Тайны открытий XX века

Тахионы — это гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. По одной из гипотез, воображаемый мир тахионов располагается «параллельно» нашей реальности. По другой, в мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое, и если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью. Возможно, исследование космического излучения поможет физикам XXI века определить, существуют ли тахионы.

Лежать на диване, в сумерках, с фонариком в руках и, позевывая, выводить узоры светописи на стене напротив, или мчаться в авто полутемными улицами и, выхватывая лучом фонарика что-то неясное, неотчетливое из тьмы, уноситься все дальше — нет, для физиков в том и другом опыте нет никакой разницы. Скорость света всегда одинакова — 299 792 458 метров в секунду, — движется ли источник света, или неподвижен, или — сумерки обволакивают вас, вас сковывает дремота, — медленно выскальзывает из рук, фонариком на пол.

Скорость света не меняется никогда. Странно, на ваш повседневный взгляд? Не правда ли? Именно размышления над этим парадоксом помогли Эйнштейну в создании частной теории относительности. Бесчисленные эксперименты, проведенные с тех пор, лишь подтверждали эту гипотезу. Сверхсветовые скорости не могут существовать. «Последствия, которые могла бы породить возможность передачи сигналов быстрее света, столь чудовищны, что о них даже не хочется думать», — писал известный британский астрофизик Артур Эддингтон. Тем не менее в последние годы ученые вновь и вновь рассуждают о том, можно ли передавать сигналы со сверхсветовой скоростью.

Где пролетают тахионы

Мы делим все элементарные частицы на две категории: «тардионы» и «люксоны». Первые обладают массой и движутся со скоростью ниже световой; вторые, лишенные массы покоя, мчатся так же быстро, как свет. К последним принадлежат, например, частицы света — фотоны, а также гипотетические гравитоны, якобы передающие действие силы гравитации.

В 1967 году американский физик Джеральд Фейнберг дал название еще одному классу частиц — «тахионы» (от греческого tachys, «быстрый»). Вот только сами тахионы с тех пор так и не попались на глаза ученым. Их свойства приходится описывать заочно, — скорее строя догадки, чем находя им подтверждение.

Предполагать же начали задолго до Фейнберга. Еще древнеримский поэт Лукреций писал о частицах, летящих быстрее, чем солнечный свет. Эти частицы, «неуклонно несясь туда, куда раз устремились, явно должны обладать быстротой совершенно безмерной, мчась несравненно скорей, чем солнца сияние мчится» (пер. Ф.А. Петровского).

В современную же физику эти невиданные и невидимые частицы ворвались в начале шестидесятых годов, когда сразу несколько ученых, развивая идею немецкого физика начала XX века Арнольда Зоммерфельда, предположили, что существуют частицы, которые с момента своего зарождения всегда движутся со сверхсветовой скоростью. Подобно всем известным частицам, они тоже не могут преодолеть световой барьер. Вот только находятся они по ту сторону этого барьера, в мире сверхсветовых скоростей. Как иронизировал физик Ник Герберт, «однажды тахион — навсегда тахион».

В академических справочниках тахионы и поныне случайные гости. С ними не церемонятся. Их нет; лишь их призрачные тени перелетают из одной гипотезы в другую. Вот что, например, говорится о них в шеститомном «Лексиконе физики», изданном недавно в Германии: «Тахионы — гипотетические элементарные частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. Их существование — излюбленный мотив писателей-фантастов, но в теоретической физике их не принимают в расчет, поскольку появление подобных частиц противоречит частной теории относительности».

Последнее, строго говоря, неверно, ведь, по теории Эйнштейна, лишь тела, обладающие массой, не могут обогнать свет.

Тахионы, лишенные массы покоя, вполне вписываются во все уравнения этой теории и разве только, как шутят физики, «противоречат ее духу».

Шутки шутками, но, если тахионы удастся обнаружить, в этом не будет ничего удивительного. В физике не раз бывало так, что элементарная частица, рожденная на кончике пера, вскоре начинала жить самостоятельной жизнью в лабораториях экспериментаторов. Так было с позитронами, антипротонами, нейтрино и кварками. Все они были вначале описаны, а потом найдены. Вот и свойства тахионов достаточно подробно предсказаны сторонниками их существования.

Тахионы, как и фотоны, не могут находиться в покое; их масса покоя является величиной мнимой.

Теряя энергию, тахион лишь увеличивает свою скорость. Когда его энергия близка к нулю, скорость движения становится бесконечно велика. Физики говорят в таком случае о трансцендентном состоянии: тахион одновременно находится почти повсюду. И, наоборот, поглощая энергию, тахион замедляет свое движение; теперь его скорость близка к световой.

В мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое. Быть может, если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью.

Тахионы — поистине неуловимые частицы. Невозможно заставить их двигаться хотя бы со световой скоростью. Расчеты показывают: чем быстрее мы будем преследовать тахион (вообразим такую ситуацию), тем быстрее он помчится относительно своих преследователей.

Непонятно, могут ли тахионы вообще взаимодействовать с тардионами.

Как расставить все точки над i

Одно из перечисленных выше свойств и есть та лазейка, через которую тахионы влетели в мир эйнштейновской относительности, да так и остались в нем. Тахионы обладают мнимой массой покоя — не отрицательной, не положительной, не нулевой, а мнимой, то есть квадрат этой величины меньше нуля.

В мире математики у этой массы покоя есть «родственная душа» — i, корень из минус единицы. В мире действительных чисел i места нет. Однако стоит перемножить это число само на себя, как оно, изменившись до 1, проникает в ряды «обычных» чисел. Вообще же мнимые и действительные числа образуют так называемое «комплексное числовое пространство», в котором можно находить ответ на любые задачи.

Вот и гипотетические тахионы: они — пусть в отдельных гипотезах — образуют удивительное единство с миром тардионов. В этой «комплексной Вселенной» время не тратится безвозвратно, растекаясь в пучине наших дел, а переливается из Будущего в Прошлое и наоборот. Время течет по замкнутому кругу, и оба его направления — вперед и назад — равноправны. Это время поистине равно библейскому Времени: оно вмещает в себя все свои ипостаси. «Время родиться и время умирать.., время разрушать и время строить,., время отыскивать и время дать потеряться, время хранить и время тратить, время рвать и время сшивать» (пер. И.М. Дьяконова).

Одно время не теряет связи с другим. Из одного времени в другое тянутся «нити». Чем не повод пофантазировать? В научной фантастике сплошь и рядом с помощью сверхсветовой (читай: тахионной) связи летят весточки в прошлое, чтобы повлиять на события, которые только свершатся. Короче: тахионы — незаменимое «топливо» любой машины времени. Вот только можем ли мы, особи, состоящие из тардионов, получать весточки, сложенные совсем из иной материи? Не запрещено ли это законами природы?

Вот классический парадокс: тахионная машина саморазрушения. Ее можно запрограммировать так, что она взорвется в два часа дня, если в час дня получит приказ, отправленный в три. Но если машина в самом деле получит команду в час дня, тогда часом позже она взорвется, и никакой приказ никогда не отправит в прошлое. Но если этого не произойдет, она не взорвется в два, и тогда приказ будет отправлен… Логическая неувязка. Машина взорвется, если только… не взорвется.

Джеральд Фейнберг называл подобные неувязки «главным возражением» против существования тахионов. Если бы к нам беспрерывно прилетали вести из будущего, мир превратился бы в хаос, в котором исчезло бы всякое представление о причинах и следствиях. Внезапно цепочки событий, которые мы привычно выделяем в окружающем нас мире, свились бы в непроглядный лабиринт, где не найти ничего закономерного — где обманывало бы любое явление.

Большинство физиков придерживаются того же мнения. Но, может быть, ученые не вполне точно представляют себе мир тахионов? Да ведь и теория Эйнштейна — вовсе не всеобъемлющее учение. Будущим генерациям теоретиков еще предстоит в поисках «единой формулы мироздания» связать воедино теорию относительности и квантовую механику. Понадобятся ли в этой формуле тахионы? Впишутся ли они в этот научный конструкт? И как тогда разрешится, например, приведенный выше парадокс?

А вообще, всегда ли мы правы, доискиваясь в происходящем до сути — до четкой картины причин и следствий? «Мы привыкли считать, что наши действия определяются лишь нашим прошлым, но это не всегда так, — говорит американский физик Лоренс Шульман. — Возможно, сосуществуют две противоположно направленные стрелы времени. Тогда нам придется отказаться от традиционного принципа причинно-следственных связей… Нам уже нельзя будет четко разграничивать причины и следствия».

Что, например, ведет вперед, к триумфу, человека, одержимого какой-либо великой идеей? Быть может, он бессознательно ощущает, что настанет день и эту идею он претворит в жизнь? О таких людях говорят: «Его ведет счастливая звезда». Почему его? Почему не других? Потому что много лет спустя именно он добьется триумфа! Все остальные потерпят поражение. И «отсвет» будущего успеха, — сказал бы энтузиаст обсуждаемой нами гипотезы, — лежит на челе этого героя, принесенный к нему… потоками тахионов.

Жили-были в трех параллельных мирах…

Некоторые исследователи полагают, что уже в опытах наших современников удается проникать в таинственный мир тахионов. Время от времени из какой-нибудь научной лаборатории приходит известие о том, что в эксперименте удалось достичь сверхсветовой скорости. Однако всякий раз находится более прозаичное объяснение этого опыта.

Так, случалось, что творцы подобных сенсаций, например, не учитывали, что известная нам константа — скорость света — это скорость распространения света в вакууме. В такой среде, как стекло или вода, свет движется медленнее. А вот нейтрино или электроны перемещаются здесь быстрее, чем свет, — они движутся со «сверхсветовой скоростью», что и фиксируют приборы. Одновременно наблюдается характерное голубоватое свечение. Впервые этот эффект наблюдал советский физик, будущий нобелевский лауреат, П.А. Черенков в 1934 году. Сторонники «тахионной гипотезы» тоже говорили о том, что если бы тахионы обладали электрическим зарядом, то при их движении наблюдался бы эффект Черенкова-Вавилова. Подобные вспышки света искали, но так и не зафиксировали. В конце концов, пришлось предположить, что у тахионов нет электрического заряда.

А может быть, тахионы участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами атомов? Вот и миры тардионов и фотонов вовсе не отделены друг от друга непроницаемой стеной.

Тогда немедленно возникают вопросы. К примеру, такой: в гравитационном взаимодействии участвуют объекты, обладающие некоторой массой. Если масса мнимая, то и сила тяготения будет мнимой. Как это можно представить в нашем реальном мире?

Если же тахионы никак не взаимодействуют с материей, то и обнаружить их нельзя. Мир тахионов, образно говоря, «параллелен» нашему миру; оба они не пересекаются друг с другом. Мы можем описывать тахионы на языке математики, но эти формулы не оживут для нас ни в одном эксперименте.

Физик Ричард Готт из Принстонского университета предположил, что в момент Большого Взрыва зародились сразу три вселенных: наша состоит из материи, и время в ней течет из прошлого в будущее; в другой вселенной все состоит из антивещества, и время в ней течет вспять; третья вселенная лежит по ту сторону светового барьера — она состоит из тахионов.

Три «параллельных мира»… Ничто не соединяет их. Но, может быть, «тени» других миров все-таки падают на наш мир, как порой падает на землю тень пролетающего над ней самолета?

Иные физики считают подобной тенью… нейтрино и пытаются доказать свои гипотезы и теоретически, выстраивая цепочки превращений одних частиц в другие, и практически, наблюдая за нейтрино. Подобные эксперименты не приносят пока ожидаемых результатов, но отбрасывать саму идею тахионов нельзя, говорят энтузиасты. Тахионы могут существовать, отнюдь не перечеркивая теорию Эйнштейна, а вписываясь в нее — пусть даже на сверхсветовых скоростях!