Кирпичики пространства-времени
Бесконечность попортила немало крови физикам. Она получается при
решении некоторых уравнений, относящихся к атому и элементарным
частицам. Но опыты возражали: «Какая же бесконечность? Вполне измеримая,
вполне конечная величина!» С опытом нужно соглашаться. Поэтому уравнение
стали искусственным образом преобразовывать так, чтобы бесконечность
исчезала. «Мы замели мусор под буфет», – сказал об этом Фейнман.
В 1930 г. советские физики В.А. Амбарцумян и Д.Д. Иваненко
высказали мысль, что все беды проистекают от молчаливого предположения
о бесконечной делимости пространства. На самом же деле, где-то надо
останавливаться. Где же?
Восемь лет спустя немецкий физик В. Гейзенберг предположил,
что радиус электрона, равный 10–13 сантиметра, и есть
«квант», дальше которого дробить пространство бессмысленно.
Физики вспомнили о работе англичанина Дж. Брейта, который в 1928 г.
решал уравнение движения электрона и получил, по его словам, «результат,
понять который весьма трудно»: скорость электрона всегда равна скорости
света. Отсюда, взяв за исходную точку гейзенберговский квант пространства,
нашли и квант времени: 10–23 секунды.
Впрочем, дальнейшие успехи науки ни ту, ни другую цифру не подтвердили.
Тогда в качестве новых кандидатов всплыли величины, в десять тысяч
раз меньшие: длина 10–17 сантиметра и время 10–27
секунды.
Здесь нам придется сделать маленькое отступление и поговорить о
причинности.
«Я выстрелил... Когда дым рассеялся, Грушницкого на площадке
не было. Только прах легким столбом еще вился на краю обрыва...
Все в один голос вскрикнули.
– Finita la comedia! – сказал я доктору.
Он не отвечал и с ужасом отвернулся».
Все ясно. Выстрел Печорина стал причиной смерти Грушницкого. В
мире, где мы живем, предыдущие события являются причиной последующих.
Время, как мы уже говорили, идет только в одну сторону. Чтобы пуля
попала в одного из дуэлянтов, нужно было, чтобы в одной и той же
точке пространства и в одно и то же время оказались пуля и человек.
Переходя на язык математики, мы скажем, что необходимо приравнять
нулю интервалы между положениями дуэлянта и пули в пространстве
и во времени, Заметьте: оба эти интервала должны быть равны именно
нулю, потому что в ином случае встречи не произойдет. Интервал времени
в нашей задаче существует сам по себе, а интервал пространства сам
по себе: все ведь происходит в мире Евклида.
В мире Эйнштейна интервал между событиями не так прост: кроме пространства
в него входит время, умноженное на скорость света, причем со знаком
«минус». Тем самым отражаются два обстоятельства: во-первых, пространство
и время взаимосвязаны, а во-вторых (это делает знак «минус»), и
в этом мире предыдущие события определяют ход последующих. Самое
же главное, что в мире Эйнштейна интервал может быть равен нулю,
когда время нулю не равно.
Но как же измерять промежутки времени в этом мире, если они могут
быть любыми? На помощь приходит скорость света. Нужно послать световой
сигнал в интересующую нас точку пространства и дождаться его возвращения:
половина времени, которое свет путешествовал по нашим часам, и будет
разницей во времени между событиями у нас и в той точке, куда попал
луч нашего светолокатора.
Когда с такими представлениями о времени физик подходит к пространству
внутри элементарных частиц, оказывается, что там скорость света
не есть величина постоянная. Внутри нуклонов, то есть протонов и
нейтронов (речь идет об этих самых крупных частицах: более мелкие
пока что не поддаются исследованию), действуют очень мощные поля,
и не исключено, как считает, например член-корреспондент АН СССР
Д.И. Блохинцев, что там возникает среда с совершенно особыми
свойствами. Его расчеты показывают, что знак при времени в формуле
интервала может измениться с минуса на плюс. Иными словами, «скорость
распространения светового сигнала может стать мнимой», – пишет он
в своей книге «Пространство и время в микромире».
При таком странном поведении свет уже не может служить эталоном,
с помощью которого устанавливают промежуток времени между событиями.
Стало быть, нельзя и сказать, что было раньше, а что позже. «Возникает
то, что мы назвали «комком событий», – продолжает Д.И. Блохинцев,
– совокупность реальностей, связанных между собой, но не вытекающих
друг из друга. Иными словами, такие реальности не могут быть упорядочены
во времени... Нет никаких оснований предполагать, что причинная
связь внутри элементарных частиц или в тесных комках этих частиц
будет такой же, какая характерна для событий, отделенных друг от
друга расстояниями, существенно превосходящими размер элементарных
частиц».
– Но что означает мнимость скорости света? – спросил я Д.И. Блохинцева.
– Ну хотя бы то, что он может выделывать вещи совершенно с обычной
точки зрения невероятные. Скажем, луч загнется, сделает несколько
оборотов, а потом двинется дальше. Или пойдет только в одну сторону,
ни от чего не отражаясь. Представьте себе локатор, который посылает
сигнал, а вся энергия где-то исчезает, ничего не приходит назад.
– А почему такое внимание уделяется сейчас именно длине 10–17
сантиметра?
– Когда формулы теории относительности начинают применять в микромире,
расчеты приводят к бесконечностям. Как с ними оперировать? В пятидесятые
годы были найдены приемы, чтобы обходить трудности. Именно обходить,
а не решать проблему по существу. Мы тем самым расписываемся в своем
незнании, в том, что не представляем себе, как выглядит пространство-время
на малых расстояниях.
Современная теория квантовых полей будет непротиворечива при условии,
если она допускает существование сколь угодно тяжелых частиц. Надо
сказать, что вообще-то эта теория не говорит, какие частицы могут
быть, она согласна с любыми. Но бесконечно тяжелые частицы необходимы,
чтобы иметь право использовать без помех формулы теории относительности.
Вместе с тем сомнительно, чтобы частицы с бесконечно большой массой
действительно существовали. В этом – противоречие, и оно говорит,
что на каком-то этапе теория относительности с ее причинностью уже
не будет отражать действительные свойства микромира. По-видимому,
это произойдет, когда атомная физика проникнет в области размером
около 10–17 сантиметра.
– Так почему бы туда не заглянуть?
– У нас нет еще таких ускорителей, которые бы были на это способны.
Внутри элементарных частиц материя имеет колоссальную плотность.
Скажем, когда речь идет о длине 10–16 сантиметра, это
значит, что имеется в виду плотность около 1026 г/см3,
– представьте себе такую планету, как Марс, спрессованную в одном
кубическом сантиметре. Ясно, что проникнуть в такую сверхтвердую
«породу» удастся только особо прочным «сверлом», роль которого как
раз и играют частицы высоких энергий.
Мы получаем их на ускорителях. Каждый новый ускоритель – это новое
проникновение в недра атома, в его ядро, в элементарные частицы.
И каждый раз это все более грандиозные сооружения. Кольцо ускорителя
в Серпухове имеет диаметр почти полкилометра. На нем исследовано
внутреннее строение нуклонов до длин порядка 10–15 сантиметра.
Как еще в сто раз уменьшить область взаимодействия? Необходимо раз
в полтораста увеличить энергию частиц – задача, неразрешимая старыми,
классическими методами, когда летящий «снаряд» ударяется в неподвижную
мишень. Нужно сталкивать потоки движущихся частиц, тогда два сравнительно
небольших по энергии пучка окажутся эквивалентны одному, но в сотни
раз более «энергичному». Работы в этом направлении уже ведутся и,
по-видимому, до конца столетия физика проникнет в ту неведомую область,
о которой мы говорим.
– И это будет наименьший квант пространства-времени?
– Нет, конечно. Пространство-время там только будет вести себя
по-иному. Наименьший же возможный размер – это приблизительно 10–33
сантиметра и соответственно квант времени 10–43 секунды,
если, конечно, можно на таких расстояниях говорить о времени в нашем
смысле.
– Выходит, полностью оправдываются слова Вернадского, что «для
мгновения, для точки времени вскрывается реальное содержание не
менее богатое, чем то, которое осознается нами в безбрежности пространства-времени
космоса»?
– Конечно, размер 10–33 сантиметра получается из так
называемых мировых констант: гравитационной постоянной, постоянной
Планка и скорости света. То есть он объединяет кванты и гравитацию.
Наверняка это не бессмысленная длина, не просто упражнения в арифметике.
Если прав Дирак, красивое с математической точки зрения уравнение
рано или поздно непременно найдет «свой» реальный опыт. На этих
малых расстояниях как бы смыкаются микрофизика элементарных частиц
и мегафизика звезд, звездных и галактических систем.
Да что далеко ходить: даже при 10–17 сантиметра мнимость
скорости света отражает тот факт, что свет будет идти, как бы падая
куда-то в бесконечность, а это напоминает явления, имеющие место
в «черной дыре».
|
