпочитают говорить не о скорости частицы как таковой, а о ее импульсе (или количестве движения), который равен произведению скорости частицы на ее массу. Волна описывается совсем другими фундаментальными характеристиками — длиной (расстоянием между двумя соседними пиками амплитуды одного знака) или частотой (величина, обратно пропорциональная длине волны, то есть число пиков, проходящих через фиксированную точку за единицу времени). Де Бройлю же удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы с длиной волны. Это соотношение гласит буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладающую количеством движения; с другой стороны, его можно рассматривать и как волну. Иными словами, волновые и корпускулярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.

Соотношение де Бройля позволило объяснить одну из величайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома, она включала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли сколь угодно долго вращаться без потери энергии. С помощью соотношения де Бройля мы можем проиллюстрировать это понятие. Если считать электрон частицей, то, чтобы электрон оставался на своей орбите, у него должна быть одна и та же скорость (или, вернее, импульс) на любом расстоянии от ядра.

Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, надо, чтобы длина окружности этой орбиты была равна целому числу длин его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона может равняться только одной, двум, трем (и так далее) длинам его волн. В противном случае электрон просто не попадет на нужную орбиту.

Главный же физический смысл соотношения де Бройля в том, что мы всегда можем определить разрешенные импульсы (в корпускулярном представлении) или длины волн (в волновом представлении) электронов на орбитах. Для большинства орбит, однако, соотношение де Бройля показывает, что электрон (рассматриваемый как частица) с конкретным импульсом не может иметь соответствующую длину волны (в волновом представлении), такую, что он впишется в эту орбиту.

И наоборот, электрон, рассматриваемый как волна определенной длины, далеко не всегда будет иметь соответствующий импульс, который позволит электрону оставаться на орбите (в корпускулярном представлении). Иными словами, для большинства орбит с конкретным радиусом либо волновое, либо корпускулярное описание покажет, что электрон не может находиться на этом расстоянии от ядра.

Однако существует небольшое количество орбит, на которых волновое и корпускулярное представление об электроне совпадают. Для этих орбит импульс, необходимый для того, чтобы электрон продолжал движение по орбите (корпускулярное описание), в точности соответствует длине волны, необходимой, чтобы электрон вписался в окружность (волновое описание).

Именно эти орбиты и оказываются разрешенными в модели атома Бора, поскольку только на них корпускулярные и волновые свойства электронов не вступают в противоречие.

В квантовой механике одно из основных понятий классической механики — понятие мгновенной скорости — лишается своего смысла. Точно так же не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Ведь энергия связана с частотой, а понятие частоты относится к бесконечному во времени гармоническому колебательному процессу.

Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приближенно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Согласно соотношению неопределенностей, чем точнее фиксирован, например, импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Согласно принципу неопределенностей, теряет смысл одно из важнейших понятий классической механики — понятие траектории частицы. Ведь это понятие предполагает, что в любой момент времени частица находится в определенной точке пространства и имеет импульс, направленный по касательной к траектории. Теперь уже нельзя говорить, что частица движется вдоль какой-то линии. Ньютоновское описание движения в микромире становится невозможным.

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, в том числе, собственно, измеряемые величины.

Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (в данном случае совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне.

Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет.

Для окружающих нас предметов, например той же книги, их положение в пространстве не зависит от того, смотрим мы на них или нет. А вот в микромире «посмотреть» на частицу, не изменив при этом ее положения, невозможно.

Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную спутниковую систему определения местоположения (GPS — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли), чтобы определить местоположение этой книги, то система вычислит их с точностью в несколько метров. Так, с точки зрения оператора GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах нескольких квадратных метров.

Ситуацию можно сильно оптимизировать, если взять обыкновенную линейку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1 м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы.

Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и вычислить точные координаты книги вполне реально.

Распределение пуль в мишени и двухщелевой эксперимент

Распределения А, В и С соответствуют случаям, когда открыты только щель А, только щель В или обе щели. Следовало бы ожидать распределения А+В, но эксперимент дает распределение С. В классической механике и нашей повседневности любая материальная частица — это вещественный предмет, находящийся в данный момент времени в определенном месте, с определенной энергией и скоростью. При этом допускается, что точность параметров частицы может быть любая. Связывая импульс частицы с длиной волны, мы получаем образ бесконечной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. Следовательно, выражение «длина волны в данной точке» не имеет никакого смысла, так же как и понятие точечного импульса.

В классической науке вероятностный подход отражен в знаменитом высказывании Лапласа о том, что если бы существовал ум, осведомленный в данный момент о всех силах природы в точках приложения этих сил, то «не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором». Это называется лапласовским детерминизмом. Безусловно, это умонастроение не исчерпывается приведенным высказыванием Лапласа о всеведущем разуме. Оно представляет собой тонкую и глубокую систему представлений о реальности и способах ее познания.

С позиций лапласовского детерминизма ньютоновская механика с ее однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория с этой точки зрения должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных механических законов.

Некоторые интерпретации квантовой физики были построены с позиций лапласовского детерминизма. Их развивали такие видные ученые, как сам Планк, Эйнштейн, Шрёдингер, Луи де Бройль. Они и их многочисленные сторонники утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории.

Против такой интерпретации квантовой механики выступили научные школы Бора, Борна, Бриллюэна, а также все, 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 постепенно ослабляет позиции сторонников лапласовского детерминизма.

Вообще говоря, обсуждая вероятностный характер квантовой физики и детерминизм классической механики, следует понимать, что случайности могут создавать новые исторические сущности не только на уровне микрообъектов.

Научный поиск во многом напоминает раскрытие самых хитроумных преступлений, только он несравнимо более увлекателен и занимателен. Поэтому, рассказывая об истории научных открытий, необходимо уделить внимание логическим построениям их авторов. Вспомним несравненного сыщика Эркюля Пуаро Агаты Кристи, как он расследует замысловатые детективные головоломки, то возвращаясь к началу расследования, то перескакивая через несколько эпизодов к заинтересовавшей его детали, то останавливаясь в задумчивости и переходя к какой-то совершенно иной версии.

Нечто подобное предстоит испытать и читателю, ощутив, как волею хитросплетений сюжета медленное ровное течение естественной истории (так называли раньше все естественные науки, включая физику) сменилось бурным потоком поражающих воображение открытий. А ведь и девятнадцатый век имел перед наукой большие заслуги — это и совершенные паровые турбины, и электричество, и радиоактивность, и рентгеновские лучи, и опыты с электромагнитными колебаниями Герца. Тем не менее произошедший поворот в научном знании и, без всякого преувеличения, в истории человеческой цивилизации, был несравнимо глубже и принципиальнее.

Наука прошлого для всех частей естественной истории вполне успешно использовала механический подход. Собственно, и сейчас практически весь школьный курс физики основывается именно на классической механике. Однако в конце девятнадцатого века по величественному зданию классической физики пробежали первые зловещие трещины непонятных парадоксов. Правда, вначале никто даже не подозревал, что вместо косметического ремонта фасада для сохранения хотя бы общих контуров постройки понадобится пересмотреть даже принципы закладки фундамента физического мировоззрения. Научная революция двадцатого века показала, как бывают драматичны судьбы научных идей, если знакомиться с ними не только по учебникам.

Впрочем, лучше всего было бы прислушаться к словам очевидцев и творцов тех впечатляющих научных свершений. Великий Эйнштейн писал по этому поводу: «Это драма, драма идей». А создатель целого раздела новой физики — волновой квантовой механики знаменитый французский физик Луи де Бройль впоследствии с горечью заметил: «Авторы, пишущие сейчас трактаты о квантовой механике, почти уже не говорят о тех основных идеях, которые ее породили. Они даже, видимо, предпочитают этот термин „квантовая механика“ термину „волновая механика“, который, как им кажется, вызывает в представлении неточный или бесполезный физический образ. А между тем именно волновая механика и выведенные из нее волновые уравнения остаются в основе всего математического развития современных квантовых теорий; без них сейчас, может быть, и не было бы трактатов о квантовой механике».

Своей наглядностью и простотой планетарная модель атома Резерфорда — Бора завоевала себе довольно много сторонников среди физиков, химиков и даже астрономов, увидевших в ней всеобщую схему строения Мироздания. При этом большинство ученых, ошеломленные потоком новой информации, даже не придавали особого значения вопиющим противоречиям с классической электродинамикой.

Работы Бора и его коллеги Арнольда Зоммерфельда привели к созданию так называемой формальной модели атома (форммодели), которая сыграла важную роль в истории атомной физики. Смысл загадочной предсказательной силы атомной форммодели пытались прояснить многие ученики и коллеги Зоммерфельда, в числе которых были Вольфганг Паули, Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит. Именно они придумали очень остроумную модель для наглядного объяснения целого ряда загадочных свойств форммодели атома, которую назвали спином микрочастиц. Вначале данное представление касалось только электрона, который стал напоминать микроскопический волчок, вращающийся вокруг своей оси. В общем-то, такая модель продолжала традицию развития аналогий между атомом и Солнечной системой, ведь кроме своего движения по эллиптической орбите вокруг Солнца наша планета вращается и вокруг своей оси.

Любопытно, что эту аналогию придумал раньше всех будущий нобелевский лауреат Артур Комптон (автор знаменитого «эффекта Комптона», состоящего в увеличении длины волны СВЧ-излучения при встрече с потоком электронов), но отказался от нее после резкой критики Паули. Молодой аспирант Зоммерфельда с жаром доказывал, что прямая аналогия между электроном и вращающимся микрообъектом не выдерживает критики.

С другой стороны, смысл образа квантовых волчков мог быть как-то связан с непонятным на то время принципом Паули, запрещавшим рассматривать сообщества двух «односпиновых частиц».

Кстати, именно данный принцип впервые позволил разумно объяснить физическую основу построения Периодической системы химических элементов Менделеева.

Критику Паули в свое время поддержал и Лоренц, который посчитал, что скорость вращения электрона легко может превысить скорость света, противореча принципам теории относительности.

Надо сказать, что гипотеза спина у квантовых микрообъектов до сих пор вызывает бурные дискуссии среди физиков. Впрочем, такова судьба всех достаточно глубоких представлений, затрагивающих основу Мироздания, осмысление которых каждое новое поколение ученых проводит на новом уровне.

Как бы то ни было, но форммодель атома вскоре исчерпала все свои возможности и вместе с планетарной схемой Резерфорда — Бора ушла в историю атомной физики. Тем не менее заслуги копенгагенской школы Бора в разработке новой квантовой механики просто неоценимы.

Укротив атом формальной моделью, ученые дружно принялись за поиск физического смысла загадочной волновой функции. Первого успеха здесь добились два признанных интеллектуальных лидера становления квантовой физики — Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер. Независимо друг от друга они получили решение задачи совершенно разными методами. Гейзенберг разработал так называемую матричную форму квантовой механики, а Шрёдингер вывел свое знаменитое уравнение, описывающее поведение квантовых систем.

Уравнение Шрёдингера математически представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка. В математической физике подобные уравнения описывают поведение самых разных величин, меняющихся с течением времени, таких, как координаты космического корабля, скорость и высота волны-цунами или плотность энергии луча квантового генератора — мазера и лазера.

Волны материи

Хоть мы и говорим на каком-то определенном языке и используем определенные концепции, отсюда вовсе не обязательно следует, что в реальном мире имеется что-то этим вещам соответствующее.

Если мы приступим к решению любого из квантовых уравнений, то в конечном виде получим зависимость искомой величины от многих других параметров, скажем зависимость скорости от времени. В математике все подобные зависимости, когда одна или несколько величин зависят определенным образом от другой величины (группы величин), носят название функции.

В уравнении Шрёдингера искомой величиной является так называемая волновая функция. Эта загадочная пси-функция (обозначаемая данной буквой греческого алфавита) прекрасно работает в технических расчетах той же квантовой оптики, но ее физический смысл до сих пор служит почвой изредка разгорающейся научной полемики. Единственное, что тут вроде бы не вызывает разногласий, — это то, что возведенная в квадрат пси-функция описывает вероятность того или иного события в квантовом мире. Иначе говоря, квадрат волновой функции дает возможность вычислить вероятность нахождения микрочастицы в определенной области пространства в заданный момент времени. Таким образом, определяется вероятность того, что произвольный квантовый объект будет находиться в определенном месте и в определенное время в результате неких процессов, с ним происходящих. Чаще всего это выглядит как решение задачи определения параметров микрообъекта после его взаимодействия с измерительным прибором. Эта вероятность формирует понятие так называемых «волн вероятности», определяющих статистическое распределение следов микрочастиц в опытах дифракции.

Попробовать решить уравнение Шрёдингера в самом общем виде — довольно трудная задача для современных теоретиков, оснащенных мощными вычислительными комплексами. Разумеется, физиков-экспериментаторов интересуют совсем иные решения, которые они и получают в рамках особых стационарных задач. В этих задачах принимается, что значения искомой ncu-функции располагаются вблизи некоторой области «средних значений», которая, в свою очередь, не зависит от времени. Конечно же, решения, полученные в стационарных задачах, трудно соотнести с периодическими колебательными процессами, меняющими все свои параметры с течением времени. Решения стационарных задач как бы составляют неизменный каркас квантовой системы, участвующей в тех или иных процессах, причем знание такой «математической архитектуры» реальных явлений микромира оказывается очень полезным, ведь трудно обрисовать течение процесса без учета конкретных условий его протекания.

Стационарные решения волнового уравнения приводят к целому ряду важных выводов. Например, один из вариантов соотношения неопределенности, выведенного выдающимся физиком-теоретиком В. Гейзенбергом, гласит: если квантовая система изменяет свою энергию за некоторый промежуток времени, то точность измерения энергии тем выше, чем больший мы берем отрезок времени.

В математической форме это представляет очень простое неравенство: произведение неопределенности энергии и неопределенности времени больше или равно постоянной Планка.

В стационарных задачах время как бы останавливается, так что энергия микрочастиц остается постоянной неопределенно долго, а это означает, что неопределенность времени стремится к бесконечности, что тут же вызывает, согласно соотношению Гейзенберга, стремление неопределенности энергии к нулю. Все это непреложно означает, что энергетические параметры микрочастиц в стационарных состояниях определяются точно так же, как и для объектов макромира — небесных тел или бильярдных шаров.

Уравнение Шрёдингера, как и всякий фундаментальный закон природы, нельзя вывести из других, более простых законов. Его можно только угадать, а затем научиться им пользоваться. Ну а для этого, естественно, надо знать, что означают все символы в уравнении и какие явления в атоме они отображают. Все последующие поколения физиков занимались этим и занимаются до настоящего времени…

В случае свободного движения частиц уравнение Шрёдингера дает нам ненулевые решения при любых значениях энергии, следовательно, в этом случае свободная частица может обладать любой скоростью движения и соответствующей энергией. А вот если предположить, что микрообъект находится в связанном состоянии, подобно шарику на пружине, то вид решений уравнения Шрёдингера меняется принципиальным образом и ненулевые значения получаются только для определенных значений энергии. Эти энергетические уровни микрочастицы носят название разрешенных дискретных энергий, а вероятность пребывания на них является существенно не нулевой.

Все это сразу же напоминает картину разрешенных уровней энергии для орбитальных электронов в модели атома Бора. Действительно, боровские электронные орбиты и являются теми разрешенными энергетическими состояниями, в которых вероятность пребывания электрона отлична от нуля. Правда, Бор просто постулировал наличие дискретных орбит для планет-электронов в своей атомной Солнечной системе, подобно тому как Планк в свое время угадал дискретную закономерность излучения энергии абсолютно черным телом. Исчерпывающее объяснение принципов построения атома Резерфорда — Бора дает именно квантовая механика, которая также объясняет квантовый характер прыжков электронов с одной на другую атомную орбиту. Для данных электронов уравнения Шрёдингера отводят определенный набор разрешенных энергетических состояний. Соответственно при квантовых переходах энергия электрона должна меняться не непрерывно, а ступенчато, причем на строго определенную величину. Эта величина и составляет разность энергий между конечной и начальной орбитой перехода, кроме того, данная энергия и есть тот самый квант действия Планка, с которого началась эра новой физики.

Получается, что в квантовой физике, усилиями многих замечательных ученых были объединены две парадоксальнейшие гипотезы начала прошлого века — Планка о квантах энергии и де Бройля о волнах материи!

Американский физик и популяризатор науки Эдвард Кондон так описывал появление новых математических образов (матриц) в аппарате квантовой механики: «Летом 25-го года, когда волновой механики еще не существовало, а матричная только-только появилась на свет, два геттингенских теоретика пошли на поклон к знаменитому Давиду Гильберту — признанному главе тамошних математиков. Бедствуя с матрицами, они захотели попросить помощи у мирового авторитета. Гильберт выслушал их и сказал в ответ нечто в высшей степени знаменательное: всякий раз, когда ему доводилось иметь дело с этими квадратными таблицами, они появлялись в расчетах „как своего рода побочный продукт“ при решении волновых уравнений.

— Так что, если вы поищете волновое уравнение, которое приводит к таким матрицам, вам, вероятно, удастся легче справляться с ними, — закончил он.

Оба теоретика решили, что услышали глупейший совет, ибо Гильберт просто не понял, о чем шла речь. Зато сам Гильберт потом с наслаждением смеялся, показывая им, что они могли бы открыть шрёдингеровскую волновую механику на шесть месяцев раньше ее автора, если бы повнимательней отнеслись к его, Гильбертовым, словам».

Так сложилась довольно любопытная ситуация, когда к окончанию первой четверти двадцатого века на физической арене начали борьбу за приоритет описания микромира сразу две квантовые теории с различными исходными концепциями. В матричной механике Гейзенберг при поддержке Бора доказывал корпускулярную природу электронов, отражая это в своих системах матриц. Совершенно иной, на первый взгляд, подход предлагал Шрёдингер при поддержке де Бройля, отражая волновую природу электрона в своем уравнении.

Подход Гейзенберга основывался на оперировании только наблюдаемыми величинами, и он в принципе не рассматривал понятие атомных траекторий. Со своей стороны, Шрёдингер тоже избегал «планетарного» смысла орбит электронов вокруг «солнечного» ядра и ограничивался абстрактным содержанием таинственной пси-функции в своем уравнении. Великий судья всех физических споров — опыт также оказался бессилен, ведь часть экспериментов обнаруживала у электрона корпускулярные, а часть — волновые свойства!

Это был период бурных дебатов, разделивших тогда еще совсем немногочисленных физиков на два непримиримых лагеря: приверженцев пионерской матричной механики и сторонников математически прозрачной волновой квантовой физики. В этой непростой ситуации главным арбитром выступил Шрёдингер, убедительно продемонстрировав в 1927 году скептикам и своим сторонникам, что обе квантовые теории в их математической сущности едины. Отсюда сразу же следовал и основной вывод о физической эквивалентности двух механик в описании боровского атома. Иначе говоря, представления матричной теории о корпускулярном образе электрона так же достоверны, как и представления волновой квантовой механики о волнах электронов.

Так закончилась стремительная «пятилетка» взлета квантовой физики, которая началась с появления волн материи де Бройля как дальнейшего развития принципа корпускулярно-волнового дуализма и закончилась разработкой основных методов и математического аппарата квантовой физики. В конце двадцатых годов прошлого века квантовая теория поражала ученых-современников стройностью и глубиной построения, но самая ее главная ценность виделась в том, что физики впервые получили в свои руки мощный научный инструмент для исследования атомных объектов. И началось все с пересмотра модели атома Резерфорда — Бора. Первая нестыковка с квантовой механикой была в понятии электронных траекторий, ведь понятие определенной траектории в микромире квантовых объектов лишено всякого смысла! Какой же новый физический образ может заменить классические «планетарные» орбиты электронов?

Тут несомненно одно — новая модель атома, так или иначе, должна основываться на принципе распределения вероятностей нахождения электрона в атоме. При этом надо учитывать, что максимальная энергия электрона (физики называют ее полной) зависит от расстояния между атомным ядром и электроном. Ну а как же само понятие электронной орбиты? Можно его видоизменить в соответствии с квантовой теорией?

Любопытно, что на этот незатейливый вопрос, больше всего волнующий педагогов, физики не могут дать разумного ответа уже целое, без малого, столетие.

Сейчас несколько признанных лидеров в квантовой физике решительно требуют вообще убрать из школьных и вузовских учебников всяческие упоминания об электронных траекториях!

Судя по всему, до окончательного разрешения этого методологического спора еще далеко, а при реконструкции атома Бора выход был найден довольно быстро. Физики просто стали изображать линию условной траектории электрона, соединяя те точки, в которых вероятность встретить электрон была максимальной. При этом следовало дополнение, что сам по себе электрон, конечно же, точкой не является и его надо воспринимать как фигурное облачко размазанного по пространству корпускулярно-волнового объекта. И самым главным тут было то, что на облачках электронных орбит укладывалось строго ровное количество электронных волн де Бройля! Так, минимальная энергия ближайшей к атому орбиты соответствовала одной волне, следующая и более высокая — двум, и так далее…

Нобелевский лауреат В. Гейзенберг

В истории присуждения Нобелевской премии Вернер Гейзенберг был одним из самых молодых физиков, которому целеустремленность и потрясающая работоспособность позволили стать одним из создателей новой — квантовой физики, открыв при этом фундаментальный научный принцип неопределенности.

Почтовая марка, выпущенная к столетнему юбилею Вернера Гейзенберга

Наконец-то строение орбит в атоме получило четкое физическое обоснование, хотя и не очень-то наглядное, ведь отобразить на бумаге электронные облака вероятности можно только символически. Именно так и изображается положение электронов в школьных и вузовских учебниках — там, где вероятность пребывания электронов велика, они выглядят как плотные клубы черного дыма, а там, где встретить их трудно, они переходят в прозрачную кисею. Такие изображения даже носят название дымных моделей, учитывающих и разную форму электронных облаков, вызванную межэлектронным взаимодействием.

В сложных атомах электроны буквально разрываются на части отталкиванием от своих многочисленных собратьев и притяжением к ядру, вот при этом и возникают довольно сложные взаимопроникающие конструкции, ажурное переплетение которых так отличается от кругов и эллипсов планетарной модели атома.

Сегодня уже каждый желающий может воочию наблюдать восхитительную динамику переливающихся условным разноцветьем электронных оболочек в компьютерных моделях атомов, молекул и просто фрагментов кристаллических решеток твердых тел.

История становления квантовой науки полна парадоксов и кажущихся несуразностей. Вот и после, казалось бы, полного краха планетарной модели атома Резерфорда — Бора в 1923 году появилась научная публикация, защищающая этот «реликт» атомной теории, и написал ее не кто иной, как творец вероятностной квантовой механики Нильс Бор!

Создатель копенгагенской школы физиков-теоретиков в своей работе ввел новый научный принцип соответствия, сформулировав его в виде утверждения о том, что поведение квантово-механической системы стремится к таковому по канонам классической физики в пределах больших квантовых чисел. Более пространно принцип соответствия можно истолковать как утверждение о том, что любая новая физическая теория должна в определенных пределах воспроизводить результаты предшествующей модели уже прошедшей (но на другом уровне) всестороннюю проверку.

Разумеется, весь аппарат квантовой физики создавался для описания микроскопических атомарных объектов и элементарных частиц. При этом, конечно же, никто из основателей этой новой научной парадигмы ни на мгновение не сомневался, что в макромире продолжают вполне успешно действовать законы классической механики и электродинамики. Бор считал, что было бы весьма разумно полагать, что объективные законы физики должны быть вообще независимыми от размера описываемых физических объектов.

Все это и послужило основанием для окончательной формулировки принципа соответствия в виде утверждения, что классическая физика является приближением к квантовой механике.

Следующий принцип, который должен был хоть в какой-то мере объяснить странные отношения, которые сложились в квантовом мире между частицами и волнами, Бор очень точно и емко назвал принципом дополнительности. Надо сказать, что принцип дополнительности Бора до сих пор считается одной из самых глубоких философских и методологически емких идей современного естествознания. К примеру, выдающийся теоретик прошлого века Ричард Фейнман ставил данный принцип на одну доску с такими шедеврами абстрактного мышления, как принцип относительности или принцип полевого действия.

В работе, навсегда вошедшей в копилку шедевров естественно-научной философии, — «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» Н. Бор рассуждал:

«Открытие универсального кванта действия привело к необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания… Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения…

Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой ситуации в физике в отношении анализа и синтеза опытных данных. Она заставляет нас заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно „дополнительностью“».

Следуя дальнейшему течению мыслей этого выдающегося физика, мы должны принять, что получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между постулатом теории относительности и принципом дополнительности, при всем их различии, можно усмотреть определенную формальную аналогию.

Впоследствии, до самого конца жизни, Бор уделял много внимания развитию своего принципа дополнительности, справедливо считая, что для того, чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации, необходимо прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета.

Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависящем от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно возникает при установлении упомянутых связей.

Если же, как это имеет место в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими законами сохранения.

Точно так же и, наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается строгий контроль пространственно-временного поведения объекта.

В дальнейшем Бор неоднократно отмечал, что координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Для измерения координаты нужен очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы.

Ну а теперь предлагаю узнать мнение о квантовом мире одного из отцов-основателей квантовой физики.

Великие создатели новой физики на международном конгрессе (1927 г.)

Многие, взглянув на заглавие этой небольшой книжки, бесспорно, будут напуганы загадочным словом «кванты». Действительно, даже о теории относительности, которая довольно оживленно обсуждалась в последние несколько лет, широкие круги читателей имеют весьма смутное представление. Что же касается квантовой теории, то о ней, я полагаю, читатель имеет еще более смутное представление. Правда, это и простительно, ведь кванты довольно загадочная вещь.

Что касается меня, то я начал заниматься квантами, когда мне было около двадцати лет, и продолжал изучать их в течение четверти века. И все же я должен честно признаться, что если за все это время я и добился несколько более глубокого понимания некоторых сторон этого вопроса, то я не могу еще с полной уверенностью сказать, что таится под маской, скрывающей подлинное лицо квантов. Тем не менее мне кажется, что, несмотря на всю важность и значительность прогресса, происшедшего в физике за последние века, ученые были не в состоянии глубоко понять истинную природу явлений, пока они ничего не знали о существовании квантов. Ибо без квантов нельзя было бы представить себе ни света, ни материи.

Можно понять, какое существенное влияние было оказано на само направление развития человеческих знаний в тот день, когда кванты исподтишка вошли в науку. В тот самый день величественное и грандиозное здание классической физики было потрясено до самого основания, хотя никто тогда еще и не отдавал себе ясного отчета в этом. В истории науки не много было подземных толчков, сравнимых по силе с этим.

И только сейчас мы в состоянии понять и оценить грандиозность и важность свершившейся революции. Классическая физика, верная идеалу Декарта, изображала Вселенную в виде некоего огромного механизма, поведение которого можно совершенно точно описать, задав положения всех его частей в пространстве и изменение положения со временем; механизма, поведение которого в принципе можно было бы предсказать абсолютно точно, зная некоторое число параметров, определяющих его начальное состояние. Однако такая точка зрения основывалась на некоторых гипотезах, которые при этом выдвигались и справедливость которых казалась очевидной. Одна из них состоит в предположении, что та область в пространстве и времени, в которую мы почти инстинктивно стремимся поместить все наши ощущения, — область совершенно жесткая и определенная и в ней каждое физическое явление может быть в принципе совершенно строго локализовано вне зависимости от всех динамических процессов, управляющих этим явлением. Поэтому все развитие физического мира сводилось к изменениям пространственного положения тел с течением времени. Именно поэтому динамические величины, такие, как энергия и количество движения, выступают в классической физике как производные, образованные с помощью понятия скорости. Таким образом, кинематика оказывается основой динамики.

Совсем иное положение в квантовой физике. Существование кванта действия приводит к противоречию между концепцией строгой локализации в пространстве и во времени и концепцией динамического развития. Каждая из них в отдельности может быть использована для описания действительного мира. Однако их нельзя одновременно применять со всей строгостью. Точная локализация в пространстве и во времени — это некая статическая идеализация, исключающая всякое развитие и всякое движение. Понятие же состояния движения, взятое в чистом виде, напротив, есть динамическая идеализация, противоречащая понятиям точного положения и момента времени.

В рамках квантовой теории физический мир нельзя описать, не пользуясь в той или иной степени каким-либо из этих двух противоречащих друг другу понятий. Таким образом, она исходит из своего рода компромисса, известные же соотношения неопределенности Гейзенберга указывают нам, в какой мере этот компромисс возможен. Среди прочих выводов из новой теории следует, что кинематика уже не является наукой, имеющей самостоятельный физический смысл. В классической механике можно было изучать перемещения в пространстве и определять таким образом скорость и ускорение, независимо от того, как физически реализуются эти перемещения. Затем от этого абстрактного изучения законов движения, вводя некоторые новые физические принципы, можно перейти к динамике. В квантовой механике подобный путь неприемлем в принципе, поскольку пространственно-временная локализация, лежащая в основе кинематики, возможна лишь в некоторых частных случаях, определяемых конкретными динамическими условиями движения. Дальше мы увидим, почему при изучении явлений в крупных масштабах вполне допустимо тем не менее пользоваться законами кинематики. Однако когда мы переходим к рассмотрению явлений, происходящих в масштабах атома, где кванты играют главную роль, можно сказать, что кинематика, определяемая как наука о движении вне зависимости от всех динамических условий, полностью теряет свое значение.

Другая гипотеза, по существу лежащая в основе классической физики, состоит в том, что с помощью соответствующих мер предосторожности можно в принципе сделать пренебрежимо малым влияние вносимых процессом измерения возмущений естественного хода изучаемого явления. Иначе говоря, предполагается, что эксперимент может быть проведен таким образом, чтобы влияние вызванных им возмущений хода изучаемого процесса было как угодно малым. Такая гипотеза может считаться справедливой для явлений, протекающих в больших масштабах. Для явлений же атомного мира она оказывается неверной. Это связано с существованием кванта действия и с тем, что, как показал тонкий и глубокий анализ Гейзенберга и Бора, всякая попытка измерить какую-либо величину, характеризующую данную систему, приводит к неконтролируемому изменению других величин, определяющих свойства этой системы. Точнее, всякое измерение какой-либо величины, которое позволяет установить положение системы в пространстве и во времени, имеет своим следствием неконтролируемое изменение соответствующей сопряженной величины, определяющей динамическое состояние системы. В частности, оказывается невозможным точно измерить в один и тот же момент две взаимно сопряженные величины.

Теперь понятно, в каком смысле можно говорить, что существование кванта действия делает несовместимой пространственно-временную локализацию различных частей системы с каким-либо ее определенным динамическим состоянием, поскольку для локализации системы необходимо точно знать целый ряд величин, измерение которых исключает в свою очередь определение соответствующих сопряженных величин, характеризующих динамическое состояние системы, и наоборот. Существование квантов весьма своеобразным образом определяет нижнюю границу величины возмущений, которые физик вносит при измерении изучаемых им систем. Таким образом, одна из гипотез, которая была положена в основу классической физики, оказалась опровергнутой, и значение этого факта весьма велико.

Итак, оказывается, что никогда нельзя знать точных значений более половины величин, необходимых для полного описания системы с классической точки зрения. Значение некоторой величины, характеризующей систему, тем более неопределенно, чем с большей точностью известно значение сопряженной ей величины. Отсюда вытекает существенное различие между старой и новой физикой во взглядах на детерминизм в явлениях природы.

С точки зрения классической физики задания величин, определяющих положение различных частей системы в некоторый момент времени, и соответствующих сопряженных динамических величин вполне достаточно, по крайней мере в принципе, для точного описания состояния системы во все последующие моменты времени. Зная точные значения х₀, у₀,… величин, характеризующих систему в некоторый момент t₀, можно было однозначно предсказать, какие значения х, у,… этих величин будут найдены, если их определять в какой-либо последующий момент времени t. Это следует из уравнений, положенных в основу механической и физической теорий, и есть прямое математическое свойство этих уравнений.

Утверждения о возможности точного предсказания будущих явлений исходя из настоящих явлений и о том, что будущее в определенном смысле полностью содержится в настоящем и ничего к нему добавить не может, и составляют то, что носит название детерминизма явлений природы. Но такая возможность точного предвидения предполагает точное определение в некоторый момент времени переменных, описывающих положение в пространстве, и сопряженных им динамических переменных. А именно такое одновременное определение взаимно сопряженных величин и оказывается с точки зрения квантовой механики невозможным. И с этим связаны существенные изменения, происшедшие в понимании возможностей предвидения современной теоретической физики и взаимосвязи явлений природы.

Поскольку значения величин, которые характеризуют состояние системы в момент времени t₀, возможно установить лишь с некоторой неопределенностью, неизбежной в квантовой теории, то соответственно физик уже не может точно предсказать, каковы будут значения этих величин в некоторый последующий момент времени. Он может предсказать лишь вероятность того, что при определении этих величин в последующий момент времени t мы получим те или иные их значения. Связь между результатами последовательных измерений, которая объясняет количественную сторону явлений, не будет больше причинной связью, отвечающей классическому детерминизму. Она скорее будет вероятностной связью, единственно совместимой с неопределенностью, которая вытекает из самого существования кванта действия. В этом и состоит главное изменение в наших взглядах на физические законы, изменение, все философские следствия которого, как нам кажется, еще далеко не осмыслены.

В результате развития новейшей теоретической физики появились две важные идеи: принцип дополнительности Бора и принцип ограниченности представлений. Бор был первым, кто заметил, что в новой квантовой физике, в том виде, какой ей придала волновая механика, понятия частицы и волны, пространственно-временной локализации и вполне определенного динамического состояния являются дополнительными. Под этим он понимал, что полное описание наблюдаемых явлений требует использования обоих этих понятий, но тем не менее в некотором смысле они несовместимы между собой. Вызываемые ими образы никогда нельзя одновременно использовать для описания действительности. Например, большое число явлений, наблюдаемых в атомной физике, можно объяснить только исходя из понятия частиц. Следовательно, использование этого понятия физику необходимо. Равным же образом для объяснения целого ряда других явлений необходимо пользоваться понятием волны. Последовательное применение для описания явлений природы какого-либо одного из этих двух представлений, строго говоря, исключает применение другого. Однако в действительности при описании некоторых процессов используют оба понятия, и, несмотря на их противоречивый характер, нужно применять то или иное из них в зависимости от ситуации.

Так же обстоит дело с понятиями пространственно-временной локализации и вполне определенного динамического состояния: они так же дополнительны, как и понятия частицы и волны, с которыми к тому же, как мы скоро увидим, они тесно связаны. Можно спросить, почему же применение этих противоречащих друг другу представлений никогда не приводит к абсурду. Как мы уже говорили, это связано с тем, что невозможно одновременно определить все детали, которые позволяли бы полностью уточнить эти два представления. На математическом языке это выражается соотношением неопределенности Гейзенберга, которое в конечном счете есть следствие существования кванта действия. Так выступает со всей ясностью громадное значение открытия квантов в развитии современной теоретической физики.

С принципом дополнительности Бора тесно связан принцип ограниченности представлений. Такие простые образы, как частица, волна, точка, строго локализованная в пространстве, состояние вполне определенного движения, представляют собой, в сущности, некоторые абстракции, идеализации. В большинстве случаев эти идеализации приблизительно соответствуют действительному положению вещей, хотя и имеют определенные границы применимости. Применение каждой из этих идеализаций возможно лишь до тех пор, пока не окажется необходимым использование «дополнительной» идеализации. Таким образом, можно сказать, что частицы существуют, так как большое число физических явлений может быть объяснено только в том случае, если допустить их существование. Однако в других явлениях корпускулярная природа более или менее завуалирована и явно проявляется лишь волновой характер процесса.

Созданные нами более или менее схематичные идеализации способны отразить некоторые стороны различных явлений, но они все же ограниченны, и в их жесткие рамки не умещается все богатство реальности…

Сказанного здесь достаточно, чтобы показать читателю, как глубока и интересна квантовая теория. Она не только вызвала к жизни отрасль науки — атомную физику — наиболее живую и увлекательную, но также, бесспорно, расширила наши представления о мире и привела к появлению многих новых идей, которые оставят, без сомнения, глубокий след в истории человеческой мысли. Именно поэтому квантовая физика представляет интерес не только для специалистов, она заслуживает внимания каждого культурного человека.

Луи Виктор Пьер Раймон маркиз де Бройль (1892–1987)

История закладки фундамента квантовой науки богата бурными дискуссиями между ее отцами-основателями о глубинном смысле новой реальности микромира.

Наиболее часто спор вращался среди вопросов:

— Какой еще смысл, кроме вероятностного, может иметь остающаяся во многих отношениях загадкой пси-функция?

— Как происходит переход от волновой сущности микрообъекта к его второму — дискретному «я»: посредством «коллапса волновой функции» или «редукции волнового пакета»?

— Как подобрать точную и наглядную картину — аналогию данного явления?

— Означает ли подобный подход, что наше будущее не определено и квантовый принцип причинности устанавливает между событиями в микромире лишь вероятностные связи?

— И наконец, насколько полно описывают объективную реальность законы квантового мира?

Именно подобные вопросы и подвигли Эйнштейна с его сотрудниками — Подольским и Розеном написать знаменитую статью «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности полным?». Они предложили парадоксальный мысленный эксперимент, из которого логически следовало, что для описания физических объектов волновой функции недостаточно. Тем самым утверждалось, что квантовая механика еще не до конца разработана и ее законы не полностью описывают наш мир. Эйнштейн, Подольский и Розен рассмотрели систему двух взаимосвязанных (коррелированных) частиц. В результате блестящего умозрительного анализа они сделали удивительный вывод, что «… поскольку эти системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций на первой системе во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений…».

Давайте и мы в несчетный раз проследуем по схеме рассуждений команды теоретиков Великого Физика. Итак, возьмем две микрочастицы и назовем их для образности А — Алиса и Б — Боб. Пусть данные квантовые объекты рождаются в одной точке, а затем разлетаются в разные стороны. В момент рождения ни у одной из частиц не определены координата и импульс, но в силу закона сохранения импульса сумма их импульсов в любой последующий момент времени равна нулю (как до рождения частиц). Теперь любое измерение координатного местоположения Алисы приведет к коллапсу ее волновой функции, и в тот же момент «схлопнется» и волновая функция Боба, поскольку его координаты автоматически уточняются через данные Алисы! Если волновая функция полностью характеризует частицу, то, значит, с Бобом действительно что-то произойдет, а ведь измерение проводилось над Алисой, которая могла быть в этот момент очень далеко от Боба, даже на другом краю Метагалактики! Это напоминает мистическую магию — Алиса дергает за невидимую ниточку, и где-то во Вселенной возникает улыбающийся Боб! В этом и заключается парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена или, сокращенно, ЭПР-парадокс.

Игральные кубики квантовой вероятности

Философия успокоения Гейзенберга — Бора (или религия?) так тонко придумана, что предоставляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой его не так легко спугнуть. Пусть спит… Большой первоначальный успех квантовой теории не может заставить меня поверить в лежащую в основе всего игру в кости.

Модель редукции (коллапса) волновой функции

Акт измерения в квантовой механике мгновенно изменяет волновой вектор. Эта странная операция называется коллапсом волновой функции или редукцией волнового пакета. Однако все дело в том, что уравнение Шрёдингера просто не имеет подобных «разрывов» в своих решениях. Так что же происходит с волновой функцией в процессе измерения и как эти процессы описать на языке квантовой механики?

Эксперименты по проверке ЭПР-парадокса

Лазеры возбуждают в вакуумной камере отдельные атомы, испускающие при этом фотоны — кванты электромагнитного излучения. Фотоны разлетаются в противоположных направлениях, путешествуя внутри многометрового световода. После поляризаторов они попадают на фотодетекторы. Согласно квантовой механике, должна существовать тонкая корреляция между поляризациями разлетающихся фотонов, что, в общем, и подтвердили последующие эксперименты.

При анализе эксперимента Эйнштейн, Подольский, Розен полагали, что два различных измерения над одной частью квантовой системы не могут привести к различным состояниям второй составляющей в силу отсутствия взаимодействия между ними. Это гипотетическое свойство квантовых систем получило впоследствии название локальности (то есть разделимости на независимые части). Альтернативную точку зрения, согласно которой «в результате двух различных измерений, произведенных над первой системой, вторая система может оказаться в двух различных состояниях…», исследователи отвергли.

Одно из объяснений ЭПР-парадокса возникло сразу же после выхода в свет статьи Эйнштейна, Подольского и Розена. Так, в полном соответствии с концепцией волновой функции ЭПР-коррелированные частицы могут характеризоваться одной общей волновой функцией. Поэтому в момент измерения над одной частицей действительно меняется как общая волновая функция обеих частиц, так и соответствующий квантовый объект — две коррелированные частицы. Затем обсуждение перешло на свойства разделенных квантовых систем и их критические параметры. Одним из первых с обширными комментариями к работе Эйнштейна выступил Нильс Бор. Через три месяца на страницах того же журнала он провозгласил, что мысленный эксперимент ЭПР не отменяет соотношения неопределенностей и не создает никаких препятствий для применения квантовой механики.

Конечные выводы Бора показывали, что возникший парадокс есть результат предположения о локальности квантовых систем. Отказ от локальности и признание существования связи между разделившимися частями целостной квантовой системы устраняет парадокс ЭПР. Именно анализ парадокса ЭПР привел Бора к формулированию принципа дополнительности, требующего рассмотрения квантовой системы и измерительного прибора как единой, целостной структуры. Результаты измерения квантовой системы зависят от ее состояния и устройства измерительных приборов.

Бор подчеркнул, что Эйнштейн вправе полагать квантовую теорию неполной, но ее практическая эффективность от этого не уменьшается. С Бором согласились почти все теоретики, кроме Эрвина Шрёдингера и отчасти Луи де Бройля. Знаменитый французский теоретик всегда имел оригинальную собственную позицию и рассматривал свои «волны материи» как некие конструкции «волны-пилота».

Несомненно, что ЭПР-парадокс имел большое значение для развития квантовой теории. Прежде всего, он стимулировал развитие ряда новых понятий и вызвал интерес к коррелированным состояниям квантовых частиц. Когда такие состояния были обнаружены экспериментально для фотонов, началось бурное развитие новой области в физике — квантовой оптики. Кроме того, эксперименты с коррелированными парами квантовых частиц (их также называют ЭПР-парами) позволили проверить, действительно ли вероятностное поведение характерно для отдельной квантовой частицы, или это свойство совокупности частиц.

Здесь необходимо вспомнить еще об одном фундаментальном квантовом принципе — соотношении неопределенностей. Согласно данному принципу, мы не можем проводить парные измерения определенных физических параметров. Например, невозможно одновременно измерить координату и импульс микрообъекта. В научно-популярной литературе это часто объясняется взаимным влиянием дуальных измерений. Существуют свидетельства, что подобной аргументацией вначале пользовался сам автор принципа неопределенности, один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг. Однако впоследствии он развил и дополнил теорию так, что влияние координатного измерения на импульс стало выглядеть несущественным.

Это может быть показано следующим образом: рассмотрим произвольный ансамбль невзаимодействующих частиц, находящихся в одном и том же состоянии; для каждой частицы в ансамбле мы измеряем либо импульс, либо координату, но не обе величины. В результате измерения мы получим, что значения распределены с некоторой вероятностью и для их дисперсий (математический параметр из теории вероятностей) верно отношение неопределенности.

Поляризация электромагнитного излучения

Неопределенность параметров квантовой системы хорошо демонстрирует пример квантов электромагнитного излучения — фотонов. Поляризующая пленка пропускает весь свет, если он поляризован вдоль штриховки на пленке, и задерживает весь свет, если его поляризация перпендикулярна штриховке. Если же поляризация фотонов составляет какой-то угол со штриховкой, то определенного ответа на вопрос, пройдут ли фотоны сквозь пленку, просто не существует. В этом случае можно лишь попытаться оценить вероятность процесса прохождения.

«Сверхъестественная связь» между поляризациями двух фотонов

Такое состояние образуется наложением двух состояний, в первом из которых оба фотона линейно поляризованы вдоль вертикальной оси, а во втором — вдоль горизонтальной и содержат равные числа вертикально и горизонтально поляризованных состояний. Если на пути таких фотонов поместить горизонтальные поляризаторы, то прохождение и задержка через них фотонов будет равновероятна. При этом либо оба фотона проходят, либо вместе задерживаются. Возникает впечатление, что каждый фотон как бы «знает», проходить ему сквозь поляризатор или нет, в зависимости от поведения его «собрата».

Парадокс ЭПР имел большое значение для развития квантовой теории. Прежде всего, он стимулировал развитие ряда новых понятий и вызвал интерес к коррелированным состояниям квантовых частиц. Когда такие состояния были обнаружены экспериментально для фотонов, началось бурное развитие новой области в физике — квантовой оптики. Кроме того, эксперименты с коррелированными квантовыми ЭПР-парами позволили проверить, действительно ли вероятностное поведение характерно для отдельной квантовой частицы, или это свойство совокупности частиц.

Итак, мы уже выяснили, что квантовый объект, в отличие от классического, имеет изначальную статистическую природу. Однако следует помнить, что вероятностный характер квантовых микросистем не сводится только к классической неопределенности неполного знания параметров объекта. Поэтому для описания квантовых систем используется специальное очень важное понятие — состояние.

В историю также вошел мысленный парадокс, сформулированный Шрёдингером и получивший название «Квантовый кот Шрёдингера». В нем выдающийся физик заострил внимание на необычном характере квантовых суперпозиционных состояний, сконструировав парадоксальный мысленный эксперимент, противоречащий нашему обыденному восприятию окружающей реальности. Так, он предположил, что в замкнутом ящике находится сосуд с ядом, который может быть разбит механизмом, управляемым радиоактивным распадом. Внутри ящика находится кот Шрёдингера, живой либо мертвый в зависимости от результата радиоактивного распада. Отметим, что процесс измерения как взаимодействия с макроскопическими измерительными приборами — принципиально необратимый процесс, в результате которого состояние измеряемого объекта претерпевает редукцию. Редукция, как и всякое физическое явление, имеет характерное время своего существования. Однако в силу краткосрочности процесса вопрос о его внутренней динамике, как правило, не рассматривается. В данном случае возмущение должно распространяться мгновенно, ибо частицы могут находиться на любом расстоянии друг от друга к моменту проведения измерения. И все-таки противоречия нет. По законам квантовой механики, возмущение, вносимое при измерении, случайно. В этом случае мгновенная передача возмущения не есть передача сигнала, ибо не может нести информацию.

Шрёдингер придумал свой мысленный эксперимент, считая квантовую механику неполной и не до конца описывающей нашу реальность. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо целым.

Нильс Бор считал, что система «Квантовый кот» перестает быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа самого действия — наблюдения и измерения определена недостаточно. До тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: «распавшееся ядро, мертвый кот» и «целое ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит определение одного из вариантов.

В середине прошлого века американский физик Хьюго Эверетт предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, в которой оба состояния кота существуют, но взаимодействуют совершенно особым образом. Когда наблюдатель открывает ящик, мир расщепляется на две разных вселенных, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвым котом, а в другой — другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс?

Известный английский физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шрёдингера, моя рука тянется за ружьем!» Окончательное единство среди физиков по этому вопросу все еще не достигнуто.

В дальнейшем мы увидим, что совершенно на первый взгляд абстрактные рассуждения о котах и квантовых законах вполне возможно применить на практике: в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. По оптическому проводнику возможно послать световой сигнал, который напоминает смесь из двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это тут же изменит сигнал (будет произведено наблюдение) и свет перейдет в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приемном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится ли свет в смеси состояний, или над ним уже произведено наблюдение и передача в другой пункт. В принципе это делает возможным создание средств связи, которые исключают возможность незаметного перехвата сигнала и подслушивания.

Ну а теперь предлагаю вашему вниманию блестящую юмореску оригинального сатирика и критика религиозного мракобесия, которое нет-нет да и поднимает голову…

Бюст Эрвина Шрёдингера в Венском университете

Англия, январь, 1935 г.

— Что за бред вы здесь понаписали, Эрвин?! — Редактор отложил рукопись, протер очки и уставился изумленным взглядом на посетителя, смущенно сидящего перед ним. — Как вам в голову пришел этот дохлый кот? Неужели без таких сомнительных аллегорий никак не объяснить сущность законов квантовой механики? Если бы я вас раньше не знал и не печатал ваши статьи…

— Ханс, мне этот кот тоже совсем не нравится… Но это как раз ваш референт настоял на нем. Сейчас я объясню. Видите ли, первоначально мне показалось, что я для популярного объяснения нашел очень яркий и знакомый всем с детства образ, который описывается суперпозицией двух состояний… Я ведь человек религиозный, и знаете… Квантовая механика ведь тоже создана по милости Господней.

Просто некоторые ее моменты многим непонятны, и надо было найти соответствующий и волнующий воображение образ, драматизирующий интерпретационную проблему. Тогда люди заинтересуются и преодолеют мнимую сложность понимания. Вот образ Иисуса на кресте — это как раз то, что было бы понятно всем…

— Эрвин… — Ханс Дитл перестал вертеть очки в руках и положил их на стол. — Вы хорошо себя чувствуете? Вы уверены, что у вас не горячка? Сначала дохлый кот, а теперь дохлый…

Редактор запнулся, поняв, что чуть не сказал что-то кощунственное. Но захваченный своей идеей профессор ничего не заметил.

— Да ведь в том и дело, — быстро перебил редактора Шрёдингер, — что Иисус на кресте лучше всего демонстрирует суть квантового парадокса, а удар сотника с копьем — момент коллапса волновой функции. Вот представьте — наш Господь без сознания висит распятый на кресте, истекая кровью, и никто — слышите никто! — не может на этот момент сказать, мертв он или жив. Ведь это и есть в самом чистом виде понятие квантовой неопределенности. В онтологическом смысле Христос не может быть жив и мертв одновременно — это квантовая суперпозиция. Только удар копьем может дать нам ответ о его состоянии. Только такая вот эмпирическая проверка. В квантовом смысле посланный Пилатом римский сотник с копьем — это внешний наблюдатель, экспериментатор, дающий нам окончательный ответ на вопрос, жив Иисус или нет на этот момент. Это и есть образ мгновенного изменения описания квантового состояния объекта, происходящего при измерении. А до того мы ничего точно не знаем, Христос для нас не жив и не мертв одновременно!

Шрёдингер победно откинулся на спинку кресла, оглядывая растерянно выглядевшего редактора.

— Вы же понимаете, что научный журнал не может ничего такого печатать, это же явное богохульство, — выдавил из себя наконец онемевший Дитл. — Вы представляете, как бы обрушились на нас представители всех конфессий. Да это даже обсуждать нельзя в здравом уме. Серьезно, Эрвин, вы хорошо себя чувствуете?

— Мне это сначала не показалось никаким богохульством, — сразу погрустнел Шрёдингер. — Ведь такое состояние Христа прекрасно известно каждому, верующему и неверующему. Поэтому я подумал, что этот общеизвестный факт был бы очень нагляден для пояснения проблемы. Но ваш референт уже убедил меня и предложил заменить Христа на кота…

— На кота? — Казалось, редактора вот-вот хватит удар. — Вы теперь предлагаете распятую кошку вместо Христа? Да вы действительно спятили…

— Нет-нет, — торопливо прервал Шрёдингер. — Не распятую, конечно. Просто кошку, состояние которой нам неизвестно. Ну, не живую и не мертвую одновременно. Вот ваш референт и предложил заменить крест на коробку. Кошка помещается в герметичную коробку, и мы не знаем, жива она или уже задохнулась. Ее квантовое состояние…

— Стоп! Прекратите, Эрвин. Вы сегодня явно не в себе. Давайте перенесем разговор на завтра. Только исков от всевозможных обществ защиты животных нам не хватало!

— Но это же абстрактная кошка. Причем тут… Ну, ладно. Если душить кошку — это, на ваш взгляд, жестоко, то можно оставить в коробке дырочки, и кошка просто умрет от голода, но мы не будем знать, случилось это уже или нет. И узнаем это только тогда, когда откроем ящик.

— А экспериментатору, очевидно, надо выдать затычки для ушей, — неожиданно у редактора прорвалась злая ирония, — чтобы он не слышал мяуканья голодной кошки?

— Ну, кошке можно зашить рот… — Профессор посмотрел на выражение лица редактора и осекся. — Хорошо, не так. Кошку можно намочить и подвести к ней два электрода… Нет, не то… Можно добавить в коробку ампулу с ядом. Вот! Действительно, так лучше. Помещаем внутрь ящика кошку, запечатываем его и оставляем систему в покое на час. Мы не знаем, разбилась ампула или нет. А соответственно мы не знаем, умерла ли кошка.

— Эрвин! — Ханс Дитл уже успокоился и попытался настроить разум на аналитический лад. — Но какого дьявола эта чертова ампула должна произвольно разбиться?

— Ну, это же технические детали! Привяжем к этой ампуле молоточек, который сработает, когда… когда…

— Молоточек? — участливо поинтересовался редактор. — Да-да. Действительно, этот ваш убийственный молоточек в вашей адской машинке, каким образом он будет приведен в действие?

— Ну… К этому молоточку мы приспособим счетчик Гейгера, а рядом расположим радиоактивный источник, испускающий гамма-лучи…

— Так-так-так. — В голосе редактора уже пробивались иногда необходимые ему по должности елейные нотки психиатра. — И что же дальше?

— А механизм счетчика мы соединим с соленоидом, который, если отсчет случится, разобьет колбу с синильной кислотой…

— Колбочка с синильной кислотой? Да-да, это очень интересно. — Дитл уже внутренне смирился с тем грустным фактом, что старина Шрёдингер сошел с ума, и думал уже только о том, как бы избавиться от явно неадекватного профессора.

— Таким образом, ящик заполнится смертоносными парами — и наш кот умрет! Или если отсчет не случится и колба останется нетронутой, то не умрет! Но до того для нас кот все еще «мертвоживой». И только процесс наблюдения переводит кота в определенное состояние. — Шрёдингер победоносно посмотрел на редактора.

— Ну, хорошо, дорогой Эрвин, хорошо, — успокаивающим сладким голосом произнес тот. — Я сейчас, к сожалению, уже опаздываю на совещание, так что мы вернемся к этому обсуждению завтра, ладно? Или послезавтра… Очень интересная идея, мы обязательно. Но мне уже пора, покорнейше прошу меня извинить…

Шрёдингер вышел за дверь кабинета и пошел вниз по широкой лестнице.

Если бы он задержался у двери, то, возможно, смог бы расслышать, как на повышенных тонах Ханс Дитл давал инструкции своей секретарше:

— Если этот сумасшедший богохульный маньяк-вивисектор и распинатель кошек еще раз здесь появится, гоните его поганой метлой! Пусть он хоть десять раз был бы нобелевский лауреат, но позорить наше респектабельное издание описаниями мучений дохло-недохлых кошек я из-за него не собираюсь. И запомните — меня для него никогда нет. Слышите, никогда!

Шрёдингер этого монолога не слышал. Впрочем, то, что ни завтра, ни послезавтра ему сюда смысла возвращаться нет, профессору было и так понятно. Выйдя на улицу, физик остановился, вздохнул, покачал головой и, окинув взглядом ближайшую церковь, пробормотал вполголоса:

— Да, действительно, бред какой-то с этой кошкой получается… Вот с Христом так все просто и понятно… Но нельзя — так нельзя… Здесь Ханс все же прав. Зря я вообще о Христе упомянул. Придется теперь пробовать обратиться в другую редакцию. Пожалуй, надо ехать в Берлин…

Вздохнув, Шрёдингер отправился домой, твердя себе: «В следующий раз ни слова о Христе, ни звука о Христе, только кот. Только кот — иначе вообще не напечатают».

— Ну, дорогой профессор, это, конечно, забавная иллюстрация… — Редактор немецкого журнала «Естественные науки» задумчиво прошелся по кабинету и повернулся к окну. — Но мне кажется, что с кошкой вы слишком уж намудрили. Ну, хорошо бы еще просто кот. Но столько лишних дополнительных приспособлений — и коробка, и смертельный газ, и молотки, соленоиды, счетчики Гейгера, гамма-излучатели… Что-то во всем этом есть садистско-маниакальное, вы не находите? За что вы так не любите кошек? Может, все же можно придумать хоть что-то немного попроще, а?

— Я уже думал на эту тему, но…

Шрёдингер в нерешительности подошел к редактору и вдруг с ужасом понял, что тот смотрит в окно на церковь. Физик застыл на месте. Секунду спустя редактор махнул рукой, словно отгоняя от себя ненужные мысли, и быстро направился к столу:

— Ну что ж, профессор, дело ваше. Хотите кота — пусть будет кот. Завтра отдаем в печать.

Шрёдингер облегченно вздохнул.

Квантовые коты на заре эры новой физики

Шутливый плакат кембриджских студентов

Давайте вспомним принцип неопределенности Гейзенберга и задумаемся над тем, как можно было бы попытаться обойти его в одном из мысленных экспериментов. Допустим, две одинаковые частицы образовались в результате распада третьей частицы. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть импульсы двух частиц должны быть связаны. Это дает нам возможность измерить импульс одной частицы и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй, не внося в ее движение никаких возмущений. Поэтому, измерив координату второй частицы, мы сумеем получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Таким образом, получается, что соотношение неопределенностей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и могут быть в будущем уточнены.

Однако теоретически существует возможность, при которой законы квантовой механики останутся абсолютными. Для этого нужно предположить, что две взаимодействовавшие частицы остаются каким-то образом связанными между собой. Тогда возмущения, вносимые измерением в состояние первой частицы, мгновенно перенесутся на состояние второй. Связанные таким образом частицы называются в квантовой механике запутанными и описываются единой волновой функцией, на каком бы расстоянии они ни находились. Передаваемое возмущение соответствует коллапсионной редукции волновой функции. Подобное мгновенное изменение описания квантового состояния микрообъекта, происходящее в процессе физических измерений, было детально описано в двадцатых годах прошлого века одним из создателей математического аппарата квантовой теории Джоном фон Нейманом.

Квантовая запутанность возникает в системе, состоящей из двух и более взаимодействующих подсистем (например, нескольких элементарных частиц), и представляет собой наложение друг на друга нескольких квантовых состояний. В этом случае изменение одной части системы в тот же момент времени сказывается на остальных ее частях. Здесь еще очень много неясного и все еще не хватает экспериментальных данных. Однако удивительные свойства запутанных состояний подтверждены многими физическими экспериментами, и именно эти «сверхъестественные» возможности лежат в основе работы принципиально новых электронно-вычислительных устройств — квантовых компьютеров.

В зависимости от величины квантовой запутанности (она изменяется от нуля до единицы) система может состоять из отделимых локальных частей, которые слабо связаны друг с другом. В этом случае мера запутанности близка к нулю. Если же система составляет единое неразделимое целое, то мера запутанности равна единице. Разделить на строго независимые части можно систему, части которой находятся в сепарабельном (незапутанном) состоянии (мера запутанности равна нулю). Это можно сделать только в случае системы, части которой никогда не взаимодействовали друг с другом.

Легко предположить, что величина запутанности зависит от интенсивности взаимодействия. Так, управляя взаимодействием с окружением, можно манипулировать мерой квантовой запутанности между составными частями системы. Например, замкнутая система может находиться в максимально запутанном состоянии и не будет иметь внутри себя локальных (классических) составных частей (подсистем). Но если она начинает взаимодействовать с окружением, то мера запутанности между ее подсистемами постепенно уменьшается, и они «проявляются» в виде локальных объектов. При наличии взаимодействия с окружением суперпозиция разрушается и проявляется то или иное классическое состояние в зависимости от типа взаимодействий. Именно этот физический процесс и называется декогерентизацией. Другой стороной этого процесса является возрастание меры запутанности системы с окружением. Оно будто «растаскивает» в разные стороны части того, что раньше было единым целым, придает им определенную форму, и они становятся видимыми, различимыми с нашей привычной классической точки зрения.

Система запутанных связей между блоками электронного агрегата

Квантовую запутанность часто сравнивают с множеством электронных связей, объединяющих радиоэлектронные элементы в единый прибор, как аналог целостной физической системы. Запутанное состояние — это несепарабельное (неразделимое) состояние составной системы, которую нельзя разбить на отдельные, полностью самостоятельные и независимые части.

Негатив

Квантовая запутанная система чем-то напоминает фотопластинку с непроявленным изображением. Это своеобразное физическое состояние объекта, когда видимая информация может появиться только после проявления фотопластинки (взаимодействия с окружением). Конечно, ситуация с запутанностью выглядит несколько сложнее, и там нет заранее отображенной «негативной» информации. Скорее это напоминает ситуацию, когда великое множество изображений равномерно распределено по фотонегативу и поэтому невидимо.

Вообще говоря, стоит отметить, что теория запутанных состояний касается не только главным образом квантовых микросистем, часть ее результатов можно было бы распространить и на произвольные макрообъекты (см. рис. 6 цв. вкл.). Микрочастицы являются лишь наиболее удобными объектами для изучения и манипулирования квантовой запутанностью в физических исследованиях. Для них квантовая запутанность проявляется особенно сильно, и ее уже невозможно игнорировать, как в случае макрообъектов. Ситуация здесь напоминает применение понятия «волновая функция» в микро- и макромире.

Мера квантовой запутанности непосредственно связана с количеством информации, содержащейся в физической системе. Связь между квантовой информацией и запутанностью позволяет описывать физические процессы изменения степени квантовой запутанности между компонентами системы как обмен информацией с ее окружением.

В целом наличие квантовой запутанности в макроскопических системах до сих пор является предметом бурных дискуссий. При этом наиболее интенсивно обсуждается вопрос квантового принципа несепарабельности — если системы взаимодействуют друг с другом, то они квантово-запутаны между собой (связаны нелокальными квантовыми корреляциями). При этом некоторые теоретики даже склоняются к мысли, что все акты взаимодействия в окружающем мире, вне зависимости от их масштабности, являются предпосылками для квантовой запутанности (несепарабельности) взаимодействующих объектов.

Однако следует четко осознавать, что пока еще физикам не удалось построить непротиворечивую общепризнанную схему нашей Вселенной, состоящей из несепарабельных материальных систем и объектов. В еще большей степени сказанное касается количественного описания макроквантовой запутанности в сопоставлении адекватности теоретических моделей с результатами физических экспериментов.

С понятием квантовой запутанности тесно связано явление декогеренции — потери слаженности волновых колебаний отдельных микрообъектов как когерентности квантовых суперпозиций в результате взаимодействия системы с окружающей средой. Декогеренция объясняет, как происходит процесс взаимодействия с окружением и как возникает смесь, эквивалентная распределению квантовых объектов по различным состояниям со своими вероятностями.

Некогерентный оркестр

Если соотнести физическую систему с образом оркестра, то ее декогеренция будет напоминать диссонанс мелодии при запутывании системы с ее окружением, возникающий в процессе взаимодействия звуковой среды концертного зала и уличного шума. Представим себе, что вследствие такого запутанного диссонанса дирижер оркестра в ярости ломает дирижерскую палочку и сбегает со сцены. Тогда музыканты распавшегося оркестра начинают исполнять индивидуальные партитуры, а сама исходная система из запутанного начального состояния переходит в незапутанное смешанное состояние.

Естественно, что у читателя уже давно должен был возникнуть вопрос: как такая «запутанная» квантовая теория согласуется с экспериментальными данными?

Если проводить опыты над полной системой, то отличить суперпозицию от смеси в принципе можно: суперпозиция приводит к некоторым интерференционным эффектам, которые отсутствуют в случае смеси. Это напоминает отбраковку посуды, когда контролер легкой металлической палочкой ударяет по бокалам и тарелкам. Если посуда цела (полная суперпозиция), возникает чистый тон, а если в стакане есть трещина, то слышен дребезжащий звук (смесь состояний).

Даже если некоторая система находится в состоянии, описываемом суперпозицией, но затем это состояние запутывается с состоянием окружения таким образом, что в окружении остается информация, позволяющая различить компоненты суперпозиции, то состояние системы подвергается декогеренции. Это значит, что оно становится смесью (а не суперпозицией) тех же компонент, причем никакими экспериментами, проведенными над системой (но не затрагивающими окружение, вызвавшее декогеренцию), невозможно выяснить, является ли смесь следствием имевшейся до этого суперпозиции, или она порождается неполным знанием о том, какая из компонент реально существует.

Первые эксперименты по проверке теории квантовой запутанности связаны с именем профессора Венского университета Антона Зайлингера. Для своих опытов Зайлингер выбрал обыкновенные фотоны — кванты электромагнитного излучения, — попытавшись «телепортировать» эти элементарные частицы в иную точку пространства. Важным элементом экспериментов Зайлингера была подготовительная фаза, ведь необходимо, чтобы в некоторой точке пространства оказался фотон, изменяющий свои характеристики в ходе телепортации и точь-в-точь такой же, как исходная частица. Опыты Зайлингера были признаны удачными, и ему действительно, по мнению других независимых исследователей, удалось показать, что в экспериментах по квантовой телепортации происходит не перемещение материальных объектов, а своеобразная череда мгновенных превращений их состояний.

Тут можем прибегнуть к следующему сравнению: представим себе, что в точке выхода квантового «портала» находится зеркало. Что бы ни происходило с исходным фотоном, зеркало отражает его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Правда, аналогия здесь не полная, поскольку изображение в зеркалах отражается со скоростью света, а скорость квантовой телепортации пока еще считается практически неограниченной. Подчеркнем, что это не противоречит теории относительности, поскольку не происходит перемещение материальных предметов и информацию о свершившемся перемещении сторонние наблюдатели тоже могут получить только по обычным «световым» каналам связи.

Основным объектом телепортационных опытов профессора Зайлингера были пары особым образом приготовленных фотонов с перпендикулярными друг другу плоскостями колебаний. С этого момента предполагалось, что если один из фотонов поляризован по горизонтали, то другой должен колебаться лишь в вертикальной плоскости — и соответственно наоборот. Так получили пары завязанных в «квантовый узел» запутанных микрочастиц. Затем запутанная пара направлялась на полупроницаемое зеркало, так что частицы либо отражались от поверхности зеркала, либо проникали сквозь нее. Возможных вариантов событий было четыре: проходят оба, проходят по одиночке и полностью отражаются. В любом случае оба фотона были теперь связаны друг с другом. Значит, свойства фотонов автоматически передавались друг другу, и они становились точь-в-точь такими же, как свои прототипы, находившиеся на расстоянии в несколько метров. В конечном итоге по показаниям детектора определяли, что телепортация состоялась.

Конечно, по сравнению с телепортационными линиями связи из фантастических романов подобные эксперименты выглядят довольно блекло. Ведь в них не происходит никакого переноса элементарных частиц из одной точки пространства в другую, поскольку в приемном устройстве уже имеется свой фотон и передается лишь информация о его поляризации.

В следующем разделе мы более подробно рассмотрим, что такое квантовая информация и как микрочастицы ее копируют, мгновенно «телепатически чувствуя» происходящие друг у друга изменения состояний. Сейчас же заметим, что после нескольких лет проб и ошибок Зайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Тем временем французские физики уже начали проводить опыты по телепортации на атомарном уровне.

Фотоны, атомы… Что дальше?

«Я думаю, что в скором времени мы научимся связывать квантовым образом друг с другом даже крупные молекулы», — оптимистично утверждает профессор Зайлингер.

А недавно было показано, что при помощи запутанных состояний микрочастиц можно с невиданной точностью провести синхронизацию удаленных часов. Ученые сумели использовать пары запутанных фотонов для синхронизации с пикосекундной погрешностью (10^-12 с) хронометров, разнесенных на несколько километров. Детектирование одного фотона означает, что другой фотон тоже может быть обнаружен в очень узком интервале времени и такая корреляция между ними может служить для синхронизации часов с очень большой точностью. Синхронизация часов очень часто используется в самых различных физических экспериментах, и повышение точности здесь является довольно старой проблемой. Подобные эксперименты демонстрируют принципиально новый подход и могут иметь множество приложений в фундаментальной и прикладной физике.

Однако проблем вокруг квантовой телепортации еще слишком много. Ведь одним из главных требований «правильного» запутывания является создание «дистиллированно» сверхчистой квантовой среды, а чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект неконтролируемо контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «классическую локализацию», и весь процесс квантового запутывания с последующей телепортацией теряет свой смысл.

Тут самое время сделать небольшой перерыв и задуматься над причудливой картиной квантовой реальности вместе с известным популяризатором научных знаний Романом Фишманом, утверждающим в своем оригинальном исследовании «Квантовая сутра», что совершенно невозможно представить, как выглядела бы наша цивилизация без классической физики и математики. Понятия абсолютной «объективной реальности, существующей независимо от нашего сознания», трехмерного евклидова пространства и равномерно текущего времени настолько глубоко укоренились в сознании, что мы их даже не замечаем. А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях, а для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

Впрочем, д-р Фишман вполне обоснованно считает, что «хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: „все относительно“, „время и пространство едины“, — всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью — удивительной и невероятной.

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его „планетарная“ модель, ученые столкнулись с множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики — квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

До конца XIX века атомы считались неделимыми „элементами“. Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под „оболочку“ атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь.

Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий. Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не „падают“ на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы?»

Иначе говоря, тут самое время вспомнить слова одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга: «…никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, пытавшимися объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн.

И автор «Квантовой сутры» в который раз поднимает вопрос:

«Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют „облака“ таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится „скрестить“ квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана, и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии.

Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на „еще более простые“ блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!»

Разумеется — и в этом мы полностью согласны с д-ром Фишманом — в мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению. Так что же мы меряем в итоге? И насколько правомерны эти измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, а значит, меняет и ее саму?

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает… сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.

Вот каким образом автор «Квантовой сутры» раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений:

«Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: „Противоположности дополняют друг друга“. Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности».

Итак, вместе с Романом Фишманом мы наконец-то поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Тут уж в самую пору вообще задать вопрос: а существует ли она вообще?

Конечно, подвергать объективность материального квантового мира сомнению, как это одиозно попытался сделать метафизик Фритьоф Капра в своей нашумевшей книге «Дао физики», у нас нет никакого желания. Более того, если задуматься, то квантовая сущность постоянно меняющихся и «перетекающих» друг в друга микрообъектов лишь в очередной раз блестяще подтверждает правильность диалектико-материалистического метода исследования природы. И здесь ни мистические благоглупости Капры, ни идеалистические выкрутасы некоторых отечественных «исследователей», связывающих реальность квантового мира с сознанием наблюдателя, не имеют абсолютно никакого значения.

Еще без малого полстолетия назад академик Александр Соломонович Компанеец в уже упоминавшейся книге «Квантование в науке настоящего и будущего» попытался уточнить вопрос — каким образом представления квантовой физики могут оказаться полезными для математики, психологии и физиологии. По мнению Александра Самойловича, связать воедино эти довольно «разношерстные» научные дисциплины могла бы некая мера квантовой информации, опираясь на которую «квантовые» биофизики наконец-то смогли бы не только объяснить работу человеческого мозга, но и приступить к моделированию «искусственного квантового сознания»:

«С незапамятных времен человека волнует вопрос о свободе его воли и мысли: почему в известных обстоятельствах он подумал или поступил именно так, а не иначе. Всегда ли можно предвидеть его собственные поступки, поведение врага или друга заранее?

В древнегреческих трагедиях людьми правил неотвратимый рок. Не только то, что случилось с героями под влиянием внешних причин, но и сами их действия были заранее предопределены.

Однако человеческая мысль искала и других решений вопроса. О свободе воли немало спорили богословы. Не все их споры были совсем бессодержательны: дело ведь отчасти шло об ответственности людей за свои поступки.

Мыслители нерелигиозного толка тоже раздумывали над смыслом предопределения. Крайнюю точку зрения выразил Лаплас. Он утверждал, что в принципе все происходящее во Вселенной может быть записано в виде единого уравнения. То, что решение мирового уравнения неизвестно, связано только с ограниченностью наших измерительных и математических средств. Но Лаплас едва ли сомневался в объективной действительности всего существующего. Следовательно, он верил в непреложный закон, управляющий человеком. Непознанный закон оставался столь же неотвратимым, как „рок“ у греков. С этим не может примириться сознание современного человека, как бы ни был велик научный авторитет Лапласа или любого другого крайнего выразителя идеи механического детерминизма».

Как же можно практически использовать новые возможности квантовых каналов передачи информации? Давайте обратимся к оригинальному отрывку из книги известного американского физика Брайана Р. Грина «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности». В нем рассказывается, как герои телесериала «Секретные материалы» Малдер и Скалли получают странные одинаковые посылки инопланетного происхождения, в которых «находятся маленькие, защищенные от света титановые коробочки, пронумерованные от 1 до 1000, и письмо… письмо говорит, что каждая титановая коробочка содержит инопланетную сферу, которая сверкнет красным или синим в момент, когда будет открыта маленькая дверца на боку коробочки».

Далее Малдер разъясняет Скалли:

«Письмо говорит, что до того, как любая данная коробочка будет открыта, сфера имеет возможность сверкнуть или красным, или синим, и она делает выбор между двумя цветами в момент открытия дверки хаотически. Но здесь есть странная часть. Письмо говорит, что хотя твои коробочки работают точно таким же образом, как и мои, — хотя сферы внутри каждой из наших коробочек и выбирают хаотично между красным и синим сверканиями, — наши коробочки неким образом работают в тандеме. Письмо утверждает, что имеется таинственная связь, так что, если будет синяя вспышка, когда я открою мою коробочку 1, ты также обнаружишь синюю вспышку, когда ты откроешь твою коробочку 1; если я увижу красную вспышку, когда я открою коробочку 2, ты тоже увидишь красную вспышку в твоей коробочке 2 — и так далее».

Квантовый компьютер

Квантовый компьютер — это физическое устройство, предназначенное для выполнения логических операций с помощью специально преобразованных квантовых состояний. Схематично работу квантового компьютера можно представить в виде следующего последовательного алгоритма: «ЗАПИСЬ» — подготовка начального состояния; «ВЫЧИСЛЕНИЕ» — преобразование начального состояния по специальной процедуре; «ВЫВОД» — детектирование результата измерения проецированного конечного состояния.

Единица информации

Информационная единица классических компьютеров — бит может иметь одно из двух состояний: 0 или 1; абстрактно бит можно представить стрелкой, направленной вверх или вниз.

Измерение квантовой информации

В микромире информация может измеряться с помощью особых единиц — квантовых битов — кубитов, которые имеют большое количество возможных состояний. Эти состояния можно представить стрелкой, указывающей на точку сферы. Северный полюс сферы эквивалентен 1, а южный — 0. Другие положения соответствуют квантовым суперпозициям 0 и 1. В общем, это стандартное представление для бита информации, имеющего единичное или нулевое значение, но с учетом вероятностного характера взаимодействующих квантовых подсистем.

Итак, Скалли и Малдер решительно открывают свои загадочные коробочки и «…сравнивая цвета, которые вспыхивают внутри каждой коробочки, Скалли и Малдер действительно находят соответствие, предсказанное в письме. Временами сфера в коробочке сверкает красным, временами синим, но при открывании коробочек с одинаковыми номерами Скалли и Малдер всегда видят вспышку одинакового цвета.

Малдер приходит во все большее возбуждение и ажиотаж от инопланетных сфер, но Скалли все это совершенно не впечатляет.

— Малдер, — мрачно говорит в телефон Скалли, — тебе в самом деле нужен отпуск. Это глупо. Очевидно, что сферы внутри каждой из наших коробочек запрограммированы, чтобы мигать красным, или они запрограммированы, чтобы мигать синим, когда дверца их коробочки открыта. И кто-то послал нам эти бессмысленно и одинаково запрограммированные коробочки, с тем чтобы ты и я обнаруживали одинаковые цвета вспышек в коробочках с одинаковыми номерами».

Малдер пытается возразить своей очаровательной партнерше-агентессе:

«— Ну нет, Скалли, письмо говорит, что каждая инопланетная сфера случайно выбирает между синими и красными вспышками, когда дверца открыта, а не то, что сфера предварительно запрограммирована на выбор одного или другого цвета.

— Малдер, — вздыхает Скалли, — мое объяснение имеет безупречный смысл и соответствует всем данным. Чего ты еще хочешь? И взгляни сюда, в конец письма. Это величайшая шутка. Инопланетяне информируют нас мелким шрифтом, что вспышка сферы внутри коробочки вызывается не только открыванием дверцы коробочки, но и любые другие действия с коробочкой, направленные на то, чтобы выяснить, как она работает, — например, если мы попробуем выяснить процесс образования цвета или химический состав сферы перед открытием дверцы, — также приведут к вспышке. Другими словами, мы не можем проанализировать предполагаемый случайный выбор красного или синего, поскольку любая такая попытка испортит сам эксперимент, который мы пытаемся провести».

Пример с любимыми многими кино- и телезрителями отважными расследователями жгучих тайн современности, заключенных в Х-файлах, Б. Грин снабжает следующим комментарием:

«Две частицы могут быть так переплетены квантовыми эффектами, что их хаотичный выбор между одним или другим свойством скоррелирован: точно как каждая из инопланетных сфер случайно выбирает между красным и синим, а затем каким-то образом цвета, выбранные сферами в коробочках с одинаковыми номерами, оказываются скоррелированными (обе мигают красным или обе мигают синим), свойства, выбранные случайно двумя частицами, даже если они удалены в стороны в пространстве, могут быть подобным образом совершенно упорядочены. Грубо говоря, хотя две частицы удалены друг от друга на большое расстояние, квантовая механика показывает: что бы ни сделала одна частица, другая сделает связанную вещь.

В качестве конкретного примера: если вы носите солнечные очки, квантовая механика показывает, что с вероятностью 50: 50 отдельный фотон — вроде того, который отразился от поверхности озера или от асфальтовой дороги, — сможет пробраться сквозь ваши уменьшающие яркость поляризованные линзы: когда фотон достигает стекла, он случайным образом „выбирает“ между тем, отразиться назад или пройти насквозь. Поразительная вещь в том, что фотон может иметь партнера-фотон, который мчится в милях отсюда в противоположном направлении, и, однако, когда он столкнется с той же вероятностью 50: 50 пройти сквозь другие поляризованные линзы солнечных очков, он каким-то образом повторит все, что бы ни сделал начальный фотон. Даже если каждый результат определен случайным образом и даже если фотоны разнесены в пространстве, если один фотон пройдет насквозь, так же сделает и другой. Это разновидность нелокальности, предсказанная квантовой механикой».

Итак, законы квантового мира не только по форме, но и по самой своей глубинной сути принципиально отличаются от классической механики, воплощенной в том, что мы называем здравым смыслом повседневной реальности. Уже тысячелетия астрономы наблюдают за траекториями небесных тел, но это, конечно же, никак не влияет на эллиптичность планетарных орбит. Однако, наблюдая за электроном, мы обязательно изменим его энергетическое состояние и волновую функцию, так что любое измерение полностью и неконтролируемым образом изменит общее состояние микрочастицы. Единственный выход для физиков-экспериментаторов — это выполнить измерения над очень большим числом электронов (в идеале такое количество одинаковых микрообъектов должно практически стремиться к бесконечности), тогда, и только тогда, можно со сколь угодно высокой точностью узнать, какой же будет исход эксперимента над иными микрочастицами, находящимися в тех же начальных условиях.

Именно здесь и пролегает связь между классической и квантовой физикой, ведь единичные одинаковые квантово-механические опыты приводят к разным результатам просто в силу принципиальной невозможности обеспечить для них совершенно одинаковые условия проведения, как это происходит в классической механике. Но достаточно большое множество одинаковых опытов над не менее существенным множеством одинаковых квантовых объектов (например, тех же электронов) обязательно в конечном итоге приведет к одинаковым результатам.

Как поразительно точно подметил в книге «Квантование в науке настоящего и будущего» А. С. Компанеец:

При этом самое удивительное то, что форма закономерности все же относится к отдельному объекту: в простейшем виде уравнению Шрёдингера удовлетворяет волновая функция одного электрона. В соответствии с этим каждый электрон вступает во взаимодействие с измерительным прибором, например с фотопластинкой, независимо от всех остальных. Фотопластинка, как и любой измерительный прибор, — объект классический, поэтому и можно зафиксировать точку попадания на нее отдельного электрона, не изменяя существенным образом состояния самой фотопластинки. Но сам электрон, попадая на фотоэмульсию, радикально изменяет свое состояние. На таких отдельных актах взаимодействия проявляется статистическая закономерность.

Эволюция электронно-вычислительной техники

Проанализировав сложившуюся ситуацию в квантовой физике, знаменитый американский физик Ричард Фейнман высказал идею, что подобные задачи должен решать особый квантовый компьютер. В своей известной статье «Моделирование физики на компьютерах» он убедительно показал, что необходимо разрабатывать принципиально иные вычислительные устройства.

Несомненно, что разработчикам квантовых вычислительных систем, основанных на квантово-механических эффектах микрочастичной запутанности, в конце концов удастся добиться впечатляющего параллелизма вычислений. И даже если правы скептики, предрекающие, что мощный квантовый компьютер так и не будет никогда построен, исследования в этой области прикладной квантовой физики вполне могут привести ко многим неожиданным открытиям.

Существует и еще одно совершенно фантастическое направление исследований, которое связано с конструированием квантовых нейрокомпьютеров. Пока еще в этом направлении наука делает только первые шаги, но все больше биофизиков и нейрофизиологов начинают обсуждать возможность существования некоего «квантового сознания».

Совершенно неожиданное применение нашла квантовая информатика в криптографии — искусстве создания и расшифровки разнообразных кодов. Основная трудность, с которой сталкиваются современные шифровальщики, состоит в обеспечении такого обмена шифровальными ключами между отправителем и получателем, при котором никто не может скопировать их. Наступление эры квантовой информатики, и в частности появление квантовых компьютеров, способных быстро производить невероятно трудное разложение числовых шифровальных кодов на простые множители, ознаменует крах многих криптографических схем. Но тут квантовая информатика преподнесла второй сюрприз, ознаменовавший возникновение еще одной научной отрасли знания — квантовой криптографии. Как оказалось, абсолютно секретную связь вполне реально создать, используя квантовые способы передачи информации. К примеру, чтобы «подслушать» шифровку, передающуюся отдельными фотонами (квантами) через оптоволокно, необходимо каждый квант поймать, измерить его состояние и только затем вновь послать адресату. Вся беда в том, что проделать эти манипуляции без нарушения состояния отдельных квантов и квантовой системы в целом невозможно. Такие системы связи позволяют безопасным способом осуществлять передачу секретного ключа практически на неограниченные расстояния. Они уже выпускаются и используются для нужд спецслужб при наземной передаче информации, вскоре планируется их вывод в космос для создания систем передачи сверхсекретной информации.

Некоторые ученые полагают, что мечта о появлении квантовых компьютеров сможет осуществиться лишь при определенных прорывах в физике и технике эксперимента, когда квантовый мир станет более понятным людям. Однако вне зависимости от того, будет построен квантовый компьютер или нет, квантовые вычисления уже заняли свое место в информатике и математике, а опыт работы с отдельными атомами существенно обогатил возможности экспериментальной физики, химии и инженерии. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что будущее компьютерной техники тесно связано с квантовой физикой. И наиболее перспективным направлением ее развития на данный момент считается создание квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой механики.

На примере истории квантовой информатики мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь — о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.

Чтобы понять возможность существования парадоксальной квантовой нелокальности, лучше всего еще раз обратиться к мнению выдающегося физика, особым образом боровшегося с ней всю свою жизнь. Фактически для этого академику и нобелевскому лауреату де Бройлю пришлось создать свою параллельную версию квантовой теории, которую он назвал квантово-волновой физикой.

Теперь обсудим вкратце вопрос о том, какую роль современная физика отводит классической механике и физике. Разумеется, они полностью сохраняют свое практическое значение в той области явлений, для описания которой они были созданы и в которой их справедливость подтверждается опытом. Открытие квантов ни в коей мере не нарушает законов падения тел или законов геометрической оптики. Всякий раз, когда с определенной степенью точности подтверждается какой-либо закон (а всякий результат может быть проверен лишь с определенной точностью), можно утверждать, что этот результат в основном является окончательным и никакие последующие теории его не смогут опровергнуть. Если бы это было не так, то никакая наука вообще не могла бы развиваться. Однако может так случиться, что появление новых экспериментальных данных или новых теорий приведет к тому, что найденные ранее законы будут рассматриваться лишь как некоторое приближение. Иными словами, при увеличении точности измерений справедливость их в конце концов нарушается. Такие случаи неоднократно встречались в истории развития науки. Из законов геометрической оптики, например, известно, что закон прямолинейности распространения света, хотя он и был проверен с большой степенью точности и считался вначале совершенно точным, оказался верным лишь приближенно. Это стало ясным после открытия явления дифракции и установления волновой природы света. Именно таким путем последовательных приближений, устраняя внутренние противоречия, и может развиваться наука. Созданные в процессе ее развития теории не будут полностью опровергнуты и уничтожены последующим развитием науки, а войдут в качестве составных частей в новые, более общие теории. С этой точки зрения механику и классическую физику можно рассматривать как введение в квантовую физику.

В свете квантовой теории классическая механика и физика уже не являются абсолютно точными. Однако в обычных условиях нарушение классических законов оказывается незаметным из-за имеющихся всегда ошибок измерений. Таким образом, для явлений, протекающих в наших обычных масштабах, классические механика и физика оказываются очень хорошим приближением.

Итак, здесь мы снова встречаемся с обычным процессом развития науки. Твердо установленные принципы, надежно проверенные законы хотя и сохраняются в дальнейшем развитии науки, но уже рассматриваются не как абсолютно точные, а лишь как некоторое приближение, пределы применимости которого определяются новой, более общей теорией.

Поскольку все же для явлений нашего масштаба классическая механика и физика, совершенно не учитывающие наличия квантов, остаются справедливыми, то некоторые, возможно, скажут, что, в сущности, кванты не имеют такого уж всеобщего значения, какое им приписывается, поскольку в чрезвычайно широкой области явлений, включающей, в частности, область практических приложений, квантовую природу явлений можно совершенно не учитывать. Однако подобная точка зрения кажется нам неправильной. Во-первых, в такой важной и перспективной области, как атомная и ядерная физика, кванты играют настолько существенную роль, что без привлечения квантовой теории понять явления, относящиеся к этой области, оказывается совершенно невозможно. Во-вторых, в макроскопической физике, где благодаря малости величины квантов и неизбежным ошибкам эксперимента квантовая природа процессов не проявляется явно, наличие кванта действия влечет за собой все те следствия, на которые мы указали ранее. И если они практически не оказывают заметного влияния, то это никоим образом не умаляет их значения как для физики, так и для философии. Поэтому в настоящее время квантовая теория является одной из существенных основ естествознания.

Одной из самых жгучих тайн современного естествознания является физика происхождения нашего мира. Этой загадочной проблемой занимается специальная наука, изучающая Вселенную как единое целое, — физическая космология. Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. От других наук космология отличается своей структурой, являясь в значительной степени умозрительной и гипотетической дисциплиной. Развитие современной космологии основывается на положении, по которому все законы природы, установленные на нашей планете и в ближайшем космическом окружении, безусловно, распространяются на всю видимую Вселенную — Метагалактику (см. рис. 8 цв. вкл.). Это, конечно же, не означает, что где-то в глубинах космоса ученые не смогут открыть новые поразительные физические закономерности, но они никогда не отменят уже открытые законы природы в пространстве и времени, а будут расширять и развивать их на новом уровне.

На протяжении веков величайшие умы человечества — Коперник, Кеплер, Галилей и Ньютон считали окружающий мир однородным и неизменным. На эти же свойства Вселенной изначально опирался в своих построениях Эйнштейн. Создатель теории относительности считал, что Вселенная в целом не эволюционирует, пребывая в застывшем состоянии, и никак не подвластна ходу времени. Правда, в отдельных местах Метагалактики могут возникать и гаснуть звезды и даже целые галактики, но общая картина мира остается принципиально неизменной. Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся. Вещество Вселенной не может находиться в покое. Оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

Сейчас Метагалактика ускоренно расширяется, и если вернуть этот процесс в прошлое, то мы окажемся у очень загадочной точки вселенского сжатия, носящей название космологическая сингулярность. Эта во многом мнимая точка (ведь указать ее координаты просто невозможно — нет подходящей системы отсчета!) и будет являться моментом «начала начал» расширения нашей Вселенной. Сам астрономический термин «сингулярность» можно перевести как «особенность», «необычность» или «исключительность», ведь начальное состояние материи характеризовалось совершенно непонятными плотностями материи и энергии, стремящимися к бесконечности.

Понятие космологической сингулярности тесно связано с кривизной окружающего нас трехмерного пространства, которое может быть и разомкнутым и замкнутым. Каким именно оно станет, зависит от многих обстоятельств. Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. Тогда луч света, выпущенный из какой-либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую-либо преграду. Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все-таки за некоторые пределы.

Наглядно такой пульсирующий замкнутый мир можно представить в виде резинового шара, который то раздувается, то спускает воздух. Само собой разумеется, что при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше критического объема поверхности, так как произойдет ее разрыв. В данном замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу.

После создания теории относительности, в двадцатых годах прошлого века, замечательный петербургский математик Александр Александрович Фридман одним из первых получил оригинальные решения уравнений общей теории относительности для всей Вселенной в целом. Анализируя полученные результаты и применяя их к новой теории гравитации Эйнштейна, профессор Фридман сделал сенсационное открытие. Он обнаружил, что уравнения имеют решения, которые описывают полностью замкнутый мир. Под действием гравитации в отдельных участках Вселенной материя может как бы «схлопнуться», образовав необычное пространство, замкнутое само на себя. Далее ученый получил еще более неожиданный результат, который однозначно показывал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения для развивающейся и увеличивающейся Вселенной лежат в основе всей современной космологии.

Миры Мультивселенной

Простой астрономический факт — расширение нашей Вселенной — привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики — физики возникающих и исчезающих миров.

Как же можно представить себе мир Фридмана? Давайте возьмем глобус и населим его ползающими по поверхности «плоскунами», ничего не подозревающими о существовании третьего измерения. Поверхность сферы образует особый двумерный мир. Он замкнут и в то же время безграничен, ведь по поверхности шара можно двигаться в любом направлении, не опасаясь наткнуться на какую-то неодолимую преграду.

Представим теперь, что Академия наук плоскунов решила опытным путем проверить, безгранична или же ограниченна их Вселенная. Приступив к измерению длины окружности сферы своего мира, академики плоскунов вскоре пришли бы в большое удивление, ведь длина окружности, все возрастая по мере удаления от того места, где находились плоскуны-экспериментаторы, достигла бы максимума, а затем начала бы неуклонно уменьшаться, вплоть до нуля.

Это однозначно продемонстрировало бы плоскунам, что их мир замкнут. Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. В таком мире действовали бы иные физические законы и сила взаимодействия между двумя зарядами изменялась бы в другой пропорции от расстояния.

Двумерные существа могли бы никогда не узнать, что находится внутри искривленной поверхности сферы, центр которой недоступен для наблюдений их двумерными приборами. Они могли бы построить модель Вселенной как целого, безграничную, но конечную, содержащую конечное количество квадратных километров. Модель охватывала бы все, доступное их чувствам и физическим приборам, но с точки зрения внешнего наблюдателя мир плоскунов составлял бы лишь незначительную часть чего-то более обширного.

Очевидно, вопрос, интересующий двумерных аборигенов, состоит в том, можно ли считать внутренность сферы с центром и охватывающее сферу внешнее пространство реально существующими, если до сих пор они себя никак не проявляли в сферическом мире и, может быть, так никогда и не проявят?

Некоторое время после создания модель Фридмана нестационарной расширяющейся Вселенной казалась многим ученым нереальной. Однако соответствующие решения Фридмана были не только признаны автором теории относительности Эйнштейном, но и получили практическое подтверждение в наблюдениях знаменитого американского астронома Э. Хаббла. В двадцатых годах прошлого века, после внушительной серии астрономических исследований дальних галактик, он пришел к выводу, что галактические объекты удаляются от нас со скоростью, пропорциональной этой удаленности. Следовательно, чем дальше от нас галактика, тем выше ее скорость удаления.

Соответствующий коэффициент пропорциональности является важнейшей космологической величиной, получившей название постоянной Хаббла. Этот вывод Хаббл сделал на основе исследования физического эффекта Доплера — смещения длин волн в спектре излучения источника в сторону красной части диапазона для далеких галактик (рис. 9 цв. вкл.) Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной. В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь свое красное смещение, пропорциональное расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается (рис. 10 цв. вкл.).

Оставалось понять, какие физические превращения происходили и происходят на различных стадиях расширения нашего мира. Одним из первых к исследованию данной интереснейшей проблемы рождения вещества нашего мира приступил знаменитый американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Именно он в сороковых годах прошлого века заложил основы фундамента современной космологии и космогонии — модели «горячей Вселенной».

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали очень высокой плотностью и энергией. В ходе расширения Вселенной эта температура неуклонно падала. Затем равновесие образовавшегося водорода и гелия с излучением нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила всего несколько градусов Кельвина. Это излучение сохранилось до наших дней как эхо эпохи бурного рождения Вселенной в катаклизме Большого взрыва.

Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения (космологической инфляции), которая полностью изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тысяч лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов.

Астрономы предполагают, что важную роль на начальной стадии формирования галактик могли также играть черные дыры, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах галактик только прибавляют в этом уверенности. Такая связь, естественно, вызывает вопрос и о том, что появилось сначала — галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.

Расширение пространства после Большого взрыва

Долгое время Вселенная, остыв после Большого взрыва, оставалась темной и холодной — ничто ее не освещало. Этот период, названный астрономами «темными веками», закончился, когда сформировались первые звезды. Здесь ученые столкнулись с одной из главных проблем современного естествознания — загадкой таинственной «темной материи» и «темной энергии». Очень ранний возраст Вселенной, к которому относят начало формирования первого поколения звезд, привел к идее о том, что таинственный тип невидимой материи гравитационно сконцентрировал вещество Вселенной вскоре после ее рождения, позволив сформироваться первым звездам и галактикам.===

Модели развития нашей Вселенной

Что ожидает наш мир в невообразимо далеком будущем? Ученые — физики, космологи и астрономы исходят в своих прогнозах из кривизны окружающего нас пространства. Так, если кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю (мир Ньютона, Лагранжа и Лапласа), то Вселенная бесконечна и мы имеем так называемую «открытую модель». В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, а в некотором экстремальном варианте ткань пространства начинает «растягиваться» так быстро (экспоненциально), что может произойти некий Большой «разрыв». Что это такое и тем более как выглядит, не знает никто, но вполне возможно, что по своему масштабу этот вселенский катаклизм может сравниться с началом Большого взрыва. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого «хруста», являющегося полной противоположностью Большому взрыву.

Здесь необходимо остановиться и немного рассказать об этих удивительнейших небесных телах — черных дырах сколлапсировавших застывших звезд. Бездонный провал черной дыры коллапсара — это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» или просто «горизонтом» черной дыры.

Чтобы поле тяготения могло навсегда «привязать» к себе электромагнитное излучение, масса тела должна сжаться до особого «гравитационного радиуса». Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца гравитационный радиус составляет около трех километров, а для Земли один сантиметр. По этой причине создать коллапсар в лабораторных условиях практически невозможно, ведь чтобы тело любой разумной массы, пусть даже в миллиарды тонн, стало черной дырой, его нужно сжать до размера элементарных частиц, поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически. Правда, большие надежды физики возлагают на новые сверхмощные ускорители элементарных частиц — коллайдеры. В них на встречных пучках будут попадаться частицы, движущиеся с огромной скоростью и, соответственно, обладающие гигантской энергией. Теоретики предсказывают, что при определенных условиях в акте столкновения нескольких частиц может произойти микроколлапс с образованием черной микроскопической дыры. Впрочем, большинство ученых сходятся во мнении, что подобные чудеса произойдут не скоро.

Расчеты астрофизиков показывают, что тела астрономического масштаба (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственного тяготения сжиматься до размера своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется уже много десятков лет, и сейчас можно с большой уверенностью указать сотни вероятных кандидатов в черные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучение затруднено огромными расстояниями от Земли. И хотя сам факт существования черных дыр уже особо не подвергают сомнению, практическое изучение их свойств еще впереди.

История умозрительного открытия гравитационных коллапсаров тесно связана с именем английского геофизика и астронома Джона Мичелла (1724–1793). Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, он рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус около трех километров, то даже корпускулы света не могли бы покинуть такую звезду. Такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной, вот так и родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Несколько позже подобные идеи высказал в своей книге «Система мира» (1796) великий французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идеи Митчела и Лапласа о гравитационных коллапсарах были забыты.

Во второй раз ученые обратились к концепции черных дыр в начале двадцатого века, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации — общей теории относительности. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особыми свойствами на расстоянии гравитационного радиуса; именно поэтому данную величину часто называют шварцшильдовским радиусом, а соответствующую поверхность — горизонтом событий или шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования коллапсары еще не рассматривались.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно (рис. 11, 12 цв. вкл.).

Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из-под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в шестидесятых годах прошедшего столетия видным американским физиком и космологом Джоном Арчибальдом Уилером (рис. 13 цв. вкл.).

В связи с этим можно упомянуть о гипотезе квантового испарения черных дыр, предложенной известным английским физиком-теоретиком Стивеном Хокингом. Согласно этой гипотезе, черная дыра излучает как абсолютно черное тело. Излучение черной дыры связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая — вне сферы Шварцшильда и улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате черная дыра будет испаряться, уменьшаться в своих размерах.

Открытие квантового испарения черных дыр произвело сенсацию, правда, в основном среди теоретиков. На практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную, сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая называется инфляционной.

Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащего ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

До момента, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в предшествующую эпоху. На сегодняшний день это можно сделать только с помощью воображения и теоретических моделей. Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос — почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии и существуют ли антимиры во Вселенной?

В начале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц.

Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились — аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Вот именно этих избыточных протонов и нейтронов и хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в Антимир.

В научном мире считается, что первые шаги в понимании загадки Большого взрыва сделал бельгийский ученый Жорж Анри Леметр. Правда, еще раньше петербуржец Александр Фридман нашел оригинальные решения уравнений теории относительности Эйнштейна, которые описывали удивительные пульсирующие миры, рождающиеся из загадочной точки первичной сингулярности. Однако следует помнить, что Фридман и по образованию, и по стилю научного мышления был прежде всего математиком. Поэтому он не довел свои вычисления до логического окончания — физической картины рождения Вселенной. Так что его можно было бы считать своеобразным предтечей современной космологии расширяющейся Вселенной, а вот титул отца-основателя, без сомнения, принадлежит Леметру.

Вселенная во младенчестве

В результате компьютерного моделирования дозвездный мир предстает нам в виде темных первичных «семян» плотной материи, погруженных в горячую плазму элементарных частиц. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т. д.), кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные сгустки материи, из которых сформировались галактики.

Вселенная Большого взрыва

Считается, что наша Вселенная возникла примерно 13 миллиардов 700 миллионов лет назад в результате загадочного Большого взрыва. Его природа до сих пор неизвестна, хотя многие теоретики считают, что зародышем нашего мира могли стать энергетические волнения — флуктуации в «непустой пустоте» вакуума, которые и дали начало всему сущему.

Леметр предложил в качестве зародыша Вселенной объект конечных размеров, сверхмассивный первичный атом. Его взрыв порождает опять-таки сверхтяжелые и потому нестабильные осколки, фрагменты которых тоже должны делиться. Если принять во внимание количество частиц, которое, по современным оценкам, содержит Вселенная, то получится, что атом-отец и его потомки во множестве поколений должны претерпеть несколько сотен делений и на этом остановиться.

Однако такая схема даже семьдесят лет назад не могла вызвать доверия. В процессе множественных делений в конце концов должны были возникать максимально устойчивые атомы. А поскольку наиболее стабильными являются ядра атомов железа, то в космических масштабах именно оно должно было оказаться самым распространенным элементом. Однако в тридцатые годы прошлого века астрономы уже достоверно знали, что Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия. Несомненным достоинством модели Леметра было то, что она предсказала и объяснила закон Хаббла. Но данные об элементном составе Вселенной не согласовывались с теорией первичного атома. В масштабе Макромира концепция бельгийского ученого работала превосходно, а на микроуровне заводила в тупик.

Следующий этап исследования Большого взрыва связан с именем замечательного русского ученого Георгия Антоновича Гамова. Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа-распада и предложил капельную модель ядра. Впоследствии он эмигрировал и в своих исследованиях полностью переключился на астрофизику. Основываясь на работах Леметра, Гамов начал поиск решения проблемы возникновения в Большом взрыве окружающих нас химических элементов.

Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому, исследуя модель Леметра назад во времени почти до исходного момента, Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с леметровским атомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи.

Гамов предположил, что ранняя Вселенная была заполнена элементарными частицами, включая протоны, нейтроны и электроны. Эту смесь он назвал айлемом, применив термин из средневекового английского языка, означавший нечто вроде первосубстанции, источника всего сущего. И на этот раз интуиция не подвела замечательного физика, ведь, по современным представлениям, к концу первой секунды Большого взрыва все известное нам вещество Вселенной полностью состояло из айлема.

Спустя некоторое время астрофизики, анализируя построения Гамова, пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через триста тысяч лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще неизвестного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в шестидесятых годах прошлого века, оказалась сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной.

Еще совсем недавно у физиков существовало своеобразное «табу» на исследование пространства и времени за границей рождения Вселенной. Сейчас уже возникло довольно много теорий, описывающих, как могло выглядеть то очень таинственное нечто, в чем и возник наш мир. Во-первых, это, конечно же, должно быть не обычное состояние иного пространства-времени. Ведь в нашей повседневной реальности вокруг нас не рождаются новые Вселенные! И даже если бы это происходило, то мы просто бы перенесли вопросы рождения Мироздания в эту старую Вселенную, а потом в еще более старую и так далее. В математике такой процесс хождения по кругу одних и тех же понятий носит название «дурная бесконечность», и он по определению не способен дать чего-либо нового познанию. Поэтому физики и рассматривают среду, где возник наш мир, как суперпространство со многими измерениями.

Тут возникает очень любопытная логическая головоломка. Ведь если геометрического центра Большого взрыва не существует, и он происходил, а по некоторым теориям и происходит, «повсюду», то где-то вокруг нас и спрятано суперпространство. Первые подозрения, как всегда в подобных случаях, вызывают так называемые сугубо квантовые объекты. Если представить наше Мироздание состоящим из этажей-масштабов, то обитать эти удивительные частицы будут на дне подвала, где-то вблизи самого фундамента мира. Этот этаж мы назовем сверхмикроскопической основой Вселенной. Там в кажущейся пустоте вакуума непрерывно бушуют штормы физических полей, периодически заставляя его выплескивать энергию — флуктуировать на более высокие масштабные этажи материи. При этом в сверхпространстве возникает вереница возмущений, чем-то напоминающих пузырьки в пенящейся жидкости. Внутри каждого такого пузырька существует особенный мир и течет собственное время, стрелка которого летит краткий миг от рождения до «схлопывания». Подавляющая доля таких миров-пузырьков имеет невообразимо малый период существования, но при этом они успевают проявить себя как полноценные замкнутые мини-вселенные.

Взрыв первичного атома Леметра

Теория Леметра обосновывала оригинальную концепцию возникновения Вселенной из особого начального состояния с очень высокой плотностью материи. В духе физических знаний своего времени он интерпретировал этот момент как распад некого первичного атома, который существовал вне времени и пространства. Леметр вычислил последующую эволюцию «взорвавшейся» Вселенной на основе уравнений общей теории относительности и теоретически вывел линейную зависимость между радиальной скоростью галактик и их удаленностью от Солнечной системы.

Компьютерная модель эволюции Мироздания (сверху вниз)

Что же удержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Теоретики считают, что здесь мог проявиться своеобразный эффект «неустойчивости нестабильности», в силу действия которого Вселенные типа нашей являются ярко выраженными аномалиями. Первично неустойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька новой Вселенной) могло привести к тому, что внутри возникшего мира вакуум начал неожиданно изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума должен, по теоретическим расчетам, сопровождаться гигантским выделением энергии, результатом чего и явился Большой взрыв. Этот процесс можно представить как своеобразный взрыв вакуума — взрыв непустой пустоты!

Естественно, что грандиозность масштаба таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас мире, вызывает очень много вопросов к обсуждаемой новой космологии. Однако исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных смелых попыток заглянуть за границу известного. В принципе — вопросы расставлены, и ответы на них должны дать будущие исследователи, которые сегодня еще учат физику в школе!

Вероятностная интерпретация событий в микромире в свое время составила основу знаменитой полемики между Эйнштейном и Бором, разделив физиков на несколько спорящих групп. Одни из них, следуя Бору, Гейзенбергу и Борну, считают, что непредсказуемый характер единичных квантовых событий является фундаментальной особенностью окружающей природы и не имеет под собой никакого более глубокого фундамента. Другие, исходя из выводов научных школ Эйнштейна и Шрёдингера, доказывают, что неопределенность хода физических процессов микромира неизбежно приводит к целому ряду логических проблем (кот Шрёдингера) и даже явных противоречий, так что квантовые представления не являются достаточно полными. Третьи, подобно Луи де Бройлю, академикам В. А. Фоку и Д. И. Блохинцеву, занимают свою оригинальную позицию, часто предлагая собственные варианты понимания квантовой теории.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие, как «сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае, они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого, многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.

Тут пришло время прервать наш рассказ о чудесах квантовой механики и немного рассказать о втором «столпе», на котором сооружен храм современной физики, — теории относительности. Мне кажется, что это прекрасно сделал один из самых знаменитых физиков современности, член Королевского научного общества Великобритании Стивен Уильям Хокинг.

Каждое утро английские студенты из знаменитого Тринити-колледжа в Кембридже, где заведовал кафедрой физики еще великий Ньютон, видят необычный самодвижущийся экипаж — коляску, в которой сидит человек с безвольно склоненной набок головой. Это спешит на лекции нынешний хозяин кафедры Ньютона замечательный физик-теоретик Стивен Хокинг. Страшный недуг поразил его тело, но не смог сломить силу воли и разум. Хокинг посещает все интересные конференции по физике во всех частях света, выступает с лекциями в других университетах и даже читал доклад по приглашению американского президента на лужайке перед Белым домом. А еще профессор Хокинг пишет прекрасные научно-популярные книги.

В небольшом фрагменте одной из таких книг С. Хокинга — «Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» — и описывается теория относительности, причем сделано это мастерски, очень образно и доступно.

«Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном покое, теперь, говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего измеряется эта фиксированная скорость. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной „эфиром“, которой наполнено все, даже „пустое“ пространство. Световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе, и, следовательно, их скорость — это скорость относительно эфира. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна оставаться при этом неизменной. В частности, коль скоро Земля движется в эфире по своей орбите вокруг Солнца, скорость света, измеренная в направлении движения Земли (при движении в сторону источника света), должна превышать скорость света, измеренную под прямым углом к направлению движения (то есть когда мы не движемся к источнику). В 1887 году Альберт Майкельсон (впоследствии ставший первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент. Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы!

С 1887 по 1905 год был сделан ряд попыток (наиболее известная из которых принадлежит датскому физику Хендрику Лоренцу) объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход. Но в 1905 году никому доселе не известный служащий Швейцарского патентного бюро по имени Альберт Эйнштейн опубликовал ставшую потом знаменитой работу, в которой было показано, что никакого эфира не нужно, если отказаться от понятия абсолютного времени. Через несколько недель ту же точку зрения высказал один из ведущих французских математиков Анри Пуанкаре. Аргументы, выдвинутые Эйнштейном, были ближе к физике, чем аргументы Пуанкаре, который подошел к этой задаче как к математической. Об Эйнштейне обычно говорят как о создателе новой теории, но и имя Пуанкаре связывают с разработкой важной ее части».

Здесь Хокинг обращает наше внимание на то, что фундаментальный постулат теории относительности состоит в том, что абсолютно все известные на сегодняшний день физические законы, так или иначе, должны быть абсолютно одинаковы для всех стоящих, шагающих, едущих или даже летящих с околосветовой скоростью наблюдателей, причем совершенно независимо от скорости их движения. Эта важнейшая основа всей современной физики, да и науки в целом приводит к совершенно парадоксальному и многими до сих пор так и не понимаемому выводу о скорости света: скорость света совершенно одинакова вне зависимости от движения самого наблюдателя!

Вот как разъяснял этот удивительный парадокс сам А. Эйнштейн:

«В двух далеко друг от друга удаленных местах железной дороги А и В ударила молния. К этому я присоединяю, что оба удара последовали одновременно. Если я спрошу тебя, любезный читатель, имеет ли какой-либо смысл это утверждение, то, конечно, ты ответишь мне убежденным „да“. Но если я буду настаивать на более точном разъяснении смысла этого утверждения, то после некоторого раздумья ты заметишь, что ответ на этот вопрос не так прост, кок кажется на первый взгляд.

После некоторого размышления ты предложишь мне следующим образом установить одновременность. Соединяющий оба места отрезок АВ будет измерен по рельсам, и в середине его будет поставлен наблюдатель. Последний снабжен приспособлением, позволяющим ему одновременно видеть оба место — А и В. Если теперь наблюдатель одновременно воспримет оба удара молнии, то, значит, они одновременны.

Пусть по рельсам идет очень длинный поезд с постоянной скоростью. Пассажиры его с удобством примут свой поезд за то твердое исходное тело (систему координат), к которому они будут приурочивать все события. Всякое событие, совершающееся вдоль полотна железной дороги, происходит также у определенного пункта поезда. Возникает следующий вопрос. Два события (например, два удара молнии — А и В) будут ли также одновременны по отношению к поезду? Мы сейчас убедимся, что ответ будет отрицателен.

Когда мы говорим, что удары молний одновременны по отношению к насыпи, то это означает следующее: лучи света, выходящие из мест удара молнии А и В, встречаются в середине М участка насыпи АВ. Но событиям А и В соответствуют также места А и В в поезде; М* есть середина участка АВ поезда. Пункт М* в момент удара молнии (если судить с полотна дороги) совпадает с пунктом М, но он движется со скоростью поезда. Если бы наблюдатель, сидящий в поезде в пункте М* не подвигался с той же скоростью, а все время оставался в пункте М, то оба световые луча от молний А и В достигли его одновременно, то есть встретились бы как раз у него. Но в действительности наблюдатель движется (если судить с полотна дороги) навстречу лучу света, идущему из В, и удаляется от луча, нагоняющего его из А. Поэтому он раньше увидит луч из В, чем луч из А. Следовательно, пассажиры, для которых вагон служит исходным телом, должны будут прийти к заключению, что удар молнии в В произошел раньше, чем в А. Мы приходим, таким образом, к следующему важному выводу.

События, которые одновременны в отношении к железнодорожному полотну, не одновременны в отношении к поезду, и наоборот (относительность одновременности). Каждое исходное тело (система координат) имеет свое особое время. Указание времени только тогда получает смысл, когда указано исходное тело, к которому оно относится».

Из этого простого принципа — продолжает С. Хокинг, — вытекает ряд замечательных следствий:

«Самые известные из них — это, наверное, эквивалентность массы и энергии, нашедшая свое выражение в знаменитом уравнении Эйнштейна E= mc² (где E — энергия, m — масса, а c — скорость света), и закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии энергия, которой обладает движущийся объект, должна теперь добавляться к его массе. Другими словами, чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость. Правда, этот эффект существенен лишь при скоростях, близких к скорости света. Если, например, скорость какого-нибудь объекта составляет 10 % скорости света, то его масса лишь на 0,5 % больше нормальной, тогда как при скорости, равной 90 % скорости света, масса уже в 2 раза превышает нормальную. По мере того как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, так что для дальнейшего ускорения требуется все больше и больше энергии. На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия. Таким образом, любой нормальный объект в силу принципа относительности навсегда обречен двигаться со скоростью, не превышающей скорости света. Только свет и другие волны, не обладающие „собственной“ массой, могут двигаться со скоростью света.

Другое замечательное следствие из постулата относительности — революция в наших представлениях о пространстве и времени. По теории Ньютона, если световой импульс послан из одной точки в другую, то время его прохождения, измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (поскольку время абсолютно), но пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (так как пространство не является абсолютным). И поскольку скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время, разные наблюдатели будут получать разные скорости света. В теории относительности же все наблюдатели должны быть согласны в том, с какой скоростью распространяется свет. И коль скоро у них нет согласия в вопросе о расстоянии, пройденном светом, у них не должно быть согласия и в том, сколько времени шел свет. (Время прохождения — это пройденное светом расстояние, относительно которого нет согласия у наблюдателей, деленное на скорость света, относительно которой все согласны.) Иными словами, теория относительности покончила с понятием абсолютного времени! Оказалось, что у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, и что показания одинаковых часов, находящихся у разных наблюдателей, не обязательно согласуются».

Тут надо вслед за британским физиком отметить, что если пренебречь гравитационными эффектами, то мы придем к одной из красивейших концепций современной физики — специальной (или частной) теории относительности. Для каждого события в пространстве-времени можно построить световой конус (представляющий собой множество всех возможных путей, по которым распространяется свет, испущенный в рассматриваемой точке), а поскольку скорость света одинакова для любого события и в любом направлении, все световые конусы будут одинаковы и ориентированы в одном направлении. Кроме того, согласно этой теории, ничто не может двигаться быстрее света. Это означает, что траектория любого объекта во времени и пространстве должна представляться линией, лежащей внутри световых конусов.

Рассказывая о специальной теории относительности, Хокинг делает акцент на том, что именно она позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что происходит при движении со скоростями, близкими к скорости света. Но при этом он замечает, что новая теория противоречила ньютоновской теории гравитации, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. Последнее означает, что, если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно. Иначе говоря, скорость распространения гравитационных эффектов должна быть бесконечной, а не равной (или меньшей) скорости света, как того требовала теория относительности.

Переходя к понятию гравитации, С. Хокинг пишет:

«Это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая — это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли есть искривленное двумерное пространство. Геодезическая на Земле называется большим кругом и является самым коротким путем между двумя точками. Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами — по геодезической, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут. Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям.

Лучи света тоже должны следовать геодезическим в пространстве-времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке. Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света, или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется.

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой (числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (Это означает, что увеличивается интервал времени между гребнями двух соседних волн.) Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее».

Таким образом, общая теория относительности представляет пространство и время самосогласованными величинами. Действительно, любое движение материи изменяет кривизну пространства-времени, и в то же время сам «рельеф» пространства-времени влияет на движение тел и действие сил. Получается, что как без представлений о пространстве и времени нельзя говорить о событиях во Вселенной, так и в общей теории относительности стало бессмысленным говорить о пространстве и времени за пределами Вселенной.

Стивен Хокинг в тоннеле ВАКа (ЦЕРН, Швейцария)

Идея множественности миров, окружающих обитаемую Вселенную — Ойкумену, известна с времен ранней античности. Затем подобные взгляды изредка возникали в трудах самых различных философов-метафизиков, исчезнув на время под пеленой средневекового религиозного мракобесия и возродившись уже в творчестве фантастов первой половины прошлого века. Тогда же возникло и определение Мультиверса (Мультивселенной, multiverse, meta-universe) как множества возможных вселенных, существующих параллельно нашему миру. Представления о структуре воображаемого Мультиверса, природе каждой составляющей его вселенной и отношениях между ними сильно различаются в различных космологических моделях.

В физику идея многомирности впервые вошла в совершенно ином контексте парадоксальной интерпретации квантовой теории измерений, которую в 1957 году предложил аспирант выдающегося астрофизика Д. Уилера Хью Эверетт.

Эверетт обратился к анализу одного из основных принципов квантовой теории, согласно которому любой макроскопический измерительный прибор мгновенно «схлопывает» волновой вектор микрочастицы при ее наблюдении. Это явление называют коллапсом волновой функции или редукцией волнового пакета (рис. 14 цв. вкл.).

Публикация статьи Эверетта, поддержанная Нильсом Бором, породила целый новый раздел квантовой механики, часто называемый ее «многомировой интерпретацией». В последующем гипотезу Эверетта о «многомировом» механизме редукции волновой функции разрабатывали такие видные теоретики, как Дж. Уилер, Де Витт, М. Гелл-Ман, С. Хокинг, С. Вайнберг, М. Тегмарк, М. Риса, А. Линде, А. Сахаров, М. Марков и др.

Сегодня понятие Мультиверса чаще всего включает практически стремящееся к бесконечности количество параллельных физических миров с различными геометриями, метриками и топологиями. Параллельные миры могут описываться картиной абсолютно независимых от нашей действительности сущностей.

Взаимодействие между ними может заключаться в наличии неких «склеек-порталов», по которым при определенных обстоятельствах можно проникать из одного мира в другой. В этих гипотетических местах пересечения и слияния миров должны были бы происходить разные «чудеса», такие, как появление или исчезновение физических предметов. Еще одним любопытным понятием многомирья является «ветвление» Мультиверса в динамических процессах квантовой механики.

Б. Грин в своей «Структуре реальности» так характеризует принципы ввода образа Мультиверса:

«Слово „вселенная“ традиционно использовали для обозначения „всей физической реальности“. В этом смысле может существовать не более одной вселенной. Придерживаясь этого определения, мы могли бы сказать, что то, что мы привыкли называть „вселенной“, а именно: вся непосредственно ощутимая материя и энергия вокруг нас, все окружающее нас пространство, — далеко не вся вселенная, а лишь небольшая ее часть. В этом случае нам пришлось бы придумать новое название для этой маленькой реальной части. Но большинство физиков предпочитает продолжать пользоваться словом „вселенная“ для обозначения того, что оно всегда обозначало, несмотря на то что сейчас эта сущность оказывается лишь маленькой частью физической реальности. Для обозначения физической реальности в целом создали неологизм — мультиверс».

Рождение еще одного мира

Нет ничего удивительного в том, чтобы в большом магазине готового платья подобрать костюм себе по плечу. Аналогично в великом множестве Вселенных, в каждой из которых реализуется какой-то определенный набор космологических параметров, вполне может найтись хоть одна, где существуют предпосылки для возникновения жизни. В такой Вселенной мы и находимся.

По 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. Проще всего эту головокружительную картину можно понять на примере того же поляризованного фотона из опытов профессора Зайлингера. Если такой фотон проходит поляризатор, который отсеивает частицы только со строго одним направлением поляризации, то он оказывается в одном мире Эверетта — Уилера, а если не проходит — то в другом. 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-теоретиками обсуждать за кружкой пива хитросплетения Мультиверса, изредка (чтобы контролировать ситуацию) реализуясь в первых трех Вселенных. Прекрасная, но, увы, судя по всему, абсолютно недостижимая мечта… Дело в том, что в интерпретации Эверетта проблема выбора результата измерения все же существует, она лишь иначе формулируется. Вместо основного вопроса квантовой физики: «Какой из возможных результатов реализуется в ходе процедуры измерения?» — возникает новая задача: «В каком из эвереттовских миров локализовалась лаборатория наблюдателя?» Так что ни управляющего воздействия на выбор мира, ни тем более связи между альтернативными вселенными не существует даже в теории, а жаль…

Возможность существования Мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Данная идея активно используется, например, в теории струн. В теории бесконечной вложенности материи под одной вселенной можно понимать ряд уровней материи, доступных прямому наблюдению и эксперименту (от уровня элементарных частиц до скоплений галактик и метагалактик).

Тогда более мелкие или более крупные уровни материи будут входить в другие вселенные, образуя в совокупности Мультивселенную. Предположение о существовании Мультивселенной используется также в одной из интерпретаций квантовой механики.

В современной многомировой интерпретации квантовой механики подразумевается, что любой квантовый объект может находиться сразу в нескольких состояниях. Это состояние объекта продолжается до физического измерения, после которого мы можем наблюдать объект только из одной вселенной в определенном состоянии.

Несмотря на то что статью Эверетта с его первоначальным вариантом многомировой интерпретации к опубликованию рекомендовал сам Бор, большинство физиков 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 Уилер, и именно после его работ термин «многомировая интерпретация Эверетта — Уилера» получил широкое распространение. Вообще-то, такое название неточно и уже ввело в заблуждение множество журналистов, литераторов и философов, правильнее было бы говорить «многопроекционная интерпретация», однако менять что-то уже было поздно — терминология «устоялась».

Несмотря на шокирующую экзотику построений Эверетта — Уилера, сама по себе гипотеза множественных Вселенных оказалась довольно продуктивной, вызвав еще один поток работ в области квантовой космологии. В их основе лежит удивительная модель инфляционного Большого взрыва. Согласно инфляционному сценарию, наш мир родился 13,7 миллиарда лет назад из неизвестно чего под названием космологическая сингулярность (иногда, чтобы поставить на место излишне любопытствующих об этом совершенно непонятном состоянии материи, ученые весомо добавляют: «Это была квантовая космологическая сингулярность!»). По истечении 10^-43 секунды постсингулярного развития Вселенная «приобрела свое тело», мгновенно расширившись до наблюдаемых размеров. Это кратковременное сверхбыстрое (инфляционное) расширение и дало название данной теории (рис. 15 цв. вкл.). Что же «сдетонировало» в ходе Большого взрыва, породившего наш мир?

Мультиверс

Модель Эверетта была призвана преодолеть серьезную внутреннюю логическую рассогласованность квантовой механики. Ведь чтобы обнаружить микрочастицу в определенной точке пространства, необходимо знать ее волновую функцию, а для этого надо решить знаменитое уравнение Шрёдингера, описывающее поведение волновой функции во времени и пространстве. Однако все дело в том, что уравнение Шрёдингера просто не имеет соответствующих «редукционных» решений. Так что же происходит с волновой функцией в процессе измерения и как правильно описать это на языке квантовой механики?

Железнодорожная аналогия Уилера

В свое время Уилер предложил оригинальный образ многомировой модели, получивший название «железнодорожная аналогия Уилера». Он представил, что в момент квантового измерения перед наблюдателем как бы оказывается железнодорожная стрелка, и его поезд может пойти в одном из нескольких направлений. В зависимости от того, в каком направлении пойдет поезд, наблюдатель увидит тот или иной результат измерения. Возможные направления движения поезда соответствуют альтернативным результатам измерения или различным эвереттовским мирам.

Приверженцы инфляционной теории раздувающейся Вселенной во главе с нашим бывшим соотечественником Андреем Дмитриевичем Линде считают, что на изначальном этапе существовал только физический вакуум, пронизанный неким первичным полем, параметры которого сильно менялись из-за квантовых флуктуаций, «вспенивающих» изначальное пространство-время. Квантовая флуктуация — это неопределенность параметров какого-то процесса, его «размазанность», и если одна из таких флуктуаций достигнет надкритического размера («размытость» параметра пересечет своим краем некоторую критическую границу), это может привести к острому локальному экстремуму интенсивности поля. Этот полевой «подскок» параметров и может создать условия для выхода на инфляционный режим. В итоге возникает молниеносно расширяющийся пузырек — зародыш нашей Вселенной, за невообразимо малый «квантовый» срок заполняющий как минимум объем Метагалактики. Так, по крайней мере умозрительно, рождается вселенская сцена, на которой материя и энергия по тщательно и не очень тщательно выписанным сценариям теорфизиков-космологов начинают разыгрывать грандиозный спектакль под названием «Наша физическая реальность»! Тут надо заметить, что режущее вначале слух слово «сценарий» ученые, работающие в области космологии — науки о Вселенной в целом, — любят применять к любым «глобальным» процессам. Приятно хоть изредка чувствовать себя этаким всемогущим демиургом — сверхъестественным существом, создающим иные миры!

Хотя в квантовой инфляционной космологии еще очень много белых пятен, да и сам по себе механизм инфляции малопонятен, теоретики уже разработали инновационный сценарий вечной инфляции. Эта парадоксальная концепция предполагает, что квантовые флуктуации, подобные той, которая, возможно, положила начало нашей Вселенной, не исчезли в первые мгновения Большого взрыва, а продолжают самопроизвольно возникать, порождая все новые и новые миры. Не исключено, что и наша Вселенная сформировалась подобным образом в мире-предшественнике. Точно так же можно допустить, что и в нашем мире возникнет флуктуация, которая разовьется в новую вселенную, может быть даже с иными физическими законами и структурой пространства-времени, тоже впоследствии способную к космологической «редупликациии». Конечно же, в подобных сценариях очень много загадок. Так, не совсем ясна роль энергии вакуума (а эту загадочную «пустую» субстанцию теоретики мысленно буквально пересытили энергией!). Существуют предположения, что именно энергия вакуума определяет структуру космической материи. Будь она немного ближе к нулю, Вселенная так бы и осталась безжизненной и бесформенной смесью газа и пыли, равномерно распределенной по космическому пространству. В противном случае чем больше была бы величина темной энергии, тем быстрее первичное вещество сконденсировалось в массивные галактики, которые давным-давно сколлапсировались бы в черные дыры.

Тут надо заметить, что хотя сценарий инфляционного рождения нашего мира находит значительное признание среди космологов, многомировая интерпретация чаще всего упоминается в учебниках по квантовой механике как своеобразный исторический казус. В «Структуре реальности» Брайана Грина мы можем найти этому следующее объяснение:

«Тем не менее теория существования Мультиверса не пользуется особой популярностью у физиков. Почему?

Ответ, к сожалению, окажется нелицеприятным для большинства. … Те, кого устраивают обычные предсказания и у кого нет особого желания понять, как получаются предсказанные результаты экспериментов, могут при желании просто отрицать существование всего, кроме того, что я называю „реальными“ объектами. Некоторые люди, например, инструменталисты и позитивисты, принимают эту линию как сущность философского принципа. Я уже сказал, что я думаю о таких принципах и почему. Другие люди просто не хотят думать об этом. Как-никак, это столь грандиозный вывод, и он вызывает беспокойство, когда о нем слышишь впервые. Но я полагаю, что все эти люди ошибаются. Я надеюсь убедить читателей, которые терпеливо относятся ко мне, что понимание Мультиверса — это предварительное условие наилучшего возможного понимания реальности. Я говорю это не в духе суровой определенности поиска истины независимо от того, насколько неприятной она может оказаться (хотя надеюсь, что приму и такую позицию, если до этого дойдет). Напротив, я говорю это потому, что итоговое мировоззрение намного более цельно и обладает гораздо большим смыслом, чем все предыдущие мировоззрения. Оно возвышается над циничным прагматизмом, который в наше время зачастую является суррогатом мировоззрения ученых».

«Многоликая Вселенная» А. Д. Линде

Каков же действительный облик нашего мира? Состоит ли он из бесконечного мелькания мириадов зеркальных отображений окружающей нас реальности в «мультиверсном представлении», или же Мироздание едино в своем «одноразовом проявлении»? Давайте прислушаемся к мнению современного апологета многомирья Дэвида Дойча:

«Возможно, из-за споров, возникших среди физиков-теоретиков, традиционно отправной точкой была сама квантовая теория. Сначала теорию формулируют как можно точнее, а затем пытаются понять, что она говорит нам о реальности. Это единственный возможный подход к пониманию мельчайших деталей квантовых явлений. Однако в отношении вопроса о том, состоит ли реальность из одной вселенной или из многих, этот подход излишне сложен.

Но если начинать с теории, существует две вещи, которые никто не будет оспаривать. Первая заключается в том, что квантовая теория не имеет равных себе в способности предсказывать результаты экспериментов даже при слепом использовании ее уравнений, без особых размышлений об их значении. Вторая состоит в том, что квантовая теория рассказывает нам нечто новое и необычное о природе реальности.

Следовательно, если лучшая теория, имеющаяся в распоряжении физиков, не ссылалась бы на параллельные вселенные, это просто значило бы, что нам нужна теория лучше, теория, которая ссылалась бы на параллельные вселенные, чтобы объяснить то, что мы видим».

Ну а подытожить головокружительное жизнеописание нашего мира поможет еще один отрывок из «Краткой истории времени от Большого взрыва до черных дыр» С. Хокинга:

«Попытки построить модель Вселенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселенной, привели Алана Гута, ученого из Массачусетского технологического института, к предположению о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселенной увеличивался в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всего за крошечную долю секунды.

Гут высказал предположение, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. Как уже говорилось, при таких высоких температурах сильные и слабые ядерные силы и электромагнитная сила должны были все объединиться в одну. По мере расширения Вселенной она охлаждалась, и энергии частиц уменьшались. В конце концов должен был бы произойти так называемый фазовый переход, и симметрия сил была бы нарушена: сильное взаимодействие начало бы отличаться от слабого и электромагнитного. Известный пример фазового перехода — замерзание воды при охлаждении. Жидкое состояние воды симметрично, то есть вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.

Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно „переохладить“, то есть охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. Если бы это произошло, то Вселенная оказалась бы в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Можно показать, что эта особая дополнительная энергия производит антигравитационное действие аналогично космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели Большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться с все возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной. Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением, характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний».

Разумеется, вполне естественно было бы считать, что в нашем ускоренно расширяющемся мире свету хватило бы времени для перехода из одной области ранней Вселенной в другую. В то же время расширением Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества и откуда оно взялось. Здесь просто надо принять как должное, что вокруг нас в диалектическом круговороте материи и энергии постоянно происходят взаимные переходы этих двух основных физических сущностей Мироздания. Вот и в микромире частицы могут рождаться в переходах: энергия — частица — античастица. При этом любопытно, как современная физика объясняет временно возникающий энергетический дефицит. В частности, Хокинг рассуждает так:

«Полная энергия Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно сказать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю».

Так ученый постепенно подводит нас к мысли о том, что «поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия останется равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: „Говорят, что не бывает скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?“

Сейчас Вселенная расширяется без раздувания… Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться, так же как в горячей модели Большого взрыва, но теперь мы уже сможем объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру».

Стивен Хокинг в невесомости

Выдающийся физик-теоретик прошлого века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман, по многим свидетельствам современников, был очень большим оригиналом. Это подтверждает и его знаменитый «Фейнмановский курс физики», полный новых подходов в изложении уже вроде бы устоявшихся разделов этой науки, и очень часто цитируемая книга «Характер физических законов». Раскрывая связь математики с физикой и анализируя всеобщность физико-математических представлений, выдающийся физик часто обращался к всемирному закону тяготения Ньютона. При этом он любил высказывать парадоксальное мнение, что со времен Ньютона мы ничего не достигли в постижении механизма тяготения.

Тут надо признать, что, как бы ни был своеобразен творческий стиль мышления Фейнмана, в данном случае его мысли полностью противоречат признанной истории физики. Ведь еще в начале прошлого века Альберт Эйнштейн открыл свою общую теорию относительности, создав новую теорию гравитации и наметив путь объединения всех известных взаимодействий с силами всемирного тяготения. Прежде всего это касается объединения теории относительности и квантовой механики. Возникла даже наука-кентавр — «квантовая космология». Она пока еще содержит много противоречий и неточностей, да и само ее право на существование признается далеко не всеми. При этом всегда следует учитывать, что теория относительности необходима для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика направлена на объяснение поведения субатомных частиц. К сожалению, пока еще эти теории во многом противоречат друг другу. Тем не менее «сверхновая космология» хорошо известна и ставит перед собой амбициознейшую цель объединить два полюса нашей реальности — уровень невообразимо малых квантов и так же трудно вообразимый космологический масштаб Метагалактики.

Как бы там ни было, но оптимистически настроенные физики-теоретики полны надежд, что пусть даже в отдаленном будущем квантовая космология перерастет в «Теорию теорий», связывающую между собой все силы, действующие во Вселенной, с помощью одного-единственного уравнения (рис. 16 цв. вкл.).

Тут я бы хотел приоткрыть некоторые «интимные подробности и секреты» внешне такой консервативной корпорации физиков-теоретиков. Оказывается, внутри «официальной физики», опирающейся на исторически сложившиеся и, самое главное, подтвержденные неисчислимым количеством опытов модели окружающего нас мира, бурлят нешуточные страсти. Там группы молодых еретиков всегда готовы опровергнуть все и вся, невзирая ни на какие авторитеты, и все это управляется вообще мало понятным для непосвященных поветрием под названием «модные направления исследований».

Вот и конец прошлого столетия ознаменовался возникновением двух остро модных и уже конкурирующих направлений в теории квантовой гравитации. У них, как и полагается «квантовым кентаврам», довольно необычные имена — «петлевая квантовая гравитация», более известная аббревиатурой «ПКГ» (тоже дань «физической моде») и «теория суперструн», она же «теория стрингов», она же «мембранная теория», она же «М-теория».

В теории ПКГ на субэлементарном уровне пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы равен кубу с ребром планковской длины (~10^-35 м).

Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых «виртуальных» частиц и неисчерпаемым океаном энергии (рис. 17 цв. вкл.).

Галактики, плывущие на волнах гравитации

Так что до сих пор у нас нет иной модели для теории гравитации, кроме математической. …Каждый новый наш закон — чисто математическое утверждение, притом довольно сложное и малопонятное. Ньютонова формулировка закона тяготения — это сравнительно простая математика. Но она становится все менее понятной и все более сложной по мере того, как мы продвигаемся вперед. Почему? Не имею ни малейшего понятия. Моя цель в том и состоит, чтобы лишь сообщить об этом факте. В нем и заключается смысл всей лекции: нельзя честно объяснить все красоты законов природы так, чтобы люди восприняли их одними чувствами, без глубокого понимания математики. Как ни прискорбно, но, по-видимому, это факт.

Объединить сверхмалый мир квантов и сверхбольшой мир всемирного тяготения, возможно, смогут исследования бездонных провалов черных дыр — застывших звезд-коллапсаров

Первое всеобщее объединение связано с построением квантовой теории поля, включающей квантовую механику и теорию относительности. Такое объединение оказалось довольно сложным, и один из его авторов, лауреат Нобелевской премии Поль Дирак, признавался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Следующим, более важным и сложным шагом должна быть связь гравитации и квантовой механики, но пока и здесь нет общепризнанных достижений. Каждый специалист предлагает свои пути развития, а нобелевский лауреат Стивен Вайнберг вообще считает, что только для создания математического аппарата подобной теории понадобится не менее столетия.

Вообще говоря, как бы ни были «сверхреволюционны» новые представления о полях и частицах, все они покоятся на общепризнанной и традиционной квантовой теории поля. В этой теории взаимодействие элементарных частиц напоминает знаменитую игру кембриджских и оксфордских студентов, которую они устраивали после ежегодной не менее знаменитой регаты. Две лодки вечных противников расходились на некоторое расстояние, и один из гребцов, выбранный по жребию, бросал своим соперникам бутылку шампанского. Те должны были поймать ее и тут же повторить бросок, и так далее, пока кто-нибудь не промахивался или не упускал бутылку. Вот если представить лодки обычными частицами, то бутылка шампанского отлично сыграет роль силового поля, будучи сама виртуальным аналогом «реальных частиц». В этом смысле элементарный акт квантового взаимодействия и есть виртуальная частица. Обычные частицы оказываются как бы закутанными в пышную шубу множества виртуальных частиц. Физики так и говорят: «виртуальная шуба».

С другой стороны, в научных популяризациях квантовой механики уже довольно давно сложился образ частиц-осцилляторов, неких шариков на пружинках. Эти шарики, атомы и частицы находятся в непрерывных колебаниях, а многие еще и вращаются вокруг своей оси. Их движение зависит от энергии, повышаясь с ростом температуры, но и при самой низкой из возможных температур во Вселенной — температуре абсолютного нуля — микроскопические жители нашего мира не останавливаются. Они продолжают двигаться, совершая так называемые «нулевые квантовые колебания». Вот такие сверхмаленькие непоседы!

Эти кручения и колебания микрочастиц настолько быстры, что буквально сливаются в размытую область кручения и верчения. Согласно принципу неопределенности «энергия — время»: ΔEΔt ≥ ħ, для частицы, «живущей» сверхмалый интервал времени Δt, энергия не может быть зафиксирована. Аналогично, частица с определенными координатами имеет соответствующий разброс по значениям импульса. Получается, что по квантовым законам энергия и импульс непрерывно флуктуируют, то есть их значения колеблются произвольным образом, и в течение сверхмалых промежутков времени закон сохранения энергии может «виртуально» нарушаться, а процессы, протекающие внутри сверхмалых объемов, могут сопровождаться «местными нарушениями» закона сохранения импульса. Это напоминает ситуацию с нечестным банковским кассиром, использующим кассу банка для своих нужд. Кассир всегда может взять какую-то сумму из кассы для покрытия своих расходов, ведь главное — вернуть ее в кассу через промежуток времени Δt до начала очередной банковской ревизии. Ну а если когда-нибудь кассир замешкается, превысит время Δt «одалживания» денег у своего банка и в результате проверки тут же попадет под домашний арест? Оказывается, он и тут сможет применить преимущества своего «стиля поведения», скажем, выскакивая из дома во двор на расстояние Δх и возвращаясь назад до того, как его отсутствие заметит полицейский. Главное здесь то, что с классической точки зрения все законы сохранения неуклонно выполняются, денежный баланс банка не нарушается, а арестованный безукоризненно выполняет свой режим содержания!

Это дает возможность по-новому взглянуть и на парадоксальную неопределенность явлений микромира, где все предсказания того или иного течения какого-либо процесса сводятся к своеобразным «статистическим гаданиям». Впрочем, лучше всего это мог бы проиллюстрировать отрывок из блестящей научной популяризации выдающегося физика прошлого века Г. Гамова «Приключения мистера Томпкинса»:

«Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс, к своему большому удивлению, заметил, что шар начал „расплываться“. Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга…

Должно быть, игрок, нанесший удар по шару, был знатоком своего дела: катящийся шар столкнулся с другим шаром в лобовом ударе, как это и требовалось. Послышался громкий стук, и оба шара — покоившийся и налетевший (мистер Томпкинс не мог бы с уверенностью сказать, где какой шар) — разлетелись „в разные стороны“. Выглядело это, что и говорить, весьма странно: на столе не было более двух шаров, выглядевших несколько размазанно, а вместо них бесчисленное множество шаров (все — с весьма смутными очертаниями и сильно размазанные) поразлеталось по направлениям, составлявшим от 0 до 180 градусов с направлением первоначального соударения. Бильярдный шар скорее напоминал причудливую волну, распространяющуюся из точки соударения шаров. Присмотревшись повнимательнее, мистер Томпкинс заметил, что максимальный поток шаров направлен в сторону первоначального удара.

— Рассеяние S-волны, — произнесу него за спиной знакомый голос, и мистер Томпкинс, не оборачиваясь, узнал профессора.

— Неужели и на этот раз что-нибудь здесь искривилось, — спросил мистер Томпкинс, — хотя поверхность бильярдного стола мне кажется гладкой и ровной?

— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор, — пространство в данном случае совершенно плоское, а то, что вы наблюдаете, в действительности представляет собой квантовое явление.

— Ах эти матрицы! — рискнул саркастически заметить мистер Томпкинс.

— Точнее, неопределенность движения, — заметил профессор…

— Вы заметили, что шары „расплываются“, — начал он. — Это означает, что их положение на бильярдном столе не вполне определенно. Вы не можете точно указать, где именно находится шар. В лучшем случае вы можете утверждать лишь, что шар находится „в основном здесь“ и „частично где-то там“.

— Все это в высшей степени необычно, — пробормотал мистер Томпкинс.

— Наоборот, — возразил профессор, — это абсолютно обычно в том смысле, что всегда происходит с любым материальным телом. Лишь из-за чрезвычайно малого значения квантовой постоянной и неточности обычных методов наблюдения люди не замечают этой неопределенности и делают ошибочный вывод о том, что положение и скорость тела всегда представляют собой вполне определенные величины. В действительности же и положение, и скорость всегда в какой-то степени неопределенны, и чем точнее известна одна из величин, тем более размазан на другая. Квантовая постоянная как раз и управляет соотношением между этими двумя неопределенностями. Вот взгляните, я накладываю определенные ограничения на положение этого бильярдного шара, заключая его внутрь деревянного треугольника.

Как только шар оказался за деревянным заборчиком, вся внутренность треугольника заполнилась блеском слоновой кости.

— Видите! — обрадовался профессор. — Я ограничил положение шара размерами пространства, заключенного внутри треугольника, то есть какими-то несколькими дюймами. И в результате — значительная неопределенность в скорости, шар так бегает внутри периметра треугольника!»

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно бы оказываются в гравитационном поле. Я тут не оговорился: именно «словно бы», ибо в ОТО Эйнштейна гравитационного поля в привычном нам понятии как бы и не существует, его заменяет искривление пространства-времени.

А что же тогда нам объясняют на школьных уроках физики? Вообще-то, говоря о гравитации Ньютона, школьные учителя (а часто и университетские профессора!) рассказывают нам о том, как мы воспринимаем с помощью понятия гравитационного поля истинную причину всемирного тяготения, кроющуюся в геометрии (математики говорят — топологии) нашего мира.

Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Соответственно, пустое релятивистское пространство-время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что для всех бесчисленных сценариев, которые постоянно предлагают теоретики, у Природы просто может не хватить ролей…

Черная дыра коллапсара

Хотя в настоящее время квантовые эффекты пренебрежимо малы, они играли важнейшую роль на начальных стадиях Большого взрыва. Ими же определяются процессы, протекающие в черных дырах. Поскольку гравитация связана с искривлением пространства-времени, квантовая теория гравитации будет теорией квантового пространства-времени. Она поможет физикам понять, из чего состоит пространственно-временная пена.

Однако на самые популярные, можно сказать даже — физически остромодные сценарии развития нашей действительности всегда есть большой спрос. Вот сейчас «звездами физической сцены», безусловно, являются те же суперструны. Конечно, физики-теоретики пока еще только «срежиссировали» первые серии грандиозного сериала под названием «Суперструнная квантовая гравитация». Тем не менее дальнейшее развитие сюжета обещает быть не менее захватывающим, чем в лучших образцах «мыльных опер».

Основная идея здесь состоит в том, что элементарные частицы — не точечные, а бесконечно тонкие одномерные объекты — квантовые стринги или суперструны. Для дотошных читателей заметим, что вначале была просто «теория струн», но потом к ней добавили некую «суперсимметрию» и теперь в основном обсуждают именно «теорию суперструн». Обширное семейство разнообразных элементарных частиц отражено множеством возможных форм колебаний струны. Это очень просто понять, всего лишь представьте, что каждая элементарная частица — это звук, а все вместе они составляют жизнеутверждающую и жизнепорождающую симфонию нашего мира. Как же столь бесхитростная теория описывает сложный мир частиц и их взаимодействий? Секрет в так называемой магии квантовых струн. Как только правила квантовой механики применяются к вибрирующей струне, вдоль которой колебания распространяются со скоростью света, у нее появляются новые свойства, тесно связанные с физикой элементарных частиц и космологией.

Изначально в теории струн видели очень весомого кандидата на долгожданную общую теорию всех частиц и сил. Однако после появления в начале семидесятых годов прошлого века теории сверхэлементарных кварков, быстро выросшей в целый раздел физики элементарных частиц, модель стрингов явно стала проигрывать объединяющей модели кварков.

Модель суперструн

Стринги и браны

В ходе глубокой перестройки основ суперструнной теории физики добавили к одномерным струнам их пространственные аналоги с большим числом измерений. Двумерные объекты стали называть мембранами, или 2-бранами, трехмерные — 3-бранами, структуры с размерностью p — p-бранами. Теория струн превратилась в теорию бран произвольной размерности — от 1 до 9. Однако одномерные струны все равно остаются главными: именно их вибрации и проявляют себя в виде элементарных частиц. А вот браны ограничивают свободу струнных движений, причем только струн со свободными концами.

Кварковая микрофизика носит название квантовая хромодинамика, поскольку связана с динамикой цветовых (хромо-) зарядов кварков. Она дает ученым эффективный способ описания сильных внутриядерных взаимодействий и прекрасно согласуется с экспериментальными данными, считаясь универсальной основой для фундаментальных объяснений микромира. Теория струн на фоне квантовой хромодинамики выглядит достаточно экзотично, не очень-то логически стройно и, самое главное, не имеет существенных экспериментальных подтверждений. Именно поэтому теорфизики долгое время не уделяли ей должного внимания. Затем мода на суперструнные построения вернулась, и их стали все чаще рассматривать как математический каркас для конструирования квантовой теории тяготения, как первый шаг в объединении всех фундаментальных взаимодействий в будущей «теории всего» (рис. 18 цв. вкл.).

На пути к этому, конечно же, возникнут многочисленные новые модели пространства и времени (впрочем, их и сейчас более чем достаточно!). Вполне возможно, что среди них будут и удачные модели, которые помогут разрешить важные загадки квантовой гравитации и космологии. Это грандиозная цель, и скорее всего для ее осуществления потребуется еще не одна научная революция, подобная той, что произошла в начале прошлого века. Уже сейчас «струнные» работы привели ко многим интересным результатам в математике, включая создание новых математических структур, а также инновационных идей и методов их решения. На последних конференциях, посвященных различным аспектам струнной теории, часто можно встретить физиков-теоретиков и математиков, совместно докладывающих свои исследования во многих областях математики, например в алгебраической геометрии.

Теория струн началась со сверхмалых — «планковских» — масштабов, лежащих за трудновообразимой гранью в 10^-33 см, однако совершенно неожиданно появились умозрительные идеи, связанные со сверхбольшими пространственными измерениями. Так, в последние годы возникли идеи о том, что некоторые дополнительные измерения могут быть очень даже масштабными и даже стремиться в бесконечность. Конечно, мы не можем их воспринять по той простой причине, что сами заключены в трехмерном мире, который может входить как отдельная гиперповерхность во Вселенную с большим числом измерений.

Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — детектировать гравитационные флуктуации «подпространства». Это, конечно, дело экспериментов отдаленного будущего. Хотя и сейчас есть идеи, что новые опыты по рассеянию элементарных частиц на сверхмощных ускорителях, подобных Большому адронному коллайдеру, могут привести к открытию «свернутых пружинок» новых параметров нашего мира. Да и сверхбольшие дополнительные измерения по идее должны приводить к очень интересным эффектам (рис. 19 цв. вкл.).

Теория струн предлагает и оригинальные космологические сценарии эволюции нашего мира, согласно которым Вселенная на современном этапе развития может быть заполнена космическими струнами галактических или даже метагалактических масштабов. В основе лежит идея о том, что поскольку расширение нашей Вселенной началось с планковского масштаба Большого взрыва, то на этой стадии пространство-время было плотно заполнено «обычными» микроскопическими суперструнами с планковской длиной. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, потребовалась бы колоссальная энергия, и она нашлась естественным образом в ходе «разлета» нашего мира. Конечно, тут за скобками остается очень интересный вопрос о том, что предшествовало появлению суперструн в сверхмикроскопическом пузырьке — зародыше нашей Вселенной. Следующий вопрос состоит в характере непосредственного влияния микро-, мезо-, макро- и мегасуперструн на эволюцию Вселенной, а также изменения при этом их физических характеристик.

Гипотезу мегасуперструн можно привлечь и для объяснения одной из главных загадок нашего Мироздания — перехода равномерного расширения Вселенной в ускоренное около восьми миллиардов лет назад. Может быть, в те невообразимо далекие времена что-то поменялось в характере взаимодействия суперструн с таинственной темной материей и с не менее загадочной темной энергией? Ведь, если квантовые стринги существуют, они так или иначе должны входить в контакт с основным «темным» содержимым Метагалактики.

Схема гравитационного линзирования

Космические струны могут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний. По некоторым сценариям, гравитационное излучение космических струн можно будет открыть на новых сверхчувствительных детекторах гравитационных волн.

За свое полувековое существование суперструнная теория испытала много взлетов и падений. Неукротимое желание узнать, как устроена Природа на самых нижних этажах Мироздания, привело к тому, что в начале нашего века от нее отделилось новое направление, которое вскоре уже стало основным, — теория многомерных квантовых мембран (М-теория). Сейчас среди «наимоднейших» умозрительных построений М-теория занимает видное место, исследуя, по сути, те же струны, но в «плоской» модификации. Один из авторов «мембранного подхода», профессор Хуан Малдасена, как-то заметил, что мембраны отличаются от струн примерно так же, как лепешки от макарон.

Таким образом, рассматривая разные версии струнной теории, можно прийти к выводу, что в основе всего этого лежит единая теория многомерных квантовых мембран. Это единство очень привлекательно, и работа над построением полной квантовой М-теории интенсивно продолжается. Все же, несмотря на оптимистичные прогнозы, звучащие на «суперструнных» конференциях, всесторонняя разработка многомерных квантовых мембран еще очень далека от завершения. Самое любопытное в концепции суперсимметричных струн и мембран — это даже не проверка их реальности (об этом пока и речи не идет), а конструирование мысленных экспериментов, в которых эти удивительнейшие «суперквантовые» объекты хоть как-то могли бы себя проявить.

В настоящей науке категорически запрещается строить проверку гипотез с помощью еще одних гипотез. К сожалению, теория квантовых стрингов здесь выглядит явным и очень неприятным исключением. Действительно, что прикажете делать молодым, рвущимся в бой физикам, если в окружающей реальности ни стринги, ни мембраны, не говоря уже о шрёдингеровских полуживых квантовых котах, ну никак себя не проявляют! И здесь в очередной раз палочкой-выручалочкой выступают одни из самых загадочных небесных тел нашей Метагалактики — черные дыры застывших звезд-коллапсаров (рис. 20 цв. вкл.).

Эти очень странные объекты буквально не сходят со страниц газет и журналов. Однако надо сразу же указать на одну большую нелепость, кочующую уже очень давно по средствам массовой информации. Черные дыры, как и кварки, не говоря уже о квантовых стрингах, — это гипотетические объекты. Таким образом, термин «коллапсар» без приставки «кандидат в» пока еще является грубым допущением или ошибкой, в зависимости от личного отношения к малопроверенным фактам. Разумеется, весь научный мир с восторгом воспримет достоверное сообщение о прямом наблюдении этих удивительнейших объектов и наверняка окажет авторам их реального открытия разные почести… но только после того, как….

Итак, не найдя ничего лучшего, обратимся к гипотетическим и очень парадоксальным замерзшим звездам. Коллапсары действительно могли бы стать вполне подходящими космическими лабораториями по изучению струнных (и не только!) теорий, поскольку эффекты квантовой гравитации важны даже для достаточно больших черных дыр. Вообще говоря, сколлапсировавшие объекты теоретически должны быть вполне наблюдаемы в межзвездной среде, испуская тепловое излучение со своей мнимой поверхности, называемой горизонтом. Так как струнная теория, помимо всего прочего, еще и тесно связана с теорией квантовой гравитации, она по идее должна хорошо описывать состояние черных дыр. Итак, дело за малым — надо найти (открыть!) подходящую черную дыру, послать к ней флотилию космических исследовательских зондов и зафиксировать проявление квантовых струн и мембран. Просто и ясно!

Стринги и браны

Образ вибрирующей струны или мембраны как основы всех элементарных частиц довольно ясен, несмотря на сложный математический аппарат. Разумеется, необходимо всегда помнить о глубокой условности всех образов суперструнных моделей М-теории.

С помощью суперструн надеются найти ответы на мучающие их вопросы и космологи. Долгое время в популярных статьях, книгах и учебниках, рассказывающих о разных сценариях рождения нашего мира, подчеркивалось, что Вселенная возникла из космологический сингулярности — состояния с бесконечными физическими параметрами, а следовательно, не имеющего физического смысла. Спрашивать о том, что такое сингулярность Большого взрыва и что было до нее, считалось совершенно неприличным, даже чем-то говорящим о малообразованности спрашивающего… Когда я школьником прочитал нечто подобное, то, помнится, был весьма озадачен, поскольку тут же буквально на каждой странице утверждалось, что для науки нет нерешаемых вопросов…. И вот для пытливых и любознательных настали счастливые времена, когда мы наконец можем заглянуть за «железный занавес» сингулярности Большого взрыва.

Временная шкала, непосредственно примыкающая к некой условной точке «0» начала отсчета времени существования нашей реальности, полна загадочных событий. Стремящиеся в бесконечность плотности материи и энергии пока еще не могут быть описаны современной физикой. Тем поразительнее, что теория суперструн берет на себя немыслимую смелость моделировать не только сам момент Большого взрыва, но и предшествующее развитие событий. Существуют даже две модели, описывающие досингулярное состояние нашего мира. Одна из них основывается на известной симметрии обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. По такому космологическому сценарию Вселенная в определенный промежуток времени до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через подобный же интервал после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним оно ускорялось. Так Большой взрыв предстает не моментом возникновения Мироздания, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.

В ином варианте точка космологической сингулярности Большого взрыва предстает подобием центра симметрии, относительно которого Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если правы космологи, считающие, что расширение пространства-времени будет продолжаться неопределенно долго, до тех пор, пока вся материя не превратится в разряженный атомарный газ, то Вселенная так же бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный газ, содержащий в себе излучения и пылевидное вещество. Силы взаимодействия между частицами этого газа практически не существовали, однако с течением времени силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайные неоднородности первичного вещества вызывали эффект гравитационного «снежного кома», приводя к скапливанию протовещества, с последующим ростом плотности до критического значения начала гравитационного коллапса. Так начали образовываться первичные черные дыры.

Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр — не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. В момент такого поворота и возникает сингулярность космического катаклизма Большого взрыва. Получается, что если следовать такому суперструнному космологическому сценарию, то наш мир — это бывшая внутренность одной из страшных черных дыр.

Неудивительно, что столь необычный сценарий вызвал множество споров. Так, некоторые физики вполне обоснованно замечают, что для того, чтобы такая модель согласовывалась с наблюдениями, Вселенная должна была возникнуть из черной дыры гигантских размеров, значительно больших, чем масштаб длины в теории квантовых мембран. Но их оппоненты возражают, что поскольку уравнения М-теории не накладывают никаких ограничений на размер черных дыр, то формирование Вселенной внутри достаточно большого коллапсара является случайным событием. Если же считать, что характер поведения материи и самого пространства-времени вблизи сингулярности Большого взрыва был хаотическим, то в таком хаосе вполне мог возникнуть достаточно плотный газ «мембранных протомикроколлапсаров» в виде сверхмикроскопических массивных мембран, находящихся на грани превращения в черные дыры. Возможно, в этом содержится ключ к решению проблем загадочной сингулярности и не менее таинственного первичного расширения пространства-времени в стандартной космологии Большого взрыва.

Другой популярный в научных кругах физиков-теоретиков космологический суперструнный сценарий носит название экпиротического (от греч. ekpyrotic — пришедший из огня). В нем предлагается модель досингулярной Вселенной как одной из мембран, дрейфующих в многомерном пространстве. При столкновении таких мембран происходит множество прообразов нашего Большого взрыва, рождающих новые миры. Экпиротический сценарий имеет и циклический вариант, когда мембраны, сталкиваясь, отскакивают друг от друга и расходятся, затем снова притягиваются и соударяются, снова расходятся, — и так практически до бесконечности. Расходясь после удара, они немного растягиваются, а при очередном сближении снова сжимаются. Когда направление движения мембраны сменяется на противоположное, она расширяется с ускорением, поэтому наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной может свидетельствовать о грядущем грандиозном катаклизме мембранного столкновения.

Сейчас уже можно сказать, что одной из главных проблем космологической теории квантовых суперструн является то, что она не может предсказать, какая именно Вселенная реализуется в реальности после тех же множественных столкновений мембран. Некоторые физики-теоретики настойчиво обращают внимание на то, что теория космических суперструн настолько неопределенна, что из ее различных вариантов можно получить любое конечное состояние нашего мира. Космологи комментируют этот парадокс с помощью своеобразного «научного заклинания»: «ландшафт суперсимметричных мембран качественно мультивариантен». Вообще говоря, это очень простая в переводе на «человеческий» язык фраза: любая теоретическая придумка найдет себе место в теории стрингов. А в «высокоинтеллектуальном» смысле это означает, что теория имеет критический уровень научной спекулятивности и ее вообще нельзя опровергнуть: любой результат любого эксперимента можно объяснить какой-нибудь модификацией суперструнной модели.

Однако было бы совершенно необоснованным считать, что физики-теоретики наслаждаются подобной ситуацией, с легкостью поглощая и тут же трансформируя в свою пользу любые контраргументы. Скорее наоборот, большинство из них с нетерпением ждут, что при внимательном изучении вопроса все же вскроется какой-то механизм сворачивания многомерных бран в наше привычное трехмерное пространство (теоретики любят называть его четырехмерным многообразием Минковского, имея в виду и временное измерение). Разумеется, поиск такого механизма представляет собой чрезвычайно сложную научную проблему, поэтому большинство исследователей надеются хотя бы отчасти «надрубить» данный «суперсимметричный» гордиев узел М-проблематики новыми экспериментальными фактами, с нетерпением ожидая сенсационных новостей с Большого адронного коллайдера.

За гранью Большого взрыва

Притягиваясь, мембраны сжимаются в направлении, перпендикулярном движению. Их соударение порождает начало Большого взрыва, преобразуя кинетическую энергию в материю и излучение. После удара мембраны расходятся и начинают расширяться, а материя проходит все стадии формирования от элементарных частиц до скопления галактик. В циклической модели силы притяжения замедляют движение расходящихся мембран, затем мембраны останавливаются и снова начинают сближаться, порождая новый Большой взрыв, — и так до бесконечности…===

Разумеется, никто не может лучше рассказать о теории суперструн, чем один из ее создателей, директор Института теоретической физики при Университете штата Калифорния в Санта-Барбаре Дэвид Джонатан Гросс. В своей статье «От частиц к струнам» он довольно убедительно аргументирует, что теория струн представляет собой теорию нового типа, олицетворяющую разрыв физики со своей прошлой историей. Гросс пишет:

«Традиционно мы добивались прогресса в фундаментальной физике за счет зондирования материи на все меньших расстояниях и обнаружения там все более фундаментальных ее составляющих. За века мы узнали, что материя состоит из атомов, а атомы из плотных ядер, окруженных электронами, которые даже сегодня представляются нам неделимыми точечными частицами. Однако само ядро имеет структуру. Заглянув внутрь атомного ядра, мы выяснили, что оно состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. В прошлом столетии мы прозондировали протон и нейтрон и открыли, что они состоят из кварков — казалось бы, по-настоящему точечных частиц. Стандартная модель как раз и основана на кварках и лептонах в качестве точечных элементарных частиц. Казалось бы, следующая стадия объединения будет связана с выявлением еще более мелких точечных частиц, неких субкварков и сублептонов. Однако на этот счет теория струн однозначно отвечает „нет“. Если бы у вас был некий идеальный микроскоп с разрешением на уровне длины Планка, то вместо точечных частиц вы бы увидели в него протяженные струны. Согласно теории струн, базовыми составляющими материи являются не точечные частицы, а протяженные одномерные струны. Это важный разрыв с исторической традицией, складывавшейся в течение двух тысячелетий.

Итак, теория струн видоизменяет подход к теории строения материи, заменяя фундаментальные частицы в роли первичных составляющих материи различными модами колебаний единственной протяженной струны. Однако во всем остальном теория струн не вносит радикальных изменений в начала физики. И это мудро. Принципиально изменить фундаментальный каркас физической науки очень непросто. Такие изменения — крайне редкое явление в истории физики. Со времен Ньютона до эпохи Эйнштейна и Гейзенберга радикальных изменений в физике было крайне мало. Большинство попыток изменить концепции и модифицировать фундаментальные законы физики противоречат либо экспериментальным данным, либо здравой логике. Любое видоизменение фундаментальных физических законов требует предельной осторожности. Следует видоизменять как можно меньшее число принципов. И теория струн пока что изменила концептуальную модель фундаментальной физики лишь в том смысле, что вместо точечных частиц в качестве первоэлементов мы теперь имеем струны».

В этом вопросе Гроссу возражает не менее видный физик-теоретик Ли Смолин, который в своей сенсационной книге «Неприятности с физикой: Взлет теории струн, упадок науки и что за этим следует» предостерегает от необоснованных ожиданий от теории струн в будущем. Профессор Смолин категоричен во мнении, что с помощью суперструн окончательно объединить все силы природы не удастся. И сейчас физикам требуется выработать новые концепции пространства и времени для решения застарелых парадоксов квантовой гравитации и космологии. Научные амбиции таких ученых, как Гросс и Брайан Грин, прославившийся своими бестселлерами «Элегантная вселенная (суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории)» и «Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности», вызывают у Смолина глубокие сомнения. Он считает, что молодые физики потеряют слишком много времени на блуждание в дебрях суперструнных теорий, беспочвенно пытаясь революционизировать наши представления о пространстве и времени. Между тем теория струн продолжает все дальше отдаляться от реальной физики окружающего мира, и единственная ее ценность состоит в создании новых математических структур, методов и идей, о которых математики раньше просто не задумывались. Именно поэтому математики и разработчики суперструнных теорий проводят так много совместных исследований в таких сугубо абстрактных разделах математики, как алгебраическая геометрия.

В свою очередь, Д. Гросс оппонирует Л. Смолину, что теория струн, кроме всего прочего, мотивировала новые умозрительные идеи, стимулирующие новые эксперименты. Он аргументирует это следующим образом:

«Одна из самых захватывающих связана со сверхбольшими пространственными измерениями. Первоначально считалось, что дополнительные пространственные измерения теории струн закольцованы в малые разнообразия с размерами не более планковских. Но в последние годы пришло осознание, что некоторые из этих дополнительных измерений могут, напротив, быть очень масштабными и даже бесконечными, а не воспринимаем мы их лишь по той простой причине, что сами прикованы к трехмерной броне — гиперповерхности в мире с большим числом измерений.

Такая возможность весьма естественным образом следует из теории струн. Вполне возможно, что мы привязаны к броне, в то время как есть и другие измерения, возможно даже бесконечные. Единственный для нас способ увидеть или почувствовать другие пространственные измерения — через гравитационные флуктуации „экстрапространства“. Примечательно, что подобные умопостроения не противоречат современным экспериментам. Многие не исключают возможности того, что новые эксперименты, скажем на LHC[LHC — Большой андронный коллайдер.], могут привести к открытию этих макроскопических дополнительных измерений. Существование сверхкрупных дополнительных измерений привело бы к очень интересным эффектам. По некоторым сценариям, шкала Планка и шкала теории струн находятся при значительно более низких энергиях, и тогда можно представить себе, например, образование черной дыры в результате столкновения протонов и наблюдение возбужденных мод струн в обычных частицах».

Смолин отвечает Грину и Гроссу следующим образом:

«Часть причин, по которым теория струн не делает новых предсказаний, заключается в том, что она предстает перед нами в бесконечном количестве версий. Даже если мы ограничимся теориями, которые согласуются с некоторыми базовыми наблюдаемыми фактами о нашей вселенной, такими, как ее огромный размер и существование темной энергии, мы останемся примерно с 10 500 различными струнными теориями, — что означает единицу с 500 нулями после нее, больше, чем количество всех атомов в известной вселенной. С таким чудовищным числом теорий почти нет надежды, что мы сможем идентифицировать результат эксперимента, который не был бы выполнен в рамках одной из них. Таким образом, что бы ни показывал эксперимент, теория струн не может быть опровергнута. Но обратное тоже имеет место: не будет сделано когда-либо никаких экспериментов, которые смогли бы проверить ее правильность.

В то же время мы очень мало понимаем в большинстве из этих теорий струн. И лишь малое число мы понимаем во всех деталях, каждая такая отдельная теория расходится с сегодняшними экспериментальными данными обычно по меньшей мере в двух отношениях.

Так что мы стоим перед парадоксом. Те теории струн, которые мы знаем, как изучать, известны как ошибочные. Те же, которые мы не можем изучить, мыслятся существующими в таких гигантских количествах, что ни один мыслимый эксперимент никогда не сможет их все опровергнуть.

Это не единственная проблема. Теория струн покоится на нескольких ключевых предположениях, для которых имеются некоторые основания, но нет доказательств. Даже хуже, после всех научных усилий, потраченных на ее изучение, мы все еще не знаем, имеется ли полная и последовательная теория, которая как раз и могла бы отзываться на имя „теория струн“. Фактически то, что мы имеем, совсем не является теорией, а лишь большой коллекцией приблизительных расчетов вместе с сетью догадок, которые, если они верны, указывают на существование теории. Мы не знаем, каковы ее фундаментальные принципы. Мы не знаем, на каком математическом языке она должна быть выражена — возможно, в будущем должен быть изобретен новый язык, чтобы описать ее. В отсутствие обоих фундаментальных принципов (подтверждаемость, фальсифицируемость) и математической формулировки мы не можем сказать, что мы даже знаем, что провозглашает теория струн».

Прислушиваясь к дискуссии этих видных физиков-теоретиков современности, нам, конечно же, хочется верить, что теория струн, так или иначе, откроет нам новые стороны окружающей объективной реальности, заполнив Вселенную космическими струнами межгалактических или даже вселенских размеров. Хотя, с другой стороны, понятно, что обычно струны крайне малы — их длина сопоставима с планковской. Для того чтобы растянуть их до макроскопических размеров, требуется поистине космическая энергия. И опять же, если считать, что наш мир возник в результате раздувания крошечной области пространства размерами порядка длины Планка, то изначальные «зародыши» суперструн вполне могли «взрослеть» вместе со всей остальной Вселенной, раздуваясь и растягиваясь.

Д. Гросс теоретизирует на эту тему следующим образом:

«Расширение Вселенной обеспечивало и необходимую энергию для растяжения струн, и теперь они могут иметь протяженность через всю Вселенную. Такие струны будут флуктуировать и колебаться, пересекаться и взаимодействовать между собой. Наблюдать их можно либо благодаря производимому ими эффекту гравитационных линз, отклоняющих световые лучи, идущие от далеких галактик, либо по всплескам гравитационного излучения в результате их продольных колебаний».

Справедливости ради предоставим все же заключительное слово в этой бурной полемике, идущей уже не одно десятилетие, своеобразному «адвокату дьявола», роль которого так хорошо подходит д-ру Л. Смолину:

«Теория струн в тех пределах, в которых она понята, постулирует, что мир фундаментально отличается от мира, который мы знаем. Если теория струн верна, мир имеет больше измерений и намного больше частиц и сил, чем мы до сих пор наблюдали. Многие струнные теоретики говорят и пишут так, как если бы существование этих дополнительных измерений и частиц было установленным фактом, в чем не может не сомневаться хороший ученый. Неоднократно струнные теоретики говорили мне нечто вроде „Но ты имеешь в виду, что ты полагаешь возможным, что нет никаких дополнительных измерений?“. Фактически ни теория, ни эксперимент не предлагают совсем никаких доказательств существования дополнительных измерений. Одна из целей этой книги заключается в демистификации утверждений теории струн. Идеи прекрасны и хорошо мотивированы. Но чтобы понять, почему они не привели к большему прогрессу, мы должны точно выяснить, что поддержано доказательствами, а что все еще нет.

Поскольку теория струн является таким высокорисковым предприятием, — не поддержанным экспериментом, хотя очень щедро поддержанным академическими и научными сообществами, — имеются только два пути окончания этой истории. Если теория струн окажется верной, струнные теоретики окажутся величайшими героями в истории науки. На основе горсти рассуждений, — ни одно из которых не имеет недвусмысленного прочтения, — они смогли открыть, что реальность намного более безбрежна, чем это раньше воображалось. Колумб открыл новый континент, неизвестный королю и королеве Испании (равно как испанские монархи были неизвестны жителям Нового Света). Галилей открыл новые звезды и луны, а затем астрономы открыли новые планеты. Все это побледнеет перед открытием новых измерений. Более того, многие струнные теоретики верят, что мириады миров, описываемых гигантским числом струнных теорий, реально существуют — как другие вселенные, которые нам невозможно увидеть непосредственно. Если они правы, мы видим намного меньшую часть реальности, чем часть земли, которую когда-либо видела любая группа обитателей пещеры. Никто в человеческой истории не мог когда-либо точно догадаться о таком огромном расширении известного мира».

На протяжении всей второй половины позапрошлого века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, в котором они наблюдались, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом, в которую с двух сторон было впаяно по электроду: с одной стороны катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи; с другой — анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на электроды высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться. Это свечение ученые и приписали катодным лучам.

Дискуссия о природе катодных лучей сразу же приняла острый полемический характер. Большинство видных ученых придерживались мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. Другие же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа.

У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Наконец в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель первой элементарной частицы — электрона.

Используя трубку новой конструкции, Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами. Эти неизвестные частицы Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами».

Сразу же стало ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов — иначе откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года — дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества — считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов.

В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве — посредством частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во-первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во-вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке — вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это — волновой принцип передачи энергии.

В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, в бильярде шары передают друг другу энергию при столкновении, как частицы, а произнесенное слово несет энергию звуковой волны.

Однако в квантовой механике все обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц — фотонов, а элементарные частицы, такие, как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

Возьмем экран с двумя тонкими горизонтальными прорезями и направим на него луч света. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо и за экраном возникнут две четкие световые полосы. Однако на практике мы наблюдаем совершенно иной эффект. Каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, как поплавок на воде, и за экраном образуется сложная картина из перемежающихся полос света. Причем часть из них будет располагаться в «мертвой зоне» вне прямой линии попадания света. Это полностью соответствует модели звуковых волн, исходящих из двух стереодинамиков и дающих пик громкости стереоэффекта на линии равного удаления между ними.

Итак, совершенно очевидно, что микрочастицы ведут себя принципиально иначе, чем окружающие нас объекты. Почему это происходит? Это очень важный и сложный вопрос, над которым околонаучные философы бьются уже целое столетие. На самом же деле корпускулярно-волновой дуализм означает, что в любом материальном теле содержится «зародыш» его волновой природы. И чем меньше становится материальный объект, тем больше его вторая «волновая сущность». И электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе — и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта.

Морис Эшер. Все меньше и меньше

Выдающийся голландский график иллюстрирует решение парадокса, возникшего еще в античные времена: что будет, если обыкновенное яблоко делить пополам бесконечное количество раз?

Сверхсложная элементарность

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, — это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них, по современным представлениям, — составные системы. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, сейчас представляют в виде струн, мембран и просто как мерцающие сгущения полей.

Электронно-лучевая трубка Дж. Дж. Томсона

В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.

Столкновения элементарных частиц в конденсационной камере

Молодой ученый Карл Андерсон под руководством знаменитого физика-экспериментатора Роберта Милликена придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. (Линии — следы пузырьков, образующихся вокруг атомов, возбужденных в результате пролета быстрых заряженных частиц.)===

Следующее неожиданное открытие пришло из высокогорных лабораторий, изучающих состав космических лучей, бомбардирующих нашу планету. Там вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к классической атомной триаде — электрону, протону и нейтрону. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение знакомого нам мира. Масса античастицы в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все ее остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несет отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — позитрон («позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При встрече частицы и ее античастицы происходит мгновенный микровзрыв (физики называют это явление взаимной аннигиляцией), и обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц было впервые предсказано теоретически и открыто «на кончике пера» знаменитым впоследствии английским ученым Полем Дираком.

Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нем ямку, в поле появятся два объекта — собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из нее грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, экспериментатор К. Андерсон придумал их детектор, получивший название конденсационной камеры. Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью, по следам (трекам) из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц. Точно так же ведет себя высотный реактивный самолет, оставляя после себя в атмосфере инверсионный след.

По интенсивности трека, оставленного частицей, можно судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. Вскоре удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. Все следующие за позитроном античастицы были экспериментально обнаружены уже в лабораторных условиях — на ускорителях. Сегодня физики-экспериментаторы имеют возможность буквально штамповать их в нужных количествах для текущих экспериментов, и чем-то из ряда вон выходящим античастицы давно не считаются.

Сейчас ученым известно четыре вида сил, определяющих рождение и жизнь элементарных частиц. Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей сравнительной интенсивностью, и приводит к возникновению самой сильной связи среди элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет устойчивость окружающих нас вещей. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе радиоактивные распады. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

На протяжении двух последних веков ученые, интересующиеся строением Вселенной, искали базовые строительные блоки, из которых состоит материя, — самые простые и неделимые составляющие материального мира. Атомная теория объяснила все многообразие химических веществ, постулировав существование ограниченного набора атомов так называемых химических элементов, объяснив природу всех остальных веществ через различные их сочетания. Таким образом, от сложности и многообразия на внешнем уровне ученым удалось перейти к простоте и упорядоченности на элементарном уровне.

Но простая картина атомного строения вещества вскоре столкнулась с серьезными проблемами. Прежде всего, по мере открытия все новых и новых химических элементов стали обнаруживаться странные закономерности в их поведении, которые, правда, удалось прояснить благодаря вводу в научный обиход периодической системы Менделеева. Однако представления о строении материи все равно сильно усложнились.

В начале прошлого столетия стало ясно, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще более элементарных частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы.

В обычной ньютоновской физике любая сила — это либо притяжение, либо отталкивание, изменяющие характер движения тела. Но в современных квантовых теориях сила, действующая между элементарными частицами, интерпретируется несколько иначе. Считается, что сила возникает в результате того, что две частицы обмениваются третьей.

Приведем следующую аналогию. Представьте себе пару фигуристов на катке, едущих друг другу навстречу. Приблизившись, один из них вдруг выплескивает на другого ведро воды. Тот, кто выплеснул воду, от этого затормозит и изменит направление движения. И тот, кто получил порцию воды, также затормозит и изменит направление. Таким образом, «обменявшись» водой, оба фигуриста изменили направление движения. Согласно законам механики, это означает, что между фигуристами произошло силовое взаимодействие. В приведенном примере нетрудно увидеть, что эта сила возникла из-за (или, как сказали бы физики, передалась «через» или «посредством») обмена водой.

Еще один пример касается двух лодочников, гребущих на встречных курсах. Один гребец перебрасывает массивный предмет партнеру, когда они проплывают друг мимо друга. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец сделал бросок, курс его лодки отклонился от прямолинейного в сторону, противоположную направлению броска, а когда второй гребец поймал предмет, его импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в сторону броска. Таким образом, в результате обмена предметом обе лодки изменили направление. Согласно механике Ньютона, это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Но ведь лодки не вступали между собой в прямое соприкосновение? Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — переносчиком взаимодействия.

Оптимистичные ярлыки «универсальная теория», «теория всего сущего», «теория великого объединения», «окончательная теория» сегодня используются в отношении любой теории, пытающейся объединить все четыре взаимодействия, рассматривая их в качестве различных проявлений некоей единой и великой силы. Если бы это удалось, картина устройства мира упростилась бы до предела. Вся материя состояла бы лишь из кварков и лептонов, и между всеми этими частицами действовали бы силы единой природы. Уравнения, описывающие базовые взаимодействия между ними, были бы столь короткими и ясными, что уместились бы на почтовой открытке, объясняя при этом, по сути, основу всех без исключения процессов, наблюдаемых во Вселенной.

Здесь мы продолжим знакомить читателя с шедеврами научной популяризации из не столь уж и далекого прошлого и предлагаем небольшой отрывок из книги доктора химических наук Юрия Георгиевича Чиркова «Охота за кварками».

Кварки

Взаимодействие между кварками в составе элементарных частиц можно графически представить в виде диаграммы Фейнмана, названной так в честь американского физика Ричарда Фейнмана. На представленной диаграмме красный и синий кварки обмениваются глюоном и меняют свой цвет на цвет партнера по взаимодействию.

Слово «кварк» ввел в науку американский физик-теоретик М. Гелл-Ман. М. Гелл-Мана, как и других физиков, беспокоила неразбериха и толчея, наблюдавшиеся в мире элементарных частиц.

И вот в 1963 году одновременно и независимо, находясь даже на разных континентах — один в Америке, другой в Европе, — теоретики американец М. Гелл-Ман и австриец Г. Цвейг, чтобы устранить противоречие, высказали гипотезу о существовании трех фундаментальных субъядерных частиц, различными комбинациями которых и является большинство элементарных частиц.

Только в вопросе, как назвать эти «детальки» микромира, М. Гелл-Ман и Г. Цвейг разошлись. Американец, большой, видимо, почитатель творений Д. Джойса, в поисках подходящего имени для новых частиц, возможно, начал перечитывать роман «Поминки по Финнегану» и наткнулся на то место, где дублинский трактирщик возомнил себя королем Марком, персонажем средневековой легенды.

Королю кажется, что его племянник Тристан украл у него жену, прекрасную Изольду. Марк преследует похитителя на корабле. В небе над парусами кружат чайки (которые, впрочем, может быть, вовсе не чайки, а судьи).

Они зловеще кричат-каркают: «ТРИ КВАРКА ДЛЯ МИСТЕРА МАРКА!» Короля мучают кошмары, а чайки все повторяют:

«ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА, ТРИ КВАРКА…»

Слово «кварк» перекочевало со страниц романа Д. Джойса в мир элементарных частиц легко и естественно. Скорее всего в этом отрывке М. Гелл-Мана привлекало то, что число кварков было именно три. Столько, сколько и требовала теория.

Пришлось по вкусу ученому и само слово «кварк» — звучное, диковинное, абсолютно не затасканное в других употреблениях.

Итак, М. Гелл-Ман выбрал слово, и оно пришлось к месту. Г. Цвейг же был менее удачлив. Он назвал гипотетические субчастицы, претендующие на роль истинных кирпичиков праматерии, «тузами». Эта картежная терминология оказалась не столь привлекательна (тузов-то четыре!), теперь о ней почти никто не вспоминает.

А кварки прижились. Удивляло и радовало, что всего трех кварков было достаточно, чтобы конструировать из них — словно это детские кубики — огромное число открытых к тому времени элементарных частиц.

И вновь раздались победные клики в стане физиков.

Казалось, наступила долгожданная пора, когда можно было «закрыть» большинство элементарных частиц за ненадобностью: ведь они были составными!

В 1965 году в журнале «Успехи физических наук» академик Я. Зельдович опубликовал статью «Классификация элементарных частиц „в изложении для пешеходов“». Уже само название подчеркивало: теперь тонкости микромира можно просто и ясно объяснить любому встречному, даже ребенку.

Академик писал в статье, что, возможно, физики добрались до атомизма нового типа, вскрыли, так сказать, новый пласт материи. Что создано нечто вроде новой таблицы Менделеева, только уже на субъядерном уровне.

Тон статьи был мажорный, радостный. «Современный физик имеет полное право повторить строки Ф. Тютчева», — писал Я. Зельдович и цитировал их:

В самом конце шестидесятых годов прошлого века профессор физики Мерилендского университета (США) Джозеф Вебер сообщил о сенсационных результатах проводимых им гравитационных экспериментов. Американский ученый со всей определенностью заявил в статье, опубликованной в одном из научных журналов, что ему удалось обнаружить волны тяготения, пришедшие на Землю из центральной области Млечного Пути. До того времени было предпринято множество попыток опытного подтверждения одного из главных следствий теории гравитации Эйнштейна, но ни одна из них не была успешной. Это даже породило сомнение в справедливости некоторых выводов общей теории относительности, так что сама возможность детектирования волн тяготения стала считаться далеко не очевидной.

Вспомним теорию всемирного тяготения Ньютона. Из нее следует, что между всеми телами во Вселенной существует сила взаимного притяжения. Для сравнительно небольших тел «человеческого размера» гравитационные силы между ними малосущественны или даже несущественны, но в космических масштабах они определяют всю структуру Мироздания. Собственно и жизнь в глобальном масштабе определяется гравитационным полем нашей планеты, которая вращается вокруг Солнца. Ну а Солнечная система кружит вокруг галактического центра, Млечный Путь — вокруг общего центра местного галактического скопления, а оно — вокруг гипотетического сверхскопления скоплений звездных островов. И все это происходит в силу действия гравитационных сил.

Мы уже знаем, что общая теория относительности описывает вселенское кружение тел как следствие искажения массой вещества самой «ткани» пространства-времени. В общедоступной литературе по теории относительности обычно приводится упрощенная аналогия, в которой пространство наподобие эластичной пленки «прогибается» под действием масс небесных тел, образуя впадины и воронки. Например, модель Солнечной системы по Ньютону напоминает цепную карусель с планетами, удерживаемыми на своих орбитах цепями гравитации, а по Эйнштейну — это конусообразная чаша, продавленная Солнцем, наподобие кругового велотрека, в котором планеты-велосипедисты кружатся вокруг впадины центральной арены. Так общая теория относительности вводит парадоксальное представление, что кажущаяся сила тяжести на самом деле является проявлением искривления пространства-времени.

Проверить общую теорию относительности трудно, поскольку в обычных лабораторных условиях ее результаты практически полностью совпадают с тем, что предсказывает закон всемирного тяготения Ньютона. Тем не менее несколько важных экспериментов были произведены, и их результаты позволяют считать теорию подтвержденной. Кроме того, общая теория относительности помогает объяснить явления, которые мы наблюдаем в космосе, — например, незначительные отклонения Меркурия от стационарной орбиты, необъяснимые с точки зрения классической механики Ньютона, или искривление электромагнитного излучения далеких звезд при его прохождении в непосредственной близости от Солнца.

Часто говорят, что гравитационные волны — это распространяющиеся в пространстве возмущения поля тяготения, ведь, согласно общей теории относительности, тяготение возникает из-за искривления пространства-времени. Волны тяготения проявляют себя как колебания гравитационного поля, поэтому их часто образно называют пространственно-временной рябью.

Гравитационные волны были теоретически предсказаны еще Эйнштейном. В их существовании физики мало сомневаются, но они всё еще дожидаются своего первооткрывателя (рис. 21 цв. вкл.).

Мир будущего — парение вне гравитации

Сверхскопление галактик

Источником гравитационных волн служат любые движения материальных тел, приводящие к неоднородному изменению силы тяготения в окружающем пространстве. Движущееся с постоянной скоростью тело ничего не излучает, поскольку характер его поля тяготения не изменяется. Для испускания волн тяготения необходимы ускорения, но не любые. Цилиндр, который вращается вокруг своей оси симметрии, испытывает ускорение, однако его гравитационное поле остается однородным, и волны тяготения не возникают. А вот если раскрутить этот цилиндр вокруг другой оси, поле станет периодически изменяться, и от цилиндра во все стороны побегут гравитационные волны.

Величина волн, якобы зарегистрированных Вебером (и тут же получивших название «волны Вебера»), в миллионы раз превышала теоретическую величину, которая следовала из теории тяготения Эйнштейна. Вебер утверждал, что эти волны пришли из закрытого пылевыми облаками центра нашей Галактики, о котором тогда было мало что известно. Астрономы уже давно подозревали, что в центральной области Млечного Пути скрывается какое-то сверхмассивное тело, являющееся кандидатом в гравитационные коллапсары (рис. 22 цв. вкл.). Такая гипотетическая гигантская застывшая звезда или даже система из нескольких чудовищных черных дыр может постоянно поглощать множество окружающих звезд, выбрасывая при этом часть поглощенной энергии в виде гравитационного излучения. В начале нашего столетия астрофизики самым тщательным образом исследовали спектр излучения из центра нашей Галактики, подтвердив наличие кандидата в черные дыры и отринув обвинения предполагаемого коллапсара в космическом каннибализме. Таким образом, самые последние астрономические наблюдения никак не прояснили ситуацию. Тем временем вот уже полстолетия физики из всех стран мира пытаются экспериментально зафиксировать волны Вебера на разнообразных детекторах, вплоть до самых причудливых конструкций, без каких-либо значимых результатов.

Ученые до сих пор теряются в догадках, как объяснить удивительные результаты опытов Вебера. Однако надо признать, что усилия экспериментаторов не пропали даром, и хотя им не удалось непосредственно обнаружить гравитационные волны, интерес научной общественности к данной проблеме позволил начать строительство нескольких установок и даже запланировать полет космической гравитационной обсерватории. Оптимисты даже считают, что в отдаленном будущем гравитационное излучение будут не только наблюдать, но даже использовать для передачи энергии и информации.

Мощный источник гравитационных волн возник при рождении нашего мира в Большом взрыве, на стадии мгновенного расширения Вселенной — космологической инфляции. Этот процесс породил такие сверхмощные гравитационные волны, что их остатки должны были сохраниться до настоящего времени. Их открытие, несомненно, станет сенсацией, и его трудно будет переоценить, ведь в реликтовых волнах раннего этапа Большого взрыва закодирована информация о строении «зародышевой» Вселенной.

Реально обнаружить волны тяготения можно, найдя подходящий космический источник гравитационного излучения. В этом плане весьма перспективны тесные двойные звезды. Мощность гравитационного излучения такой системы возрастает, если траектории звезд сильно вытянуты, тем более если двойная система состоит из нейтронных звезд или черных дыр. Такие системы подобны гравитационным маякам в космосе — их излучение имеет периодический характер.

В космосе существуют и иные периодические источники, порождающие короткие, но чрезвычайно мощные гравитационные всплески. Подобное происходит при коллапсе (катастрофическом сжатии) массивных звезд, однако деформация звезды должна быть асимметричной, иначе излучение не возникнет. Во время коллапса мощность гравитационного излучения может составлять миллиарды миллиардов ватт! Еще больше энергии выделяется при слиянии нейтронных звезд. Это звезды, состоящие (кроме самого внешнего слоя — коры) не из атомов, а из элементарных частиц — нейтронов. Они образуются при очень сильном сжатии (гравитационном коллапсе) массивных обычных (состоящих из газа) звезд, чья начальная масса превышает несколько масс Солнца.

Характерные размеры нейтронной звезды составляют десятки километров, а средняя плотность приближается к плотности атомных ядер (один кубический сантиметр весит тысячи тонн). Массы всех известных нейтронных звезд близки к массе Солнца. Скорость вращения нейтронной звезды может быть очень высокой и превышать 100 тысяч километров в секунду.

Из-за крошечного размера нейтронные звезды очень слабо видны даже в большие телескопы, но во многих случаях наблюдаются как источники рентгеновского излучения в тесных двойных системах звезд или пульсирующие радиоисточники (пульсары). По современным представлениям, большинство нейтронных звезд образуется при взрывах сверхновых. Наряду с черными дырами нейтронные звезды являются конечной стадией эволюции звезд большой массы.

Как обнаружить гравитационные волны экспериментально? Вебер использовал в качестве детекторов сплошные алюминиевые цилиндры метровой длины с пьезодатчиками (датчиками давления) на торцах. Их с максимальной тщательностью изолировали от внешних механических воздействий в вакуумной камере.

Идея эксперимента Вебера была проста. Пространство под действием гравитационных волн сжимается и растягивается. Благодаря этому цилиндр вибрирует в продольном направлении, выступая в качестве гравитационной антенны, а пьезоэлектрические кристаллы переводят вибрации в электрические сигналы. Любое прохождение космических волн тяготения практически одновременно действует на детекторы, разнесенные на тысячу километров, что позволяет исключить гравитационные импульсы от различного рода шумов.

В данной установке пучок света попадает на полупрозрачную пластинку и разделяется на два взаимно перпендикулярных луча, которые отражаются от зеркал, расположенных на одинаковом расстоянии от пластинки. Затем пучки опять сливаются и падают на экран, где возникает интерференционная картина (светлые и темные полосы и линии). Если скорость света зависит от его направления, то при повороте всей установки эта картинка должна измениться, если нет — остаться такой же, что и раньше.

В дальнейшем гравитационно-волновые антенны значительно усовершенствовали. Сейчас в ряде стран действуют ультракриогенные вибрационные детекторы волн тяготения, работающие при температурах вблизи абсолютного нуля.

Интерференционный детектор волн тяготения работает сходным образом. Предполагается, что проходящая гравитационная волна будет деформировать пространство и изменять длину каждого плеча интерферометра (пути, по которому свет идет от делителя до зеркала), растягивая одно плечо и сжимая другое.

Интерференционная картинка соответственно претерпит изменения, и это можно будет зарегистрировать. Лазерный источник света должен быть и мощным, и стабильным по частоте, зеркала — идеально плоскими и идеально отражающими, вакуум в трубах, по которым распространяется свет, — максимально глубоким, механическая стабилизация всей системы — очень высокой.

Типы черных дыр

Сильным источником гравитационного излучения должны являться близко взаимодействующие черные дыры. Массы таких систем могут превышать массы тех же нейтронных звезд в миллиарды раз. Особенно интересные эффекты возникают в случае быстро вращающихся черных дыр.

По собственному опыту мы знаем, что материальные тела могут испытывать исключительно гравитационное притяжение. А может ли существовать в природе феномен антигравитации — отталкивания? К глубокому сожалению, современные газеты и журналы, не говоря уже о телевидении, буквально забиты подобной наукообразной рениксой. Здесь легко можно встретить весь набор глупейших заблуждений и самозабвенного фантазирования в духе барона Мюнхаузена, начиная с антигравитирующих торсионных полей и заканчивая паранормальной левитацией в «эфирных мирах». Создается впечатление, что внешне интеллигентные журналисты, пишущие на подобные темы, в действительности культурно необразованны и совершенно не знакомы с азами физической науки, не говоря уже о теории относительности Эйнштейна. Между тем пионерские исследования физиков-теоретиков полны настолько необычных, глубоко парадоксальных результатов, что рядом с ними совершенно блекнет самая изощренная фантазия.

Так, среди поразительных теоретических открытий современности можно встретить и модели антигравитационного силового воздействия. Пока еще их радиус действия определяется только микроскопическими масштабами, однако физики-экспериментаторы настойчиво ищут их проявление и на больших, макроскопических расстояниях. Насколько обоснованны выводы теоретиков? Не противоречат ли они известным законам природы? И почему до сих пор никто не обнаружил следов антигравитации?

Мы уже отмечали, что закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона для взаимодействия двух заряженных тел имеют почти одинаковый вид. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона — их массы, ну и еще константами: диэлектрической проницаемостью и гравитационной постоянной. В общем случае величина констант зависит от выбора системы единиц, и их легко можно свести к единице. Тогда законы вообще не различаются. Получается, что наряду с электрическими зарядами тела как бы имеют своеобразные гравитационные заряды, которые в точности равны их массам.

Это совершенно удивительный факт окружающей нас природы. На лекциях по физике часто приходится слышать вопрос: насколько случайны эти замечательные совпадения и не скрыта ли здесь какая-то новая фундаментальная физическая закономерность? Мы уже знаем, что факт наличия масс взаимодействующих тел в законе всемирного тяготения впервые установили Гук и Ньютон. Ньютон даже ставил специальные опыты, чтобы выяснить, насколько это соответствует действительности. Не нашли отклонений от этого правила и другие физики, применявшие значительно более точные приборы. С помощью закона всемирного тяготения можно предсказать (и этим широко пользуются астрономы) на десятки лет вперед точно, день в день, появление комет, траектории планет и многочисленных искусственных спутников. Поэтому, создавая свою гравитационную релятивистскую теорию, Эйнштейн предположил, что равенство гравитационного заряда и массы выполняется абсолютно точно и для всех видов материи.

Постулируя равенство гравитационного заряда и массы, общая теория относительности Эйнштейна с самого начала считает, что в отличие от электрических гравитационные заряды у всех тел одного и того же знака. Поэтому и действующие между ними силы всегда направлены на сближение тел. Силы противоположного направления, антигравитация, исключены там изначально, так устроена эта теория!

После создания теории относительности физики открыли много новых видов материи, включая антивещество, странные и прелестные частицы, различные типы глюонов и кварков. Однако ничего похожего на уэллсовский кейворит — фантастический материал, экранирующий гравитацию, — в разнообразнейших опытах встречено не было. Какие только измерения не выполняли ниспровергатели теории тяготения! Изучали отклонения в земном поле пучков нейтронов из атомного реактора и медленных электронов, измеряли вес сверхпроводящих дисков и хитроумных гороскопов. Результат был один, вернее, полное его отсутствие. Тут следует заметить, что в науке отсутствие результата является также не менее важным результатом. Во всяком случае, все это еще более укрепило уверенность физиков в том, что антигравитации место лишь на страницах научно-фантастических произведений.

Однако абсолютных запретов, применимых всегда и всюду, в природе не бывает, и сравнительно недавно физики, разрабатывающие варианты дальнейшего развития общей теории относительности Эйнштейна, совершенно неожиданно обнаружили, что в природе, по-видимому, действительно должно быть «антигравитационное» поле, для которого постулат о равенстве гравитационного заряда и массы принимает специфический вид.

Все эти исследования связаны с миром элементарных частиц, для которого физики накопили огромный экспериментальный материал. Анализируя его, ученые постепенно осознали удивительный факт, что слабое силовое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад, сильное взаимодействие, удерживающее частицы в атомном ядре, и электромагнитные силы являются проявлениями одного и того же физического поля. Большие надежды физики связывают с перспективой превращения силового трио в квартет путем добавления в теорию четвертого взаимодействия — гравитации. Предварительные результаты уже показывают, что в природе вполне могут действовать несколько типов гравитационных полей. На сверхмалых расстояниях они тесно связаны между собой и изменение одного сразу вызывает изменения других. Это единое поле содержит супергравитационный мультиплет — семейство нескольких взаимопревращающихся силовых компонентов. Расщепляются и становятся практически независимыми они только на больших расстояниях. Новые супергравитационные компоненты, дополняющие известное нам гравитационное поле, — пока только гипотеза, но уже сейчас они составляют один из интереснейших вопросов современной физики. А самое интересное в том, что здесь есть возможность для антигравитации. Оказывается, что такие силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. Это зависит от того, из чего состоят взаимодействующие тела — из вещества или из антивещества. Вещество и антивещество притягивают друг друга подобно тому, как это происходит в поле обычных гравитационных сил. А вот куски вещества, как показывает расчет, должны отталкивать друг друга!

Результат удивительный. Казалось бы, необычных сил следует ожидать между веществом и антивеществом, а получается наоборот — антигравитация возникает в веществе. Под действием гравитационных сил куча песка и куль муки должны разлететься, как при взрыве. Ничего похожего мы не наблюдаем, поэтому можно было бы предположить, что таких дальнодействующих гравитационных сил в природе вообще нет.

Вспомним, как много столетий назад Галилео Галилей изучал падение различных предметов с Пизанской башни, опровергая господствовавшее в то время мнение, что легкие тела падают быстрее тяжелых. И вот оказывается, что в вывод Галилея, возможно, придется внести уточнения!

Что касается зависимости силы от расстояния, то закон Ньютона с огромной точностью подтверждается астрономическими наблюдениями. Количественная мера притяжения, то есть гравитационная постоянная, измеряется в лаборатории, но с гораздо меньшей точностью. И вот уже некоторые экспериментальные исследования бросают тень сомнения на безупречную зависимость силы от расстояния! Умозрительные неклассические модели тяготения обсуждались теоретиками давно. В попытках уличить тяготение в отклонении от закона Ньютона во многих странах проводились тщательные измерения зависимости силы от расстояния. Оказалось, что в диапазоне от сантиметра до десяти метров величина гравитационной постоянной остается неизменной с точностью до десятой доли процента. Однако на иных — меньших и больших — расстояниях сохраняется принципиальная возможность того, что существуют отклонения от закона Ньютона.

Здесь ученых привлекли результаты многолетних измерений ускорения свободного падения тел в шахтах на разных глубинах. Такие измерения при условии хорошего знания геологических структур в окрестности шахты дают возможность независимого определения гравитационной константы, которая оказалась примерно на процент больше, чем измеренная в лаборатории с помощью весов Кавендиша. На этой основе была выдвинута гипотеза о существовании силы отталкивания с радиусом действия около двухсот метров, пропорциональной барионному заряду вещества. Эта гипотеза подверглась проверке данными классических экспериментальных работ. Обнаруженное эффектное согласие предсказаний гипотезы с опытом произвело в научном мире сенсацию и вызвало поток предложений новых путей проверки обнаруженного эффекта.

В теоретической физике сегодняшнего дня наиболее распространены модели, в которых все известные в природе силы возникают вследствие обмена между взаимодействующими телами некоторыми частицами — квантами действующего поля. Так, электромагнитные и гравитационные силы передаются частицами с нулевой массой покоя — фотонами и гравитонами с бесконечно большим радиусом действия, а внутриядерные сильное и слабое взаимодействия вызваны обменом массивными частицами — адронами и векторными бозонами, что делает такие силы чрезвычайно короткодействующими: лишь в пределах атомного ядра. «Пятая сила», вводимая обсуждаемой гипотезой по этой же схеме, предполагает существование частиц с исключительно малой, но все-таки отличной от нуля массой покоя. Чтобы радиус взаимодействия измерялся сотнями метров, масса частицы должна быть на 15 порядков меньше массы электрона! Таких частиц физика не знает, но обнаружение «пятой силы» как раз и означало бы их открытие. Таким образом, закон тяготения оказывается в тесной связи с физикой элементарных частиц.

Чтобы проверить барионную гипотезу, нужно оценить ожидаемое на ее основе различие в притяжении тел разного состава и сравнить с данными наиболее точных экспериментов. Практически на опыте гораздо удобнее сравнивать не взаимное притяжение двух тел в зависимости от их состава, а притяжение пробных тел к очень большому третьему телу. Впервые такой опыт поставил Галилей, измеривший ускорение свободного падения на Земле тел разного состава и веса. Если справедлив закон Ньютона, то есть если вес тела строго пропорционален его массе, то ускорение свободного падения должно быть величиной постоянной. Это и было установлено Галилеем с точностью порядка долей процента.

Отладка Большого андронного коллайдера (ЦЕРН, Женева)

Для проверки новых теорий тяготения и моделирования антигравитационных эффектов требуются новые, более сложные опыты на сверхмощных ускорителях элементарных частиц. Серию таких экспериментов проводит международный коллектив физиков в Европейском центре ядерных исследований (Женева). Созданное там на Большом адронном коллайдере антивещество ученые хотят проверить на избыток веса, следующий из новых вариантов теории гравитации.

Поиск новых закономерностей гравитационного взаимодействия между материальными телами всегда был одним из интереснейших вопросов физики. Особенно много опытов было поставлено по определению силы тяготения между разнородными веществами. Здесь, несомненно, пальма первенства принадлежит венгерскому физику Роланду фон Этвешу. Еще без малого столетие назад Этвеш выполнил множество уникальных по точности экспериментов по проверке зависимости силы гравитационного притяжения от материала взаимодействующих тел. Он изучал притяжение подвешенных на тонких нитях грузов. Они крепились на нитях асимметрично их центрам, и даже очень-очень слабое притяжение закручивало нити, а это можно определить, например, по перемещению светового зайчика, отброшенного на экран прикрепленным к нити крохотным зеркалом.

Прибор Этвеша настолько прост и в то же время точен, что во многих университетах его до сих пор используют для обучения будущих физиков тонкостям экспериментальной методики. В течение многих лет этот опыт считался одним из главных обоснований постулата о равенстве гравитационного заряда и массы тел.

Группа физиков заново проанализировала таблицы Этвеша — и, к своему удивлению, обнаружила… отчетливую зависимость изучавшегося эффекта от материала подвешенных на нитях грузов! По-видимому, она не осталась секретом для самого Этвеша, но он посчитал ее какой-то непонятной погрешностью эксперимента. Именно эти следы различий в ускорениях свободного падения и привлекли внимание авторов барионной гипотезы. Гипотеза взаимодействия через барионный заряд, по их мнению, дает ключ, с помощью которого можно попытаться разобраться в хаосе результатов Этвеша. Критический разбор барионной теории показал, что ожидаемое различие в притяжении тел разного состава может составлять тысячные доли процента, если расстояние между телами много меньше радиуса действия «пятой силы». Но в работах Этвеша пробные тела притягиваются к Земле, радиус которой в 30 тысяч раз больше предполагаемого значения радиуса действия. Это означает, что вклад в отталкивание вносят только ближайшие к пробным телам земные слои, в то время как притяжение вызывается всей массой Земли. Это обстоятельство дополнительно уменьшает ожидаемую разницу в ускорениях примерно в те самые 30 тысяч раз. Точный расчет эффекта практически невозможен, так как результат очень сильно зависит от карты распределения масс на поверхности и внутри Земли в окрестности пробных тел. Для модели Земли в виде однородного шара ожидаемый эффект в 16 раз меньше, чем полученный в опытах Этвеша.

Таким образом, дискуссия показала, что в опытах типа Этвеша (в их оригинальной постановке) ни знак эффекта, ни его величина не могут служить характерными признаками для проверки гипотезы барионного отталкивания. В пользу гипотезы говорит только само наличие эффекта и его закономерная связь с химическим составом пробных тел. Новая гипотеза прямым образом не вписывается в существующие наброски будущей объединенной теории. Поэтому экспериментальное открытие «пятой» силы привело бы к существенному пересмотру направлений поисков единой теории и, может быть, дало бы этим поискам новый решительный импульс. Физики-теоретики, складывающие мозаику экспериментальных фактов в единую картину мироздания, с надеждой ждут недостающих фрагментов, которые, быть может, окажутся ключевыми. Но надежды эти сочетаются с естественным недоверием, потому что большие открытия происходят редко. Ближайшее будущее покажет, что привлекло внимание исследователей — случайная тень на монолитном фундаменте физики или след потайного хода вглубь.

Когда речь идет об открытии такого фундаментального явления, как антигравитация, нужно семь раз проверить, прежде чем поверить. Нужны новые сложнейшие эксперименты и наблюдения, которые помогли бы выявить другие стороны явления. Например, для движущихся тел антигравитация должна быть сильнее. На быстро вращающееся кольцо на поверхности Земли должна действовать подъемная сила. Чем больше его радиус, тем большую скорость имеет его вещество; как на карусели — чем дальше от центра, тем быстрее движение. И для больших скоростей вращения и больших радиусов антигравитация будет весьма значительной.

А может, кто-то из молодых читателей станет физиком и придумает более остроумный и убедительный эксперимент? Сегодня над этой проблемой будущего размышляют во многих физических лабораториях мира.

Так, у американского писателя Р. Ф. Джоунса есть любопытное научно-фантастическое произведение «Уровень шума». Желая получить в свои руки новое оружие, военные руководители одной из противоборствующих стран решили «подстегнуть» мысль своих ученых. Группе ученых — специалистов в самых разнообразных областях науки — достоверно сообщают, что в некоторой лаборатории сделано сенсационное открытие антигравитации, но, к несчастью, изобретатель погиб при пробной демонстрации и унес тайну своего детища. В действительности все это было вымышленным тщательно продуманным сценарием, созданным психологами. Милитаристы сознательно ввели исследователей в заблуждение, сообщив, что якобы, по неопровержимым данным разведки, противная сторона овладела секретом антигравитационных сил, а это означает: считавшаяся неразрешимой задача на самом деле имеет решение и теперь надо только его найти. Ясно, оно должно быть каким-то совершенно необычным, парадоксальным, выходящим за рамки известных теорий, раз все они говорят, что это принципиально невозможно. Для убеждения ученых им предъявляют массу вещественных доказательств: библиотечку трудноразличимых обрывочных записей в разорванных и обгоревших лабораторных журналах, саму разрушенную лабораторию с массой совершенно искореженного и непонятного оборудования, противоречивые свидетельства очевидцев. Таким образом, вся художественно сконструированная ситуация основывается на вводе обширных пластов несистематизированной информации. Данные информационные посылки хаотически насыщены кажущимися случайными сведениями из разнообразных разделов науки и техники. Вообще говоря, искусственно моделируется ситуация «пересыщенного информационного раствора», основанная на развитии «квантовой» случайной психологии научного творчества.

И вот, будучи уверенными, что гипотетическое изобретение состоялось на самом деле, ученые уверенно берутся за поиск и восстановление несуществующих технических решений. И решение нашлось! Правда, это была не антигравитация, а новое отталкивающее поле, но это было уже неважно.

Итак, попытка ревизии давних экспериментов Этвеша не дала никакого определенного результата, причем общественное научное мнение явно склоняется к отрицательной оценке возможности поиска здесь новых сил отталкивания. Так может или не может существовать в природе таинственное антигравитирующее вещество, которое мы встречаем в романе Герберта Уэллса «Первые люди на Луне»? Здесь великий английский фантаст описывает полет на Луну исследователя Кейвора и писателя Бедфорда, от лица которого и ведется повествование. Кейвор с присущей ученому-энтузиасту энергией и отрешенностью от каких-либо меркантильных соображений стремится к открытию вещества, «непроницаемого для всех форм лучистой энергии». Благодаря этому фантастическому свойству, «преграждающему влияние притяжения», это вещество может защитить летательный аппарат от силы тяготения небесных тел.

Итак, Кейвор получает такое вещество (в результате случайного нарушения температурного режима и последующего сильнейшего взрыва!), Уэллсом указана даже дата этого фантастического открытия — 14 октября 1899 года. Чудесный материал получает название по имени своего создателя — «кейворит». С его помощью становится возможным космическое путешествие на Луну. В результате двое землян поднимаются ввысь и летят «так же быстро, как снаряд, пущенный в бесконечное космическое пространство». Перед ними открываются новые миры, они осваивают невесомость среди «безвоздушного, усеянного звездами неба». Затем, маневрируя кейворитовыми заслонками-экранами, они опускаются на поверхность Луны…

Если бы имелось такое вещество, то с его помощью можно было бы не только легко путешествовать по звездным мирам, самоускоряясь до субсветовых скоростей, но и создать неиссякаемые источники энергии, воплотив мечту человечества о вечном двигателе. Но вот может ли, хотя бы в принципе, существовать такой природный элемент…

Крутильные весы Этвеша

Основную часть прибора составляет легкое горизонтальное коромысло, подвешенное на тонкой платиноиридиевой проволоке. К коромыслу прикреплены два грузика, один из которых расположен ниже другого. Наблюдая за шкалой в бинокль, можно обнаружить самый незначительный поворот коромысла.

Полет шара из кейворита (Герберт Уэллс, «Первые люди на Луне»)

Попробуйте задуматься — в чем же может заключаться сущность антигравитации, и после некоторых размышлений вы наверняка придете к удивительному понятию тел с отрицательной массой. Мы уже отмечали поразительное сходство ньютоновского закона всемирного тяготения и закона Кулона для взаимодействующих электрических зарядов. В одном — массы, в другом — заряды, все остальное одинаково. Поразительное сходство законов сразу наводит на мысль о том, что масса — это гравитационный заряд. Вот только почему он всегда одного знака, ведь электрические заряды бывают положительными и отрицательными, а гравитационные — только положительными. Может быть, это просто локальное свойство окружающего нас пространства и где-то в глубинах космоса существуют области антитяготения? Но тогда по каким признакам астрономы и физики должны вести поиск антигравитационной материи?

С первого взгляда может показаться, что различия в свойствах плюс- и минус-вещества не больше, чем у положительных и отрицательных электрических зарядов. Однако физический анализ показывает, что вселенные из плюс- и минусгравитирующего вещества обладали бы существенно различными свойствами. Чтобы убедиться в этом, вспомним о школьном втором законе Ньютона: ускорение тела равно действующей на него силе, поделенной на массу. У обычного и антигравитирующего вещества оно будет направлено в разные стороны, и если оттолкнуть предмет с отрицательной массой, он, наоборот, начнет приближаться. Любопытно было бы наблюдать полеты самолетов и ракет в таком мире! Все их движение происходило бы соплами вперед, а винты и турбины захватывали бы воздух в кормовой части и выбрасывали перед кабиной пилотов. А какое странное вооружение носили бы воинственные аборигены антигравитационных миров! Луки с тетивой, натягиваемой вперед, катапульты, выбрасывающие ядра назад, и очень необычное огнестрельное оружие, построенное по принципу безоткатных орудий и выбрасывающее вместе с пороховыми газами снаряды через затворную часть.

В общем, жить на планете с антигравитирующим веществом было бы совсем не просто. Известно, как трудно космонавтам научиться обращаться с предметами в невесомости, привыкнуть же к отрицательным массам было бы несравненно труднее! Получается, что законы механики в антигравитационном мире как бы имеют обратное действие, давая прекрасный сюжет для научно-фантастического повествования! Тем не менее подобная удивительная реальность вполне возможна и не противоречит ни физике, ни логике.

Чтобы понять все парадоксы мира антигравитации, надо вспомнить о двух типах физических масс: гравитационной, входящей в закон всемирного тяготения, и инертной из формулы, связывающей ускорение с силой. Создавая свою общую теорию относительности, Эйнштейн вывел очень важный принцип эквивалентности обеих масс. Этот принцип проверялся множество раз с все более возрастающей точностью, и ученые до сих пор не нашли отличия гравитационных сил от механических инерционных.

Рассмотрим взаимодействие двух тел, причем первое создает гравитационное поле и притягивает второе, как говорят, пробное тело. Ускорение пробного тела равно силе, поделенной на инертную массу, а сила притяжения пропорциональна произведению гравитационных масс обеих тел. Поскольку гравитационная и инертная массы пробного тела одинаковы, они сокращаются, и в результате получается, что его ускорение полностью определяется массой первого тела. Получается, что обычное вещество притягивает все тела независимо от того, какая у них масса, положительная или отрицательная, а вот антигравитирующая материя отталкивает от себя все другие тела, вне зависимости от вида массы. Самое же любопытное происходит при встрече обычного и антигравитирующего тел. Первое тело тянет антигравитанта к себе, а тот всячески отталкивается! Если усилия такого тандема направлены в одну сторону, то пара начинает двигаться как бы сама по себе, да еще и с ускорением!

Вот таким образом можно было бы сконструировать современный прообраз ковра-самолета или семимильных сапог. Откуда же будет браться энергия для подобных сказочных чудес? Закон сохранения энергии составляет фундамент современной физики, и любое его несоблюдение мгновенно уничтожает проекты не только до сих пор многочисленных лжевечных двигателей, но и красивых физических идей.

Однако, как это ни странно, никакие законы сохранения не нарушаются при движении системы из положительных и отрицательных гравитационных зарядов. Рассмотрим общую энергию нашей необычной системы тел. Для равных масс обычного и антигравитирующего тел суммарная энергия всегда остается равной нулю, независимо от того, движется эта пара или покоится. Отрицательная кинетическая энергия ковра-антигравитанта будет компенсировать положительную кинетическую энергию его седока, и в целом закон сохранения энергии не нарушится. В мире с отрицательными массами возникновение энергии «самодвижения» всего лишь означает ее перераспределение. Правда, в мире антигравитации должно наблюдаться множество необычных физических эффектов. К примеру, при облучении обычного вещества потоком элементарных частиц вещество тормозит частицы или даже задерживает их в себе. А вот антигравитирующие частицы при прохождении обычной материи будут только ускоряться, а их собственная отрицательная энергия возрастать по абсолютной величине. Обычное тело может стать своеобразным ускорителем элементарных частиц — антигравитантов!

Итак, в мире антитяготения действуют все те же законы сохранения, однако в природе существуют и другие фундаментальные запреты. Наиболее подозрителен с этой точки зрения принцип причинности, запрещающий объединение событий в замкнутые петли, когда, двигаясь вперед по времени, тем не менее удается попасть в прошлое. Например, больше скорости света может стать скорость движения центра тяжести двух разлетающихся в противоположные стороны тел. Если они состоят из обычного вещества, их центр тяжести всегда располагается между ними и его скорость никогда не бывает больше световой. Однако если одно из тел имеет отрицательную массу, то центр тяжести будет располагаться снаружи пары и его скорость тем больше, чем ближе по абсолютной величине массы разлетающихся тел. Для равных масс его скорость вообще будет стремиться к бесконечности. Разгадка этого парадокса связана с принципом «сверхсветового зайчика» или мнимых «сверхсветовых ножниц». Дело в том, что даже небольшое перемещение антигравитирующей массы приводит к очень резкому сдвигу центра тяжести, подобно тому как небольшое покачивание зеркальца в солнечном луче выражается в гигантских скачках светового блика — зайчика или легкое движение ручек воображаемых ножниц приводит к сверхбыстрому движению их сверхдлинных концов, скорость которого вполне может превысить световую.

Однако все эти умозрительные парадоксы нисколько не нарушают основополагающий принцип причинности. Ведь теория относительности запрещает сверхсветовое перемещение материи, энергии и информации, так как только такие процессы воздействуют на тела и происходящие с ними события. Ну а поскольку ни солнечный зайчик, ни воображаемый рычаг сверхдлинных ножниц не несут с собой ни материи, ни энергии, ни информации, то с их помощью невозможно нарушить «логику физических событий». Таким же образом движется и центр тяжести пары положительного и отрицательного гравиазарядов, напоминая перемещение мнимой математической точки.

Итак, непреодолимых запретов для антигравитирующей материи пока еще теоретически не выявлено, и есть все основания продолжать разработку данной удивительной концепции. Существует научный принцип познания окружающей природы, гласящий: все, что не противоречит известным нам законам, имеет право на существование. С этой точки зрения поиск вещества с отрицательной массой вполне оправдан. Только вот где его искать?

Впервые идея антигравитирующей материи появилась много лет назад в работах выдающегося английского физика Поля Дирака, который пытался объединить квантовую механику с теорией относительности. Он посчитал найденные решения ошибочными, поскольку они содержали отрицательные значения энергии и массы. В связи с этим идея отрицательных гравитационных зарядов долго не имела дальнейшего развития, как призрак возникая и исчезая в различных физических теориях.

В середине прошлого века исследования возможности построения теории антигравитации проводили известный английский теоретик Г. Бонди и советский физик Я. П. Терлецкий. В свое время Бонди прославился своими исследованиями звездной аккреции (падения вещества на поверхность звезд) и разработкой теории стационарной Вселенной, что и наложило отпечаток на его концепцию антигравитирующей материи. Впрочем, однозначного и убедительного ответа на вопрос о том, может ли подобное вещество существовать в природе, данные ученые так и не смогли сформулировать.

Сравнительно недавно появились новые публикации в научных журналах, возвращающие нас к интригующей загадке отрицательных масс. По мнению группы английских физиков, не исключено, что миллиарды лет назад в новорожденной Вселенной положительные и отрицательные гравитационные заряды были хаотически перемешаны. В последующем под влиянием гравитационных сил положительная материя собралась в комки планет, звезд и галактик, а отрицательная, отталкиваясь от всего на свете, распределилась более или менее однородно, образовав космические пустоши на границе Метагалактики. Если это так, то распределение вещества в мире должно быть похожим на гигантские соты с ячейками, заполненными разреженной антигравитирующей материей, и пограничными стенками из сконденсированного обычного вещества. Любопытно, что астрономы действительно наблюдают нечто похожее и не нашли еще однозначного объяснения такой субструктуре Метагалактики.

Впрочем, вполне возможно, что антигравитирующей материи в нашей Вселенной просто не осталось к настоящему времени по той же причине, почему нет небесных тел из антивещества. Эту загадку решил в свое время академик Андрей Дмитриевич Сахаров, обратив внимание на то, что античастицы при очень высоких температурах вступают в реакции чаще частиц, и поэтому при формировании материи после Большого взрыва они просто выгорели без остатка. Подобным образом могут вести себя в условиях сверхвысоких температур и разноименные гравитационные заряды, взаимодействуя с различной скоростью реакций. Поэтому вполне вероятно, что антигравитирующее вещество до наших дней практически не сохранилось.

Не вполне также ясно, почему частицы-антигравитанты никогда не рождаются в столкновениях обычных быстрых элементарных частиц. При бомбардировке мишеней разогнанными на ускорителях протонами образуются мощные ливни вторичных частиц. Среди них часто находят античастицы, но ни разу не была зарегистрирована антигравитирующая частица. Может быть, это связано с тем, что рождающиеся частицы по закону сохранения количества движения всегда движутся в одну сторону и мгновенно при этом аннигилируют? Однако очень точные и тонкие методы наблюдения в современной атомной и ядерной физике позволяют фиксировать и гораздо более быстрые процессы аннигиляции виртуальных частиц… Конечно, можно предположить, что положительные и отрицательные гравиазаряды крайне слабо взаимодействуют между собой — и поэтому в обычных столкновениях элементарных частиц антигравитанты практически никогда не рождаются. К сожалению, все это мало подкреплено теоретическими разработками и больше напоминает гадание на кофейной гуще… (рис. 24 цв. вкл.).

Ускоритель ядерных частиц

Некоторые эксперименты ставились лишь для изучения отклонений медленных нейтронов в поле земного тяготения. Ничего неожиданного они не принесли, и это еще более укрепило уверенность физиков в том, что антигравитации место лишь на страницах научно-фантастических произведений.

Космические соты Метагалактики

Многие ученые связывают образование «вселенских сот» с влиянием так называемых космических струн — необычайно тяжелых и очень тонких мембран, оставшихся от сверхплотного первичного состояния Вселенной и сыгравших роль центров, вокруг которых под действием сил всемирного тяготения происходила концентрация первоначально однородной материи. Однако некоторые теоретики считают, что антигравитация также могла сыграть свою роль, ведь существование космических струн не подтверждено экспериментами и астрономическими наблюдениями.

В последние годы появилось довольно много новых космологических сценариев Большого взрыва и даже досингулярного периода. Разумеется, все они сугубо умозрительны и по-научному спекулятивны, однако среди них встречаются оригинальные обобщения теории относительности, основанные на математической теории симметрий. Подобные концепции предсказывают, что вскоре после рождения нашего мира в катаклизме первичной флуктуации он вполне мог разделиться на две части. Материальная составляющая этих половинок мира во всех отношениях должна быть подобна, так что взаимодействовать между собой они могли только с помощью гравитационного поля. Все другие заряды, отвечающие ядерным, слабым и электромагнитным взаимодействиям, у них имеют разную природу и принципиально не взаимодействуют друг с другом. Вполне возможно, что такие части расщепленной Вселенной могли бы иметь различные гравитационные заряды, оправдывая гипотезу о не взаимодействующих между собой обычных и антигравитирующих частицах.

К сожалению, вокруг проблемы антигравитации всегда была масса лженаучных слухов и выдумок. Мало того что подавляющее большинство «уфологов» считает делом чести оснастить свои призраки летающих блюдец всевозможными «антигравами» и «гравицапами», так еще и вполне респектабельные технические журналы изредка вносят свою лепту, публикуя заметки о «безумных изобретениях» малоадекватных изобретателей. Например, не так уж давно немецкий журнал «Пространство и время» опубликовал несколько заметок о совершенно фантастических опытах некоего английского инженера Д. Сэрла с быстро вращающимися дисками, состоящими из множества специальным образом сконструированных магнитов. Раскрученные до определенной скорости, такие диски якобы начинали далее вращаться сами по себе, без всяких видимых источников энергии, приобретали подъемную силу, стремительно взмывали в небо (один из них проломил даже крышу лаборатории) и, подобно таинственным НЛО, бесшумно перемещались на большие расстояния. Из приведенных в журнале свидетельств очевидцев следует, что края самораскручивающихся дисков нагревались и испускали какое-то свечение, а на месте их старта оставались вырванные комья земли. Такое впечатление, что английскому инженеру посчастливилось открыть какой-то неизвестный способ аккумуляции энергии или даже обнаружить какой-то новый вид полевых структур. Если принять на веру то, о чем сообщает журнал, то тут мы встречаемся с чем-то вроде откачки энергии из вакуума, в результате чего изменяется температура окружающего пространства, а управляемые изобретателем тела приобретают способность двигаться в любом направлении!

Неясно, как, в общем-то, респектабельный журнал мог опубликовать такую малопроверенную информацию, не имеющую к науке ни малейшего отношения. Когда журналисты из конкурирующего издания стали проверять факты, афера вокруг удивительных «дисков Сэрла» мгновенно лопнула. Оказалось, что, «к несчастью», в силу «ряда неприятных жизненных коллизий» диски были уничтожены, документация сгорела, а изобретатель хотя и вроде как бы жив, но находится в последней стадии слабоумия, так что ничем не может помочь горе-энтузиастам, рвущимся построить «дисколет Сэрла» и воспарить на нем в пространство. Тем не менее подобная чепуха порождает множество слухов и кривотолков.

Сообщения о попытках практического использования «антигравитационной энергии вакуума» можно найти и в других научных изданиях. Например, в некоторых индийских технических журналах сообщалось о «создании установки по извлечению электроэнергии прямо из пространства» инженером одной из работающих в Индии атомных электростанций. Подобно бутафорским «дискам Сэрла», она тоже использует магниты, проводящие диски и вращающиеся детали. В некоторых статьях приводятся даже некие «чертежи» машины. Но, судя по голодающим массам индийского народа (данные ООН), жуликам-инженерам не удалось добиться потока даровой энергии из «расщепленного вакуума» и создания «вакуумно-антигравитационного вечного двигателя».

Разумеется, мы прекрасно знаем, что состояние вакуума представляет собой не тривиальную пустоту, а один из видов материи с богатым внутренним содержанием, однако все попытки энтузиастов-дилетантов подручными средствами и уже сейчас овладеть его энергией априори выглядят очередным и заведомо ошибочным изобретением пресловутого «вечного двигателя». Для исследования и поиска инженерных решений здесь требуется принципиально иной технический уровень довольно отдаленного будущего, и это еще самый оптимистичный прогноз…

Задача сегодняшнего дня здесь — не выходить за рамки настоящей науки и тысячекратно перепроверять любое сомнительное достижение. Тем более что, как это ни удивительно, с отрицательной энергией вакуума, не зная того, мы встречаемся буквально на каждом шагу, перемещая предметы или двигаясь среди них. Речь идет о явлении, открытом в конце сороковых годов прошлого столетия голландским физиком Хендриком Казимиром. Эффект Казимира связан с воздействием вакуума на погруженные в него тела путем перераспределения энергии квантовых флуктуаций в промежутке между двумя очень близкими объектами. В своих исследованиях Казимир сравнил энергию бесконечно протяженного, не стесняемого никакими границами вакуума и его энергию в промежутке между двумя близкими пластинами. Подобно морской гавани за молом, вакуумные поля между пластинами колеблются с меньшей амплитудой, чем в открытом море «безбрежного пространства». Пластины мешают свободному рождению длинноволновых излучений (они просто не укладываются внутри щели), поэтому число флуктуаций — и, следовательно, суммарная энергия вакуума там несколько меньше. Теоретические расчеты подтвердили предположение голландского физика. Оказалось, что под действием вакуума пластины должны притягиваться друг к другу, и на малых расстояниях это притяжение оказывается значительно сильнее гравитационного, очень быстро возрастая при сближении пластин. Конечно, по бытовым меркам сила притяжения Казимира ничтожна, ведь на каждый квадратный метр полированных металлических пластин, отстоящих друг от друга на толщину человеческого волоса, действует такая же сила, какую испытывает чашка весов, на которой лежит мелкая песчинка. Впрочем, здесь важно, что повторить эффект Казимира в современных лабораториях не составляет особого труда. К тому же если бы удалось каким-либо образом сблизить пластины до атомарных расстояний, то сила притяжения сразу же выросла бы до сотен тысяч тонн на квадратный метр!

Получается, что окружающий нас вакуум содержит океаны энергии! И если энергию «открытого» вакуума принять за нулевой уровень, то его масса и энергия в промежутке между пластинами станут отрицательными. Другими словами, мы снова пришли к одному из видов антигравитирующей материи. Она образуется при любом ограничении вакуума между любыми физическими телами, а также при искривлении пространства гравитационным полем. Таким образом, получается, что наш мир буквально погружен в бездонный резервуар антигравитирующей материи! Конечно, в нашей повседневности вакуумная антигравитирующая материя совершенно незаметна, зато в масштабах элементарных частиц и Метагалактики ее влияние может оказаться весьма существенно.

Один из таких опытов готовится в Женеве, в Европейском центре ядерных исследований. Предполагается взвесить… антивещество. Ведь если верна теория, то при взаимодействии вещества с антивеществом возникает усиленное притяжение и вместо компенсации происходит их усиление. Антивещество в поле тяготения Земли должно весить больше вещества. Антипротоны, образующиеся при бомбардировке мишени пучком протонов высокой энергии, будут с помощью электромагнитного поля отделяться от других частиц и накапливаться в специальной ловушке, изолированные магнитным полем от соприкосновения с веществом. Когда их накопится достаточно много, антипротонным сгустком выстрелят в расположенную сверху мишень-детектор. Если время движения антипротонов к мишени будет больше, чем для протонов, это станет прямым доказательством дополнительной гравитационной силы. Тогда должна существовать и антигравитация.

Может, получение энергии путем понижения уровня вакуума и не такая уж чушь, но сегодня гораздо актуальнее и не менее перспективно исследовать известное нам гравитационное поле, которое описывается общей теорией относительности Эйнштейна и подчиняется закону всемирного тяготения Ньютона. Кванты этого поля, их называют гравитонами, всегда движутся со скоростью света — с максимальной скоростью, которую могут иметь материальные объекты. Их нельзя ни затормозить, ни ускорить. Вся их масса связана с энергией движения, как у частиц света фотонов. Своей собственной массы, «массы покоя», у них нет. В этом смысле гравитоны можно назвать безмассовыми частицами — как световые фотоны.

Разумеется, когда речь идет об открытии такого фундаментального явления, как антигравитация, прежде всего нужно помнить о критериях научности нового знания. При этом главным здесь, несомненно, является создание исчерпывающей экспериментальной базы. Нужны сотни и тысячи новых экспериментов и наблюдений, которые помогли бы выявить все стороны этого многогранного явления. Например, еще одна гипотетическая особенность гравитационных сил состоит в том, что они зависят от скорости тел. Для движущегося тела антигравитация сильнее, и этот эффект может существенно сказаться на свойствах космических объектов, например пульсаров — особого класса быстро вращающихся тяжелых и очень компактных звезд. Скорость вещества на их поверхности может составлять заметную часть скорости света, и свойства гравитационных сил там могут быть совсем не такими, как в земных условиях.

Вспомним, что закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона для взаимодействия двух заряженных тел имеют почти одинаковый вид. Различаются они лишь тем, что в закон Кулона входят электрические заряды тел, а в закон Ньютона — их массы, да еще тем, что формула Ньютона содержит постоянный коэффициент — так называемую гравитационную постоянную. Ее величина зависит от выбора системы единиц, их можно выбрать так, что она станет единичной, тогда законы вообще не будут математически различаться. Этот факт сразу обращает на себя внимание, и на уроках физики любознательные ученики часто задают вопросы: что скрывает здесь природа — обыкновенное совпадение или еще не понятую универсальность физических законов? Исчерпывающие ответы на эти вопросы являются делом отдаленного будущего, поскольку пока еще все попытки объединить в одном законе электромагнитные и гравитационные силы ни к чему не привели.

Вообще говоря, один из главных постулатов общей теории относительности Эйнштейна, касающийся равенства гравитационных и инерционных масс, можно переформулировать как равенство неких гравитационных зарядов и соответствующих масс. Правда, тут надо сразу учесть, что в отличие от электрических зарядов их гравитационные аналоги все одного знака и всегда направлены только на сближение тел. Получается, что в соответствии с современными представлениями природа гравитационных сил описывается общей теорией относительности Эйнштейна, а подчиняются они закону всемирного тяготения Ньютона. Мы уже знаем, что кванты поля тяготения называют гравитонами, и теория предсказывает, что они должны всегда двигаться со скоростью света. Вся их масса связана с энергией движения, «масса покоя» у них, подобно частицам электромагнитного поля — фотонам, отсутствует, подобные частицы физики называют безмассовыми.

Появление квантовой механики (о которой рассказывалось в предыдущей главе) в начале прошлого века было связано с доказательством, что материя состоит из атомов. Квантовая физика требует, чтобы некоторые величины, такие, как энергия атома, могли принимать только определенные дискретные значения. Квантовая механика в точности описывает свойства и поведение атомов, элементарных частиц и связывающих их сил. Самая успешная в истории науки квантовая теория лежит в основе нашего понимания окружающего мира.

Физики и математики очень много сделали для превращения классической теории относительности в квантовую. Например, сейчас у физиков популярна теория струн, согласно которой помимо трех хорошо известных пространственных измерений есть еще шесть или семь, которые до сих пор никому не удавалось заметить. Эти измерения очень компактно скручены наподобие пружин и «спрятаны» в глубине обычного пространства. Выявить их можно только при столкновении очень энергичных частиц. Такие эксперименты планируется провести на новых сверхмощных ускорителях элементарных частиц — коллайдерах. Теория струн также предсказывает существование множества новых элементарных частиц и сил, наличие которых еще ни разу не было подтверждено наблюдениями.

Созданная в начале прошлого века общая теория относительности в течение долгого времени оставалась самым величественным и сложным построением теоретической физики. Казалось, человеческая мысль достигла предельных высот, с которых можно обозревать мир от первых мгновений его жизни и до невообразимо далеких времен, когда он превратится в рой разлетающихся элементарных частиц. Расширяющееся во все стороны, «распухающее» пространство с провалами «черных дыр»… космические миры, спрятавшиеся внутри микрочастиц… области, в которых замирает время и секунда превращается в миллиарды миллиардов лет… толстые книги, заполненные вязью сложнейших математических формул… Казалось, куда уж дальше!

Однако новая теория квантовой гравитации позволяет совершенно по-иному взглянуть на происхождение Вселенной и представить, что происходило не только сразу же после Большого взрыва, но и до него. Так что не исключено, что нам с вами еще посчастливится узнать ответ на самую жгучую загадку мироздания — что же действительно предшествовало чудовищному космическому катаклизму Большого взрыва.

Таким образом, мы можем с интересом наблюдать, как в последние годы физики упорно строят грандиозное здание обобщенной теории относительности, внутри которого старая теория Эйнштейна будет занимать лишь один из множества залов. В свое время физико-геометрические идеи Эйнштейна и его предтечи Лобачевского потрясли ученый мир новыми фундаментальными представлениями об окружающей Вселенной. Какими же удивительными должны быть выводы сверхновой, более глубокой и общей теории!

В своей замечательной книге «Этюды о симметрии» американский физик-теоретик Юджин Поль Вигнер все наши знания по физике разделил на три уровня. Первый — сведения о различных явлениях, второй — объединяющие их законы и, наконец, третий, высший уровень — симметрии, которые устанавливают связи между самими законами.

Физики понимают симметрию как своеобразную «стойкость» материальной системы к внешнему воздействию на ее отдельные параметры. Можно говорить, например, о симметрии по отношению к пространственным сдвигам, о симметрии всех явлений природы при замене частиц на античастицы, о симметричности свойств частиц по отношению к какому-то типу взаимодействий и так далее.

Так вот, Вигнер считает, что симметрия — это самое главное, что есть в физике. И с ним трудно не согласиться. Ведь симметрии связаны с законами сохранения, на которых держится вся физическая наука. Законы сохранения устанавливают ограничения на возможные движения системы и происходящие в ней процессы. Их знание чрезвычайно важно для понимания ее свойств. Образно говоря, симметрии и законы сохранения выполняют роль железного каркаса, на котором держится здание физической теории.

В фундаменте современной физики элементарных частиц лежит теория симметрии, обессмертившая имя французского математика Эвариста Галуа.

Подобно тому как периодическая система элементов Д. И. Менделеева дает возможность предсказывать существование элементов с конкретными свойствами, теория Галуа позволяет предсказывать существование еще неизвестных свойств микрообъектов с данной симметрией. Трудно переоценить пользу такой теории! Это похоже на то, как если бы, плутая в Королевстве кривых зеркал, мы вдруг нашли волшебные очки и прихотливо изогнутый, деформированный мир приобрел бы для нас четкие формы. Открытие новых мультиплетов элементарных частиц — очень важное событие в физике, порождающее лавину экспериментальных и теоретических исследований. Это поворотные пункты в развитии физической науки, когда она получает в свое распоряжение карту нового района Страны неизвестного. Но чтобы пользоваться этой картой, сначала нужно определить на ней масштабы расстояний и высот местности, то есть своеобразным образом ее прокалибровать.

Мы уже знаем, что четыреста с лишним лет назад великий Галилео Галилей открыл замечательную симметрию двух систем координат — неподвижной и равномерно движущейся вдоль прямой линии. Физические процессы протекают в них совершенно одинаково. Находясь внутри закрытой кареты, никакими опытами нельзя установить, стоит она на месте или равномерно движется. Галилей установил эту симметрию для небольших скоростей и только для механических процессов. Других возможностей у него не было. В начале прошлого века было доказано, что данная симметрия сохраняется при любых скоростях, вплоть до самых больших, близких к скорости света, и не только для механических, но вообще для любых физических процессов.

А можно ли найти еще более общую симметрию? Теория как бы подсказывает путь ее развития — нужно только открыть еще одну симметрию, но такую общую, чтобы она охватывала все известные нам виды материи.

Мы уже знаем, что квантовые законы, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии. С другой стороны, физики давно уже открыли у элементарных частиц своеобразное внутреннее «вращательное» движение и назвали его спином.

Вернемся теперь к квантовой теории тяготения, которая основывается на гипотезе существования гравитона — кванта поля тяготения. Гравитон подобен фотону — это безмассовая частица, движущаяся со скоростью света. Гравитон должен проявлять свои уникальные свойства на очень малых расстояниях, меньших тысячной диаметра протона. Поле тяготения в таких масштабах приобретает совершенно новые черты и становится супергравитацией. Теория Эйнштейна для нее уже непригодна. Здесь нужна новая теория, объединяющая квантовую механику, идею суперсимметрии и общую теорию относительности. Она и создается героическими усилиями интернационального коллектива физиков многих стран. Однако главным препятствием для развития этой замечательной теории остается отсутствие надежных экспериментальных данных.

Излучение одного из кандидатов в коллапсары

Определенной проверкой для теории квантовой гравитации может служить загадка излучения черных дыр. Физики разработали модель черной дыры, излучающей энергию и элементарные частицы пропорционально площади ее поверхности. Вскоре знаменитый английский физик-теоретик Стивен Хокинг пришел к выводу, что черные дыры, особенно маленькие, должны излучать частицы и энергию, хотя затем он несколько изменил свои взгляды.

Эйнштейн в шутку как-то заметил, что с тех пор, как на его теорию навалились математики, он сам перестал ее понимать. Но по сравнению с теорией супергравитации общая теория относительности — легкое чтение! Можно было бы думать, что сегодня и в обозримом будущем супергравитационная теория будет иметь лишь чисто умозрительное значение, ведь когда еще мы доберемся до сверхмалых расстояний, где гравитино вносит заметный вклад! Однако у этой теории есть свойство, которое, когда его обнаружили, стало настоящей сенсацией и буквально приковало к себе внимание физиков.

Чтобы уяснить, в чем тут дело, вспомним прочитанное в предыдущих главах и перенесемся на много лет назад, к концу двадцатых годов прошлого века, когда только что созданная квантовая механика находила все новые и новые экспериментальные подтверждения, а физики были полны вдохновения и оптимизма.

В те далекие времена двое теоретиков, немец Вернер Гейзенберг и швейцарец Вольфганг Паули, применили идеи новой — квантовой — теории к электромагнитному полю. Теория получилась удивительно элегантной и позволила рассчитать много новых эффектов. Квантовая физика торжествовала еще одну победу. Казалось, удалось создать единую теорию вещества и поля, которая с высокой точностью описывает все явления микромира.

И тут неожиданно выяснилось, что для массы электрона, его электрического заряда и ряда других связанных с ними величин новая теория дает физически бессмысленные бесконечные значения!

В таком противоестественном состоянии квантовая наука существовала более полувека. Она умела с высокой точностью рассчитывать строение атомов и молекул, точно предсказывать вероятности различных процессов с элементарными частицами и вместе с тем была буквально нафарширована бесконечностями.

На помощь пришла суперсимметрия. Оказалось, что бесконечности, связанные с квантовой гравитацией, компенсируют друг друга. Это был выдающийся успех. Первая область квантовой физики, где злой дух бесконечностей был побежден и изгнан! Появилась реальная надежда создать непротиворечивую теорию элементарных частиц.

Однако более тщательные исследования показали, что часть бесконечностей все же осталась. И вот тут был сделан еще один важный шаг — выдвинута гипотеза о том, что окружающий нас мир не исчерпывается тремя известными нам измерениями — длиной, шириной и высотой — и в нем есть еще скрытые, не видимые нами пространственные измерения.

Если раньше физическая наука напоминала архипелаг, то теперь острова слились в единый, крепко сцементированный законами симметрии материк. Образно говоря, найдена формула строения мира. В заголовках физических статей появился даже полузабытый со времен Эйнштейна термин «теория всего». Конечно, использующие этот термин физики понимают всю его условность: мир слишком многообразен, чтобы можно было полностью описать его одной или несколькими формулами. Речь может идти лишь об ограниченной, уже изученной его области (рис. 25 цв. вкл.).

Итак, нужна какая-то очень глубокая теоретическая идея. Вот тут ученые и вспомнили о странном результате, который в начале двадцатых годов получил работавший в Кенигсбергском университете польский физик Теодор Калуца.

Как и на других ученых, на Калуцу огромное впечатление произвел вывод Эйнштейна о том, что, являясь физической силой, тяготение тем не менее имеет чисто геометрическую природу, являясь искривленностью четырехмерного пространства-времени. Кроме гравитации в то время был известен еще только один тип сил — электромагнитные, и Калуца предположил, что они тоже имеют какое-то геометрическое происхождение.

Результат удивительный и… непонятный! Один из тех, о которых говорят: либо просто совпадение, математический фокус, либо отблеск чего-то очень далекого, что еще только предстоит открыть и понять. Эйнштейн, которого Калуца просил рекомендовать его статью в физический журнал, два года колебался, прежде чем удовлетворил просьбу.

Тут-то и пригодилась теория единого суперполя, все компоненты которого — родные сестры. Основываясь на идее Калуцы, всех их можно считать гравитацией в многомерном пространстве-времени. В физике такое бывает часто — развиваются, казалось бы, не имеющие ничего общего направления, испытывают трудности, заходят в тупик. И вдруг кто-то сообразит, что это — разные стороны одного и того же, причем каждая имеет как раз то, чего недостает другой.

Но почему тогда мы никак не ощущаем дополнительные измерения? Не приходим ли мы в противоречие с реальными фактами?

Можно придумать вселенную и из полностью независимых параллельных миров, каждый из которых, подобно гладкой шелковой ленте, повторяет все изгибы соседнего. Многие писатели-фантасты давно уже продуктивно эксплуатируют подобные идеи.

Ничего подобного в нашем мире не наблюдается (хотя время от времени можно встретить газетные утки о якобы наблюдавшихся кем-то и где-то случаях мгновенной телепатии или телекинеза!). Самые тщательные, с огромной точностью выполненные опыты с элементарными частицами (а в этом случае можно получить наибольшую точность) не обнаружили никаких, даже самых малых, нарушений причинности.

Есть еще одно соображение, которое, казалось бы, убедительно говорит о том, что в нашем мире нет ни четвертого, ни более высоких пространственных измерений. Английский астрофизик Артур Эддингтон доказал, что в этом случае вообще не было бы атомного вещества, так как в мирах с числом измерений, большим трех, электрические заряды взаимодействуют слишком сильно. Электроны там не могут удержаться на орбитах, и атомы «взрываются внутрь» или коллапсируют. Может быть, такие своеобразные миры где-то и существуют вне нашей реальности, но в нашей Вселенной атомы устойчивы и потому, сделал вывод Эддингтон, никаких дополнительных пространственных измерений в ней просто нет. И тем не менее это все же не означает, что в нашем мире нет четвертого измерения. Оно может открываться лишь глубоко в микромире, куда мы пока еще не можем заглянуть с помощью наших приборов.

Трудность с лишними пространственными измерениями была главной причиной подозрительного отношения физиков к идее Калуцы. Первую серьезную попытку справиться с ней предпринял шведский теоретик Оскар Клейн. По его мнению, четвертое пространственное измерение, постулированное Калуцей, существует реально и не ощущается нами лишь потому, что мир в этом направлении имеет микроскопически малый радиус, то есть представляет собой крошечную замкнутую окружность. Если бы мы могли двигаться в этом направлении, мы бы сразу же вернулись в исходную точку.

Хотя мысль о высших пространственных измерениях — неподтвержденная экспериментом гипотеза, в глазах физиков она выглядит весьма убедительной. Она обещает отрубить головы дракону бесконечностей, она как нить Ариадны ведет физиков к последовательной и самосогласованной теории вещества и поля. Трудно даже подумать, что столь плодотворная идея может оказаться всего лишь временной теоретической химерой.

Вспомним, что такое заряженный конденсатор, — это две металлические пластины и слой электрических силовых линий между ними. Если пластины раздвинуть на расстояние, много большее их размеров, слой превратится в жгут силовых линий.

Он обладает определенной упругостью, и его можно назвать электрической полевой струной. Подобная же магнитная струна образуется между двумя намагниченными шариками. С помощью мелких железных опилок ее можно сделать видимой и убедиться в том, что, будучи отклоненной в сторону, она упруго восстанавливает свою форму.

Размеры элементарных частиц в тысячи раз больше размеров составляющих их кварков, поэтому между кварками тоже натягиваются струны — стринги глюонного поля. Их можно заметить в столкновениях частиц. Образование полевых струн — весьма распространенное явление в мире элементарных частиц.

Стринги могут разрываться и слипаться, рождая дочерние и внучатые стринги. При этом образуются замкнутые струнные кольца и более сложные переплетающиеся фигуры. Стринги — объекты с очень сложной геометрией. Но самое важное состоит в том, что подобно тому, как это происходит со струной гитары, в них могут возбуждаться колебания — различные полевые обертоны. И так же, как звуковые волны, эти обертоны отделяются от колеблющейся струны и распространяются в виде волн в окружающем вакууме.

Интересно, что поначалу большинство физиков встретили новую теорию с недоверием. Избавив их от бесконечностей, она принесла с собой другой страшный порок: в ней появились тахионы и духи. Тахионы — это частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света. Таких частиц никогда никто не наблюдал ни прямо, ни косвенно. А если бы они были и, как предсказывала новая теория, могли разлетаться на большие расстояния, это порождало бы массу поразительных явлений, которые никогда не наблюдаются. Еще хуже для здравого смысла так называемые духи. Объяснить, что это такое, в обиходных терминах и понятиях просто невозможно, да и сами теоретики склоняются к мнению, что это понятие попало в нашу физику явно из «другой» вселенной.

Физика во многом сложилась как экспериментальная наука, и лишь прошлый век дал импульс развитию ее теоретической части. С течением времени физические эксперименты становились все более сложными и дорогостоящими, поэтому физикам все чаще приходилось извлекать скрытый смысл из природных явлений с помощью математических абстракций. Впрочем, довольно скоро, на протяжении второй половины прошлого столетия, физико-математический авангард теоретиков настолько сильно оторвался от основной массы исследователей, что практически потерял с ними связь. Однако при этом данная группа ученых встретилась уже со своими коллегами — математиками, решающими с помощью математических моделей различные реальные задачи, и вместе с ними ринулась на покорение следующих вершин науки.

Хотя мы часто говорим о смелости научной мысли и беспредельном полете фантазии, наши идеи, даже самые фантастические, по существу, не слишком уж далеко выходят за пределы привычного нам мира. Это проявляется и в теоретической физике, несмотря на всю необычность ее современных представлений. Например, многомерные миры в каких-то отношениях мыслятся как нечто весьма похожее на нашу четырехмерную Вселенную, только с большим числом координат. В одной из своих статей знаменитый американский физик, нобелевский лауреат Стивен Вайнберг иронически заметил, что такие представления сродни уверенности в том, что при любом контакте с космическим разумом мы встретим если не зеленых человечков, то что-нибудь похожее на жука, осьминога или какое-либо другое земное существо.

Хромосомы мира

В середине семидесятых годов прошлого века физики пришли к мысли о том, что если в природе существуют еще более мелкие объекты, чем глюоны и кварки, то они тоже должны быть связаны струнами, которые не дают им разойтись на большие расстояния и делают их, подобно кваркам и глюонам, вечными пленниками внутри самих кварков и глюонов. Их стали называть стрингами («стринг» — по-английски «струна»). Вскоре выяснилось, что такие жгуты напряженного поля могут существовать и сами по себе — как независимые «хромосомы мира».

Следы темной материи и энергии

Темная энергия темна по крайней мере в двух смыслах. Во-первых, она невидима — не излучает света, не поглощает и не отражает его. Во-вторых, ее физическая природа и микроскопическая структура полностью неизвестны.

А. Д. Чернин, «Темная энергия вблизи нас»

«Темные гравиконцентраты» и первые галактики

«Темные века» Вселенной закончились формированием гравитационных зерен светящейся и темной материи, из которых впоследствии возникли первые галактики.

Одним из самых удивительных парадоксов современного естествознания является то, что мы совершенно не знаем, из чего состоит подавляющее большинство массы окружающей нас материи. В середине прошлого века у астрономов стала крепнуть уверенность, что в глубине космоса происходит что-то непонятное, связанное с наличием в Мегагалактике некой скрытой массы, названной впоследствии темной материей. С тех пор в стане астрономов, космологов и теорфизиков (иногда к ним присоединяются и философы) не утихают споры по поводу происхождения и природы темной материи. Особенно сильно полемика о составе и роли темной материи во вселенских процессах разгорелась в последнюю четверть ушедшего века, когда ряд астрономов подвергли детальному изучению динамику вращения гигантских спиральных галактик. Вот тут выяснился еще один космический парадокс, на первый взгляд нарушающий законы небесной механики. Дело в том, что сравнительно высокая скорость вращения (по космическим меркам) должна была бы превратить «звездные острова» Метагалактики в своеобразные галактические центрифуги, выбрасывающие массы легкого межзвездного водорода на периферию. Так вот, спектральное излучение подобных микроскопических спутников, окутывающих паутиной окраины галактик, показывает, что вращаются они гораздо быстрее, чем следовало бы. Получается, что галактические частицы вращаются не как планеты Солнечной системы — по законам Кеплера, а как части некого пространственного галактического «твердого тела», «цементируемого» гравитацией темной материи (рис. 26 цв. вкл.).

Вообще говоря, темная часть вещества Метагалактики может включать и обычные небесные тела, не испускающие собственного излучения, например планеты — газовые гиганты, наподобие Юпитера, Сатурна, Нептуна и Урана.

Их существование достаточно надежно подтверждают уникальные снимки с космического телескопа Хаббла[Телескоп назван именем выдающегося американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла.], сделанные по результатам наземных наблюдений за светимостью ближайших звезд. В ходе подобных наблюдений астрономы иногда отмечают частичные затмения звезд, когда лучи света, идущего от них к нам, пересекают крупные планеты. Можно считать подтвержденным и существование межзвездных затмевающих тел, не обладающих собственной энергией излучения в наблюдаемом диапазоне, — они получили название «массивных компактных галообъектов».

В последнее время среди большинства ученых утвердилось мнение, что именно скрытая масса вместе с еще более таинственной темной энергией возникла почти сразу же после Большого взрыва, когда еще не существовало знакомых нам элементарных частиц и полей. Масло в огонь споров о сущности темной материи добавило открытие конца прошлого века, наглядно показавшее, что галактики — осколки Большого взрыва — не только не замедляют свой разбег, двигаясь «на излете», а, наоборот, продолжают наращивать скорость. Все это ученые связывают именно с влиянием неизвестных «темных» частиц, наполняющих Вселенную.

Сказать что-либо более определенное о материальной основе нашего мироздания пока еще очень трудно. Ведь она очень слабо взаимодействует с различными видами излучения, такими, как радиоволны, инфракрасное излучение, ультрафиолет и особенно видимый свет, чем и объясняется ее название. Однако, как и «нормальная» материя, темная составляющая Вселенной обладает вполне определенной массой, гравитационно взаимодействующей с «обычной» материей звезд, планет, малых небесных тел и газопылевых туманностей.

Все чаще предлагаются сценарии ранней эволюции нашего мира, в которых темная материя играет важнейшую роль первичных «гравитационных зерен». Именно подобные «темные гравиконцентраты» могли бы вызвать локальное увеличение пространственной плотности энергии. Избыточная плотность гравитации в таких областях новорожденного мира притягивала бы к себе все окружающее вещество, становясь зародышами будущих галактик.

Сегодня большинство астрофизиков сходятся на том, что масса невидимой материи Вселенной далеко не ограничивается скрытой от нас массой обычных небесных тел и распыленного вещества, они склонны добавлять к ней и совокупную массу все еще не открытых видов элементарных частиц. Они даже получили специальное название — «массивные частицы слабого взаимодействия». Теоретически они не должны проявлять себя во взаимодействии со световым и прочим электромагнитным излучением, а наша Галактика может быть со всех сторон окружена сферической оболочкой из таких частиц. Земля, в силу своего движения, должна постоянно находиться под воздействием «ветра скрытых частиц», и вполне возможно, что с течением времени одна из частиц такого «темного ветра» вступит во взаимодействие с одним из земных атомов и возбудит колебания, необходимые для ее регистрации. Лаборатории, проводящие подобные эксперименты, уже сообщают о том, что получены первые намеки на подтверждение реального существования шестимесячного полупериода колебания частоты регистрации сигналов об аномальных событиях подобного ряда. Именно этого и следовало ожидать, поскольку полгода Земля движется по околосолнечной орбите навстречу ветру скрытых частиц, а в следующие полгода ветер дует «вдогонку» и частицы залетают на Землю реже (рис. 27 цв. вкл.).

Главная проблема тут в том, что еще до формирования атомов, на протяжении примерно первых трехсот тысяч лет после Большого взрыва, Вселенная пребывала в протоплазменном состоянии. Любое ядро привычной нам материи распадалось, не успев сформироваться, под мощнейшей бомбардировкой со стороны перегретых частиц раскаленной, сверхплотной, непрозрачной плазмы. После того как Вселенная расширилась до некоторой степени прозрачности разделяющего вещество пространства, начали, наконец, формироваться легкие атомные ядра. Но к этому моменту Вселенная расширилась уже настолько, что силы гравитационного притяжения не могли противодействовать кинетической энергии разлета осколков Большого взрыва, и все вещество, по идее, должно было бы разлететься, не дав сформироваться устойчивым галактикам, которые мы наблюдаем.

В этом и состоит смысл своеобразного «галактического парадокса», долгое время ставившего под сомнение саму теорию Большого взрыва.

Вопрос существования темной материи до последнего времени вызывал ожесточенные споры среди ученых. Одни говорили, что это призрачный миф, другие, напротив, считали ее существование вполне закономерным. Необходимы были убедительные доказательства наблюдения этой невидимой субстанции, и одна из первых попыток была сделана при помощи рентгеновской космической обсерватории «Чандра» в исследованиях гравитационного взаимодействия скоплений галактик.

Эти грандиозные космические структуры образовались сотни миллионов лет назад, когда в результате взаимного проникновения отдельные галактики стали пронизывать друг друга со скоростью около пяти тысяч километров в секунду, чтобы, в конце концов, предстать в нынешнем виде. При проникновении таких больших масс друг в друга неизбежны гравитационные флуктуации, изменяющие направление и скорость движения отдельных членов скопления и газовых облаков.

Но какие частицы составляют темную материю, пока неизвестно. Можно лишь утверждать, что это не обычные частицы, из которых состоят окружающие нас предметы, а также планеты, звезды (и мы сами); то есть это не протоны, не нейтроны и не электроны.

Фундаментальная физика может предложить на роль частиц темной материи только гипотетические частицы, которые никогда еще не наблюдались в лаборатории. Они должны быть, скорее всего, довольно массивными, в тысячи раз превышая массу протона. Они не должны обладать электрическим зарядом и вообще не должны участвовать в электромагнитном взаимодействии. Они не должны также участвовать и в сильном ядерном взаимодействии; им разрешено только слабое ядерное взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад атомных ядер, и, конечно, гравитационное.

Спектр спиральной галактики

Если бы все вещество спиральной галактики было сконцентрировано в ее рукавах, где мы наблюдаем видимые звезды, то и атомы распыленного водорода, подчиняясь третьему закону Кеплера, двигались бы всё медленнее по мере удаления от центра галактической массы. Астрофизикам, однако же, удалось экспериментально выяснить, что на любом удалении от центра галактики водород движется с неизменной скоростью. Можно подумать, будто он «приклеен» к гигантской вращающейся сфере, состоящей из некоей невидимой «темной» материи.

Холодная темная материя вблизи далеких галактик

Массивные частицы слабого взаимодействия представляют собой пример того, что принято называть холодной темной материей, поскольку они тяжелые и медленные. Предполагается, что они играли важную роль на стадии формирования галактик в ранней Вселенной. Некоторые ученые считают также, что по крайней мере часть темной материи пребывает в состоянии быстрых слабовзаимодействующих частиц, таких, как нейтрино, представляющих собой пример горячей темной материи.

Еще более странной субстанцией, чем темная материя, является темная энергия. В отличие от сгустков массивных частиц слабого взаимодействия темная энергия равномерно «разлита» по всей нашей Вселенной, равномерно заполняя и скопления галактик, и пустые межгалактические провалы космоса. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле связана с антигравитационным воздействием. Современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что, начиная с недалекого прошлого, Вселенная стала расширяться с возрастающим ускорением, как если бы включился некий гипотетический генератор антигравитации. Обычная гравитация с течением времени должна была бы начать приводить к обратному эффекту — замедлению разбегания галактик.

Видный исследователь черной энергии, имеющий свои собственные оригинальные взгляды на ее происхождение и эволюцию, профессор Артур Давидович Чернин считает, что такая картина в основном не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством — отрицательным давлением. Это резко отличает ее от известных форм материи и делает исследование ее природы одной из главных задач современной фундаментальной физики.

Правда, существуют и иные объяснения ускоренного расширения нашего мира, исходящие из предположения, что сами законы гравитации видоизменяются при космологических расстояниях и космологических временах.

Из таких гипотез вытекают далеко ведущие выводы об определенной ограниченности самой общей теории относительности. По-видимому, если ее обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных.

Прежде считалось, что разбегание галактик может только замедляться под действием их собственного тяготения. Но ускорение означает, что в природе имеется не только всемирное тяготение, но и всемирное антитяготение, которое преобладает над тяготением в наблюдаемой Вселенной. Антитяготение создается не галактиками (с их обычным светящимся барионным веществом и темной материей), а некоей особой космической энергией, в которую погружены все галактики мира. Эта темная энергия, как ее сейчас чаще всего называют, и создает антитяготение.

В одной из своих последних работ профессор А. Д. Чернин подчеркивает, что с темной энергией вполне можно работать, изучать ее роль в реальном мире. Для этого, правда, нужно принять те или иные исходные предположения, хотя бы минимальные, о ее свойствах. Простейший (и, как кажется, самый правдоподобный) из обсуждающихся сейчас вариантов связывает темную энергию с космологической постоянной.

Эта универсальная константа была введена в космологию Эйнштейном, когда он применил только что созданную им общую теорию относительности к изучению мира, рассматриваемого как некое единое целое. Эйнштейн решил эту задачу и представил результат в виде физико-математической модели Вселенной. Модель описывала Вселенную как статическую, вечную и неизменную как целое физическую систему.

Во Вселенной Эйнштейна притяжение всех тел природы друг к другу… отсутствовало. Ньютоновское всемирное тяготение при этом, однако, не отменялось; но помимо него в эйнштейновской модели действовал еще один силовой фактор — всемирное антитяготение, которое полностью компенсировало взаимное тяготение космических тел в масштабе всей Вселенной.

Ничего подобного прежняя, до-эйнштейновская физика не знала. Но антитяготение не вытекало в действительности и из общей теории относительности. Это была совершенно новая идея. Тем не менее она органично и в исключительно экономной форме была введена в структуру общей теории относительности, в ее математические уравнения. Антитяготение было представлено в этих уравнениях всего одной, и притом постоянной, физической величиной, которая и получила позднее название космологической константы. Она обеспечивала в модели Эйнштейна компенсацию всемирного тяготения — без нее теория не допускала бы статичности мира.

Большинство современных космологов, так же как и профессор Чернин, однозначно связывают физический смысл космологической константы с параметрами вакуума, считая, что открытая астрономами темная энергия — это энергия вакуума. Возникли предположения, что в нем скрыто отрицательное давление, из-за которого в веществе возникает сила, приводящая к дополнительному расталкиванию галактик. Но структура вакуума и сама по себе с физической точки зрения носит сугубо гипотетический характер.

Разумеется, отрицательное давление вакуума со всех точек зрения является совершенно необычным явлением, ведь давление в жидкости или газе, как правило, положительно. Правда, в окружающей природе тоже есть примеры отрицательного давления внутри вихрей торнадо или при взрыве объемных боеприпасов, но это требует особых условий, хотя и не является чем-то исключительным. Однако отрицательное давление вакуума — это его основное и исключительное качество.

Сама по себе возможность проявления вакуумного антитяготения следует из теории гравитации Эйнштейна, ведь согласно ей тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением. Так что эффективная плотность, создающая тяготение, складывается как бы из двух слагаемых. Отсюда и антитяготение вакуума: отрицательная эффективная плотность создает эффект антигравитации. Получается, что если поместить в вакуум две частицы, то они начнут разлетаться, как если бы всемирное вакуумное антитяготение стремилось удалить их друг от друга.

Сейчас мы знаем, что наблюдаемое расширение Вселенной происходит с ускорением, оно будет продолжаться неограниченно долго — ничто уже не способно этому помешать. При этом средняя плотность не-вакуумной компоненты — вещества и излучения — будет при расширении только убывать. Но это означает, что создаваемое ими тяготение никогда не уже не будет преобладать во Вселенной. Доминирование вакуума будет только усиливаться, а разбегание галактик будет происходить все быстрее и быстрее (рис. 28 цв. вкл.).

Распределение материи в Метагалактике

Вспышка очень далекой сверхновой звезды

Темную энергию открыли при наблюдениях далеких сверхновых звезд. Вспышки сверхновых можно наблюдать на очень больших космических расстояниях, а изменение их яркости позволяет определить расстояния до них. Оказалось, что убывание яркости происходит несколько быстрее, чем следует из стандартной космологической теории. Но это возможно тогда, когда расширение Вселенной происходит с ускорением, то есть когда скорость удаления от нас источника света не убывает, а возрастает со временем. Причину этого таинственного эффекта ускоренного разлета нашего мира и связывают с загадочной темной энергией.

Влияние темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

В последние годы появились данные, что сумма темной и обычной материи составляет только треть от всей массы Вселенной. С недостающими семьюдесятью процентами Метагалактики связали так называемый лямбда-член из уравнений Эйнштейна, долгое время считавшийся главной космологической ошибкой гениального ученого. Он и представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии. В то же время выяснилась еще более поразительная вещь — темная энергия действует как антигравитация, заставляя Вселенную расширяться все быстрее и быстрее.

Далекие галактики, видимые сквозь гравитационную линзу

Обратимся от будущего Вселенной к ее прошлому. Если смотреть назад по времени, то мы увидим, что плотность вещества в прошлом была больше, чем сейчас. В раннюю эпоху расширения она превосходила плотность вакуума. Был и такой момент в истории Вселенной, когда плотность вещества равнялась эффективной плотности вакуума. В этот миг тяготение вещества точно компенсировалось антитяготением вакуума: это был момент нулевого ускорения в динамической истории мира.

Можно сказать, что чем сильнее разгоняется космологическое расширение под воздействием антигравитации вакуума, тем ближе становится наш мир как целое к абсолютной неизменности и полному покою. В таком мире все события неразличимы, а это означает, что в нем нигде ничего не происходит, и потому этот мир вечен и неизменен как целое. Такой мир напоминает статический мир модели Эйнштейна. Но в модели Эйнштейна покой достигался равновесием тяготения вещества и антитяготения вакуума. В мире вакуума такого равновесия нет, ведь антигравитация вакуума ничем не уравновешена, и тем не менее этот мир тоже находится в покое. Оказывается, что покой не всегда предполагает равновесие сил — если речь идет о вакууме, это необязательно. Будучи сам неизменным, он делает и мир неизменным — в отсутствие других сил.

Из всех этих данных и соображений вытекает простая картина ближнего объема Вселенной. Главные ее черты таковы: имеется центральная масса Местной группы галактик и разбегающиеся от нее ближайшие галактики, а все это погружено в однородную темную энергию космического вакуума. На достаточно больших расстояниях от Местной группы ее тяготением можно полностью пренебречь по сравнению с антитяготением темной энергии вакуума. На таких расстояниях галактики движутся на идеально регулярном фоне вакуума, который их разгоняет. Так глобальное расширение всей Вселенной и локальное разбегание галактик в ближнем объеме оказываются динамически сходными и связанными — благодаря темной энергии вакуума.

Поиски новых экспериментальных свидетельств присутствия темной энергии и попытки теоретически осмыслить их результаты превратились сегодня в целую космологическую индустрию, включающую самые разнообразные исследования по всему временному спектру от ранней до современной Вселенной. Есть множество указаний на то, что уравнение состояния темной энергии менялось со временем, так что для воссоздания достаточно полной картины необходимо накопить информацию, относящуюся ко всем эпохам эволюции Вселенной. Таким образом, космологи получат информацию о замедлении расширения Вселенной вследствие притяжения материи и об его ускорении темной вакуумной энергией в различные исторические периоды, подобно тому как сведения об изменении климата на Земле черпают из наблюдений за шириной колец на спилах деревьев.

Здесь решающая роль отводится сверхновым звездам, видимая яркость которых позволяет довольно точно судить об их удаленности от нас и, значит, о моменте их взрыва, а красное смещение в спектрах — это не что иное, как соотношение размеров Вселенной сейчас и в то время. Взятые в совокупности, они дадут полное представление о характере эволюции Вселенной. Еще одно направление перспективных исследований включает накопление данных о возрастании скорости формирования крупномасштабных структур во Вселенной типа скоплений галактик. В реализации всей этой грандиозной программы и состоит самая фундаментальная задача космологии на ближайшие годы. Дальнейшие исследования должны также ограничить произвол в выборе параметров различных теоретических моделей и предсказать более определенно судьбу нашей Вселенной, включая, быть может, и оценку времени, которое осталось до «Страшного космического суда».

Парадоксальные и даже в чем-то противоречивые свойства темной энергии дали повод физикам назвать новую полевую субстанцию архаичным термином натурфилософов древности — квинтэссенция. Означает оно, что это некое новое универсальное поле фундаментального характера, но на самом деле это пока только сугубо умозрительные соображения. Есть и другие гипотезы, весьма экзотические, о том, что гравитация на больших расстояниях не подчиняется теории относительности. Но пока построить в границах подобных инновационных представлений внутренне непротиворечивую теоретическую модель не удается. Теоретики не могут также предложить экспериментаторам какие-либо разумные схемы проверочных экспериментов. В целом такая ситуация, когда совершенно не видно способов проверить в лаборатории хотя бы отдельные части теории, является достаточно необычной, можно сказать — даже странной для физики.

Тем не менее в космологии есть гипотеза, которая хотя и детально не объясняет природу темной энергии, но само наличие схожей энергетической субстанции предсказывала еще несколько десятков лет назад. Это инфляционный сценарий расширения Вселенной, о котором мы уже рассказывали. В свете открытий последних лет инфляционная гипотеза получила существенные подтверждения, а некоторые астрофизики считают, что она вполне способна произвести своеобразный переворот в космологии. Суть инфляционного сценария заключается в следующем. Кроме колебаний напряженности электромагнитных полей, существуют также флуктуации энергии гравитационного поля. Вот эти флуктуации тоже должны были усилиться при раздувании Вселенной и превратиться в гравитационные волны. Их по идее можно было бы заметить, анализируя реликтовое излучение. И тогда это будет окончательный триумф инфляционной гипотезы. Сама гипотеза говорит, что Вселенная до Большого взрыва была частью чего-то гораздо большего. Это «нечто» существовало и существует всегда, и материя в нем находится в бесструктурном состоянии — нет ни атомов, ни частиц. Потом наш кусочек этого «нечто» начал стремительно раздуваться и за малые доли секунды из микроскопического стал гигантским: Вселенная растянулась и стала большего размера, чем мы видим. Она и сейчас больше, ведь мы видим только меньше одной сотой ее части.

Если считать, что главной причиной ускорения расширения пространства-времени является темная энергия, то будущее нашего мира напрямую зависит от ее стабильности. Если таинственная антигравитирующая квинтэссенция устойчива, то через вполне определенный период все видимое пространство расширится настолько, что другие галактики уйдут за горизонт Метагалактики и астрономы будущего никогда их больше не увидят. При этом наша Галактика примет вид гигантской черной дыры, в которую сольются в конце своего жизненного пути крупные звезды центральной части, окруженной потухшими звездами периферии. Но если темная энергия нестабильна, то возникают и более оптимистичные варианты будущего.

Разумеется, современным футурологам хотелось бы пофантазировать на тему освоения загадки темной квинтэссенции, и здесь рано еще делать какие-либо научные прогнозы. Тем не менее можно не сомневаться, что если темная энергия будет обнаружена в лабораторных условиях, то физики и инженеры обязательно найдут ей практическое применение. К примеру, из антигравитирующий субстанции вполне можно было бы строить те же подпространственные червоточины, используя их в Т-агрегатах и тоннелях, ведущих в иные миры… Правда, современных мечтателей несколько расхолаживают оценки астрономов для плотности темной энергии во Вселенной, обеспечивающей ее ускоренное расширение: если темная энергия распределена равномерно, получается совершенно ничтожная величина, близкая к 10^-29 г/см³. Для обычного вещества такая плотность соответствует всего лишь десятку атомов в одном кубическом метре. Даже сверхразреженный межзвездный газ в несколько раз плотнее. Так что если этот путь к созданию машины времени и может стать реальным, то очень и очень не скоро.

Астрономам обнаружение антигравитационной квинтэссенции принесло не только радость научного открытия, но и множество трудноразрешимых проблем. Так, под угрозой оказался проверенный временем стандартный сценарий развития модели Большого взрыва. В то же время существует довольно много скептически настроенных ученых, которые вообще отказываются верить в само существование темной энергии и вызванное ею ускоренное расширение пространства. Сейчас уже можно сказать, что открытие удивительной квинтэссенции застигло врасплох не только астрономов, но и привыкших ко всяческим сюрпризам природы физиков-теоретиков, похоже, что вначале им просто нечего было предложить по существу. Пока же ясно одно: незначительная часть нашего мира состоит из обычного вещества, включающего известные и неизвестные еще нам частицы, а подавляющая его часть имеет форму вакуумоподобной энергии, однородно разлитой по всей Вселенной.

Происхождение гравитационных волн

Наблюдаемое сейчас ускоренное расширение Вселенной можно представить в виде гигантских волн пространства-времени, масштаб которых превышает размер видимой части Вселенной. Тут достаточно вспомнить, что теория гравитации Эйнштейна вполне допускает существование своеобразной «мертвой зыби» из волн тяготения на ранних стадиях эволюции Мироздания. Тогда может иметь место космологический сценарий, по которому пространственно-временная рябь, образовавшаяся на самом раннем этапе рождения нашего мира, со временем превращается в гигантские гравитационные волны, ускоряющие разлет далеких галактик.

Как-то раз знаменитый астроном и писатель-фантаст Карл Саган решил написать романтико-героическое произведение о мужественных астрономах, ищущих, несмотря на трудности и насмешки, разумную жизнь во Вселенной. В ходе углубленной проработки сюжета Саган твердо решил хотя бы на книжных страницах наградить стойких искателей собратьев по разуму открытием контакта с одной из высших цивилизаций. При этом Саган не был бы ученым, не сведя контактную информацию к передаче схемы некоего очень загадочного агрегата. Впрочем, здесь писатель был не столь уж оригинален, повторив идею романа «Андромеда» другого, не менее знаменитого астрофизика Фреда Хойла. Так, Хойл в соавторстве с Дж. Эллиотом заставил своих героев, руководствуясь межгалактическими сигналами, построить не только уникальный вычислительный комплекс, но и с его помощью создать сигома — искусственную особь, несущую черты инопланетного разума. И хотя у Хойла — автора «Черного облака» это ни к чему хорошему не привело, он самым серьезным образом вознамерился довести свое литературное дело до настоящей научной модели контакта с инопланетным разумом, «создав» транспортное устройство, полностью соответствующее общепринятым физическим принципам.

Поскольку сообщество первоклассных физиков-теоретиков совсем не велико, Сагану не составило труда выделить в нем еще одного потенциального «фантазера», широко известного в научном мире своими блестящими оригинальными работами в области теории гравитации и космологии, — Кипа Торна.

Торна весьма заинтересовали идеи Сагана, и он тут же создал творческий коллектив из своих аспирантов и студентов для построения математических моделей путешествия во Вселенной и их последующего обсчета. К тому времени уже давно было известно, что уравнения теории относительности имеют решения, из которых вытекает принципиальная возможность практически мгновенных пространственно-временных прыжков по особым траекториям, лежащим как бы вне нашего пространства. Этот удивительный факт обнаружил еще сам Эйнштейн вместе со своим сотрудником Натаном Розеном. Математическая схема таких подпространственных переходов получила название «мостики Эйнштейна — Розена». Впрочем, даже немногочисленные в те годы физики-теоретики полагали, что мостики Эйнштейна — Розена вряд ли существуют в реальности и их тем более нельзя использовать для космических путешествий. Однако Торн и его сотрудники убедительно математически доказали, что пространственно-временной канал можно не только искусственно создать, но и поддерживать в «рабочем» открытом состоянии. Для этого только необходимо заполнить внутренний объем подпространственного туннеля неким экзотическим антигравитационным веществом, наподобие уэллсовского кейворита из романа «Первые люди на Луне» или «сгущенки» из вселенской темной энергии, оказывающим «распирающее» давление на окружающие материальные тела. Подобная субстанция должна иметь отрицательную массу и антигравитировать, отталкивая от себя обычное вещество материи. Созданный с ее помощью канал будет напоминать червоточину в яблоке мира, где мы обитаем на поверхности. Подобная «червоточина» в пространстве-времени могла бы «накоротко» связать любые отдаленные области нашей Галактики и даже межгалактические просторы. Естественно, что поскольку пространство и время в теории относительности жестко связаны, то тут же возникает принципиальная возможность использовать такую «кротовую нору» из нашей реальности и как машину времени.

Сотрудничество Сагана и Торна привело к появлению научно-фантастического бестселлера «Контакт», вскоре положенного в основу очень зрелищного одноименного фильма. Ну а соответствующие исследования коллектива физиков-теоретиков под руководством Торна породили многочисленные публикации, вызвавшие большой научный резонанс.

Работы Торна заставили вспомнить ученых не только о мостиках Эйнштейна — Розена, но и о пространственно-временных туннелях выдающегося физика Д. Уилера. Уилер и ввел вместе с термином «черная дыра» выражения — «кротовая нора», «червоточина» и «червячный ход».

Фантастика «подпространственного перехода»

Фантастам уже давно тесно в узких рамках евклидова пространства, ведь даже разогнаться в нем можно лишь до скорости света. На помощь воображению здесь приходят самые разнообразные «подпространственные переходы», «субквантовые скачки», «проколы пространства», «сверхсветовые прыжки» и прочие забавные выдумки. Хотя, как оказывается, над подобными вещами размышляют и вполне серьезные ученые…

Карл Саган со спускаемым марсианским модулем автоматической межпланетной станции «Викинг»

Коллапсионный провал кротовой норы

Маршрут перехода по лоренцевской червоточине

В ходе исследования вариантов пространственно-временных путешествий выяснилось, что для них неплохо подходят довольно узкие «червоточины», получившие название лоренцевских, по имени одного из создателей теории относительности, известного голландского физика Хендрика Антона Лоренца.

Успех романа Сагана и особенно поставленного по его мотивам фильма, а также последующие публикации Торна вызвали самый горячий интерес к проблеме межпространственных переходов. Вскоре выявились два основных направления исследований — квантовое и полуклассическое. Квантовые червоточины подчиняются как уравнениям теории относительности, так и принципам квантовой механики, и вначале казалось, что они довольно неустойчивы. Первичные расчеты показывали, что космонавты, летящие по подпространственному туннелю червоточины, могут в любой момент «закуклиться» в коконе замкнутого пространства, который через мгновение раскроется в канал, ведущий в совершенно невообразимую точку пространства-времени. В отличие от этого полуклассические кротовые норы пролегают хоть и в сильно искривленном, но все же не кипящем вакууме пространства-времени, и вроде бы на первый взгляд должны быть устойчивее своих квантовых аналогов. Поскольку их поведение более предсказуемо, долгое время считалось, что они лучше подходят для перемещений во времени, а не пространстве.

Однако уже на следующем витке развития исследований ситуация кардинально поменялась и углубленные расчеты показали, что именно полуклассические червоточины скорее всего и будут наиболее нестабильны. Похоже, что переходы по таким каналам лишены всякого научного смысла, поскольку все материальные тела, включая космонавтов или исследовательские зонды, тут же оказывались бы замкнутыми в иной реальности, с иными физическими законами и иным числом измерений. Трудно сказать, что произошло бы в этом случае с живой и тем более мыслящей материей. Например, замечательный математик и популяризатор науки Мартин Гарднер в своем рассказе «Нульсторонний профессор» высказывает мысль, что ничего страшного с человеком в иных измерениях не произойдет, главное — правильно построить алгоритм возвращения в наш мир, который математики любят называть четырехмерным многообразием, а физики — пространственно-временным континуумом. Наглядно представить себе путешествие в подпространственном канале иных измерений довольно трудно, если не сказать — невозможно, однако здесь нам на помощь приходит художественное воображение замечательного голландского графика Мориса Эсхера, создавшего целую галерею «невозможных» пространственных проекций.

А вот именно к квантовым червоточинам вывод о возможности путешествия в подпространстве не относится, они способны действовать достаточно долго, чтобы пропустить через свою горловину космический корабль со всеми его пассажирами. Но делать окончательные заключения еще рано. Квантовый червячный ход также часто будет работать с совершенно непредсказуемым результатом. Если вам надо лететь к Веге, вы можете попасть к Сириусу, а то и вовсе очутиться у динозавров. В общем, пока еще ученые не придумали конструкцию достаточно надежных кротовых нор для космической машины времени.

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 непонятна. 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.

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 эпоху. Космическая система кротовых нор, подобная описанной в романе К. Сагана, 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?

Путь в иные миры

В научно-фантастической литературе часто рассказывается о самых экзотичных способах преодолеть пространство и время. Там можно встретить и проколы трехмерного евклидова пространства, и нуль-транспортировки, не говоря уже о прыжках в подпространство и вневременных лифтах. Родилась даже своеобразная тактика будущих космических сражений, когда звездолеты землян уходят в подпространство и неожиданно выныривают оттуда прямо у баз инопланетян, мгновенно промчавшись миллионы километров. Как современные субмарины — нырнули, сделались невидимыми и вынырнули у кораблей противника.

Морис Корнелис Эсхер. Водопад

Внепространственный прыжок

В научной фантастике межпространственные переходы выглядят так: «Ходовую рубку корабля заполнила сиреневая мгла, дробящая и искажающая контуры навигационных приборов. Ярко вспыхнули и тут же погасли все мониторы, а экраны дальнего обзора наполнились блуждающими разноцветными искрами… Космонавты на мгновение почувствовали, что теряют сознание и проваливаются в звенящую черноту, перед глазами у них поплыли яркие радужные круги… Неожиданно окружающее пространство взорвалось сполохами радужного света, одновременно включились приборы и начал выдавать команды бортовой компьютер… Подпространственный переход состоялся!»

Здесь стоит вспомнить об очень любопытном факте, что кажущееся нам пустым пространство физического вакуума только кажется таковым. 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 подобия раковин, в которых возникают многочисленные воронки и «ручки» сверхмикроскопических червоточин. Правда, размеры их невообразимо малы — песчинка для них так же 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.

Данные 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.

Разумеется, и писатели, и журналисты, рассказывающие о подпространственных перемещениях, зачастую просто создают образ чего-то таинственного и непонятного. И тем не менее фантасты часто бывают не так уж далеки от истины. Представим себе двухмерный мир — что-то вроде бесконечно тонкого листа бумаги, у которого две стороны слились в одну. В таком мире, так же как и в нашем, любые две отстоящие друг от друга точки соединяет множество тропинок, но среди них всегда есть самая короткая, и если мы хотим попасть в другую точку как можно скорее, нам следует воспользоваться именно этой дорожкой.

Если же в начале и в конце пути изогнуть, продавить пространство, образовав воронки и соединив их трубкой-каналом, то мы получим мгновенный переход между двумя удаленными точками двухмерного мира. Вот такой канал мы вправе назвать проколом пространства, нуль-транспортировкой и другими терминами, придуманными писателями-фантастами. При этом подобные подпространственные переходы нигде не будут выходить за пределы своей двухмерной вселенной, поскольку все точки — и на листе, и в канале, и на склонах воронок — принадлежат одной и той же двухмерной поверхности. Если свернуть такой лист в цилиндр, то канал перехода будет напоминать ручку у чашки. В трехмерном пространстве он существует сам по себе, независимо от того, есть обнимающее его трехмерное пространство или же его вообще нет в природе.

Мы только что говорили о подобных кротовых норах, или, как их еще называют, червячных ходах в нашем, трехмерном пространстве. И вот что еще особенно важно: такой плоский двухмерный мир может иметь одну пространственную, а вторую временную координату. Тогда проколы из пространственных превратятся в пространственно-временные, соединяя точки с разными временами и служа туннелями для путешествий в иную историческую реальность. Несмотря на кажущуюся мистичность, многие физики уверены в осуществимости таких проектов, поскольку они основываются на принципах квантовой теории. Трудно пока еще говорить о конкретных деталях строения «подпространственного метро» будущего, но реальность его осуществления в том или ином варианте практически не вызывает сомнений.

Картина, конечно, фантастическая, но у нее есть один неожиданный аспект. Некоторые пространственные пузырьки только извне, для внешнего наблюдателя, выглядят как ультрамалые объекты, а изнутри, измеренные с помощью их собственных эталонов длины и времени, представляют собой огромные космические миры — вселенные. В принципе, хотя с первого взгляда это кажется совершенно невероятным, может выйти так, что наш мир — один из таких пузырьков. Во всяком случае, современная физика вполне допускает подобную возможность.

Когда речь идет о поиске подпространственных червоточин, первое, что обращает на себя внимание, — это бездонные провалы сколлапсировавших «застывших звезд». Об этих удивительнейших космических объектах мы уже много рассказывали и сейчас не будем подробно останавливаться на их свойствах.

Астрофизики считают, что многие свойства коллапсаров говорят о том, что воронки замерзших звезд вполне могут быть входными порталами червоточин пространства-времени. Если это так, то можно (пока еще чисто умозрительно) попытаться приспособить их для путешествий в пространстве и времени, ведь время в их окрестностях останавливается лишь для внешнего наблюдателя, а для космонавтов, устремившихся в жерло черной дыры, все будет идти своим чередом, и никакого замирания процессов они не заметят.

Эта гипотеза особенно интересна тем, что астрономические теории предсказывают существование удивительных объектов с прямо противоположными коллапсарам свойствами. Такие «белые дыры» еще более загадочны, чем их черные сестры, 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.

К сожалению, есть большие сомнения в реальности подобных путешествий. Дело в том, что 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 их 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, ну 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 частицы. 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». Сквозь нее нельзя проскочить, даже со скоростью света! К тому же происходящие внутри процессы перестройки вакуума порождают мощные потоки смертоносной радиации.

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?

Инкубатор коллапсаров из далекого будущего

Возможно, когда-нибудь наша цивилизация научится подводить к микродырам вакуума мощные потоки энергии, увеличивая их размеры. Тогда из них можно будет конструировать разнообразные транспортные системы для телепортаций (мгновенных перемещений) во времени и пространстве.

Застывшая звезда — коллапсар

Свойства коллапсаров просто удивительны, например, наброшенную на черную дыру петлю нельзя стянуть в точку. Дело в том, что поле тяготения замерзшей звезды настолько велико, что время вблизи нее не просто замедляется, как около любого массивного тела, а практически останавливается. Естественно, что и все процессы, в том числе и стягивание петли, замирают, становясь бесконечно долгими. А это и является первым признаком входа в подпространственный туннель.

Вспомним замечательный роман Карла Сагана. Еще задолго до исследований коллектива теорфизиков Кипа Торна, сразу же после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, австрийский физик Л. Фламм нашел математические решения, описывающие два мира, соединенные подпространственным каналом. Позднее такие решения изучали сам Эйнштейн и особенно подробно — американский физик Дж. Уилер в связи с теорией элементарных частиц и пенообразного микропространства. Все эти работы завершились неутешительным выводом: образовавшись естественным или искусственным путем, соединяющий миры канал будет сначала расширяться до некоторого максимального размера, а затем сожмется в тончайшую нить.

Затем, как мы уже знаем, к расчетам приступил Торн. Результат вычислений получился именно таким, как и предсказывали герои романа, — изготовленный из антигравитирующего вещества переходной канал был устойчив, а действующие в нем силы лишь незначительно отличались от земного тяготения. Правда, для этого конструкция канала должна удовлетворять определенным условиям, но это уже дело техники. Важно, что физические законы не запрещают создания таких конструкций, остальное представляет собой задачу для космических инженеров будущего, если, конечно, физики смогут своевременно предоставить в их распоряжение экзотический антигравитирующий материал с отрицательной энергией.

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 натяжений, 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 случайных (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.

Расчеты Торна и его коллег показали, что если вход и выход подпространственного канала окружить шарообразным металлическим экраном, то соответствующее снижение энергии вакуума внутри канала вполне достаточно для того, чтобы удержать его от схлопывания и сделать проходимым для путешественников. Конечно, проблемы этим не исчерпаны. Нужно еще придумать сам способ построения кротовых нор. Может, для этого придется воспользоваться гравитационным коллапсом массивного тела, так, как это имеет место при образовании канала коллапсара, прикрывая образующиеся в пространстве воронки металлическими заглушками, которые предохранят от полного схлопывания.

Не успели затихнуть бурные дискуссии вокруг машин времени из замерзших сколлапсировавших звезд (иногда их называют Т-агрегаты Сагана — Торна), как появилась теоретическая работа больших энтузиастов хронофизики — теоретика Давида Дойча и философа Майкла Локвуда. Авторы не только рассмотрели различные варианты путешествий во времени, но и предложили оригинальные решения для возникающих парадоксов.

Вот один из них, широко распространенный в научной фантастике, например, он встречается в романе Айзека Азимова «Конец Вечности». Итак, литературный критик, увлеченный творчеством модного писателя, отправляется в прошлое и посещает автора еще до написания им прославленных произведений. Он показывает его будущие сочинения, а тот, не поверив критику, присваивает свои же книги, приобретая тем самым известность и славу. Парадоксальный логический круг замыкается, ведь трудно понять — кто же написал упомянутые книги, если они бесконечно циркулируют по кругу времени из будущего в прошлое и обратно. Следующий круг временных парадоксов у Азимова связан с самим изобретателем машины времени, являющейся основой организации «Вечность» и чертежи которой сама эта «Вечность» доставляет ему из будущего.

Все эти парадоксы, привлекшие внимание ученых, философов и писателей после выхода романа Герберта Уэллса «Машина времени», породили устойчивое мнение, что такие путешествия принципиально невозможны. Впрочем, теория относительности не отрицает возможность путешествия в будущее. Для этого необходимо совершить полет в космос с околосветовой скоростью. Тогда путешественники могут вернуться через много лет более молодыми, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Но теория относительности не допускает путешествий в прошлое с нарушением принципов причинности.

Как вообще объясняет физика невозможность подобных нарушений? В теории относительности положение любого объекта описывается четырьмя координатами — тремя пространственными и одной временной. Эти четыре координаты указывают так называемую мировую точку в пространстве Минковского (напомним, что Герман Минковский был учителем, а впоследствии и соавтором Эйнштейна). При движении объекта получается извилистая траектория, называемая мировой линией. Любопытно, что с чисто пространственно-временной точки зрения вся биография человека изображается таким вот извилистым червячком (а не линией, ведь тело человека занимает определенный объем), хвост которого совпадает с местом и временем его рождения, а передний конец непрерывно ползет вперед и вперед.

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 великий Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.

Одна из самых необычных попыток объяснить вероятностный характер квантовой механики была предпринята в середине прошлого века американским физиком Хью Эвереттом, который предложил теорию «множественных вселенных». Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через 5 минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной» вселенной его копия распадется через 10 минут, а в третьей — через 15. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.

С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.

Так, она может легко разрешить парадоксы путешествий во времени. Например, в случае романа Азимова точка встречи критика и писателя представляет собой особый узел Мультивселенной, в котором сходится множество вселенных-копий. В зависимости от того, какое действие произведет герой в прошлом, он и все его окружение оказываются той или иной из этих копий. Но прошлое и будущее в каждой из этих копий будет различным (рис. 29 цв. вкл.).

Взгляд в прошлое

Вернуться в прошлое и не вызвать логических парадоксов пока можно только на «астрономической машине времени». Сильные телескопы способны дать нам изображение галактик, звезд и планет миллиарды лет назад.

Видный советский физик-теоретик академик Моисей Александрович Марков создал математический образ подобного мира и назвал такие образования фридмонами — в честь впервые указавшего на возможность их существования знаменитого математика А. А. Фридмана.

Полностью замкнутый мир никоим образом по идее не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять собой для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда. Таким образом, в нашем воображении вырисовывается совершенно фантастическая картина. Быть может, и наша Вселенная со всеми ее солнцами, млечными путями, туманностями, квазарами — всего лишь один из фридмонов. Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе одну лишь галактику, звезду…

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 к перемещениям 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!

Вернемся еще раз в далекую эпоху античных мыслителей-метафизиков и вспомним удивительное суждение греческого философа Анаксагора, утверждавшего в пятом веке до нашей эры, что в каждой частице, какой бы малой она ни была, есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и другие звезды. Трудно согласиться с подобными утверждениями и вместить масштабы нашего макромира в ничтожно малый объем атомов или даже элементарных частиц. Даже невооруженным глазом можно различить на всем протяжении небесной сферы несколько тысяч звезд. Но это число начинает стремительно расти, если наше зрение усилить астрономическими трубами, оптическими телескопами, радиотелескопами. В одной нашей галактике Млечный Путь астрономы насчитывают примерно двести миллиардов звезд. А ведь галактик, подобных нашей, в обозримой части космоса, по утверждению астрофизиков, содержатся десятки миллиардов! Неудивительно, что сопоставить сверхбольшое и сверхмалое даже умозрительно очень трудно.

Замечательный русский поэт начала прошлого века Валерий Брюсов в стихотворении «Мир электрона» писал:

Подобной игре воображения предавались и физики. Когда Нильс Бор в начале нашего века объяснял планетарную модель строения атома, ход его мысли был таков: электроны — планеты атомной системы — населены чрезвычайно малыми живыми существами, которые возводят свои домики, обрабатывают свою почву и изучают свою атомную физику. А на каком-то этапе они обнаруживают, что и их атомы также являются маленькими планетными системами…

Эйнштейн показал, что геометрические свойства пространства реального мира существенным образом зависят от того, как распределена в нем материя. Другими словами, было установлено: окружающий нас мир, подобно изогнутому листу бумаги, обладает кривизной и эта кривизна связана с гравитационным полем, все определяет плотность вещества. Если она достаточно велика, то все метрические соотношения привычной для нас геометрии Евклида меняются неузнаваемым образом! И весь мир может стянуться в точку… Все это и послужило исходным материалом для гипотезы академика М. А. Маркова о том, что, возможно, вся наша Вселенная с мириадами галактик и биллионами звезд является микроскопической системой с размерами элементарной частицы!

В отличие от электронов поэта Брюсова фридмоны представляют собой вполне математически реальные объекты, и без каких-либо дополнительных гипотез их можно получить как решения систем уравнений релятивистской гравитации… Но как же все-таки Вселенная может сжаться до размеров атома? Академик Марков математически строго показал суть процессов, «свертывающих» в единое целое масштабы макро- и микромира, наглядно демонстрируя возможность своеобразного космологического подхода к теории элементарных частиц.

Поразительно, но гипотеза академика Маркова даже допускает опытную проверку. Для того чтобы наша Вселенная выглядела фридмоном — частицей с микроскопическими размерами и массой, необходимо, чтобы она имела некоторую строго определенную плотность материи, где-то в пределах 10^-29 грамма в кубическом сантиметре. На данный момент данные о регистрируемой средней плотности несколько ниже — примерно 10^-30 грамма в кубическом сантиметре, но эта цифра лежит в пределах допустимой неточности. Разумеется, пока еще удивительные фридмоны являются лишь предвидением физика-теоретика. Наука сейчас не может ответить, тождественны ли фридмоны каким-то уже известным частицам, например протонам, или же это что-то совершенно новое, что еще только предстоит открыть опытным путем. Но как бы там ни было, концепция фридмонов очень обогатила современную науку.

Вселенная фридмона

Чтобы хоть как-то представить себе необычный мир фридмонов, давайте совершим мысленное путешествие. Когда-то великий английский физик восемнадцатого века Джеймс Кларк Максвелл ввел в обиход умозрительных физико-теоретических построений воображаемое существо, впоследствии названное «демон Максвелла». Ему доступно все: наблюдать отдельные атомы, сортировать их, летать со сверхсветовыми скоростями… Представим, что этот демон, отправившись из центра нашей Вселенной — фридмона, начинает свое путешествие.

Демон встретит на своем долгом пути звезды, галактики, скопление галактик и скопление из скоплений… Но вот он приблизится к чудовищной воронке, соединяющей Вселенную фридмона с внешним миром. Пролетев через горловину наружу, максвелловский демон с удивлением обнаружил бы, что его родная Вселенная представляет теперь собой… всего лишь микроскопический объект. Так, может быть, стремясь в космические дали, мы поднимаемся вверх по лестнице, идущей вниз? Что, если бесконечность мира скорее похожа на круг, где сколь угодно малые величины в то же время являются бескрайне большими?

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, по Фридману, 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.

Фридмон может проявить себя и как микроскопическая черная дыра. Правда, из такого толкования фридмонов следует, что говорить о наличии у них какого-то внутреннего объема не имеет смысла, поскольку вся их материя, в процессе своего гравитационного коллапса, превращается в гравитационные волны. В действительности это не совсем так. Во-первых, далеко не вся материя коллапсирующей звезды превращается в гравитационные волны; часть этой материи, и прежде всего элементарные частицы, может 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 фридмонов этих вселенных. Утверждение академика Маркова о наличии у фридмонов конкретного внутреннего объема нельзя считать ошибочным еще и потому, что в качестве фридмонов можно рассматривать все вселенные многомерного времени. Собственно говоря, мы уже упоминали об этом выше, но тогда мы упоминали об этом в связи с абсолютным дефектом массы заключенной внутри фридмонов материи. Такая точка зрения автоматически исключает устойчивость фридмонов. Но структура фридмонов может быть и устойчивой, если в качестве таковой рассматривать структуру вселенных многомерного времени. Точнее, об этой структуре нельзя говорить, что она устойчива или неустойчива, поскольку друг от друга вселенные многомерного времени отделены областью виртуальной геометрии. Понятия устойчивости и неустойчивости основываются на наших обычных временных представлениях, которые неприменимы в области виртуальной геометрии.

Первое, что следует из такого толкования фридмонов Маркова, — это то, что в области виртуальной геометрии вселенные многомерного времени неотличимы от элементарных частиц. Хотя бы потому, что в этой области относительны их пространственные и временные размеры. А главное — потому, что в ней относительны свойства вселенных и элементарных частиц. Дело в том, что обособленность вселенных многомерного времени в этой области может быть не только полной, но и частичной, что позволяет наблюдать их во внутреннем пространстве какой-то 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 Маркова, связывающими разные фридмоны.

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 академика Маркова, 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 микроскопическим, близким 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. Исходя из теории фридмонов получается, что мы должны свыкнуться с мыслью: любая элементарная частица в принципе может оказаться порталом в иные миры. Проникнув через этот вход, мы можем оказаться в совершенно иной вселенной. Нашему взору, возможно, предстали бы иные галактики, населенные, вполне возможно, своими цивилизациями. Если бы мы захотели вернуться назад, то пришлось бы снова проделать путь по коридору между мирами. Ну а окажись любопытство сильнее страха, то вполне возможно, мы могли бы отыскать другой фридмон, и тогда наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности.

Тут надо вспомнить, что одной из главных задач, стоящих перед современными физиками, является объединение в одной теории всех известных взаимодействий. Но, к сожалению, большинство современных попыток Великого объединения далеки от простоты и стройности. Если подход Евклида систематизировал и, в конечном счете, упрощал геометрию, то современные теории пространства-времени часто только все запутывают и усложняют.

Как любил подчеркивать выдающийся физик прошлого столетия Р. Фейнман, главная причина в том, что мы пока не знаем всех законов природы, которые можно было бы свести в единую теорию.

Тут возникает законный вопрос: а есть ли вообще шансы хоть в очень далеком будущем, когда станут известны новые законы природы, создать математически стройную «теорию всего», из которой бы следовали все известные физические теории? Ответ на него совсем не очевиден, и его нельзя отдавать философам, которые могут все окончательно запутать. Большинство физиков скромно рассматривают свои любимые теории как не более чем модели реальности, не претендующие на полноту ее описания.

В предыдущих главах мы попытались обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Теперь настала пора задаться вопросами об еще одном фундаментальном понятии нашего мира — времени. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых уровнях. Несколько в стороне осталось только четвертое измерение континуума Минковского — время. Между тем именно время в микромире может быть ответственно за решение древних логических загадок — апорий эллинского философа, о которых мы уже рассказывали в первой главе.

Одними из первых предложили решение для апорий Зенона знаменитые древнегреческие мыслители Левкипп и Демокрит, создавшие и развившие античную школу атомистики. Они и их последователи считали, что апории Зенона просто не учитывают дискретную природу материи и времени, которые на определенном этапе всего лишь не допускают дальнейшего деления. Таким образом, древняя атомистика две с половиной тысячи лет назад предвосхитила не только современную атомную физику, но и новейшие теории о дискретном пространстве-времени. Ну а теперь пришло время выполнить обещание, данное в начале нашей книги, и рассказать о том, каким удивительным образом идеи античного философа Зенона Элейского воплощаются в современном квантовом мире.

Рассмотрим систему радиоактивных атомов, подчиняющихся законам квантовой механики, и попробуем ответить на вопрос: будет ли изменяться вероятность распада нестабильного изотопа в зависимости от частоты проводимых нами измерений?

Но прежде напомним нашим читателем, что такое радиоактивность (от лат. radio — излучаю и activus — действенный). Это физическое явление состоит в спонтанном превращении неустойчивых изотопов химических элементов в результате радиоактивного распада. Радиоактивность была открыта в 1896 году известным французским экспериментатором Анри Беккерелем, который обнаружил проникающее излучение солей урана, действующее на фотоэмульсию. Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Через два года Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты новые радиоактивные элементы полоний и радий.

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом.

Янус двуликий

Божественный древнеримский пантеон включал два персонажа, ответственных за ход времени: Сатурна (греческий Хронос), пожирающего своих детей в неумолимом беге времени, и двуликого Януса — бога начала и конца, прошлого и будущего, молодости и старости. Образ последнего подходит и на роль современного символа проблемы физического времени с молодым лицом квантовой физики и старческим — классической науки.

Трехуровневая атомная энергетическая система

При небольших временах после начала распада, когда амплитуда еще мала, так как частица в основном локализована внутри распадающейся системы, скорость изменения амплитуды, которая определяет скорость распада, также будет малой. Этот удивительный результат, имеющий чисто квантовую природу, можно сформулировать следующим образом: для обеспечения заметной скорости радиоактивного распада необходимо, чтобы волновая функция частицы за пределами распадающейся системы была достаточно велика. В начальные моменты времени, когда волновая функция частицы локализована в основном внутри распадающейся системы, скорость распада близка к нулю. Наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада, составляя суть квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Мы знаем, что в квантовой реальности результат измерения параметров микрообъекта определяется самим измерительным прибором и процедурой измерения. Таким образом, теория утверждает, что состояние микрочастицы действительно зависит от порядка и частоты измерения ее состояния, — естественно, с точки зрения классической физики это кажется невозможным и парадоксальным. Подобные эффекты изменения вероятности радиоактивного распада в зависимости от частоты контрольных измерений и носят название квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Здесь вспоминается парадоксальная ситуация с котом Шрёдингера, ведь в квантовом пределе, при непрерывных измерениях состояния радиоактивного изотопа, начальное (нестабильное) состояние как бы «замерзает» и многострадальный кот наконец-то обретает вечную жизнь. Правда, надо признать, что пока еще КЭЗ в распадах нестабильных состояний атомов, ядер и элементарных частиц экспериментально не были обнаружены.

Однако КЭЗ для вероятности переходов между атомными уровнями экспериментально наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть опытов состояла в том, что время жизни уровня В было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния уровня А на уровень В, 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, находившиеся в начальном состоянии А, переводились в состояние С. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода и фиксировалось число атомов основного состояния в определенные моменты времени. При этом наблюдалась удивительная зависимость величины интервалов наблюдения числа атомов в начальном состоянии и вероятности переходов в возбужденное состояние С.

Здесь не совсем понятно, как измерение, при котором, казалось бы, нет никакого взаимодействия между частицей и детектором, может оказать влияние на процесс распада. Для ответа на этот непростой вопрос надо вспомнить, как и почему измерение оказывает влияние на квантовые процессы.

Обратимся к известному мысленному эксперименту с двумя щелями, через которые проходит пучок частиц. Известно, что, если эксперимент ставится так, что в принципе невозможно выяснить, через которую из щелей прошла частица, на экране, расположенном позади щелей, возникает интерференционная картина. Наоборот, если, хотя бы в принципе, это возможно выяснить, интерференции нет. Часто для объяснения причины исчезновения интерференции ограничиваются ссылкой на соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому пространственная локализация частицы неизбежно вызывает появление дополнительной неопределенности ее импульса.

Обобщая, можно постулировать, что первопричиной нарушения когерентности различных квантовых состояний микрочастицы является не сам акт макроскопического наблюдения над ней (измерения), а предшествующие ему микропроцессы, в ходе которых рассматриваемая частица взаимодействует неупругим образом с окружающими частицами, изменяя состояния последних. Такое изменение фактически означает, что микрочастица оставляет след в окружающей среде и в соответствии с известными квантовыми принципами не может более принимать участия в формировании интерференционной картины. Если возникшее изменение микроскопического состояния среды в результате последующих процессов в ней вызывает наблюдаемый макроскопический эффект, мы будем иметь дело с реальным измерением, если нет, макроскопическое измерение не будет иметь места. Однако в обоих случаях первичное микроскопическое неупругое взаимодействие между исследуемой микрочастицей и окружающей средой влияет на частицу аналогично, нарушая когерентность ее различных состояний, так как в обоих случаях при рассеянии частицы в среде остается микроскопический след, помечающий атом, на котором произошло рассеяние.

Разница между случаями, когда измерение произведено и когда оно не произведено, но изменение микроскопического состояния среды имеет место, состоит в следующем. В первом случае мы получаем точную информацию о том, какое изменение в среде произошло и в какое именно состояние редуцировалась волновая функция рассеивающегося нейтрона. Во втором же случае мы такой информации не получаем, но понимаем, что суперпозиция когерентных состояний нейтрона, возникших при рассеянии на разных атомах в среде, за счет неупругих взаимодействий нейтрона с этими атомами превратилась в смесь некогерентных состояний, заведомо неспособных интерферировать друг с другом.

Сказанное снимает многие вопросы при обсуждении проблемы влияния наблюдения на квантовые процессы. На самом деле на эти процессы оказывает влияние не сам акт наблюдения, а реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и частицами окружающей среды, нарушающие когерентность состояний частицы, испытавшей такие взаимодействия. Последнее обстоятельство определяет одно из главных отличий квантовой физики от классической: в классической физике предполагается возможным неограниченное уменьшение силы взаимодействия между физическими системами, что позволяет, по крайней мере в принципе, получать информацию об исследуемой системе, не возмущая ее. В квантовой физике любое измерение, поскольку оно начинается с микроскопического возбуждения в активной среде измерительного прибора, неизбежно влияет на исследуемый квантовый процесс, нарушая когерентность различных состояний исследуемой микросистемы.

Приведенные соображения, однако, еще недостаточны для понимания природы КЭЗ, поскольку реальных неупругих взаимодействий между вылетающей частицей и окружающей средой в условиях возникновения КЭЗ нет. Согласно квантовой теории, микроскопические возбуждения, возникающие в среде при взаимодействии с ней частицы, могут быть как реальными, так и виртуальными. В первом случае состояние среды изменяется необратимым образом, во втором среда возбуждается на короткое время, а затем возбуждение полностью исчезает и среда восстанавливает свое исходное состояние. Виртуальное взаимодействие между микрочастицей и средой ведет к упругому рассеянию частицы в среде. Это рассеяние не разрушает интерференцию, но ведет к уменьшению волновой функции частицы. Так, можно предположить, что виртуальные взаимодействия квантовой частицы с окружающей средой могут оказывать влияние на эффекты, связанные с интерференцией различных квантовых состояний частицы. Этот вывод и позволяет полностью понять природу КЭЗ.

В результате мы вновь приходим к утверждению о невозможности радиоактивного распада при условии осуществления такого непрерывного контроля над вылетающей частицей, в ходе которого частица регистрируется немедленно после ее вылета за пределы распадающейся системы. Теперь мы, однако, понимаем, что причиной возникновения такого парадоксального эффекта является реальное взаимодействие между рассматриваемой частицей и активной средой детектора, которое должно быть очень сильным, если мы хотим обеспечить режим идеального измерения, при котором вылетающая частица имеет нулевую длину свободного пробега в активной среде детектора. При таком взгляде на КЭЗ он теряет таинственность.

Остается только понять, начиная с каких длин свободного пробега вылетающей частицы в активной среде детектора можно наблюдать уменьшение скорости радиоактивного распада. Оценки показывают, что эти длины должны быть очень маленькими, порядка размеров распадающейся системы. Обеспечить такие длины свободного пробега для случая реальных систем, испытывающих радиоактивный распад, практически невозможно.

Таким образом, для физики радиоактивного распада КЭЗ является эффектом принципиально возможным, но труднодостижимым. История обнаружения и исследования КЭЗ свидетельствует, что в современной науке возможны неожиданные явления, для понимания которых требуются новые подходы к известным проблемам. Тем не менее КЭЗ можно считать одним из наиболее оригинальных эффектов, рассматриваемых в квантовой физике за последнее время.

Видимо, вероятностный характер квантовых теорий не соответствует статическим моделям времени, воплощавшимся в теоретической физике прежде. Что касается эмпирического уровня научного познания феномена времени, то с созданием квантовой физики и теории относительности приходит понимание того, что необходимо рассматривать синтетический образ темпоральных процессов. Это было выявлено и подчеркнуто в результате анализа роли прибора и системы отсчета в научном познании. Например, в квантовой физике соотношение неопределенностей накладывает дополнительные ограничения на процедуру измерения времени, с которыми классическая физика не сталкивается. Исходя из вероятностного характера квантовой физики, можно строить 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»: ΔtΔE ≥ ħ, гласящее, 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.

Связано ли направление течения времени с направлением большей части процессов во Вселенной?

Камера Вильсона

Реальные эксперименты по проверке КЭЗ, как и в случае ЭПР-парадокса, довольно сложны в исполнении. В качестве упрощенной модели можно принять, что исследуемая радиоактивная система находится внутри детектора элементарных частиц (в переохлажденном паре в камере Вильсона или в перегретой жидкости в пузырьковой камере). Тогда продукты радиоактивного распада будут фиксироваться по своим трекам через характерное время их жизни в среде детектора. При этом для обеспечения идеального непрерывного измерения необходимо, чтобы длина свободного пробега частиц стремилась к нулю. В предельном случае при бесконечно частых сверхкратких — «нулевых» актах измерения радиоактивный распад должен прекратиться.

График интенсивности радиоактивного распада образца вещества в зависимости от времени

Картина времени

Также и времени нет самого по себе, но предметы Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось, Что происходит теперь и что воспоследствует позже. И неизбежно признать, что никем ощущаться не может Время само по себе, вне движения тел и покоя. Лукреций Кар, «О природе вещей»

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 «стрела времени». Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит свое направление полета и стрела времени.

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 в миллиметрах дробными числами 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. Общепризнано (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!

Мировая линия в континууме Минковского

Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность.

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 некоторой скоростью, то через определенные интервалы времени после начала движения оно сместится от начала своего пути на соответствующую дистанцию. 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 (нижняя полуплоскость на нашей диаграмме). 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 были способны двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, физически достижимая на сегодняшний день, — это скорость света. Значит, мировая линия на нашем рисунке должна быть ограничена прямыми, показывающими распространение света, это будут так называемые «световые конусы».

Все это 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 заряд, 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 уже открыто несколько сотен элементарных частиц.

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица — античастица, в значительной мере условно. Однако окружающая нас природа состоит именно из «частиц», и соответствующие им античастицы определяются совершенно однозначно. Знаменитые физики-теоретики двадцатого 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, можно представить, 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 (временной) 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 Р. Фейнман 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 продолжает анализировать рассеяние электрона и выдвигает 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 пятидесятых годов прошлого века со всей определенностью свидетельствует о том, что знаменитый физик считал античастицы частицами, движущимися из будущего в наше настоящее и дальше в прошлое. Уилер же, в развитие идей Фейнмана, считал, что подобная «антитемпоральная» природа античастиц позволяет успешно объяснить космологический парадокс видимого отсутствия антиматерии в доступных наблюдению частях Метагалактики.

В общей теории относительности, разработанной Эйнштейном, вблизи массивных тел пространство и время искривляются. 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.

Существование в природе замкнутых мировых линий в свое время исследовал немецкий математик Курт Гедель. Замкнутые мировые линии, известные в научно-популярной и фантастической литературе как «петли времени», появляются в окрестности массивных черных дыр. Так, из предыдущего параграфа мы знаем, что Кип Торн показал возможность образования петель времени в туннеле, соединяющем систему замороженных звезд. Другой английский космолог, Ричард Готт, развивая теорию суперструн (о которой мы уже много рассказывали), доказал, что прохождение таких струн сквозь друг друга должно порождать петли времени. Убедившись, что петли времени не противоречат теории относительности, физики попробовали избавиться от логических парадоксов путем ввода неизвестного нам закона природы, запрещающего вмешиваться в собственное прошлое.

Более радикальное объяснение невозможности парадоксов предложил Стивен Хокинг. Используя сочетание теории гравитации с квантовой механикой, описывающей движение элементарных частиц, он показал, что квантовые эффекты должны вызвать разрушение тех петель времени, которые предсказываются уравнениями Эйнштейна. Поэтому теория замкнутых мировых линий должна обязательно учитывать квантовые эффекты.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий. Впрочем, это не единственный космологический парадокс, ответы на который дает физика времени.

Подавляющая часть звезд и галактик находится от нас на расстоянии, с которого свет придет только через несколько миллиардов лет. За прошедшие десяток или больше миллиардов лет с момента вспышки первой звезды в нашей Вселенной их свет еще не успел достигнуть нашей планеты. Эти звезды находятся как бы за «берегом реки нашего времени». Те звезды, свет которых успел прийти в Солнечную систему, по расчетам астрономов, составляют лишь незначительную часть всех существующих звездных объектов. Именно поэтому яркость их света ничтожно мала и ночью на окраине нашей Галактики — Млечного Пути бывает темно. Так физика времени со своей точки зрения разрешила еще один знаменитый астрономический «парадокс Ольберса», названный так по имени сформулировавшего его немецкого астронома позапрошлого века.

Одной из самых интригующих проблем физики является поиск возможностей изменения направления полета «стрелы времени» или, в более широком смысле, приложение вектора хода времени в окружающих нас физических процессах. В начале двадцатых годов прошлого века, воодушевленный новыми теориями относительности и квантов, выдающийся отечественный геолог, геохимик и минералог Александр Евгеньевич Ферсман писал: «Поставить время в зависимость от скорости, от пространства, от движения тела, создать часы для его измерения в давно прошедшем прошлом, научиться считать его вне настоящего и овладевать его течением в будущем — разве все это не детские фантазии, недопустимые для ученого, естествоиспытателя и физика?»

Ответом на риторические вопросы академика Ферсмана может служить вся история развития современной теоретической и квантовой физики, наглядно показывающая, что известные законы, по-видимому, не противоречат принципиальной возможности создания машины времени (Т-агрегата), позволяющей путешествовать в прошлое и будущее. Существуют даже многовариантные схемы такой машины. При этом общим здесь является необходимость предварительного создания в общем-то фантастических конструкций, сжимающих и скручивающих окружающее нас пространство. Подобные трудновообразимые «фокусы» с привычным нам окружением физики и математики называют «сложной топологией евклидового многообразия» или «изменением топологии трехмерного континуума». Интуитивно смысл этих загадочных фраз понятен, топология — это наука о самых общих геометрических свойствах пространств с различной размерностью, а многообразие и континуум — это все то же окружающее нас пространство.

Естественно, любая теория перемещения во времени пока еще является лишь «голой теорией» или чистой «научной спекуляцией». Чаще всего, когда речь заходит о зримом образе времени, школьные учителя и университетские профессора, следуя классической теории, рисуют на доске стрелку и говорят, что существует лишь одно временное измерение, составляющее единственное одномерное временное пространство.

В соответствии с этой точкой зрения, изменение событий прошлого автоматически меняет образ настоящего. При этом возникают любопытные парадоксы «временных петель». К примеру, что случится, если вы перенесетесь в прошлое и предотвратите встречу своих родителей? Популярный фантастический фильм «Назад в будущее» утверждает, что вы просто прекратите свое существование, навсегда исчезнув из реальности настоящего.

Сегодня считается установленным, что течение времени зависит от скорости перемещения тел, характера их движения и структуры окружающего пространства. На очереди построения реальных с точки зрения современной физики схем перемещения во времени. Какова же здесь может быть роль квантовой физики?

С помощью квантовой теории можно решить много трудных вопросов строения Т-агрегатов. Можно сконструировать «вход» и «выход» машины времени, а также канал межвременного перехода, при этом можно радикально «развязать» все петли времени, применив многомировую интерпретацию квантовой механики. «Хрононавт», путешествуя во времени, никогда не сможет внести каких-либо изменений в исходную реальность, поскольку он всегда будет находиться в иных мирах. При этом вообще можно представить занятную ситуацию, когда независимые миры выстраиваются во временную последовательность, где каждый из них в своем развитии абсолютно копирует ушедших в будущее соседей. Вот в таком Многомирье можно было бы путешествовать и в прошлое и в будущее, не опасаясь каких-либо петель времени и наблюдая при этом неискаженную реальность истории собственного мира.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий.

Петли времени на квантовых стрингах

Кинофильм «Назад в будущее»

В этом американском блокбастере можно встретить самые разные временные парадоксы. Все они строятся по схеме «петель времени», когда путешественник во времени переносится в прошлое и меняет его синхронно с соответствующим изменением настоящего, возвращаясь затем в исходную историческую точку. Аналогично, переносясь в будущее, он контролирует дозу воздействия на настоящее для формирования грядущего.

Белая дыра — гипотетический выход из подпространственной червоточины

Выдающийся отечественный астрофизик и космолог, исследователь черных дыр и «конструктор» Т-агрегатов на их основе академик Игорь Дмитриевич Новиков полагает, что одним из компонентов внепространственного перехода может быть «античерная» белая дыра, генерирующая материю.

Остается главный вопрос: если временные парадоксы могут быть успешно разрешены, сами по себе путешествия во времени возможны или нет? Тот же Стивен Хокинг говорит по этому поводу следующее: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является тот факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего». Но сторонники теории Мультивселенной отвечают на это так: «Путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться „толпы визитеров“». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами — только не с нами, а с нашими копиями.

Почему в нашем мире не два, не три, а только одно время?

Почему оно одномерно?

У пространства три измерения — длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно — длительность?

Может, такое только в нашем участке бесконечно разнообразной Вселенной, а в других как-то иначе?

Интересно, как выглядят многомерные миры?

А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем — родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время?

Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям и что при этом произойдет?

Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что будет сравнимо с космологическим коллапсом — Большим «хлопком» или Большим «разрывом», ожидающим, по некоторым сценариям, нашу Вселенную?

Чем больше мы с вами узнаём про удивительное четвертое измерение в нашей реальности, тем больше возникает вопросов и тем сложнее они становятся. Правда, время — настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит нас в новую реальность совершенно фантастических и трудновообразимых явлений.

Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии это самая общая характеристика любых происходящих вокруг нас изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математика время — всего лишь параметр, нумерующий последовательности следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос — почему все последовательности многообразных событий определяются только одной укладывающейся на линию величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными или объема с тремя?

Можно было начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений — было четыре мировых оси — три пространственных, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира?

Прежде всего, сколько должно быть дополнительных временных осей?

Однозначно ответить на этот вопрос очень трудно, ведь никаких ограничений на число пространственных и временных «сторон света» формально не существует. Замечательный ученый — академик Андрей Дмитриевич Сахаров, развивая теорию с бесконечным числом временных переменных, различающихся по виду их проявления в материальном мире, в одной из своих статей писал, что природа настолько многообразна, что в принципе позволяет существовать, например, мирам с одной или двумя пространственными и несколькими временными переменными. Конечно, все эти миры будут сильно различаться по своим свойствам — в одних могут существовать устойчивые атомы и образовываться сложные молекулы — основа жизни, в других будет своеобразная мешанина из элементарных частиц или какие-либо еще неизвестные нам формы материи и ее организации…

Есть и более глубокие соображения, основанные на изучении явлений в ультрамалых областях, где частицы, по-видимому, могут перемещаться быстрее света и противопоставление пространства и времени утрачивает смысл — в зависимости от точки зрения пространство может стать временем, а время приобрести свойства пространства.

Единственный мысленный зонд, который может проникнуть в подобную фантастическую реальность, — это сложнейшие математические формулы. Только с их помощью можно нарисовать картины новой Вселенной. Если писатели и художники-фантасты путешествует по мнимым мирам с помощью своего воображения, то математики и физики-теоретики используют для этого интеллектуальные приемы на основе математических законов и физических принципов. Конечно, мы не будем продираться сквозь частокол математических символов и воспользуемся уже готовыми результатами, стараясь понять их с помощью нестрогих, но зато наглядных аналогий.

Ученые столетиями исследуют различные свойства окружающей нас материальной реальности, все дальше отодвигая границы Метагалактики. Вообще говоря, за все время научных исследований из всех окружающих нас предметов, включая сотни новых элементарных частиц, физикам не попался ни один, у которого бы наблюдались признаки дополнительных временных измерений. Можно предположить, что вектор времени, с которым в чудовищных процессах Большого взрыва родился ограниченный участок Вселенной, раздувшийся затем в окружающий нас мир, с высокой степенью точности одинаков у всех заполняющих его материальных тел. Объекты с иным ходом времени могут залететь к нам лишь с далеких окраин Метагалактики.

Размеры только что родившейся в квантовой неоднородности Вселенной были невообразимо малы — порядка элементарной частицы или даже еще меньше. Естественно, что ее отдельные участки вначале интенсивно взаимодействовали между собой и их вещество бурно перемешивалось. Следовательно, и время, во всей нашей Вселенной сформировавшись как процесс в самом начале, далее течет везде одинаково. Если это так, то объекты с отличными временными векторами могут рождаться лишь в процессах, протекающих внутри нашего мира.

Итак, какое же впечатление произведет на нас многомерный мир, существуй он в реальности? Вначале он должен показаться похожим на наш четырехмерный. Однако, внимательно приглядевшись, мы бы заметили, что некоторые тела движутся непривычно быстро, почти мгновенно перемещаясь в пространстве. Зная расстояние между точками и определив время движения по земному хронометру, мы бы обнаружили, что скорость некоторых тел превосходит световую. Это настораживает, поскольку физики уже давно установили, что сверхсветовые тела, существуй они действительно в природе, можно было бы заставить двигаться вспять по времени — из настоящего в прошлое. Направление их движения зависит от точки зрения наблюдателя. Неподвижный наблюдатель увидит, что сверхсветовые осколки взорвавшегося снаряда, как им и положено, разлетаются в стороны и, замедлившись, падают на землю. А движущиеся увидят все в обратном порядке: лежавшие на земле осколки поднимаются в воздух, летят навстречу друг другу и собираются в целый снаряд, который стремительно втягивается в ствол орудия! Картина явно абсурдная, тут нарушено одно из основных свойств материального мира — причинно-следственная связь, а попросту говоря — причина и следствие поменялись местами.

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. Неоновый сигнал также может бежать с любой скоростью, ограничиваемой только техническими возможностями электрической цепи.

Итак, для того чтобы выяснить, многовременная ли у нас Вселенная, нужно искать где-нибудь в космосе или в микромире среди элементарных частиц объекты, скорость которых выглядит как сверхсветовая. И такие объекты, оказывается, давно уже известны астрономам! Некоторые светящиеся тела на звездном небе и вправду движутся быстрее света. В том, что это так, сегодня нет никаких сомнений — это не ошибка наблюдений, а твердо установленный факт. Вот только экспериментальная информация о свойствах этих тел пока еще невелика, и все их удается объяснить оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени.

Можно, конечно, с успехом использовать для этого и гипотезу многовременного мира, однако, пока в науке работают известные законы, не следует вводить новых гипотез — иначе наука превращается в научную фантастику.

Вообще говоря, тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение — в момент пересечения его и нашей траектории. Чуть раньше оно было еще в нашем прошлом, мгновение спустя оно окажется в нашем будущем. Если тело обладает необходимым устройством, то, находясь в прошлом, оно может послать нам радиограмму или просигналить световым зайчиком о своем прибытии — и, в частности, сообщить нам время и координаты точки пересечения траекторий, чтобы не вынырнуть из прошлого внутри какого-либо другого материального тела, ведь тогда может произойти настоящая космическая катастрофа.

Правда, так будет, если наше временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве — это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где-то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из временного далеко мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас, в глубинах космоса…

В нашем мире мы привыкли видеть астрономические источники света — Солнце и звезды — столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни.

В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подойдет к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.

Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее пяти миллиардов лет.

Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов, прежде всего, привлекают внимание к вопросам баланса энергии в многовременном мире.

Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты будут компенсировать друг друга — вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.

Например, в абсолютно пустом пространстве, из вакуума, могут родиться две частицы с противоположно направленными по отношению друг к другу векторами энергии и общим балансом, равным нулю. Это может происходить в каждой точке бесконечного пространства — физики называют подобные явления распадом вакуума. Для внешнего наблюдателя такие процессы выглядели бы как неудержимый мгновенный взрыв пустоты с выделением бесконечно большого количества вещества.

Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены таким образом, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправны. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния. Но однако же каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни время течет только в одном направлении.

Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии — и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т-конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.

Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из предыдущих глав ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая.

Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально 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 же быть со временем?

Многовременье

Многие времена в одном мире легко представить на примере полета звена фантастических самолетов. Пусть одно время определяет высоту полета, второе — скорость, третье — взаимное расстояние, а четвертое — количество топлива.

Туманность «Песочные часы»

Песчинки часов чем-то напоминают кванты времени, они так же неделимо отсчитывают его отрезки, и так же неопределенен момент времени, пока песчинка находится «в полете».===

Давайте вспомним, какой энергией может обладать электрон, обращающийся вокруг атомного ядра. В рамках классической физики — любой, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.

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 невообразимо мала; и она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.

Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — кубу длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже одновременно на прыжки кенгуру на батуте и движение шахматного коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами на некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается. Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление, а именно:

фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Очень интересно ведет себя на уровне ячеистого пространства время, будучи также дискретной величиной. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка», совершенно непредставимой по своей малости величине, описываемой 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, часы делают один «тик».

Тут надо в очередной раз вспомнить вариант соотношения неопределенности Гейзенберга для энергии и времени: ΔEΔt ~ ħ. Оно показывает, что на сверхмалых промежутках времени Δt возможно самопроизвольное изменение энергии микрочастицы ΔE. Подобные квантовые флуктуации энергии могут порождать виртуальные (возможные) частицы. В квантовой теории поля считается, что виртуальные частицы принципиально прямо не наблюдаемы. Это очень странное качество частиц, но в принципе ожидаемое, поскольку оно логически вытекает из исходного принципа неопределенности — квантовые объекты невозможно наблюдать непосредственно, нужен некий агент — посредник, изменяющий их состояние. Тем не менее в квантовой электродинамике все процессы взаимодействия предполагают наличие виртуальных частиц.

Какова же возможная природа виртуальных частиц? Тут есть несколько вариантов ответов. Можно предположить, что они являются новым видом физической реальности, открытым в квантовой теории поля, или же считать их некоторыми абстрактными объектами, не имеющими реальных аналогов и лишь приближенно моделирующими механизмы взаимодействия элементарных частиц.

А можно вообще перейти на самые общие категории пространства и времени, сопоставив виртуальные частицы и некую «потенциальную реальность пространственной локализации», существующую лишь в возможности выйти за границы времени жизни. Это время жизни виртуальной частицы, подобно энергии и пространству, будет уже не квантуемо, а хроноквантуемо, включая в себя целое количество элементарных «атомов времени» — хроноквантов. Тогда само по себе превращение виртуальных частиц в реальных опытах можно рассматривать как косвенное подтверждение «движения» виртуального объекта по шкале времени. Получается, что за гранью сверхмалого скрывается еще один тип бытия — реально-временное «там» и пространственно-потенциальное «здесь». Нечто подобное описывал при воображаемом путешествии в бездну провала застывшей звезды — коллапсара видный российский астрофизик и блестящий популяризатор науки академик Игорь Дмитриевич Новиков.

Мы еще встретимся с квантовой космологией мира Минковского, заключающего в себе «зерно» хроноквантовой реальности, а пока заметим, что еще Бор в своем принципе дополнительности предполагал, что любому процессу и явлению присущи взаимодополняющие противоположности — «возможность» и «действительность», переходящие друг в друга. Рассмотрим пример поступления абитуриента в университет. Действительно, возможность поступления в вуз определяется желанием, упорством и трудолюбием, а также конкурсом аттестатов и стажем трудовой деятельности по выбранной специальности, следовательно, она заложена в самой действительности развития ситуации.

Вообще говоря, в некоторых областях стандартных теорий и в большинстве неустоявшихся инноваций довольно часто встречаются не только «принципиально ненаблюдаемые» объекты в виде виртуальных частиц и тех же кварков, но и всяческие сингулярности, бесконечности, расходимости. В последнее время здесь появился еще целый класс «принципиально квантово нелокальных систем и объектов», причем эта квантовая нелокальность материальных тел распространяется даже не на Метагалактику, а на весь сущий мир, захватывая еще и иррациональную область индивидуального сознания. Тут необходимо отметить и серьезную проблему квантовой теории поля, связанную с возникновением при теоретических расчетах «духов» — состояний микрообъектов с отрицательной вероятностью. Вообще говоря, вероятность событий может быть любым числом от нуля до единицы. Для невозможного события вероятность равна нулю, а для полностью достоверного — единице («стопроцентная вероятность»). В чем же может состоять физический смысл отрицательной вероятности? Этот вопрос в немалой степени занимает внимание теоретиков.

В свое время Эйнштейн писал:

«Однако мы должны помнить, что та идеализация, которая состоит в утверждении, что в природе действительно существуют неизменяемые масштабы, может потом оказаться либо совсем неприменимой, либо оправдываемой только по отношению к некоторым определенным явлениям природы. Общая теория относительности уже доказала неприменимость этого понятия ко всем областям, размеры которых не могут считаться малыми с точки зрения астрономии. Быть может, теория квантов будет в состоянии показать неприменимость этого понятия на расстояниях порядка размеров атомов. И то и другое считал возможным Риман».

Мысли Эйнштейна дополняют рассуждения патриарха отечественной космологии Абрама Леонидовича Зельманова о том, что сверхбольшое и сверхмалое может смыкаться в своей природе. А поскольку сверхпространство, в котором, собственно говоря, и происходит расширение нашей Вселенной, вполне может быть неметрическим, то и в инфрамикромире планковских масштабов метрические отношения могут неузнаваемо измениться или даже совсем исчезнуть. Профессор Зельманов указывал, что существование эталонов длины и времени связано с миром атомов и молекул, где длина соизмерима с периодом кристаллической решетки, а длительность — с колебаниями молекул и атомов. Но переход к планковским масштабам аналогичен сравнению Метагалактики с атомом! Естественно, что при этом все метрические эталоны могут потерять свой смысл вместе с самими понятиями длины и времени. Собственно говоря, метрические отношения на данном уровне реальности могут иметь просто иной качественный характер, например содержать своеобразные атомы пространства — планкионы, или максимоны, и времени — хрононы, или хронокванты. Существуют ли они на самом деле? Пока мы еще очень далеки от исследования таких глубин материи, но принципиальная возможность здесь существует, и связана она с новыми поколениями ускорителей элементарных частиц. Однако и здесь потребуются иные экспериментальные методики, иначе для насыщения энергией подобных опытов не хватит всех планетарных ресурсов!

Еще в середине прошлого столетия создатель новой квантовой физики Бом писал: «Кванты, связывающие объект и окружающую его среду, образуют неисчезающее звено, которое в любой момент зависит в равной мере от обеих частей». Чем-то это перекликается с еще более давней позицией Гейзенберга, считавшего, что физическое пространство и время носят сугубо макроскопический характер и отсутствуют в «фундаменте» материи.

Ну а теперь вспомним, что, рассуждая о возможных проявлениях ячеистой структуры пространства-времени, мы забыли о самом главном событии в истории Мироздания — его рождении в пучинах Большого взрыва. Элементарная логика подсказывает, что если атомы пространства и времени существуют, то они должны были проявиться в самом начале эволюции Вселенной. Именно тогда и должна была возникнуть космологическая стрела времени, управляющая течением всех процессов и явлений нашего мира.

Чтобы представить себе течение квантового времени в нашем мире, давайте обратимся к давней традиции физики создавать сказочных существ, наделенных сверхъестественными способностями, таких, как демон Максвелла из школьной термодинамики. Однако у нас ситуация сложнее, и нам придется создать целый сонм потусторонних наблюдателей во главе с обер-демоном Баалом, разглядывающим строение нашего Мультимира из бесконечной глубины вселенского «ничто». Структура Мультиуниверсума предстанет перед всепроникающим взором демиурга наподобие «луковицы миров», где каждая из множественных Вселенных представляет собой замкнутую оболочку изолированного мира. Ну а в центре луковицы Мультимира демиург с любопытством зафиксирует призрачные сполохи главной вселенской тайны — космологической сингулярности Большого взрыва, о которой мы много уже говорили.

Впрочем, он тут же вспомнит полученный накануне свыше указ считать космологическую сингулярность обычным катастрофическим процессом во Вселенной, ну… разве что сопровождающимся не совсем понятным изменением размерности пространства. Довольно почесав кончиком хвоста за ухом и полистав пудовый фолиант формул с горящими литерами «М-теория суперструн», демиург решит, что в высших сферах наконец-то приняли дельное решение, ведь иметь дело с сингулярными бесконечными плотностями материи и энергии и нечистой силе не очень-то приятно… Ну а теперь, поскольку понятие главной сингулярности волевым решением аннулировано, можно и попристальнее вглядеться в феерический процесс рождения новых миров, с немыслимой хроноквантовой частотой возникающих в катаклизме квантовых флуктуаций колеблющегося марева инфлатона.

Но уже через несколько миллиардолетий, устав от непрестанного мелькания возникающих, растущих и лопающихся пузырей вакуумной пены дочерних вселенных, наш руководящий демон впадает в сладостную дремоту. Во сне ему, конечно же, привиделся образ Многомирья, так напоминающий пышную шапку пены над запотевшей пивной кружкой (образ известного английского теорфизика Ричарда Готта), что, проснувшись, он тут же решает передать эстафету наблюдения своим младшим собратьям — демонам, рассаженным по отдельным мирам, а самому отправиться несколько освежиться в одну из наиболее подходящих вселенных, славящуюся осенним элем, романами Клиффорда Саймака и заповедниками гоблинов.

В то время каждый из внутренних демонических наблюдателей уже успел вообразить себя кондуктором вагончика-Мироздания, стремительно летящего по стреле — монорельсу времени в неизвестность. Внутри своего мира демон чувствует себя вполне комфортно, здесь течет свое время, рождаются и гибнут галактики и, в общем-то, идет нормальная эволюция локальной вселенной. Однако скоро демону начинает досаждать периодическое хриплое мяуканье полуживого шрёдингеровского кота, клетка с которым вместе с портативной системой кошачьего полуумертвителя входит в обязательный набор демонического научного инструментария. Пошикав на вредное создание великого теоретика и подумав в очередной раз о том, чем же так досадило Шрёдингеру в свое время кошачье племя, демон тычет кочергой в кошачью клетку, отчего мяуканье переходит в хриплый пульсирующий вой.

Не выдержав оглушительного кошачьего концерта, младший бес садится писать длинную жалобу демиургу, сетуя на невозможные условия работы в присутствии кошмарного порождения одного из основателей квантовой механики, очень досаждающего своим шумным оживлением через каждый хроноквант потока времени. Скучающий в «небытии» демиург, только что вернувшийся с третьей планеты, вращающейся вокруг звезды — желтого карлика на окраине Млечного Пути, незамедлительно присылает ответ по сверхпространственной почте, от которого шерсть демона становится торчком, а хвост закручивается в спираль Мебиуса. Забыв о вредном коте, бес стремительно летит в тамбур своего вагончика-Мироздания и распахивает дверь вселенского тамбура…. Тут его изумленному взору и предстает весь состав Мультиверса с клацающими буферами запутанных квантовых состояний и практически бесконечным количеством стрелок на каждом хроноквантовом стыке монорельса стрелы времени. С трудом придя в себя и отдышавшись, демон начинает осознавать, что не только мерцающая жизнь квантового кота, но и его личная судьба в реальности данного мира решается каждый хроноквант времени, локализуясь в полном соответствии с квантовой теорией в новую историческую последовательность хроноквантовых вселенных.

Постепенно демон успокаивается и даже проникается неким сочувствием к замолкнувшему в очередной раз коту, размышляя при этом над фатальностью судьбы, и тут к его копытам падает следующий толстый конверт сверхпространственной почты с печатями самого демиурга. Пораженный столь непривычным вниманием начальства, демон дрожащими когтями разрывает пакет и обнаруживает целую кипу научных статей Эверетта, Уилера, Новикова, Линде, Старобинского, Киржница пр. и пр. и пр…. Зачитавшись удивительными физическими фантазиями теоретиков прошлого, демон не замечает, как вселенский маятник отсчитывает еще одно многомиллиардолетие мгновения вечности… Наконец сверхъестественное существо прерывает чтение на какой-то статье неизвестного украинского физика под названием «Миры Мультиуниверсума» и, задумчиво почесывая заметно подросшую бородку, начинает усиленно размышлять над параллелизмом удивительных миров Эверетта — Уилера, последовательных Универсумах Виленкина, возникновением объективной реальности в инфляционном пароксизме Большого взрыва и многих других, очень странных вещах, даже на сверхъестественный взгляд потустороннего разума….

Тут надо отвлечься от научной демонологии и заметить, что и с достаточно зыбкой философской точки зрения окружающий нас материальный мир, как бы он ни был сложен, органически един и понятие времени неразрывно связано с происходящими в нем явлениями. Таким образом, нет ничего необычного в том, что всеобщий принцип атомизма должен распространяться и на длительность событий в нашей Вселенной. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких ячеек времени, частиц времени и даже поля времени — хронополя.

Однако если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о Т-аппаратах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки существования квантов времени. Некоторые расчеты показывают, что дискретность времени должна проявиться в экспериментах с микрочастицами, разогнанными до энергий в десятки миллиардов джоулей. Это очень большая величина, сравнимая с энергонасыщеностью всей современной промышленности, и даже самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, вряд ли смогут обеспечить хотя бы мизерную долю требуемой энергии. По всей вероятности, для проведения подобных экспериментов понадобятся принципиально новые источники энергии, иначе подобный ускоритель очень быстро истощит все планетарные ресурсы нашей цивилизации.

Давайте здесь все же остановимся, пока мы полностью не увлеклись «темпоральными фантазиями» в духе неподражаемого американского выдумщика Уолтера Брейдена Финнея (Джека Финнея), и обратимся к творчеству блестящего популяризатора физических и математических парадоксов, математика и писателя, хорошо известного по книгам «Математические чудеса и тайны», «Математические головоломки и развлечения», «Математические досуги», «Математические новеллы», «Путешествие во времени», «Крестики-нолики», «Есть идея!», «А ну-ка, догадайся!» Мартина Гарднера, который попытался ответить на очень любопытный вопрос.

Время описывалось многими метафорами, но нет более древней и более навязчивой, чем образ времени как реки. «Вы не можете войти дважды в одну и ту же реку, — говорил греческий философ Гераклит, — потому что всегда вокруг вас текут новые воды». «Вы не можете даже один раз войти в нее, — добавлял его ученик Кратил, — потому что, пока вы в нее входите, и вы и река уже успеваете в чем-то измениться».

У Джеймса Джойса в «Поминках по Финнегану» великим символом времени является река Лиффи, протекающая через Дублин. Ее «бесцельно блуждающие воды», достигающие океана в последних строках романа, затем возвращаются в «русло», чтобы опять начать бесконечный цикл изменения. Однако река — символ не только яркий, но и сбивающий с толку. Ведь течет не время, а мир. «В каких единицах надо измерять скорость потока времени? — спрашивает австралийский философ Дж. Смарт. — В секундах за …?» Говорить «время движется» — это то же самое, что сказать «длина протягивается».

Но вернемся к избитому сравнению. Если рыба может плыть по реке против течения, то мы бессильны проникнуть в прошлое. Изменяющийся мир, по-видимому, больше напоминает магический зеленый ковер, развертывающийся прямо под ногами и свертывающийся сразу же позади (этот образ также взят из литературы, из произведений американского фантаста Фрэнка Баума, в одном из которых королева страны Оз пересекает пустыню Смерти, двигаясь всегда в одном направлении по узкой ковровой дорожке «теперь»). Но почему магический ковер никогда не развертывается обратно? Каков физический базис этой странной непреодолимой асимметрии времени? По этому поводу среди физиков имеется так же мало согласия, как и среди философов. А ныне, в результате недавних экспериментов, замешательство еще более усилилось.

До 1964 года все фундаментальные законы физики, в том числе теория относительности и квантовая механика, были «времени-обратимыми». Другими словами, можно было заменить t на — t в любом основном законе, и он оставался так же применим к миру, как раньше: независимо от знака перед t закон описывал нечто, что могло происходить в природе.

Но физики все-таки стремились найти разницу между наконечником и оперением «стрелы времени». Они обратили свои взоры к таким событиям, а их немало, которые хотя и возможны теоретически, но в действительности никогда или почти никогда не происходят. Лучи звезды, например, распространяются во всех направлениях. Никогда не наблюдается обратное — они не приходят с разных сторон и не сходятся в звезду, нет обратно протекающих ядерных реакций, которые делали бы звезду поглотителем излучения, а не его источником. Однако в основных законах ведь нет ничего такого, что делало бы такую ситуацию невозможной в принципе! Непрерывное расширение всего космоса представляет еще один пример таких событий. Здесь опять нет причины, почему бы этот процесс в принципе не мог идти в обратную сторону. Если бы удаление галактик друг от друга сменилось их сближением, красное смещение превратилось бы в голубое смещение, и общая картина не нарушала бы никаких известных физических законов.

И хотя, как говорит наш опыт, эти процессы расширений и рассеяний всегда однонаправлены, но и они не помогают нам различать два конца стрелы времени.

Многие философы и даже некоторые физики считали, что объяснение стрелы времени можно найти только в человеческом сознании, в однонаправленной деятельности нашего ума. Однако их аргументы не были убедительны. Например, Земля претерпела долгую эволюцию, перед тем как на ней возникла какая-либо жизнь, и все доводы говорят за то, что события на Земле были раньше так же однонаправлены, как и теперь. В конце концов большинство физиков пришли к выводу, что все события природы в принципе времени-обратимы. Все, кроме тех, что связаны со статистическим поведением большого числа взаимодействующих объектов.

Пусть удар кия разрушит треугольник из восемнадцати шаров на бильярдном столе. Шары рассеются во все стороны, и, скажем, восемь из них попадут в лунки. Предположим, сразу после этого движение всех участвовавших в событии объектов стало бы совершаться в обратном направлении с теми же скоростями. Молекулы в лунках, куда попали шары, сконцентрировали бы свою полученную при падении шара тепловую энергию таким образом, чтобы в результате шары втолкнулись бы обратно на бильярдный стол. Попутно молекулы, переносящие теплоту трения, должны возвратить свою энергию шару и подтолкнуть его на прежний путь. Подобным же образом должны двигаться и другие шары. Восемь шаров, вытолкнутых из лунок, и шары, катающиеся на поверхности стола, будут перемещаться по столу до тех пор, пока они в конце концов не образуют треугольник. При этом не будет слышно никаких звуков соударений, потому что звуковая энергия молекул, участвовавших в возникновении колебаний воздуха во время первоначального разрушения треугольника, должна возвратиться к шарам и совместно с энергией их движения добиться того, чтобы шары сошлись в треугольник и к тому же оттолкнули кий в исходное положение. Картина движения любой индивидуальной молекулы, участвующей в этом событии, не представляла бы собой абсолютно ничего необычного. По-видимому, не был бы нарушен ни один фундаментальный закон механики. Но если рассматриваются миллиарды «бесцельно блуждающих» молекул, участвующих в общей картине, то вероятность, что все они будут двигаться по пути, требующемуся для воссоздания исходного треугольника, является слишком малой.

А как же быть со столкновением объектов, притягивающихся друг к другу, — например, с падением метеоритов? Несомненно, уж это-то событие не является времени-обратимым. Но и это не так! Когда большой метеорит сталкивается с Землей, происходит взрыв. Миллиарды молекул рассеиваются во все стороны. Обратите направления движения всех этих молекул, и их соударение в одной точке даст точно такое количество энергии, чтобы запустить метеорит обратно по орбите. И при этом ни один фундаментальный закон не был бы нарушен — кроме статистических законов!

Именно здесь, в законах вероятности, большинство физиков девятнадцатого века искали обоснование стрелы времени. Вероятность объясняет такие необратимые процессы, как растворение кофе, таяние мороженого, взрыв бомбы и все другие знакомые однонаправленные события, в которых участвует большое число молекул. Она объясняет второй закон термодинамики, согласно которому теплота всегда передается от более нагретого к более холодному телу, увеличивая энтропию — меру беспорядка системы. Этот закон объясняет, почему перетасовка делает беспорядочной колоду карт.

«Без какого-либо мистического призыва к сознанию, — констатировал Артур Эддингтон (в лекции, в которой он впервые ввел образ „стрелы времени“), — возможно найти направление времени… Произвольно направьте стрелу. Если, следуя за стрелой, мы найдем в состоянии мира все больше и больше беспорядка, значит, стрела указывает в будущее; если же, наоборот, беспорядок уменьшается, значит, стрела указывает в прошлое. Таково единственное различие между прошлым и будущим, известное физике».

Но к настоящему моменту выяснилось, что есть более фундаментальное, чем с помощью статистических законов, обоснование «стрелы времени». В 1964 году группа физиков Принстонского университета открыла, по-видимому, времени-необратимость некоторых слабых взаимодействий частиц. «По-видимому», — так как данные косвенные и спорные. Из них следует лишь, что если справедливы некоторые предпосылки, то симметрия времени нарушается.

Наиболее важная предпосылка известна как CPT-теорема. C — соответствует электрическому заряду (плюс или минус), P — четности (левое или правое зеркальное отображение) и T — времени (прямому иди обратному). Еще десять лет назад физики полагали, что каждая из этих трех основных симметрий справедлива во всей природе. Если вы замените заряды частиц камня на противоположные так, что положительные заряды станут отрицательными, а отрицательные положительными, камень все же останется камнем. Точнее говоря, камень превратится в камень из антиматерии, но нет никаких причин, почему антиматерия не может существовать. Антикамень на Земле мгновенно бы взорвался (материя и антиматерия аннигилируют друг с другом при соприкосновении), но физики могут вообразить галактику из антиматерии, в точности похожую на нашу собственную галактику — за исключением лишь знака C.

Считалось, что такая же универсальная симметрия справедлива относительно P (четности). Если вы измените на обратную четность камня или галактики — или, что то же самое, отразите в зеркале всю их структуру вплоть до последней волны и частицы, — в результате получится совершенно такой же камень или галактика. Но в 1957 году Ч. Янг и Т. Ли получили Нобелевскую премию по физике за теоретическую работу, которая привела к открытию несохранения четности. В мире элементарных частиц имеются события, в том числе некоторые слабые взаимодействия, которые не могут происходить, будучи отраженными в зеркале!

Не успели физики привыкнуть к этой новооткрытой симметрии, как принстонские экспериментаторы обнаружили несколько слабых взаимодействий, в которых и CP-симметрия, по-видимому, нарушалась. Другими словами, они нашли несколько событий, для объяснения которых пришлось допустить нарушение знака T — вдобавок к перемене знаков C и P. Хотя данные еще косвенные и частично спорные, многие физики теперь убеждены, что в мире элементарных частиц существуют события, идущие во времени только в одном направлении. Если это справедливо по всей Вселенной, то, установив связь с учеными в удаленной галактике, мы сможем отныне узнать, живут ли они в мире из материи или антиматерии. Для этого надо просто сказать им, чтобы они провели один из экспериментов с нарушением CP-симметрии. Если их описание точно совпадет с нашим собственным описанием того же эксперимента, то мы не взорвемся, когда прилетим к ним. Вполне может случиться, что во Вселенной нет галактик из антиматерии. Но физики любят уравновешивать все на свете, и если во Вселенной имеется столько же антиматерии, сколько материи, то могут существовать области космоса, в которых все три симметрии меняют знак. События в нашем мире, однозначные относительно CPT, будут все идти противоположным путем в CPT-обращенной галактике. Материя такой галактики должна быть зеркально отраженной, противоположной по заряду и двигающейся назад во времени.

Но что значит сказать — события в галактике идут назад во времени? Об этом никто не знает ничего реального. Новые эксперименты указывают всего лишь на преимущественное направление времени для некоторых взаимодействий частиц. Однако имеет ли эта «стрела» какую-либо связь с другими «стрелами времени» наподобие тех, которые определяются процессами излучения, законом возрастания энтропии и психологическим временем живых организмов? Указывают ли все эти «стрелы» в одну и ту же сторону, или они могут независимо указывать разные направления?

Наиболее популярный способ придать какой-то смысл «обратному времени» издавна заключался в том, чтобы вообразить мир, в котором процессы «перетасовки» идут наоборот — от беспорядка к порядку. Людвиг Больцман, австрийский физик прошлого века, один из основателей статистической термодинамики, сознавал, что, после того как молекулы газа в замкнутом изолированном сосуде достигнут состояния теплового равновесия — то есть будут двигаться в полном беспорядке, а значит, с максимальной энтропией, — в нем все-таки всегда будут образовываться небольшие области, где энтропия кратковременно уменьшается. Эти области должны уравновешиваться другими областями, где энтропия увеличивается, так что усредненная энтропия остается неизменной.

Больцман представлял себе космос безбрежным, возможно бесконечным в пространстве и времени, средняя энтропия которого максимальна — то есть в нем царит полный беспорядок. Но в этом же космосе есть области, где энтропия иногда уменьшается. («Область» может охватывать миллиарды галактик, а «иногда» может растянуться на миллиарды лет.)

Возможно, разбегающиеся волны нашей части бесконечного океана пространства-времени представляют область, в которой произошло такое отклонение: когда-то в прошлом, возможно во время первоначального Большого взрыва, энтропия вдруг уменьшилась; теперь она увеличивается.

В вечном и бесконечном потоке возник кусочек порядка; теперь этот порядок опять рассыпается, и наша «стрела времени» летит по обычному направлению увеличения энтропии. Есть ли иные области пространства-времени, задал вопрос Больцман, в которых «стрела» энтропии указывает в другую сторону? И если они есть, то будет ли правильным говорить, что время в таких областях течет вспять, или надо просто считать, что энтропия там уменьшается, а сама область продолжает развиваться вперед во времени?