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 ДЕВЯТАЯ,


посвященная движению со сверхсветовой скоростью, которое происходит в фантастическом мире, где будущее перемешивается с прошлым и можно встретить еще не родившихся потомков и давно умерших предков. Читатель знакомится со сверхбыстрыми тахионами, у которых по сравнению с обычными частицами все шиворот-навыворот

Кварки, протоны, Вселенная

Один из основных постулатов физики утверждает, что в природе существует максимальная скорость. Это скорость света в пустоте — около 300 тысяч километров в секунду. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Безмассовые частицы — фотоны, нейтрино и спрятавшиеся в недрах других частиц глюоны — перемещаются в пространстве с максимальной скоростью. Все другие частицы и тела движутся медленно. Почему? Что им мешает? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению с житейскими нашими скоростями, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Может, в природе все-таки существуют частицы, движущиеся быстрее света, а мы их просто еще не обнаружили? Допущение с научной точки зрения не столь уж крамольное. А если не обнаружили, то где следует их искать и какими свойствами может обладать «сверхсветовое вещество»?

Вопрос о сверхсветовых скоростях — один из спорных пунктов современной физики. Хотя большинство ученых считает, что в природе таких скоростей нет, это мнение не имеет под собой безусловных оснований. Вопрос продолжает беспокоить физиков. В самых серьезных и респектабельных физических журналах время от времени появляются статьи, которые еще и еще раз, с новых точек зрения, анализируют следствия сверхсветовой гипотезы. Число посвященных ей работ—книг, статей, докладов на конференциях — давно перевалило за тысячу.

Все гипотетические тела, движущиеся со сверхсветовыми скоростями, независимо от их массы, размеров и других свойств, принято называть тахионами. Как и многие другие названия в физике, этот термин восходит к греческому корню: слово «тахис» означает «быстрый», «стремительный». Чтобы понять трудности, к которым приводит гипотеза о существовании в природе таких физических объектов, давайте сначала познакомимся со свойствами, которыми они теоретически должны обладать.

Хорошо известно, что масса тела зависит от его скорости: чем быстрее оно движется, тем оно тяжелее. При небольших скоростях увеличение массы незаметно. Но если тело разгоняется так, что его скорость становится близкой к световой, тогда масса увеличивается многократно. В современных больших ускорителях масса электрона возрастает в миллионы и даже миллиарды раз. Электрон становится тяжелее протона. Но чем больше масса тела, тем труднее его ускорять: требуется все больше и больше энергии. Чтобы разогнать одну частицу до скорости света, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии — энергию всей Вселенной. Поскольку это невозможно, долгое время считалось, что тахионов в природе быть не может.

Советский физик Я. П. Терлецкий одним из первых обратил внимание на то, что этот вывод говорит лишь о невозможности перейти через световой барьер путем непрерывного наращивания скорости. Но существуют же частицы, с легкостью движущиеся со скоростью света,— фотоны и нейтрино! Они рождаются, сразу имея такую скорость, без всякого разгона А все оттого, что у них просто нет массы покоя (во всяком случае у фотона). Тахионы тоже должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Другими словами, это совершенно новая форма материи, отделенная от обычной непроходимым световым барьером. Переход происходит всегда скачком: частицы поглощаются и рождаются затем сразу по другую сторону барьера. Они как бы подныривают под него.

Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, когда их скорость уменьшается. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион ускоряется. Эксперимент и теория убеждают нас в том, что вблизи светового барьера частицы с досветовыми скоростями сжимаются в направлении своего движения, а время их жизни (если они склонны к распаду) возрастает. Размеры распадающегося тахиона, напротив, растут — он как бы распухает в направлении движения, а течение времени для него резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, он вытягивается вдоль всей своей траектории. Словом, у тахионов все наоборот, и к этому выводу приводят нас строгие формулы теории относительности.

Впрочем, у тахионов есть еще более поразительные свойства. Оказывается, например, что порядок событий, в которых участвуют сверхсветовые частицы (какое из них раньше, какое позднее), зависит от выбора системы координат. Если в некоторой системе отсчета один атом испускает тахион, а второй атом его поглощает, то в системе координат, движущейся с иной скоростью, этот процесс может выглядеть как переход частицы в обратном направлении: от второго атома к первому. Взаимодействие со вторым атомом здесь происходит раньше, чем с первым. Иначе говоря, в тахионных процессах разделение времени на прошлое и будущее условно, как условно, например, противопоставление правого и левого в нашей обыденной жизни: для меня это — левое, а для стоящего ко мне лицом собеседника — правое. Так и для тахионов — в одной системе координат событие происходит в будущем, а в другой оно оказывается и прошлом.

В тахионном мире ничего не стоит подсмотреть, что произойдет завтра, послезавтра, через год. Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. При этом возникают невероятные ситуации, в которых причинная связь событий нарушена.

У американского писателя-фантаста Рэя Бредбери есть знаменитый рассказ о том, как человек, отправившийся путешествовать в прошлое, пренебрег запретом «Ничего не трогай!» и, гуляя в древнем тропическом лесу, раздавил бабочку. Цепочка последовавших за этим причинно связанных событий привела к тому, что, возвратившись в свое время, неосторожный путешественник обнаружил свою страну такой же, какой она была прежде, только в фамилии человека, баллотировавшегося на пост президента, изменилась буква, и это был уже не умеренный буржуазный демократ, а потенциальный тиран. В мире со сверхсветовыми явлениями возможны и более удивительные происшествия: там можно устроить встречу давно умерших предков с их еще неродившимися потомками.

Свойства тахионов настолько удивительны, что возникают серьезные сомнения в возможности существования таких частиц. Правда, ускорение вместо торможения, распухание и размазывание по всей траектории — хотя и очень непривычные для нас вещи, считать их абсолютно невозможными нет оснований. Странно — не значит невозможно. К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Другое дело — причинность. Ее нарушение — вопиющее противоречие, не совместимое с естественным ходом вещей в нашем мире. Ведь в самом-то деле, не можем же мы беседовать со своими пращурами или давно умершими историческими личностями.

Как избавиться от нарушений причинности, к которым приводит гипотеза тахионов, и можно ли это вообще сделать, пока неясно. Этих трудностей нет в области очень малых пространственно-временных масштабов, где временной порядок событий, возможно, вообще нельзя установить или же он имеет смысл, весьма отличный от того, к которому мы привыкли в нашем макромире. Зависимость этого порядка от системы координат в этом случае не будет нарушать причинности. Некоторые опыты с элементарными частицами указывают на то, что в, субмикроскопических областях пространства и времени однозначно разделить прошлое и будущее действительно нельзя.

Тахионы останутся запертыми в области малых масштабов, если, например, все они короткоживущие частицы. Ведь, как говорилось выше, если время жизни распадающихся досветовых частиц растет с увеличением их скорости, то у тахионов оно, наоборот, уменьшается. Тахионы распадаются тем быстрее, чем больше их скорость, и это может произойти почти сразу же вблизи точек, где они родились. Наблюдать такие частицы в опыте будет крайне трудно. Вероятность их появления в макроскопических областях и, следовательно, вероятность нарушающих причинность явлений будут близки к нулю.

В последние десятилетия физики затратили много усилий на изучение так называемых нелокальных теорий, в которых на больших расстояниях все происходит, как обычно, а на малых взаимодействия совершаются со сверхсветовыми скоростями и поэтому как бы размазаны, не локализованы вокруг точек пространства и моментов времени. Такие сверхсветовые взаимодействия могут передаваться тахионами или иным каким-либо способом — в нелокальных теориях это не конкретизируется. Исследования выполнялись в общем виде: постулировали сверхсветовую скорость передачи сигналов и смотрели, к чему это приведет. Оказывается, можно построить такую нелокальную теорию, которая будет непротиворечива и на больших расстояниях. Более того, по сравнению с обычной теорией поля она даже более последовательна.

Существует ли в природе сверхсветовая нелокальность и удивительные тахионы или же это всего лишь математическая игра физиков-теоретиков? На этот вопрос должна ответить сама природа. Как бы там ни было, повторяем, что в настоящее время нет никаких, ни физических, ни философских, запретов участию тахионов в процессах, которые протекают в ультрамалых областях пространства-времени. Для больших областей вопрос, естественно, не так прост.

Но могут ли, спросит читатель, частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом наших приборов? Некоторые ученые считают, что не могут. Если это так, то тахионы — ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оторваны друг от друга навеки точек соприкосновения у них нет. Трудно, однако, допустить, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы. Если же допустить, что между тахионами и досветовым веществом возможно взаимодействие, то тахионы должны рождаться в реакциях, происходящих при столкновениях досветовых частиц, и можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов.

Таких опытов выполнено уже немало, но ни один из них не дал убедительных доказательств в пользу существования тахионов. В отдельных случаях, правда, проявлялись эффекты, которые в принципе можно было бы приписать сверхсветовым частицам, но им можно найти и другие объяснения. Бритва Оккама на страже!

Вместе с тем ни один из выполненных до сих пор экспериментов не доказывает и обратного: отсутствия тахионов. Во всех опытах можно увидеть методические просчеты, которые хотя бы отчасти объясняют их неудачу. Вот пример. В одном из опытов регистрировали случаи поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившаяся частица должна при этом получить от тахиона импульс, который физики намеревались зафиксировать. Опыты проводились глубоко под землей, практически при полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений была очень высокой. Тем не менее не удалось обнаружить ни одного случая поглощения тахиона, и был сделан вывод: либо тахионы не существуют в природе, либо взаимодействуют они с досветовым веществом очень слабо — в 1029 раз слабее, чем протон с электроном. Последнее, как уже говорилось выше, представляется маловероятным, поэтому эксперимент, казалось бы, «закрывает» проблему тахионов. Однако это заключение становится неубедительным, если учесть другую, в определенном смысле даже более логичную интерпретацию отрицательного результата опыта: если нет специальных источников, испускающих тахионы, то это значит, что количество этих частиц в окружающем нас пространстве крайне мало, как мало, например, число световых квантов в темной комнате. Кстати, частиц антивещества в окружающем пространстве тоже ведь очень мало, в космических лучах их следы обнаружены лишь совсем недавно.

Таким образом, на вопрос, существуют ли в природе тахионы, следует ответить: пока не известно, это предстоит еще выяснить. Можно быть почти уверенным, что тахионов нет в макроскопических областях пространства. Иначе возникли бы парадоксы с причинностью, нарушались бы законы сохранения энергии и импульса. Тахионы и связанные с ними явления могут прятаться только где-нибудь внутри ультрамалых пространственно-временных интервалов, меньших 10-17 сантиметров и 10-27 секунд, там, где противопоставление прошлого будущему теряет смысл.

Но и здесь следует сделать оговорку. В экспериментах и теоретических расчетах, касающихся тахионов, всегда предполагалось, что эти частицы подчиняются формулам Лоренца. С помощью этих формул при вычислениях и при анализе опытов исследователи переходят из одной системы координат в другую. Но кто может поручиться за то, что формулы Лоренца верны и за световым барьером? Это гипотеза, которая, вообще говоря, может оказаться и неверной. А тогда условия причинности могут выглядеть совсем по-другому. По разным соображениям такая возможность кажется маловероятной, но все же в науках никогда не следует торопиться с отрицаниями и запретами.

Когда во время популярной лекции или доклада мне приходится рассказывать о свойствах тахионов, я обычно заканчиваю свой рассказ словами:

— А теперь я продемонстрирую вам сверхсветовую скорость. Не фокус, а самое настоящее сверхсветовое движение.

— С тахионами? — спрашивает кто-нибудь из слушателей.

— Нет, частиц со сверхсветовыми скоростями никто не видел, а вот сверхсветовое движение наблюдать легко. Давайте выключим все лампы, кроме одной, настольной. И вот теперь, поднеся к ней карманное зеркальце, я мазну световым зайчиком по противоположной стене. Если она далеко, а зеркальце поворачивать быстро, то зайчик побежит по стене быстрее света...

Но как же быть при этом с теорией относительности, которая утверждает, что скорость никогда не может перейти через световой барьер? Никакого противоречия с теорией относительности тут нет. Со сверхсветовой скоростью. перемещается эффект, а не вещество. Скорость света — максимальная скорость перемещения материальных тел, а световой зайчик никакого вещества по стене не переносит. Светового барьера, где бы масса и энергия обращались в бесконечность, для него не существует. Подобных сверхсветовых явлений физическая теория не запрещает.


ГЛАВА ВОСЬМАЯ, | Кварки, протоны, Вселенная | ГЛАВА ДЕСЯТАЯ,