home | login | register | DMCA | contacts | help | donate |      

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add

реклама - advertisement



ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ,


в которой автор пытается объяснить, что такое пространство и время, а также в чем состоит то главное, без чего пространство перестает быть пространством, а время — временем

Кварки, протоны, Вселенная

Вся наша жизнь, все явления вокруг нас протекают в пространстве и времени. Но что это такое — пространство и время? Обычно мы не задумываемся об этом. Из философских словарей и энциклопедий мы узнаем, что пространство и время — это формы существования материи, и это совершенно справедливо. А что они представляют собой с точки зрения современной физики? Чем, например, пространство и время космических миров отличаются от пространства и времени внутри элементарных частиц? Различие масштабов здесь колоссальное — в 1043 раз! Неужели не найдется и различия в свойствах?

Можно ли как-то воздействовать на эти свойства, например сжать пространство и растянуть время? Всегда ли материя (вся окружающая нас природа, весь мир) обладает такими свойствами? Возможны ли какие-нибудь виды материи, которые существуют вне времени и пространства? Вот лишь часть вопросов, которыми задается современная физика.

В мире есть два геометрических полюса — самое большое и самое маленькое. Самое большое из известного нам — размеры и возраст Вселенной. Оценки, основанные на теории Фридмана и наблюдательных данных астрономии, говорят, что наша Вселенная простирается на 1023 километров и существует не меньше 1010 лет. Наиболее мощные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют проникнуть в космос на 1022 километров, то есть рассмотреть ту часть пространства, которая образовалась за последние два-три миллиарда лет. По сравнению с полным объемом нашего мира это все равно, что шарик для пинг-понга в центре футбольного мяча. До «края» совсем недалеко: что значит оставшаяся десятка по срав-нению с 1023! Но именно там, внутри оставшегося слоя, скрыто самое сокровенное — осколки первичного взрыва, «праматерия». Там ответы на многие волнующие загадки мироздания. И в недалеком будущем заглянуть туда ученым наверняка удастся.

Если верить теории Фридмана, то расстояние порядка 1023 километров и длительность порядка 1010 лет — самые большие интервалы пространства и времени, с которыми мы можем иметь дело на практике. Большие величины могут быть, но лишь в теории.

На другом полюсе нашего мира, в области микроявлений, мы можем с помощью оптических микроскопов различать расстояния, скажем, в стотысячную долю сантиметра. Это длина волны видимого света, предел того, что мы можем увидеть непосредственно нашим глазом. Предметы меньшего размера световые волны огибают, отчего мы не в состоянии их увидеть.

Электронный микроскоп, в котором вместо светового луча на предмет направляется пучок быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов, а изображение воспринимает не наша сетчатка, а светочувствительный экран или фотопластинка, позволяет продвинуться в тысячу раз дальше — приблизительно до стомиллионной доли сантиметра. И мы благодаря этому можем рассмотреть любые молекулы и даже отдельные атомы.

Электронным пучком можно высветить и более мелкие объекты, например, части атомных ядер — протоны и нейтроны. Но для этого необходимо увеличить энергию электронов, сделать их еще более жесткими. Дело в том, что, подобно световым частицам, фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Можно сказать, что пучок электронов как бы немного дрожит, траектории его частиц несколько размываются, и чтобы сфокусировать изображение, приходится пользоваться очень быстрыми электронами, у которых инерция движения способна превозмочь волновое дрожание пучка (оттого их и называют жесткими).

Чтобы проникнуть еще глубже, нужны ускорители частиц. Это громоздкие и очень сложные сооружения; их создание под силу только экономически развитым странам или группам стран. В последнее время все чаще создаются именно такие, интернациональные ускорители. Глубже всего в недра материи, вплоть до расстояний почти в тысячу раз короче диаметра протона, можно про-никнуть, сталкивая меж собой два ускоренных пучка частиц — одних протонов, протонов и антипротонов, электронов и протонов и так далее. Для этого пучок частиц из ускорителя с помощью системы магнитных линз загоняют в вакуумированное кольцо, помещенное в сильное магнитное поле, которое искривляет траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. Импульс за импульсом добавляется к току частиц в таком кольце, а когда количество накопленных частиц становится достаточно большим, магнитное поле выключают, и частицы из кольца в едином порыве устремляются по прямой навстречу основному пучку частиц из ускорителя. Иногда частицами накачивают сразу два кольца, которые и разряжаются ими так, что те мчатся друг к другу. В Институте физики Сибирского отделения Академии наук таким образом сталкивают пучки электронов и позитронов. В Международном институте высоких энергий в Женеве сталкиваются пучки протонов и антипротонов — струи вещества и антивещества. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц при этом так велика, что волновая «размазка» не сказывается до расстояний в 10-16 сантиметров.

Легко понять, что сталкивающиеся протоны взаимодействуют тем сильнее, чем меньше расстояние между их центрами. Перекрываясь своими частями, протоны как бы прощупывают друг друга. Изучая их рассеяние, можно представить себе картину распределения вещества внутри протона. И чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем мельче подробности, которые удается различить. В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10-17 сантиметров, то есть в 10 тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Вес, размеры, а главное, стоимость ускорителей становятся грандиозными. Неспроста современные ускорители элементарных частиц называют пирамидами XX века! Ясно, что старые физические и инженерные идеи себя исчерпали; чтобы двигаться далее в глубь материи, нужно придумать что-то принципиально новое. А пока единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые обладают энергией, в миллиарды раз превосходящей энергию частиц в самых мощных ускорителях. С помощью таких частиц можно зондировать расстояния до 10-20 сантиметров — в 10 миллионов раз меньше размеров протона! Плохо вот только, что космических частиц с такой большой энергией крайне мало, и опыты с ними трудно контролировать. Тем не менее, если немного пофантазировать, можно представить себе, что когда-нибудь в космосе будут построены ловушки-накопители таких сверхвысокоэнергетических частиц, которые можно будет использовать для изучения их встречных столкновений —так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до расстояний порядка 10-25 сантиметров.

Возможно, что 10-26 сантиметров — это предельно малые пространственные размеры, которые доступны нам в природе. Меньших расстояний просто неясно, как достигнуть. Впрочем, заметим снова и снова: что касается прогнозов в физике, то с ними надо быть очень осторожными. Сама квантовая механика существует немногим более полувека, а до того никому и в голову не приходило, что в природе существует какая-то «волновая размазка» траекторий, которая будет основным препятствием нашему продвижению в недра материи. Трудно сказать, что нас ждет еще на этом пути. К тому же не обязательно ведь ломиться сквозь пространство, так сказать, напрямик. Может быть, существуют какие-то обходные, но более эффективные пути, какие-нибудь «проколы» искривленного пространства-времени или что-нибудь еще более неожиданное. Но это уже чистая фантастика.

А как быть с еще меньшими расстояниями? Ведь 10-25 сантиметров — это еще очень далеко до минимальной «порции» пространства — геометрического кванта размером приблизительно 10-33 сантиметров, существование которого предсказывает теория. Вот дальше идти действительно некуда — меньших размеров в природе, видимо, не существует, и порции-кванты в 10-33 сантиметров всегда проявляют себя как единое целое, у которого нет частей. Конечно, все это так, если теория справедлива, но это должен показать эксперимент, а какой пока неизвестно.

Вывод о том, что непрерывность пространства должна на самой большой глубине микромира смениться его дискретностью, прерывностью, получается и из чисто философских соображений. Философы говорят нам, что абсолютных, неизменных свойств в природе нет. Всякое свойство, в том числе и непрерывность, существует лишь при определенных условиях. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку, и свойство, изменяется коренным образом. Поэтому и непрерывность в центральных масштабах должна смениться дискретностью. Этот вывод безупречен, и кванты пространства встретятся, возможно, физикам когда-нибудь и в эксперименте. Но не исключено, что еще до того, как появятся эти кванты, физики откроют новые законы, которые упразднят противопоставление непрерывного и дискретного в определенных обстоятельствах. Ведь дискретность ультрамикроскопического пространства — это тоже гипотеза, которая может подтвердиться, а может и нет. Это обычная экстраполяция — в данном случае перенесение в сферу ультрамалых расстояний наших представлений о событиях и процессах большого масштаба.

Что касается времени микропроцессов, то представление о его величине можно получить, если вспомнить, что распространение света — самый быстрый процесс в природе. Ничего более быстрого мы не знаем. Минимальные расстояния в 10-16 сантиметров, которые еще можно разглядеть с помощью современных ускорителей, световая волна проходит за 10-27 секунд. Это самый короткий отрезок времени, с которым мы имеем сегодня дело в физических экспериментах. Кванту пространства в 10-33 сантиметров соответствует временной квант в 10-44 секунд, или «хронон», как его иногда называют. Меньших отрезков времени, если верить физическим теориям, в природе не бывает.

Чтобы почувствовать, насколько малы кванты пространства и времени, вообразим себе, что наша огромная Вселенная сжалась до размеров песчинки. Соответственно уменьшатся и все содержащиеся в ней тела. Так вот, размер песчинки в сжавшейся Вселенной будет сравним с квантом пространства, а время, за которое свет успеет пробежать по такой ничтожной частичке, равно кванту времени,

Итак, 1023 километров, то есть 1028 сантиметров, с одной стороны, и 10-33 сантиметров, с другой,— вот диапазон расстояний в нашем мире! От 1018 до 10-44 секунд — диапазон временных интервалов.

Как ни малы масштабы микромира, их все же можно себе представить — хотя бы путем сопоставлений. Гораздо труднее осознать, что значит «начало мира» и «край Вселенной». При этом сразу возникает масса вопросов. Ведь у каждого момента времени есть предшествующий, а что же тогда предшествовало «начальному моменту»? И как это вдруг мир появляется «из ничего»? И если наша Вселенная расширяется, то во что она расширяется, что находится за ее пределами? Можно представить себе картину, когда рождается и разлетается вещество, как осколки или газы при взрыве, но вот как может родиться и начать расширяться пространство? И опять возникает недоуменный вопрос — что же все-таки было до этого?

Однажды меня пригласили в телестудию рассказать об эволюции Вселенной. После выступления я получил десятки писем с одним и тем же вопросом: что находится «вне» и что было «до»? Ведь не может же быть, писали телезрители, чтобы там ничего не было, даже пустоты! Как может случиться, что объект, пусть даже такой большой, как Вселенная, вложен... ни во что? Ведь все, с чем мы имеем дело, всегда вложено во что-то еще большее! Иначе и быть не может. Да и куда может расширяться «не вложенная ни во что» Вселенная? Может быть, общая теория относительности, на которой основана современная физическая картина мира, чего-то не учитывает? Ведь ее выводы противоречат логике?

Это очень важные вопросы. Не имея на них ответа, нельзя понять, как устроен наш мир. Попытаемся в них разобраться.

Даже очень сложную вещь можно объяснить несведущему человеку, когда есть наглядная и привычная для него аналогия. Хуже, если речь идет о чем-то принципиально новом, не имеющем связи с нашим опытом, и объяснение основано лишь на рассуждениях. Особенно трудно принять то, что кажется противоречащим жизненному опыту: человек всегда склонен переносить его на новые ситуации, приспосабливать их к своему опыту. Но вспомним: многие истины, известные сегодня буквально каждому, когда-то казались нелепостью. Например, гелиоцентрическая система Коперника. Ведь, казалось бы, ее так легко опровергнуть — стоит только взглянуть, как движется Солнце по небосводу! А знаменитый аргумент против шарообразности Земли с антиподами: почему же тогда с нее не падают предметы, находящиеся на противоположной нам стороне? Стереотип мышления бывает очень стойким. Не удивительно, что картина мира, бесконечного, но замкнутого, расширяющегося, но ни во что не вложенного, тоже вызывает психологическое сопротивление. Как это себе представить?! Ведь ничего даже отдаленно похожего нам, кажется, никогда не встречалось. Всякий предмет, любой участок пространства всегда вписаны в нечто большее.

Последнее как раз не совсем точно. Математикам, имеющим дело с пространствами различной размерности, известны объекты без границ. Представьте себе для начала божью коровку, ползущую по проволочному кольцу. С точки зрения математики ее одномерный мир и ограничен и бесконечен вместе. Ограничен, так как, двигаясь все время вперед, божья коровка обязательно приползет в места, где она уже побывала, а бесконечен потому, что, сколько ни ползи по кольцу, никакого конца у него не обнаружишь — это замкнутая кривая. Одномерная Вселенная обладает краями лишь в мире с большим числом измерений — на плоскости или в пространстве. Именно так мы кольцо всегда себе и представляем — вписанным в пространство большей размерности. Но математик, привыкший иметь дело с формулами, способен мыслить одномерный мир с координатой X существующим независимо от координат Y и Z, как будто их вообще нет. Немножко воображения, и мы тоже сумеем представить себе одномерную Вселенную, охватывающую все пространство. У нее есть «радиус» («длина мира») —расстояние, преодолев которое живущие в ней одномерные существа попадают в ранее пройденные ими точки. Если этот «радиус» зависит от. времени (то он больше, то меньше), можно уже говорить о расширении или сжатии одномерного пространства. Для тех, кто не привык иметь дело с формулами, картина получается несколько странная, но с точки зрения логики и математики вполне последовательная и непротиворечивая. Да и тот, кто не имеет отношения к математике, быстро привыкает к ней.

Вопросы о том, во что вложен одномерный мир, куда он расширяется, имеют смысл лишь при условии, что в природе существуют еще и другие пространственные измерения. Если же их нет (а математически это легко себе представить), то миру просто некуда быть вложенным.

Эти рассуждения легко перенести на случай двухмерного мира. Для ползающей божьей коровки таким миром — самозамыкающимся, с конечным радиусом, и одновременно бесконечным — была бы поверхность глобуса. Если опять мыслить чисто математически и допустить, что в природе существуют только длина и ширина, а третьей координаты, высоты, нет, то двухмерная поверхность заполнит собой все пространство. Никаких других поверхностей в нем нет, так как иначе расстояния между их точками играли бы роль третьей координаты и пространство стало бы трехмерным. Чтобы заметить границы своего мира, божья коровка должна «привстать» над поверхностью глобуса, а в двухмерном мире это невозможно. Границы двухмерный мир получает лишь в том случае, если существует мир трех измерений.

Объем двухмерного мира может изменяться с течением времени — сжиматься или расширяться, но всякий раз он исчерпывает собой все пространство. Чтобы это стало очевидным, нужно немного потренировать воображение, сопоставляя одномерный и двухмерный миры. Другого способа нет: не зря говорят, что современную физику нельзя просто выучить, к ней надо еще и привыкнуть. Впрочем, тем, кто в средние века пытался перейти от Птолемея к Копернику, тоже, должно быть, приходилось упражняться в воображении. Наглядность и очевидность — дети практики.

Прибавляя координату за координатой, можно строить миры различной размерности и изучать их геометрические свойства. С математической точки зрения окружающий нас мир представляет собой трехмерную поверхность в воображаемом четырехмерном мире. Подобно двухмерной сфере, он одновременно бесконечен и замкнут. И так же, как нет границ у мира на глобусе, их нет и в нашем трехмерном мире. А так как никакого четвертого измерения в природе не существует, наш мир охватывает все пространство. У него нет краев, и вопрос о том, что находится за пределами расширяющейся Вселенной, просто не имеет смысла. Такого «места» в природе нет. Словосочетание «за пределами Вселенной» почти так же бессмысленно, как «белая чернота» или «жаркий холод».

Конечно, можно спросить: а откуда известно, что наш мир не вложен в пространство большего числа измерений? Не страдаем ли мы самоуверенностью или, что еще хуже, ограниченностью божьей коровки, ползущей по глобусу, и просто не замечаем четвертого, а может быть, и других измерений? Ответ дает эксперимент. Если бы в природе существовали эти измерения, мы встречались бы с массой поразительных явлений — ведь тогда между событиями в разных пространственно-временных точках нашего мира была бы связь через недоступные нашему восприятию размерности. Вокруг нас постоянно происходили бы чудеса, среди которых мгновенное перемещение тел или машины времени были бы самыми простыми и обычными вещами.

В последние годы в нашей стране и за рубежом были выполнены очень точные опыты, в которых проверялось, не нарушается ли причинность в процессах с элементарными частицами. И никаких отклонений не было обнаружено. Вообще говоря, высшие пространственно-временные размерности — четырехмерное или пятимерное пространство, многомерное время и так далее — могут существовать где-то очень глубоко в области ультрамалых расстояний и длительностей, куда еще не добрались наши приборы. Некоторые из современных теорий указывают на такую возможность.

Нет ничего мистического и в вопросе о начале мира во времени. Если данные астрономических наблюдений о распухании пространства повернуть обратно во времени, мы неизбежно придем к выводу, что в далеком прошлом, 15—20 миллиардов лет назад, Вселенная была почти точечной — с уже известными нам размерами около 10-33 сантиметров и даже меньше (если меньшие размеры могут быть в природе). Однако, как уже подчеркивалось в одной из предшествующих глав, такой вывод получается, если предполагать, что свойства времени, его «ритм», всегда оставались одинаковыми. Но это совсем не так! Если бы можно было установить наши часы в раскаленной юной Вселенной, их показания были бы совсем не такими, как у нас дома. Говорить о первых мгновениях жизни Вселенной, о времени в окрестностях ее «начала», где важную роль играли квантовые процессы и время, по-видимому, имело дискретный характер, можно лишь условно.

Вопрос о том, что было «до начала мира», например, 40 или 50 миллиардов лет назад, предполагает, что тогда сохранялись условия, к которым приложимо наше понятие времени. На самом же деле для описания процессов вблизи «начала мира» нужны совсем другие мерки. Использовать здесь наши часы так же бессмысленно, как измерять длину и вес тела термометром.

Пожалуй, самый простой способ примирить поразительные выводы теории с привычными нам представлениями — это допустить, что начало Вселенной в том виде, как оно известно нам сейчас, является концом какой-то другой фазы развития материи, где наши представления о пространстве и времени требуют иных и принципиальных обобщений. Рассказать нам об этом может только теория: следы предшествующей фазы, если таковая была, стерты огненным хаосом Бит Бэнга, и опыт здесь пока бессилен. Правда, только «пока». По-видимому, мы узнаем нечто новое, когда астрофизические приборы заглянут так далеко в космос, что смогут заметить разлетающиеся осколки древнего вещества Вселенной. Увидеть (в буквальном смысле этого слова), что творилось в момент ее рождения, когда, возможно, не оборвались еще связи с предшествующей фазой, мы сможем, когда научимся детектировать волны полей тяготения. Подобно тому как остаточное тепловое излучение космоса говорит нам о заключительной стадии «кипения» ядерного вещества в горниле Биг Бэнга, остаточные гравитационные волны, на которые не влияют высокие температуры, расскажут о самых первых мгновениях жизни Вселенной. Работы по созданию приборов, которые должны заметить и помочь нам расшифровать гравитационные следы процессов, бушевавших в только что родившемся мире, ведутся во многих странах, в том числе и в Советском Союзе.

Окрестность «начала мира» — предмет новой науки: квантовой космологии, которая еще только создается. Поэтому сегодня можно строить лишь грубые модели, чтобы хоть как-то с помощью известных нам физических законов попытаться получить наглядную картину рождения Вселенной. Одна из таких моделей предполагает, например, что существуют соприкасающиеся миры, каждый из которых в силу относительности пространственно-временных масштабов — элементарная частица в другом мире (вспомним о полузамкнутых мирах-фридмонах!). Точка соприкосновения — «прокол» из одного мира в другой. В одном мире это микроскопическая черная дыра, куда проваливается вещество (и, может быть, даже стягивается вся Вселенная), а в другом мире — «белая дыра», развертывающаяся в новую Вселенную. Растягивается и растет, как мыльный пузырь на проколотом футбольном мяче!

«Белая дыра» (извержение вещества из точки) может возникнуть и в том случае, если в невидимом нам мире, скрытом внутри фридмона, вдруг уменьшится масса, например «утонет» в самозамкнувшемся участке пространства. Тогда фридмон начнет распухать — раздуваться в огромную Вселенную.

В основе другой модели лежит мысль о том, что глубоко в микромире пространство-время имеет больше измерений, чем в макромире, причем привычных нам четырех измерений — длины, высоты, ширины и длительности — там может и не быть, так же как, например, в уже достигнутых нами микроскопических областях нет привычных нам левого и правого. С позиций знакомых нам ощущений вполне допустимо сказать, что материя находится там как бы вне времени и пространства, а точнее, в других пространственно-временных измерениях, которых нет в макромире. В силу каких-то причин, например, вследствие случайных флюктуаций, физических процессов, происходивших в праматерии, проявились известные нам пространственно-временные измерения, то есть материя вынырнула в «нашем пространстве», которое затем стало быстро расширяться.

Недостаток всех подобных моделей в том, что они не имеют под собой надежных экспериментальных оснований и поэтому сами содержат большое число загадок и темных пятен. Это гипотезы, которые еще предстоит обосновать и проверить.

Человек всегда стремился познать тайны окружающего его мира — найти первоэлементы, построить модель Вселенной как целого. Пожалуй, ни одна цивилизация не могла бы существовать, не обладая своей, пусть еще далекой от реальности картиной мироздания. Но когда дело касается моделей мира в целом, надо быть очень осторожным. С помощью различных гипотез на основе одних и тех же экспериментальных фактов могут быть построены различные модели, и узнать, какая из них ближе к реальности, не так-то просто. Теория должна преодолеть узкий пролив между Сциллой догматизма и Харибдой беспочвенной фантазии. В этом бурном проливе погибло уже немало теорий. Но немало и благополучно его миновали.

Однажды родившись, наша Вселенная вот уже 20 миллиардов лет непрерывно расширяется. А что станет с ней потом, например через 100 миллиардов лет? Чем ограничена сверху временная шкала?

Через 100 миллиардов лет мало что изменится. Разве только потухнут некоторые знакомые нам звезды. Существенные изменения произойдут, когда возраст Вселенной достигнет 100 триллионов лет — увеличится еще в тысячу раз. К этому времени все запасенное в звездах ядерное горючее будет исчерпано, Вселенная станет темной. Она будет похожа на газ с частицами из галактик, звездных скоплений и отдельных звезд. И как это всегда бывает в газовом облаке, между ними будет происходить множество случайных столкновений. Упорядоченные структуры распадутся, и входящие в их состав пылинки-звезды рассеются в огромном все еще раздувающемся пространстве Вселенной. Однако, как показывают расчеты, некоторая часть галактик и звездных систем, а также, случайно оказавшихся рядом с ними звезд под действием сил гравитационного притяжения сожмутся в массивные объекты, которые затем превратятся в черные дыры. На все это уйдет около триллиона триллионов лет. По сравнению с таким гигантским интервалом времени продолжительность всей предшествующей жизни Вселенной — все равно что год по сравнению с ее 20 миллиардами лет.

Если верна теория «великого объединения», то дальнейшая судьба мира будет зависеть от радиоактивного распада протонов. Это процесс очень медленный, и для того, чтобы все адронное вещество Вселенной превратилось в фотон-лептонный газ с вкрапленными в него черными дырами, потребуется 1032—1035 лет. Частицами света и легким лептонным частицам, образующимся при распадах адронов, распадаться будет уже некуда и не на что: это стабильные частицы, а посему единственный процесс, который будет происходить далее во Вселенной (не считая ее расширения),— испарение черных дыр. Самые большие из них будут испаряться не меньше 10100 лет. По сравнению с этим все другие фазы жизни Вселенной — ничтожный миг. За 10100 лет она раздуется в шар чрезвычайно разреженного фотон-лептонного газа с размерами в 10110 километров. Если его диаметр принять за единицу измерений, то сегодняшние размеры Вселенной окажутся меньше геометрического кванта.

Что произойдет с нашим миром дальше — неизвестно. Знаменитый немецкий философ Гегель назвал неограниченно развертывающийся процесс, в котором нет качественных изменений, «дурной бесконечностью». Едва ли нашему миру уготована такая судьба. Надо полагать, какие-то процессы изменят однообразную картину бесконечного расширения инертного фотон-лептонного газа. Какие и как? Все это пока далеко за пределами современной науки и даже научной фантастики.

Рассказанный нами сценарий бесконечного расширения Вселенной предполагает, что массы нашего мира недостаточно для его замыкания. В противном случае силы гравитационного притяжения остановят его расширение и начнется обратный процесс — сжатие. Когда начнется, сказать трудно. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр.

Но если существуют большие массы невидимого нам вещества, это может случиться и раньше. Сжатие закончится гравитационным коллапсом, после которого может начаться новый цикл расширения Вселенной, возродившейся, как Феникс из пепла.

И это — только одна из возможных гипотез. Что может произойти за порогом гравитационного коллапса, не знает никто. В начале был Большой взрыв, в конце — Большое сжатие (или, как говорят физики, схлопывание). Есть ли что-нибудь между ними там, вне нашего пространства-времени? Даже слово «между» мы употребляем незаконно, ведь там и времени-то в нашем смысле нет!

Оба сценария дальнейшей судьбы Вселенной — неограниченное расширение и сжатие — основаны на теории относительности. Когда будет создана более совершенная космологическая теория, в них, возможно, придется внести коррективы. На это указывают нам некоторые несоответствия современной теории и наблюдений. Теория говорит нам, что в разных направлениях Вселенная должна расширяться неодинаково. Вероятность образования практически однородной по своим свойствам Вселенной крайне мала. Но реальная Вселенная почему-то именно такова. Недавние измерения микроволнового космического радиоизлучения — «космического радиофона» — показали, что его изменения по разным направлениям составляют менее одной стотысячной. В чем причина столь высокой изотропии Вселенной — загадка. Сегодня это, пожалуй, основная проблема космологии.

Заставляет задуматься и тот уже отмеченный нами удивительный факт, что масса нашего мира близка к массе замкнутого мира. Различие не более, чем на порядок, а скорее всего, даже меньше. Что это — случайность? Ведь масса могла бы быть любой, а она почти, критическая.

Недавно теоретики из Физического института имени П.Н. Лебедева, а вслед за ними и американские физики, основываясь на теории относительности Эйнштейна и идее суперобъединения всех существующих в природе полей, предложили новую теорию. В ней Вселенная вскоре после своего «рождения» почти мгновенно раздувается до колоссальных размеров, которые неизмеримо больше тех, что подсказывают нам астрономические наблюдения и теория Фридмана. В огромном «пустом» пространстве происходит преобразование вакуума, нечто вроде конденсации вещества из эфира. При этом в разных областях Вселенной образуется различный вакуум, и, как это всегда бывает при конденсации, выделяется много энергии, что, естественно, разогревает образовавшееся правещество до чрезвычайно высокой температуры. Дальше заполненные раскаленным сверхплотным веществом области пространства расширяются уже в соответствии с теорией Фридмана.

Теория раздувающейся Вселенной позволяет устранить многие трудности современной космологии, но и сама порождает много новых вопросов. Как заметил однажды Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа: она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Тем более это верно, когда речь идет о моделях мира в целом.

В великих тайнах Биг Бэнга и дальнейшей судьбы Вселенной, наверное, многое прояснится после того, как будет создана теория, объясняющая величину мировых постоянных — скорости света, заряда, электрона и других. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какие есть. Науку же не. удовлетворяет такое положение вещей. Она должна перейти на следующий, более глубокий уровень. Хотя, честно говоря, пока у нее нет никаких идей, как совершить этот переход.

Различие пространственно-временных, масштабов на двух полюсах нашего мира — внутри элементарных частиц и в космосе — как мы убедились, огромно: более 40 порядков. Чудовищно различны и материальные объекты квазары и гигантские звездные скопления, с одной стороны; и почти мгновенно распадающиеся частицы-резонансы или практически точечные Кварки — с другой. И при всем этом многообразии свойства самого пространства-времени остаются удивительно постоянными. Как в космосе, так и в микромире мы описываем их теми же самыми непрерывными координатами.

Но некоторые важные различия все же имеются.

В конце 50-х годов работавшие в США китайские физики Ли, Янг и By сделали сенсационное открытие. Оказалось, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым.

Из нашей повседневной практики мы хорошо знаем о зеркальной симметрии — симметрии правого и левого. Между нашим пространством и зазеркальем нет принципиальных различий, и когда мы смотрим на себя в зеркало, мы совершенно уверены в том, что изображение полностью соответствует оригиналу. В микромире все иначе. Как это ни странно, но часть объектов и событий там просто не имеет зеркального отражения. Например, в природе нет частицы, которая была бы зеркальным отражением нейтрино. Другими словами, в микромире не у каждого «правого» есть «левое».

В 1964 г., был открыт еще более удивительный факт. Два молодых американских физика, Вэл Фитч и Джеймс Кронин, изучали нарушение зеркальной симметрии в распадах К-мезонов — короткоживущих частиц, которые можно получить с помощью мощного ускорителя. Распады фотографировались и тщательно измерялись. Ничего неожиданного не было замечено — опыт протекал так, как и предсказывала теория, и его материалы после обработки были сданы в архив. Однако спустя полгода физикам пришла в голову «сумасшедшая» мысль: а что если в микромире нельзя противопоставлять не только правое левому, но и будущее прошлому? В классической механике Ньютона для каждого процесса можно найти точно такой же, но протекающий в обратном порядке — так сказать, зеркально отраженный во времени. Если в обычном, прямом процессе человек вошел в комнату, то в обратном он, пятясь, выйдет из нее. И так для любого явления. А вот как будет в микромире?

Экспериментальный материал был заново пересмотрен, и среди двух десятков тысяч фотографий Фитч и Кронин, к своему удивлению и радости, обнаружили около нескольких десятков с реакциями, которые никак не должны были бы происходить в мире, зеркально симметричном по отношению к прошлому и будущему. Симметричная теория такие реакции запрещала строго-настрого.

Эти результаты произвели огромное впечатление на физиков. Они показали, что при определенных условиях в природе могут нарушаться, казалось бы, самые, фундаментальные свойства пространства и времени, что эти свойства не абсолютны, а относительны: в макромире одни, а в микромире могут быть совсем другие.

Есть еще один пункт, где можно ожидать существенного различия пространственно-временных свойств микро- и макромира. Это причинность.

Осенью 1956 г. в американском городе Сиэтле, на берегу Тихого океана, проходил Международный конгресс по теоретической физике. Это была одна из первых конференций, на которой после многих лет холодной войны, разделявшей Восток и Запад, встретились советские и американские ученые. Подводились итоги развития квантовой физики. Доклад следовал за докладом. Огромные доски, сплошь исписанные формулами, и (тогда это было еще новинкой) слайды с графиками и формулами, проецируемые на большой белый экран. Респектабельная академическая обстановка, лишь изредка нарушается веселым оживлением в зале, когда кто-либо из гостей-иностранцев смешно ошибался в английском языке.

«Температура» дискуссий резко поднялась после доклада академика Н. Н. Боголюбова. В докладе доказывалась теорема, позволяющая экспериментально проверить, не нарушается ли в микромире свойство причинности.

Причинность — это обусловленность одного явления другими. У философов есть более точные определения, но суть именно в этом — в такой связи событий, когда одно из них (причина) порождает другое (следствие).

Каждый из нас по собственному опыту знает, что беспричинных событий не бывает — в мире все взаимосвязано. Французский астроном, физик и математик Лаплас считал даже, что если бы в какой-то момент были точно известны движения всех тел и действующие между ними силы, то последующая судьба мира была бы определена однозначно, и можно было бы предсказать все — вплоть до направления полета маленькой мушки и траектории падения желтого листа с дерева. Однако число действующих в природе связей неисчерпаемо, они пересекаются так прихотливо, что возникает случайность, и исход явления начинает зависеть от множества второстепенных факторов. И тем не менее, терпеливо распутывая сложную сеть этих факторов, можно все более точно предсказать связанные с ними события.

Каждая физическая теория имеет свое понимание причинности — условий, при которых взаимодействие передается от одной пространственной точки к другой без помех во временном порядке событий. В механике Ньютона эти условия совсем не такие, как в квантовой теории. Чем совершеннее теория, тем точнее и детальнее определяется в ней причинность. Ясно, что это зависит и от того, какими свойствами теория наделяет пространство и время. Например, в теориях с обычным пространством-временем взаимодействия распространяются не так, как в общей теории относительности с ее искривленным пространством-временем, где могут быть даже самозамыкающиеся цепи событий, когда происходит возврат к исходному состоянию и вся история повторяется заново.

Первым такие цепи в теории относительности обнаружил австрийский математик и логик Курт Гёдель. Они напоминают ленту Мёбиуса. Возьмите полоску бумаги и склейте ее в кольцо так, чтобы верхняя сторона листа на одном конце соединилась на другом с его нижней стороной. Получится односторонняя поверхность: в каждой заданной точке у ленты две стороны — верхняя и нижняя, но их можно соединить непрерывной кривой. Так и со временем: у каждого момента есть две стороны — прошлое и будущее, и последнее можно соединить с первым непрерывной траекторией, двигаясь всегда при этом из прошлого в будущее. Существуют такие искривленные пространства (во всяком случае в математике), где это удается сделать. Хотя это пока только теоретический результат, но, может быть, где-нибудь в мире — в очень сильных гравитационных полях или внутри элементарных частиц — существуют такие удивительные кольца времени.

Причинность — один из самых сокровенных моментов любой физической теории. Недаром физики так много внимания уделяют этому вопросу. А изучая причинность, мы вместе с тем изучаем и свойства пространства-времени. Связь здесь самая прямая.

Так вот, теорема Боголюбова устанавливала соотношения между вероятностями различных процессов взаимодействия элементарных частиц, которые верны лишь в том случае, если выполняется причинность и нет никаких беспричинных явлений. Другими словами, новая теория позволяла проверить, насколько пригодна для описания микрочастиц современная формулировка причинности. Если бы обнаружились отклонения, это было бы указанием на какие-то новые свойства пространства и времени.

Изучением микропричинности ученые занимались и ранее. Однако для этого использовались приближенные модели, и в случае несогласия с опытом всегда можно было сказать, что это связано с несовершенством модели. Боголюбову впервые удалось вывести теорему из самых общих постулатов физики. Поэтому-то она так и взволновала участников конгресса в Сиэтле.

После конгресса советские физики побывали в нескольких институтах США, в том числе в знаменитом Институте высших исследований в Принстоне, под Нью-Йорком, где до конца своих дней работал Эйнштейн. И в каждом институте организовывался многолюдный семинар, где теоретики снова и снова возвращались к теореме о причинности, стараясь обнаружить какие-либо изъяны в доказательстве.

Опыты по проверке теоремы были выполнены сразу в нескольких советских и американских лабораториях. Никаких изъянов! По крайней мере до расстояний, которые в несколько сот раз меньше размеров протона.

Свойства пространства и времени оказываются необычайно устойчивыми. Но насколько глубоко простирается эта устойчивость? По мнению некоторых ученых, от теоремы следует ожидать отклонений на расстояниях, в десятки тысяч раз меньших, чем радиус протона,— там, где теряется зеркальная симметрия прошлого и будущего и где, возможно, существуют микрочастицы, движущиеся быстрее света. А если таких частиц все-таки нет, то могут быть какие-то другие явления, связанные с «перепутыванием» прошлого и будущего, которые тоже приведут к нарушению привычной для нас причинности. Но заглянуть в эту таинственную область мы пока не в состоянии.

Еще более радикальных изменений в свойствах пространства и времени можно ожидать в глубинных, ультрамалых областях. Физики, изучающие и разрабатывающие «теорию суперобъединения», все чаще высказывают мысль, что там не только пространство, но и время становится многомерным. Но все это пока одни предположения, а факты говорят о том, что пространство-время микромира в принципе такое же, как и в макромире. Чем же объяснить такую устойчивость?

Размышляя об этом, некоторые ученые пришли к мысли, что, может быть, пространства и времени в микромире... вообще нет. И наблюдаемая устойчивость связана с тем, что они — излишний, по существу, ни на что не влияющий элемент теории, который мы по привычке принесли из области макроскопических явлений. В физике подобные «разоблачения» случались уже не раз — проводились более точные эксперименты, и старые, незыблемые до того представления оказывались ненужными. Так было и с теплородом, и с флогистоном, и с эфиром, и со многими другими мифическими вещами. Может, и с пространством-временем произойдет то же самое? О них с уверенностью можно говорить в макромире, а в субатомных масштабах их просто нет, как нет там температуры или цвета! Бессмысленно ведь говорить о температуре и цвете одной или двух элементарных частиц; лишь когда частицы образуют макроскопическое тело, цвет и температура возникают как некий усредненный эффект — результат большого числа взаимодействий. Может, пространство-время тоже представляет собой нечто такое, что возникает лишь на определенной ступени сложности?

Мы уже говорили: чтобы добраться до очень малых расстояний, нужны частицы с очень большой энергией. Но эти частицы так сильно взаимодействуют на изучаемый объект, что после этого он оказывается совсем не таким, каким был вначале. При столкновении рождается много новых частиц, а исходная частица-мишень вообще исчезает. Измеряя, мы ломаем то, что хотели бы измерить. Измерение очень мелких деталей внутри частиц, казалось бы, становится принципиально невозможным. А это как раз и означает, что понятие пространства теряет там свой смысл, становится чисто теоретическим.

На первый взгляд соображения весьма убедительны. Однако так было бы для частиц, движущихся по точным траекториям, когда траектория либо пересекает частицу-мишень, либо нет. Если пересекает, то происходит взаимодействие и мишень портится, если проходит мимо — то никакого взаимодействия нет и говорить не о чем. Для реальных микрочастиц картина получается совсем- иная. Они, как мы знаем, движутся по размазанным волновым траекториям; волна же всегда огибает края препятствия, рассеивается им. Поэтому всякий раз, когда поток частиц сталкивается с мишенью, наряду с взаимодействиями, разрушающими мишень, происходит и упругое рассеяние, при котором сталкивающиеся частицы отскакивают друг от друга совершенно невредимыми, подобно биллиардным шарикам. Изучая такое рассеяние, можно получить сведения о свойствах пространства и времени внутри самих частиц.

Составить наглядное представление о связи упругого рассеяния с поглощением довольно трудно. Возможно, кое-что здесь останется для читателя не совсем ясным. Но детали и не нужны. Важно понять одно: в природе существуют процессы, с помощью которых можно изучать пространство и время в микромире, и никаких принципиальных препятствий на этом пути не видно. Трудности связаны лишь с получением частиц высокой энергии. Гипотеза о макроскопическом происхождении пространства-времени оказывается неверной, хотя и по сей день ее нет-нет да и встретишь на страницах какого-нибудь журнала.

Можно многое рассказать о свойствах пространства и времени и о том, какие удивительные метаморфозы они могут претерпеть при переходе от привычных нам масштабов к ультрамалому и ультрабольшому. Но все-таки, что же это такое — пространство и время?

Как заметил один мудрец, пока меня не спрашивают об этом, я знаю, что это такое. И действительно, интуитивно каждый из нас представляет, что такое время и что такое пространство. Можно перечислить различные их свойства — протяженность, размерность, непрерывность и так далее. Но вот сказать, что же составляет суть, этих феноменов,— задача чрезвычайно сложная.

Кант вообще считал, что пространство и время — это лишь свойства нашего рассудка, наша прирожденная способность приводить в порядок расположение вещей и событий. Трудно, конечно, согласиться с тем, что пространство и время существуют лишь в нашей голове. Наоборот, все, что мы о них знаем, убеждает нас в том, что это — реальные, существующие независимо от нас свойства природы. Только эти свойства настолько общие, что трудно дать им конкретное физическое определение (о философском мы уже упоминали).

Пространство и время никогда не наблюдаются сами по себе, они всегда связаны с материей и ее движением. Еще Лукреций Кар в поэме «О природе вещей» писал:


...Неизбежно признать, что никак ощущаться не может

время само по себе, вне движения тел и покоя.


Можно думать, что в своем глубинном значении пространство — это то, что выражает устойчивость сосуществования различных явлений и объектов в мире, а время — то, что характеризует их взаимодвижение, изменяемость. Другими словами, пространство и время — это структура сосуществования и изменения всего материального в мире.

Чересчур абстрактно, общо? Ничего не поделаешь! Сами ведь пространство и время — предельно общие понятия, более общих придумать трудно.

Такие понятия изучаются философией, которая потому и является наукой о самых общих законах природы и общества. В физических теориях пространство и время обычно понимают не так широко, включая в их определение уже нами упоминавшиеся конкретные свойства: протяженность, направленность и тому подобное. Но ведь все эти свойства имеют ограниченную область применения. Математикам, например, известно много бесконечных пространств, где нет такого привычного для нас свойства, как длина. Возможно, некоторые из таких пространственно-временных структур реализуются где-нибудь в глубинах микромира. Ну а то, что пространство может не иметь такого свойства, как различие правого и левого,— об этом уже шла речь. Если различие правого и левого считать неотъемлемым свойством пространства, то пришлось бы признать, что некоторые микрообъекты существуют вне пространства. Нет, не напрасно, определяя пространство и время, философы прибегают к самым общим и абстрактным понятиям!

Общую математическую теорию пространства различного типа первым разработал немецкий математик Бернгард Риман. В его теории пространство может быть скрученным и изогнутым, причем в различных точках по-разному, может иметь разрывы и дырки, быть многомерным.

Древнегреческий ученый Пифагор был убежден в том, что законы мира — это законы чисел. Все свойства и закономерности природы, считал Пифагор, а вслед за ним и его ученики, проистекают из математики. По их мнению, это самое первичное, что есть в мироздании. В законах чисел, как в курином яйце — цыпленок или в бутоне — роза, заложена возможность материального «раскрытия мира». Сначала пифагорейцам казалось, что наконец-то понята таинственная суть мироздания, причина его удивительной симметрии, порядка и целесообразности. И вдруг обнаружилось, что некоторые величины нельзя выразить никаким числом. Например, отношение длины окружности к ее радиусу или отношение длины стороны квадрата к его диагонали. Сегодня мы знаем, что для этого надо использовать иррациональные числа, но для Пифагора и его учеников, знавших лишь целые числа и правильные дроби, это выглядело потрясающей загадкой, мистическим чудом. Они были настолько поражены своим открытием, что в течении многих лет тщательно скрывали его как одну из самых ужасных и необъяснимых тайн бытия.

Подобные коллизии случались и позднее. Природа любит преподносить ученым сюрпризы как раз тогда, когда какие-либо ее конкретные свойства и законы объявляются универсальными, действующими всегда и всюду.

В мире все имеет свою конкретную, ограниченную область применения, и мы должны быть готовы к тому, что наука еще откроет диковинные свойства пространства и времени, которые мы сейчас не можем себе и представить, а известные нам свойства, наоборот, в области новых явлений утратят свое значение.


ГЛАВА ДЕСЯТАЯ, | Кварки, протоны, Вселенная | ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ,