Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

ВВЕДЕНИЕ ВОЗРОЖДЕНИЕ ФИЗИКИ

Прежде чем рассказывать о чудесах современной науки, перелистнем несколько страниц истории. Минула эпоха античных мыслителей-метафизиков, прошел период противоречивых темных веков Средневековья, и на арену истории вышла новая наука Ренессанса — возрожденная физика. Среди нескольких предвестников современного научного подхода к окружающей природе — Николая Кузанского, Френсиса Бэкона, Николая Коперника, Джордано Бруно, Леонардо да Винчи выделяются имена величайших ученых в истории естествознания — Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Считается, и не без основания, что именно с работ Галилея началось развитие экспериментальной науки. Ведь именно этот ученый сумел замечательно соединить оригинальные мысленные эксперименты с движущимися телами и гениальные по своей простоте реальные опыты, которые может повторить любой, самостоятельно убедившись в справедливости предложенной физической модели.

Сама идея совмещения умозрительных моделей и проверяющих их физических экспериментов была в то время чем-то совершенно новым и по-настоящему радикальным, ведь столетиями, если не тысячелетиями, считалось, что исследовать Вселенную можно всего лишь с помощью правильных логических рассуждений. Подобные взгляды приводили ко множеству заблуждений, таких, как необходимость подталкивать стрелу в воздухе для продолжения ее полета, или о том, что все тела падают на землю со скоростью, пропорциональной их массе.

Чтобы понять идею опытов Галилея, надо всего лишь вспомнить, как ведут себя окружающие нас предметы под воздействием силы земного притяжения. Выпустите какой-нибудь предмет из рук — и он упадет на пол; при этом в первое мгновение скорость его движения будет равна нулю, но он тут же начнет ускоряться — и будет продолжать ускоряться, пока не упадет на землю. Вот поэтому Галилей и считал, что если он сможет описать падение предмета на землю, то затем будет уже нетрудно распространить это описание и на общий случай равноускоренного или равнозамедленного движения, так часто встречающегося вокруг нас.

Именно первопроходческий труд Галилея и проложил дорогу последующим триумфальным открытиям великого английского физика Исаака Ньютона (1642–1727), создавшего ту самую классическую механику, которую все мы изучали в школе. С именем Ньютона связано и открытие фундаментального физического закона всемирного тяготения (см. рис. 1 цветной вклейки, далее — цв. вкл.). Правда, здесь мы в очередной раз видим, что и великим свойственно заблуждаться, ведь Ньютон считал, что взаимодействие тел имеет характер дальнодействия — мгновенной передачи воздействия тел друг на друга через пустое пространство, которое не принимает участия в передаче взаимодействия. Однако концепция дальнодействия была признана не соответствующей действительности после открытия и исследования электромагнитного поля, играющего роль посредника при взаимодействии электрически заряженных тел. Возникла новая концепция взаимодействия — концепция близкодействия, которая затем была распространена и на любые другие взаимодействия. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение — посредством гравитационного поля), которые непрерывно распределены в пространстве.

Тут надо заметить, что в науке позапрошлого века большую роль играли ложные представления о некой всепроникающей среде — эфире. На представления об эфире как переносчике электрических и магнитных взаимодействий опиралась вся физика того времени. Первоначально эфир понимали как механическую среду, подобную упругому телу, в котором распространение световых волн уподоблялось распространению звука в воздухе.

Гипотеза механического эфира соединяла в себе несоединимое и чем-то напоминала мифическое существо — грифона с птичьей головой и туловищем льва. Так, закономерности распространения световых волн требовали от эфира свойств абсолютно твердого тела, намного тверже алмаза, и в то же время эфир не должен был оказывать ни малейшего сопротивления движению небесных тел, иначе это сразу же выявили бы астрономы. В течение долгого времени поколения математиков и физиков пытались придумать правдоподобную модель для загадочного эфира. Но в конце концов, более столетия назад, было твердо установлено, что ложно само понятие этой таинственной субстанции. Сделала это самая знаменитая теория прошлого века — теория относительности. Крах «эфирного мироздания» начался с хрестоматийного сейчас эксперимента по выяснению участия эфира в движении тел. Этот эксперимент был поставлен американскими физиками Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли еще в 1881 году. Тут надо заметить, что вокруг знаменитых опытов Майкельсона и Морли существует целый клубок легенд и заблуждений.

Во-первых, «классически консервативные исследователи» Майкельсон и Морли вовсе не собирались опровергнуть существование мирового эфира, представление о котором в те времена было так же незыблемо, как и закон всемирного тяготения. Американские физики хотели лишь впервые измерить скорость его относительного движения на поверхности Земли — «эфирного ветра». Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает прямое и попятное движение относительно гипотетического эфира, полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания приборов в одну сторону, а полгода — в другую. Наблюдая в течение целого года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких признаков воздействия эфира. Здесь следует развеять еще одно заблуждение: после своих опытов американские физики вовсе не посчитали, что ими было экспериментально доказано отсутствие эфирного ветра, а, стало быть, и эфира в природе. Наоборот, еще долгое время они подчеркивали, что всего лишь не смогли получить какой-либо результат в пределах погрешности своей установки. Иначе говоря, они просто сочли, что их лабораторная схема слишком груба для исследования «эфирного ветра».

Во-вторых, вопреки расхожему убеждению, эксперимент Майкельсона — Морли вовсе не послужил отправной точкой для создания теории относительности. Дело в том, что ее основному автору, в то время служащему патентного бюро в Берне (Швейцария) Альберту Эйнштейну, исследования американских физиков просто были неизвестны. Это уже впоследствии, после первых впечатляющих успехов новой теории, выяснилось подтверждающее ее значение эксперимента Майкельсона — Морли, а сами они были удостоены всяческих почестей и наград.

В-третьих, правильнее было бы говорить не о каком-либо единственном эксперименте Майкельсона — Морли, а о целой серии опытов, в которых американские исследователи далеко не всегда получали однозначные результаты. Впрочем, и они сами по возможности пытались избегать категорических формулировок, считая, что все их сомнения будут разрешены в будущем на базе более совершенной экспериментальной техники.

Как бы то ни было, но «эфирный кризис» все же был успешно разрешен именно благодаря великому физику двадцатого века Альберту Эйнштейну, который полностью изменил классические представления о пространстве и времени. Эйнштейн предположил, а его учитель и впоследствии соавтор, выдающийся немецкий математик Генрих Минковский (1864–1906), математически показал, что в действительности пространство и время нераздельны. Они как бы образуют единое четырехмерное пространство-время Минковского. Этот физический образ трудно вообразить наглядно, поскольку мы живем в трехмерном мире, описываемом евклидовой геометрией. Образ пространства Минковского удобен в различных теоретических построениях, его очень любят употреблять математики, называя его «многообразием Минковского», и физики-теоретики, среди которых принято говорить о «континууме Минковского». Не обошли его вниманием и писатели-фантасты (…космический флот погрузился в пространство Минковского и совершил внепространственный прыжок…), как правило, к сожалению, совершенно не понимающие смысла данного физического представления.

Теорию относительности принято разделять на две части — специальную теорию относительности (СТО), и общую (ОТО). Первая из них описывает различные релятивистские (от лат. относительный) эффекты при околосветовых скоростях (300 000 км/с). В соответствии со СТО, существует фундаментальная предельная скорость передачи любых взаимодействий и сигналов — скорость света в вакууме. Почему именно скорость света отделяет привычную нам повседневность от таких совершенно фантастических релятивистских явлений, как замедление времени, релятивистское сокращение размеров тел, относительность одновременности и пр.?

Однозначного ответа на этот вопрос пока еще не существует. Формулы СТО только предсказывают, что если какое-либо материальное тело в своем движении приблизится к скорости света, то его масса устремится к бесконечности… Ну а с бесконечностями ученые работать тоже пока не умеют, во всяком случае это означает, что перед нами нереальное явление.

Вторая часть теории относительности условно называется общей (ОТО). В основе ОТО лежит универсальный принцип эквивалентности инертных и гравитационных масс. Можно сказать, что это связано с искривлением окружающего нас пространства как при движении тел, так и при их притяжении, о чем и говорит общая теория относительности. Наглядно все это можно представить, если вообразить наш мир плоским эластичным листом. Тогда все тела в зависимости от их массы образуют большие и маленькие выемки, в которые и будут скатываться при их взаимодействии.

С другой стороны, точно такие же воронки эти же тела образуют при движении, будучи прикрепленными к пленке пространства. При этом глубина воронки определяется ускорением движения. Отсюда легко сделать поражающий воображение вывод о том, что в нашем трехмерном пространстве геометрия, вообще говоря, является неевклидовой и само время в различных точках пространства должно течь по-разному. Вот так физические законы превращают обыкновенный лифт в чудесное средство межпланетного передвижения, и мы можем с некоторой долей фантазии при движении вверх представить себя в атмосфере газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана или Нептуна с большим тяготением, чем на Земле, а при спуске побывать на поверхности Меркурия, Луны или Марса.

Однако уже в середине прошлого века выяснилось, что теория относительности не окончательно перечеркнула все представления о «светоносном мировом эфире». В природе можно найти среду, чем-то напоминающую своего древнего предшественника, только называется она по-новому — физическим вакуумом. Понятие физического вакуума как особой материальной среды было введено для объяснения возникновения сил физического взаимодействия. В основу этой теории легло представление о том, что тела обмениваются друг с другом так называемыми виртуальными, то есть ненаблюдаемыми, частицами. Например, в случае электромагнитных взаимодействий — виртуальными фотонами. Кроме того, в микромире были обнаружены эффекты, которые иначе, как существованием физического вакуума, было невозможно объяснить. Например, при торможении частицы высокой энергии как бы «из ничего» рождаются другие вполне реальные элементарные частицы. Это удивительное явление физики объясняют с помощью гипотезы о вакууме как «коктейле» из разнообразнейших виртуальных частиц и полей. Виртуальная «начинка» вакуума проявляется в нашем мире при энергетических взаимодействиях — наподобие того, как проявляется незримый фотографический негатив под воздействием проявителя.

Впрочем, физический вакуум напоминает ложный «мировой эфир» лишь двумя качествами: всепроникающей сущностью и энергетическим наполнением. При этом важно понимать, что физический вакуум вполне материален; это особая непрерывная среда, проявляющая себя в различных процессах и явлениях, а не газ виртуальных частиц, между которыми есть абсолютная пустота «настоящего вакуума». Поэтому продолжающиеся и поныне попытки вернуть в науку «мировой эфир» под маской физического вакуума, да еще и составленного из частиц, подчиняющихся только законам классической механики, заведомо обречены на полную неудачу.

У физического вакуума уже открыто несколько парадоксальных свойств, но есть весомые основания считать, что здесь природа показала нам только верхушку айсберга. Например, оказалось, что свойства «непустой пустоты» тесно связаны с античастицами — двойниками обычных частиц, отличающимися от них знаком электрического заряда. И если существуют античастицы, то из них можно построить целый «кусочек» Вселенной! Тут сразу же возникает любопытный вопрос: а будет ли отличаться гипотетический антимир, состоящий из антивещества, от мира обычного вещества, в котором мы живем?

Оживленные споры вокруг подобных вопросов продолжаются с пятидесятых годов прошлого века, со времени открытия антипротона. Однако первый раз антивещество привлекло к себе внимание еще в конце двадцатых годов ушедшего столетия. В тот период знаменитый английский физик Поль Адриен Морис Дирак пытался построить модель электрона и все время натыкался на очень странные следы электронов с отрицательной энергией и массой (!). Физики-острословы тут же прозвали дираковские «негативные» электроны «электронами-ослами». Действительно, в электрическом поле такие электроны должны были двигаться в противоположном обычным «атомам электричества» направлении, а понятия «отрицательная энергия» и «отрицательная масса» выглядели маловразумительной абстракцией. Тем не менее, будучи блестящим теоретиком, Дирак сумел развить свои необычные представления в теорию, получившую поэтическое название «море Дирака» (см. рис. 2 цв. вкл.).

Вакуум уже тогда привлекал самое пристальное внимание физиков, и Дирак сразу же предположил, что эта мнимая пустота на самом деле заполнена бесконечным множеством «негативных» электронов самой различной энергии. Но реальный вакуум абсолютно нейтрален и никак не действует на обычное вещество, поэтому Дирак посчитал, что электромагнитные и гравитационные поля «негативных» электронов полностью компенсируют друг друга. Важной особенностью электронного «моря Дирака» было наличие замкнутых пустот свободного от электронов пространства. В этих пузырьках «вакуумной пены» обычные и негативные электроны должны были взамоуничтожаться (аннигилировать) с испусканием фотонов — частиц электромагнитного поля (см. рис. 3 цв. вкл.).

Надо ли говорить, что вначале теория «моря негативных „электронов-ослов“» вызвала такое же море возражений. Так, чтобы обосновать процесс внутрипузырьковой аннигиляции, физики-теоретики пытались поместить туда протон, как единственную на то время положительную частицу, но это только погружало их в новые глубины проблем моря Дирака.

Триумф теории «моря Дирака» пришелся на 1932 год, когда в космических лучах, падающих на Землю, был обнаружен дираковский «негативный» электрон — позитрон. Вот тут и началось конструирование антимиров, причем сначала казалось, что эти миры должны быть совершенно идентичными, и если бы мы сумели заглянуть в антимир, не аннигилировав при этом, то ничего бы нового не заметили. По-научному это звучит так: все законы природы долгое время считались неизменными (инвариантными) относительно изменения знака заряда частиц (так называемой зарядной инверсии, или С-преобразования). Однако в начале второй половины прошедшего века физики экспериментально открыли шокирующий факт: для того чтобы превратить частицу в античастицу, нужно не только изменить знак заряда, но и как бы отразить частицу в зеркале, произвести еще и пространственное изменение симметрии — P-преобразование. Вместе эти две операции преображения частиц называются СР-преобразованиями. Однако чудеса продолжались, и вскоре выяснилось, что и этого совместного преобразования в ряде случаев совершенно недостаточно, поскольку такая CP-симметрия тоже нарушается. То есть для того, чтобы из электрона получить «настоящий» антиэлектрон, необходимо изменить еще и… направление хода времени, произвести Т-преобразование. Так возникло представление о существовании в природе фундаментального закона сохранения СРТ-симметрии.

Иначе говоря, наблюдатель не сможет никакими опытами установить, в каком мире он находится, если одновременно не произведет над эталонной частицей все три преобразования.

Вернемся теперь к физическим свойствам реального вакуума и добавим, что элементарные частицы, кроме массы и заряда, обладают еще и спином — моментом вращения вокруг собственной оси. При вращении подобно волчкам у зарядов возникает еще и магнитное поле с электрическим дипольным моментом. Рассмотрим сам процесс аннигиляции на примере электрон-позитронной пары. Это удивительное явление происходит не сразу, а в два этапа: сначала на кратчайшее мгновение образуется атом позитрония, состоящий из частиц, вращающихся вокруг общего центра масс. После же аннигиляции их энергия и масса превращаются в электромагнитное излучение, а на месте позитрония остается своеобразная дырка. Может ли эта «дырка» обладать какими-либо физическими свойствами?

Вам известно, что каждой математической функции соответствует определенный график. Когда исследуется новая формула, ее удобно изучить и графически, причем в различных системах координат. Сейчас подобные операции проводятся по специальным программам мощными компьютерами. В один прекрасный день изумленным взорам программистов предстала совершенно бесподобная вязь так называемых фракталов. Вскоре при детальном анализе выяснилось, что главная особенность новых структур заключается в том, что любая их бесконечно малая часть полностью копирует любой бесконечно большой элемент (см. рис. 4 цв. вкл.). Используя это свойство удивительных математических функций, физики-теоретики создали абстрактную модель физического вакуума в виде непрерывной бесконечно тонкой фрактальной нити. Эта нить и должна непрерывно заполнять бесконечно большое трехмерное пространство Вселенной, одновременно служа силовой линией электромагнитного поля.

Получается, что пространство физического вакуума, которым насыщены наши тела и в безбрежных просторах которого парит наша планета, представляет собой, с одной стороны, торричеллиеву пустоту из школьного учебника физики, а с другой — кипящий океан частиц и полей.

Во всяком случае, вакуум совершенно не похож на пустую сцену, где разыгрывается спектакль под названием «Эволюция Вселенной». Для того чтобы представить его зримый образ, давайте еще раз воспользуемся возможностями компьютерной графики. Если немного пофантазировать, то можно увидеть на экране монитора образ «вакуумного» Мироздания, где в глубинах бурлящей пустоты спрятаны фрактальные корни некоего Вселенского Древа всех наблюдаемых нами явлений природы, а в ее ячейках записаны все физические законы нашего мира. Таким образом, с помощью последовательности удивительнейших древовидных фрактальных множеств Природа связывает логическую цепь событий от невообразимых глубин физического вакуума до границ Метагалактики и дальше — во Вселенную.

Суд над Галилеем

Иной раз за научные убеждения приходилось жестоко расплачиваться. Галилео Галилей вынужден был отречься от своих взглядов. Но в памяти человечества он навсегда останется создателем новой физики.

Пизанская башня

По легенде, Галилей сбрасывал предметы различной массы с наклонной «падающей» Пизанской башни, чтобы продемонстрировать, что они достигают поверхности земли одновременно. Однако в действительности более тяжелые предметы скорее всего падали бы на землю раньше легких из-за наличия сопротивления воздуха.

Первые опыты на Луне

Нейл Армстронг, американский астронавт миссии «Аполлон-11», поставил знаменитый опыт Галилея на Луне перед миллионами телезрителей, выпустив одновременно из перчатки скафандра металлический шарик и птичье перо. Точно так же демонстрируют данный опыт, наблюдая падение свинцовой дроби и пушинки в колбе с откачанным воздухом.

Великий Ньютон

Наука подобна красивой, но сварливой женщине. Если хочешь общаться с ней, надо беспрестанно ссориться.

Опыт Майкельсона — Морли

Майкельсон и Морли использовали специальный оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их). В итоге свет расщепляется на два согласованных луча, расходящихся под прямым углом. После этого лучи отражаются от равноудаленных полупрозрачных зеркал и возвращаются. Получающийся результирующий пучок света позволяет наблюдать картину наложения двух лучей и определять запаздывание одного луча относительно другого.

Массы небесных тел как бы «продавливают» пространство в модели гравитации Эйнштейна

Создав теорию, основанную на понятии пространства-времени Минковского, получившую название «специальной теории относительности», сокращенно «СТО», Эйнштейн приступил к разработке новой теории гравитации. Великий физик назвал ее «общей теорией относительности», или «ОТО», и всегда считал ее своим наивысшим достижением, включившим в себя теорию всемирного тяготения Ньютона как частный случай. В основе ОТО лежит образ пространства Минковского, искаженного материальными телами, наподобие деформации, создаваемой свинцовыми шариками на резиновой пленке.

Искусственная невесомость

При разработке своей теории гравитации Эйнштейн прежде всего обратил внимание на то, что всепроникающее тяготение одинаково действует на все тела. Оно сообщает любым массам абсолютно одинаковые ускорения совершенно независимо от их вида, строения, химического состава и других свойств. Тут Эйнштейн заметил поразительную природную закономерность, которую он развил в важнейший физический принцип ОТО, — эквивалентность инертной и гравитационной масс. Инертная масса входит в три школьных закона Ньютона, а гравитационная — в его же закон всемирного тяготения. Сам Эйнштейн неоднократно вспоминал, что к принципу эквивалентности его привели наблюдения поведения тел в обыкновенном лифте. К примеру, в свободно падающем лифте наступит состояние искусственной невесомости, которое часто используют для тренировок космонавтов.

Центрифуга в Тренировочном центре космонавтов им. Ю. А. Гагарина (Россия)

Центрифуга, карусель, ротор, юла, волчок — во всех этих вращающихся телах и механизмах происходит своеобразный переход сил инерции в силы искусственной гравитации. Так, в тренировочной центрифуге космонавты не только привыкают к перегрузкам старта и спуска, но и пытаются почувствовать себя в глубинах атмосферы газовых гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.

Вариант геометрии вакуума

Фрактальное множество (компьютерная графика)

Фрактальный образ Вселенского Древа