Глава пятая. Таинственная простота

У нас постоянно на языке слова:
время и время, времена и времена...
Кажется, нет ничего яснее и обыкновеннее,
а между тем, в сущности, нет ничего непонятнее и сокровеннее...

Аврелий Августин, IV в. н.э.

...Бытие вне времени есть такая же величайшая бессмыслица,
как бытие вне пространства.

Ф. Энгельс

Между этими высказываниями пролегли полторы тысячи лет. А сколько тысячелетий назад человек стал задумываться над тем, что есть время? Одно не подлежит сомнению: начав размышлять над этим, человек стал карабкаться на одну из высочайших вершин знания, штурм которой продолжается сейчас и не прекратится в будущем, потому что речь идет о самом важном в философии: пространственно-временном единстве мира.

Первобытному человеку, обожествлявшему время, оно казалось бесконечно могущественным – таким, каким показал его Шекспир в «Зимней сказке»:

Я – Время. Я вселяю ужас.
Я – добро и зло. Я – счастие и горе...
Нет перемен во мне: таким же было
Я на заре далекой мирозданья;
Я видело начало всех начал, –
При мне круговорот века свершали;
И наши дни я тож покрою пылью...

В процессе познания человеческая мысль пришла к удивительному пространству-времени Эйнштейна и еще более удивительным, но пока еще очень слабо познанным пространствам-временам микромира элементарных частиц и мегамира недр звезд, находящихся в совершенно необычном, сколлапсированном состоянии. И всегда на этом пути реальность подтверждала выводы теории, а теория подталкивала на поиски новых реальностей.

От абсолютного к относительному

Наиболее полную и последовательную попытку оторвать время от материи сделал Ньютон. Он назвал его торжественно и важно: абсолютное, истинное, математическое время, которое «...по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».

И пространство у него было точно таким же: абсолютным, истинным и пустым, не связанным ни с предметами, в нем находящимися, ни с их изменениями, ни со временем. Оно было как бы рамой для мира реальных вещей, и в этом абсолютном пространстве царило абсолютное движение, измеряемое уже известным нам абсолютным временем.

Зачем понадобилось творцу теории всемирного тяготения это пространство? Затем, что без него никак не удавалось справиться с движением.

Еще в древности было подмечено, что в спокойно плывущем по глади реки корабле путешественник не может сказать, движется он или стоит на месте, если не видит берега. Галилей распространил эти наблюдения и на физические опыты. Он писал, что столь же безразличным к движению окажется и камень, «падающий с высоты корабельной мачты; этот камень всегда окончит свое падение, ударив в одно и то же место как в том случае, когда корабль неподвижен, так и в том, когда он идет быстрым ходом... Я... произвел этот опыт; но еще перед тем естественное рассуждение привело меня к твердому убеждению в том, что из него должно получиться именно то, что действительно и получилось». Следовательно, никакими опытами нельзя установить, движемся мы или нет, если движение происходит без ускорения. В этом – суть «принципа относительности» Галилея.

Ньютон был вполне согласен с этим принципом. И все-таки ему казалось, что должно быть нечто незыблемое (человек религиозный, он называл пространство «бесконечным чувствилищем бога»), некая основа, опираясь на которую, наблюдатель может ощутить движение без ускорения. Абсолютное пространство и было для Ньютона неподвижной системой отсчета.

Физика XVIII столетия полностью приняла принципы Ньютона и пользовалась ими весьма плодотворно. Единственной деталью, портившей фасад стройного здания, была скорость света. Приходилось считать ее бесконечно большой, ибо в пустом пространстве только такой она и могла быть, а наблюдения этого не подтверждали.

В 1675 г. датский астроном Олаус Ремер представил в Парижскую академию наук мемуар «Относительно доказательства движения света». В работе описывались наблюдения за Юпитером и его спутником Ио. Оказывается, в январе Ио появлялась из-за Юпитера на целых 16 минут 36 секунд раньше, чем в июне; разница столь громадна, что ее никак нельзя отнести за счет ошибок измерения. Поскольку в июне Земля и Юпитер находились по разные стороны от Солнца, а в январе – по одну сторону, оставалось предположить, что все дело в конечности скорости света.

Ему требовалось в каждом случае проходить до Земли иное расстояние. Несложное деление – и Ремер получает первую в истории науки величину скорости света: около 280 тыс. километров в секунду, – превосходный результат, особенно если принять во внимание неточность тогдашних часов и другие ошибки.

Ньютон знал о работе Ремера. Он, безусловно, понимал, что конечная величина скорости неизбежно влечет за собой некую среду, передающую движение. Пространство, следовательно, связано с предметами, в нем находящимися? Это противоречие Ньютон разрешить не мог, а гипотез он, по собственному выражению, «не измышлял».

Гипотезу выдвинул Гюйгенс. Он предположил, что пространство наполнено неким веществом – эфиром, и построил, опираясь на эфир, волновую теорию света. Она отлично объяснила множество разных оптических явлений и даже предсказала такие, которые потом были открыты, – словом, оказалась хорошей гипотезой. За одним исключением: эфир пришлось снабдить столь противоречивыми свойствами, что разум отказывался верить. С одной стороны, совершенная бесплотность (дабы не мешать движению планет), а с другой – упругость, в тысячи раз превышающая упругость самой лучшей стали (иначе не будет распространяться с нужной скоростью свет).

До поры до времени на противоречия закрывали глаза. В конце концов разве природа обязана быть непременно такой, какой нам хочется с точки зрения «здравого смысла»? Мало ли открытий, ему противоречащих, начиная с шарообразности Земли, было сделано наукой? Стоит ли пугаться даже таких взаимоисключающих свойств? Джеймс Клерк Максвелл на основе «эфирной» гипотезы создал теорию электромагнитного поля, столь фундаментальную, что ей подчиняются тысячи ранее непонятных явлений, – так почему бы не предположить, что эфир все-таки существует? Почему бы не предположить, что эфир и есть ньютоновское «абсолютное пространство» и оттого так странен? Если это действительно так, он должен быть абсолютно неподвижен, и скорость света сможет стать тем «спидометром», который даст наблюдателю ответ на вопрос, движется он без ускорения или стоит на месте. В самом деле: поскольку свет – колебание частиц эфира, любое механическое движение обязано складываться с ним и вычитаться, подчиняясь законам механики. Остается лишь поставить точный опыт и ответить, наконец, на «проклятый вопрос».

За эту работу в 1880 г. взялся двадцативосьмилетний американец, преподаватель военно-морского училища в Аннаполисе Альберт Майкельсон. Он уже однажды построил прибор для измерения скорости света, намного более точный, чем аппаратура других исследователей. Новая установка должна была обеспечить еще меньшую ошибку – порядка 0,005 процента. В этом случае сложение скоростей света и движения Земли по орбите стало бы заметным. И что же? Майкельсон добился вдесятеро большей точности, чем предполагал, но все-таки не обнаружил такого суммирования. Он был уверен в безупречности опыта, и в статье, напечатанной в «Америкэн Джорнел оф Сайенс», категорически заявил: «Таким образом, доказано, что гипотеза неподвижного эфира неверна».

Ученый мир встретил сообщение без восторга. Гипотеза эфира была слишком хорошо разработана, слишком многое объясняла, чтобы от нее отказываться. Не лучше ли как-то ее подремонтировать? И наиболее убежденные сторонники эфира сделали попытку придать ему еще более невероятные свойства – увязать их с результатами опытов, проделанных американским исследователем.

«Я думал об этих опытах долго и безуспешно, – писал в 1892 г. один из замечательнейших физиков конца столетия Г.А. Лоренц, – и наконец представил только одну возможность для выхода из создавшегося положения». Ученый рассмотрел такую гипотезу: если во время движения через эфир все тела, в том числе и установка, на которой проводил свои эксперименты Майкельсон, несколько сокращаются в направлении движения, то уловить сложение скоростей будет невозможно. Аналогичную мысль высказал и англичанин Д.Ф. Фицджеральд.

Французский математик А. Пуанкаре заметил по этому поводу, что если для объяснения одного опыта Майкельсона нужно прибегать к столь искусственным приемам, то что же несут физике новые опыты? Не свидетельствует ли все это о внутренней неустойчивости сооружения, называемого «мировой эфир»?

А Лоренц тем временем развивал дальше свою любимую теорию электрона, и обнаружил интереснейшие свойства этой единственной тогда известной физикам элементарной частицы: масса ее оказалась переменной, связанной со скоростью, – и выражалась той же формулой, что и теоретическое сокращение размеров. Совпадение или нечто большее?

Эту проблему было суждено решить Эйнштейну. В 1905 г. он опубликовал свою первую работу по теории относительности. Все странные факты, накопившиеся к тому времени в физике, от удивительного постоянства скорости света до не менее удивительного изменения массы электрона получили простое и изящное объяснение.

Прежде всего скорость света объявлялась неизменной величиной, не зависящей от того, движется наблюдатель или находится в покое: в любом случае, даже если лаборатория в ракете будет лететь со скоростью света, прибор Майкельсона неизбежно покажет одну и ту же величину – 300 000 километров секунду. «Догоняя свет со скоростью с (скорость света в вакууме), я должен был бы наблюдать этот луч как неподвижное электромагнитное поле, лишь колеблющееся в пространстве, – писал Эйнштейн. – Но, по-видимому, такой картины не бывает. Интуитивно мне с самого начала казалось ясным, что с точки зрения летящего наблюдателя все должно было бы происходить по тем же законам, что и для наблюдателя, покоящегося относительно Земли».

Из этого вытекало, что в мире все взаимосвязано: пространство и время (поэтому мы и говорим теперь о пространстве-времени), масса, энергия, движение. Понятия абсолютных пространств, времени и движения полностью ликвидировались. Все движущиеся тела становились равноправными с точки зрения находящихся на них наблюдателей. Абсолютно никакими опытами, проведенными внутри равномерно и прямолинейно движущейся системы, нельзя доказать, движется она или находится в покое. Любой экспериментатор может в этом случае считать себя покоящимся, а всех остальных – движущимися. Результаты решений уравнений, описывающих любые процессы, от этого не изменятся.

Но так ли все выглядит на самом деле, как утверждает теория?

Физики покажут недоверчивым свои колоссальные ускорители элементарных частиц: размеры и огромная мощность, которая нужна, чтобы привести их в действие, – вот следствия, прямо вытекающие из теории относительности. Чем быстрее летит частица, тем она становится массивнее, а чтобы изменить массу, приходится расходовать соответствующую энергию.

Ну, а время? Формулы Эйнштейна говорят, что сторонний наблюдатель увидит, как время, в котором живет быстро движущаяся частица или экипаж ракетного корабля, протекает медленнее, чем в лаборатории, откуда ведется наблюдение. Этот вывод для многих кажется еще более фантастическим, нежели изменение массы. Но опыты упрямо говорят свое: да, время может изменяться.

В верхних слоях атмосферы, на высоте 10...30 километров, космические лучи сталкиваются с атомами кислорода и азота. При этом образуются элементарные частицы пи-мезоны. Время их жизни в неподвижном относительно лаборатории состоянии – 2,6 10–8 секунды. После этого они распадаются. Это очень хорошо видно, когда искусственно полученный пи-мезон останавливают в поглотителе: от момента остановки до распада проходит именно столько времени. В силу этого родившийся в атмосфере пи-мезон может пролететь (даже со скоростью света!) не более 0,66 километра, – я говорю «может», на мгновение забыв о теории относительности. Однако она существует. И наша элементарная частица вдруг становится долгожителем. Мы видим, как она пролетает целых 16 километров и живет соответственно в десятки раз дольше. Между тем, с точки зрения внутренних свойств пи-мезона, он существует по-прежнему 2,6 10–8 секунды.

Для теории относительности нет ничего странного и в том, что космонавт, улетевший в ракете, развивающей почти световую скорость, вернется по часам ракеты через несколько лет, а по часам Земли – через десятилетия.

Есть ли у времени «задний ход»?

Очень многие свойства пространства-времени открыты чисто практически, стали привычными и вполне естественными. Но именно то обстоятельство, что им нет теоретического обоснования, делает изучение их чрезвычайно трудным. Более того, наука лишь в самые последние годы обратила внимание на эти свойства, которые раньше были лишь предметом умственных экспериментов философов.

Одно из таких свойств – «стрела» времени, его направленность только в одну сторону. Пространство, как мы хорошо знаем, допускает движение и вперед и назад, а во времени такой эксперимент не удастся, хотя в фантастической литературе путешественников во времени, начиная с героя Уэллса, было предостаточно. «Изменяющийся мир, – пишет известный американский популяризатор науки, математик Мартин Гарднер, – по-видимому, больше напоминает магический зеленый ковер, развертывающийся прямо под ногами и свертывающийся сразу же позади... Но почему магический ковер никогда не развертывается обратно? Каков физический базис этой странной непреодолимой асимметрии времени? По этому поводу среди физиков имеется так же мало согласия, как и среди философов. А ныне, в результате недавних экспериментов, замешательство стало еще больше, чем прежде».

Все фундаментальные теории физики, в том числе квантовая механика и теория относительности, допускают в своих формулах подстановку времени как со знаком плюс, так и со знаком минус. Результаты от такой перестановки не меняются, законы описывают то, что может происходить в природе. Может, но не происходит. В нашем макромире «стрела времени» упрямо летит только в одну сторону.

Надо сказать, что в физике действуют два рода законов. Одни – динамические, четко подчиняющиеся формулам. В них отношения между причиной и следствием вполне определенны, однозначны. Другие – статистические, их формулы описывают единство и борьбу двух начал: необходимости и случайности. Иными словами, статистические законы описывают события, исход которых можно предвидеть лишь с некоторой долей вероятности, события, которые суть результат, взаимодействия большого числа независимых атомов, молекул, животных или людей.

Динамический закон опишет полет снаряда в идеальном математическом пространстве. Статистический закон, дает возможность артиллеристам попасть в цель в реальных условиях, стреляя из данного оружия снарядами данной партии, при данной температуре воздуха и данном ветре. Статистический закон позволяет артиллеристам учесть, что ствол орудия от выстрела к выстрелу изнашивается, что массы снаряда и пороха в каждом патроне хоть немного да отличаются от других, что температура (и зависящая от нее плотность воздуха, мешающего полету снаряда) изменяется по мере подъема на высоту, что ветер дует порывами, – словом, учесть великое множество факторов, влияющих на траекторию снаряда. Совместное их воздействие приводит к тому, что снаряды не попадают в одну и ту же точку, а разлетаются по некоторой площади: каждый стрелок знает, что попасть в дом легче, чем в окно, а в окно – легче, чем в форточку. Вероятность попадания опишет статистический закон и скажет, сколько снарядов нужно истратить, чтобы поразить цель почти наверняка.

А теперь вернемся к «стреле времени». Вообще говоря, можно вообразить такую картину: снаряд взорвался, а потом все молекулы его разлетевшегося вдребезги корпуса вдруг переменят свое движение на обратное и соберутся снова в точке взрыва, воссоздав его, снаряда, первоначальный облик. Вы скажете: «Так не бывает!» Верно. Но почему? Разве при этом будут нарушены законы механики? Нет. Ничто не запрещает молекулам собраться вместе. Ничто, кроме статистических законов: вероятность того, что все молекулы, независимые в своем движении, вдруг станут возвращаться по пройденным путям, столь ничтожна, что мы заранее принимаем ее равной нулю – и оказываемся правы.

«Стрела времени» направлена в сторону возможно большего беспорядка. «Это единственное различие между прошлым и будущим, известное физике», – говорил Артур Эддингтон, английский астроном, впервые в одной из своих лекций нарисовавший перед слушателями образ «стрелы». Живые организмы, впрочем, тем и отличаются от неживой природы, что противятся «беспорядку». Рост и изменение организма – пример все более развивающейся во времени, все более высокой упорядоченности. Но неизбежно наступает момент, когда человек умирает, машина отправляется в переплавку, а стела, повествующая о деяниях фараонов, трескается-Есть и еще одно, по-видимому, более важное свойство нашего мира, определяющее прямой полет времени: различие между атомами и антиатомами.

Антиатомы – это точно такие же атомы, но их заряды изменены на противоположные. Атом водорода похож на маленькую планетную систему из положительного солнца-протона и отрицательной планеты-электрона. Это очень неточное, приблизительное сравнение, но для нашего разговора вполне достаточное. У антиводорода центр системы займет отрицательный антипротон, а вращаться вокруг него станет положительный электрон – позитрон. Физические и химические свойства таких «зеркальных» атомов остаются теми же. Единственное, чего нельзя делать, – это допускать их соприкосновения. Произойдет то, что физики называют аннигиляцией, – взрыв, в котором «сгорят» оба атома, породив поток излучения.

Советские и американские физики установили, что измениться на противоположный может не только заряд, но и «четность». Грубо говоря, это значит, что позитрон станет вращаться вокруг антипротона не по часовой стрелке, как электрон вокруг протона (повторяю, все это крайне грубая аналогия), а против, т.е. станет еще и зеркальным отображением атома. Таким образом, можно, по крайней мере мысленно, представить себе галактику из антиматерии, да к тому же еще и являющуюся зеркальным отображением другой галактики.

И наконец, были открыты такие взаимодействия между элементарными частицами, которые заставили предположить, что изменяется при этом знак не только заряда и четности, но и времени.

«Вполне может случиться, – заключает Гарднер, – что во Вселенной нет галактик из антиматерии. Но физики любят уравновешивать все на свете, и если во Вселенной имеется столько же антиматерии, сколько материи, то могут существовать и такие области космоса, в которых все три симметрии меняют знак. События в нашем мире, однозначные относительно заряда, четности и времени, будут все идти противоположным путем в «обращенной» галактике. Материя такой галактики должна быть зеркально отраженной, противоположной по заряду и двигающейся назад во времени».

Свою статью «Может ли время идти вспять» М. Гарднер заканчивает рассказом из области физики микромира, где, как ни странно, «обратное» время способно кое-что объяснить.

При определенных условиях гамма-квант, т.е. частица, соответствующая гамма-лучам, может распасться на электрон и его античастицу – позитрон. Однако позитрон мгновенно сталкивается с другим электроном, аннигилирует, и снова восстанавливается гамма-квант. Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предположил, что позитрон – это просто электрон, летящий вспять во времени.

А пока теоретики упражняются в создании математических моделей, советские физики под руководством академика Г.И. Будкера сотворили на ускорителе элементарных частиц антиатомы гелия. Немного правда, всего пять штук (вдумайтесь только: атомы можно считать на штуки, словно картошку!), но это ведь первые атомы антивещества, созданные руками людей.

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».

На краю «черной дыры»

...Когда запасы водорода и звезде близки к тому, чтобы исчерпаться окончательно, и термоядерные реакции, благодаря которым она излучала свет, тепло и прочие виды энергии, начинают угасать (эта печальная фаза наступает через несколько миллиардов лет после рождения светила), температура газа, из которого состоит звезда, постепенно снижается. В соответствии с законами физики падает и его давление. Раньше, когда звезда была горячее, энергии газа хватало, чтобы противостоять силам гравитации, стремящимся притиснуть друг к другу его мечущиеся атомы. Теперь равновесие нарушилось. Температура сломлена – и ничто не в состоянии помешать этим силам сжать звезду. Они спешат воспользоваться своим правом.

Что случится дальше – зависит от массы светила. Если она меньше 1,2 солнечной – звезда сожмется в «белого карлика» размером с Землю, если масса лежит между 1,2...2,0 солнечной – Вселенная получит в подарок «нейтронную звезду» диаметром около 10 километров, которую наши радиотелескопы заметят в виде пульсара.

А более крупные звезды не в силах бороться с объятиями гравитации: с неимоверной быстротой, буквально за какие-то минуты, все рушится, коллапсирует, – и от гигантского шара диаметром в миллионы километров и массой, скажем, вдвое больше солнечной остается «черная дыра», поперечник которой всего лишь около 12 километров.

Но в этой космической горошине вместилась звезда. Миллиарды миллиардов тонн вещества. Как выглядит столь чудовищная по плотности материя, каковы ее свойства? Ученые отказываются даже предполагать: любое предположение будет беспочвенным. Но вот каким предстанет пространство-время возле такой «дыры», на ее границе – это они знают.

«...пять, четыре, три, два, один, ноль!» – из-под космической ракеты, стоящей на стартовом столе, вырываются клубы дыма, река пламени: через несколько минут еще одна межпланетная станция покинет Землю. Каждая ступенька в космос – это более высокая скорость, нужная, чтобы преодолеть земное тяготение. Стать спутником – 8 километров в секунду, улететь на Луну, выйти из сферы притяжения Земли – 11,19 километра в секунду. Чем больше масса небесного тела, с которой стартует ракета, тем выше должна быть вторая космическая скорость. Чтобы улететь с поверхности Солнца, корабль должен был бы разогнаться до 700 километров в секунду. А если станция волею судьбы окажется на границе «дыры» (предположим, что со станцией при этом ничего не случится), она оттуда вообще не сможет выбраться, потому что вторая космическая скорость там равна скорости света.

И свет не в силах выбраться из подобной ловушки, если он туда попал, и любое другое излучение. Превратившись в «дыру», звезда, словно пылесос, затягивает в себя все, что имело неосторожность приблизиться к ней чересчур близко.

И все-таки «черную дыру» удается иногда обнаружить... по рентгеновскому излучению, которое она порождает. Казалось бы, противоречие: сверхкарлик обязан все поглощать, откуда же излучение? Академик Я.Б. Зельдович рассмотрел такую ситуацию: что если возле «черной дыры» окажется другая, нормальная звезда, образующая с ней двойную звездную систему? Оказалось, что в этом случае вещество, выбрасываемое обычной звездой, будет падать на «черную дыру», но не отвесно, а образуя вокруг нее нечто вроде диска. «В этом диске, – пишет академик Зельдович, – выделяется тепло и происходит турбулентное трение слоев газа... Частица может подойти ближе к звезде на такое расстояние, где она будет втянута и упадет в «черную дыру» лишь после того, как в результате трения отдаст достаточную часть своего момента вращения». Эта энергия выбрасывается наружу в виде мощного потока рентгеновских лучей. Именно такова природа рентгеновского источника «Лебедь Х-1», состоящего из двух звезд: красного гиганта с массой в 20 раз больше солнечной, и «черной дыры», превышающей Солнце по массе в 10 раз. Возле «дыры» изменяются свойства пространства-времени. Согласно общей теории относительности время вблизи массивных тел движется медленнее. Это его свойство было практически проверено с помощью так называемого «эффекта Мессбауэра» прямо на Земле: оказалось, что у подножия 10-этажного здания, т.е. там, где сила тяжести больше, время течет действительно на 10–13 процента медленнее, чем на его вершине. Это «чуть-чуть» едва уловимо, но рядом с «черной дырой» начинаются прямо-таки чудеса.

Например, скорость превращения звезды в сверхкарлика: мы говорили, что это занимает лишь считанные минуты. Но эти минуты особые. Они отсчитаны по часам наблюдателя, который сидит у звезды на поверхности и летит вместе с ней куда-то вниз, к центру тяжести. А земной астроном, глядящий на эту грандиозную катастрофу в телескоп, видит, как часы в руках звездного путешественника идут все медленнее и медленнее, а потом и совсем останавливаются... «Для нас, – пишет академик Я.Б. Зельдович, – она («черная дыра» – В.Д.) застыла в том состоянии, в котором при сжатии ее застала остановка времени».

Однако «черная дыра» может преподнести и не такой еще сюрприз, как остановка времени. По гипотезе астрофизика Н.С. Кардашева, если «дыра» обладает мощным электрическим зарядом, а ее масса превышает в миллиард раз массу Солнца, то она не сможет «стянуться» в точку. Такой космический объект лишь сожмется, а потом начнет расширяться. Теперь наблюдателю, который вместе со звездой летел куда-то вниз, к центру тяжести, будет казаться, что он возвращается в нормальный мир. Но, увы, не в наш мир! Для земного астронома он «никогда не появится снова – даже через бесконечно длинный промежуток времени». Расширение и, следовательно, выброс материи (ведь в такой «черной дыре» более миллиарда Солнц!) произойдут уже в другой вселенной, и там, в пространстве «той» вселенной, возникнет космический объект, который начнет «истекать» веществом. Что-то вроде «белой дыры». «Не исключено, – считает Н.С. Кардашев, – что имеется бесконечное множество пространств, отделенных друг от друга бесконечными временами. Однако путешествие в «черную дыру» эквивалентно машине времени, которая позволяет преодолевать бесконечно большие расстояния за конечные промежутки времени и преодолевать бесконечно большие интервалы за малые собственные времена. Разумеется, для нашей цивилизации в настоящее время это лишь абстрактные возможности».

С такой гипотезой Н.С. Кардашев выступил в 1970 г. в Ереване на советско-американской научной конференции по внеземным цивилизациям. Участники конференции не остались к его гипотезе равнодушными: один американский астроном попытался даже перевести ее на математический язык и подсчитал, что подобное путешествие из одной вселенной в другую займет – по часам путешественника – всего-навсего... сутки!

Невероятно парадоксальным и непонятным предстает перед нами Время, когда мы покидаем привычный для нас макромир и хотим проникнуть в микро- или мегакосмос. Тем не менее это не должно нас смущать, потому что мы еще не знаем, каким содержанием наполнится это понятие по мере физического постижения бесконечного и неисчерпаемого в своих проявлениях материального мира. Безусловная Ограниченность наших наглядных представлений о нем уже доказана. Нам не дано ни уменьшиться до размеров атома, ни опуститься на звездолете на поверхность «черной дыры», ни проскочить через нее как через туннель в другую вселенную...

«Человеческие представления о пространстве и времени относительны, – писал Владимир Ильич Ленин еще в 1909 г., – но из этих относительных представлений складывается абсолютная истина, эти относительные представления, развиваясь, идут по линии абсолютной истины, приближаются к ней. Изменчивость человеческих представлений о пространстве и времени так же мало опровергает объективную реальность того и другого, как изменчивость научных знаний о строении и формах движения материи не опровергает объективной реальности внешнего мира».

Наш разговор о Времени подошел к концу. Безусловно, он не претендовал на исчерпывающее освещение темы. Мы лишь проследили, пусть порой бегло и отрывочно, роль времени в биологических «системах» – на уровне клетки и целого организма. Мы увидели, сколь необходимо точное измерение времени для нашей стремительно развивающейся науки и техники, для общества в целом. Мы прикоснулись к «странному» времени атомов и звезд, заглянули в бездонную глубину философского определения этой «четвертой координаты» материального мира. Но в основном речь шла об измерении того времени, которое нам близко и понятно, и на это автор пошел сознательно, ибо нельзя объять необъятное.

 

Добавить комментарий

Plain text

  • HTML-теги не обрабатываются и показываются как обычный текст
  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Filtered HTML

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.
Отправляя эту форму, Вы соглашаетесь с политикой приватности Mollom.