Текст книги "Механика машины времени"

Глава 3. Загадки четвертого измерения

Есть у времени такие свойства, которые ставят в тупик и классическую механику, и теорию относительности, и квантовую теорию. Эти теории многое сказали о времени, но они не способны ответить на первый и, казалось бы, самый простой из всех вопросов: почему время идет?

А. Д. Чернин. Физика времени

В последующих главах мы вернемся к исследованию временных парадоксов, задавшись, прежде всего, следующими вопросами: как смотрит физическая наука на теоретическую возможность создания машины времени? В чем принципиальные особенности движения материального тела по течению времени и против него?

Ну и, конечно же, нам предстоит продолжить разговор о новых исследованиях физиков и узнать, как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня. Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что вначале казалось совершенно нереальным, с течением времени становится обыденностью. Но тут возникают новые вопросы:

► Что нужно, чтобы построить машину времени?

► Когда этого можно ожидать?

► Как далеко в этом направлении продвинулась наука?

Но главным среди них все же остается вопрос:

► Что по своей сути представляет собой время? Ведь для того чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени и научиться управлять его течением. И именно отсюда начинаются все трудности…

Но все-таки это дело не такое уж безнадежное, как может показаться вначале. Современная наука знает о сущности времени не так мало. Более того, теория предсказывает, что некоторые виды «машины времени» могут издавна существовать в окружающем нас мире. И здесь продолжают накапливаться задачи:

► Как их обнаружить?

► В чем состоят принципы их существования?

► Как именно они работают?

► Какую практическую пользу мы можем иметь от них?

► Насколько правы в своих предположениях фантасты?

К глубокому сожалению, на нашем уровне познания мироздания любые проекты по перемещению материальных объектов во времени являются всего лишь более или менее удачными умозрительными построениями.

Классическая физика говорит, что существует лишь одно измерение, а также одно временное пространство. В соответствии с этой точкой зрения, изменение события в прошлом может теоретически обратно изменить историю. Эта теория порождает проблемы «временных парадоксов», о которых было написано в предшествующей главе. Далее мы обратимся к ним с несколько иной точки зрения.

Тем более поразительным был вывод из теории относительности, созданной в начале прошлого века, о том, что время зависит от скорости движения – пассажиры быстро мчащегося авто заметят, что их хронометры все больше и больше отстают от часов, укрепленных на стенах автовокзалов, мимо которых проносится автомобиль. И чем больше его скорость, тем заметнее запаздывание.

Причина этого удивительного явления долго оставалась загадкой. Ответ дала лишь теория тяготения Эйнштейна, объяснившая, что замедление времени связано с искривлением окружающего пространства. Из теории гравитации Эйнштейна следует, что время только кажется инертным и безучастным к проходящим в мире процессам, в действительности же на него действуют силы тяготения. Чем они сильнее, тем более вялым, медленнее текущим становится время. Образно говоря, под действием тяготения река времени перестает быть прямолинейной. Она изгибается, растягивается, скручивается.

Чтобы понять, в чем дело, вспомним широко известный в физике факт: силы инерции – перегрузки, возникающие при ускорении или торможении, например лифта – эквивалентны силе тяжести.

Вспомним, как нас прижимает к спинке сиденья на аттракционе «Русские горки», когда поезд кабинок резко ускоряет движение на подъеме. И если мы изолированы в кабине космического корабля, то никогда не сможем определить – сели ли мы на какую-то планету и на нас действует ее гравитация, или корабль уносится в космическое пространство с каким-то постоянным ускорением.

Поэтому при тренировках космонавтов состояние орбитальной невесомости моделируется их «парением» в салоне пикирующего самолета: земное притяжение при этом полностью компенсируется противонаправленной силой инерции.

Теперь понятно, что на замедление хода часов в движущемся транспорте действуют силы инерции, возникающие при его разгоне. Чем они больше, тем больше его скорость и тем заметнее разница времени между покоящимися и движущимися часами. Несомненно, что открытие зависимости времени от скорости движения и полей тяготения стало одним из самых важных научных достижений прошлого века. Оно позволяет нам в определенных пределах управлять ходом времени, а отсюда уже недалеко и до машины времени, с помощью которой можно так искривить поток времени, что он вынесет нас в будущее или в прошлое.

Так, если экипаж звездолета, который исследовал окрестности коллапсара, – черной дыры с невообразимо гигантскими полями тяготения, вернется домой, он застанет своих ровесников, знакомых и родственников глубокими стариками, живущими в том далеком будущем, до которого членам экипажа еще предстоит дожить. Итак, перед нами первая модель машин времени, созданных самой природой, – черные дыры, или замерзшие звезды, правда, их внешняя оболочка может перебрасывать материю только в сторону будущего.

В научно-фантастических романах часто можно встретить ситуацию, когда очередная сверхцивилизация, овладев законами тяготения, использует мощные генераторы гравитационных волн. Для такого высокоразвитого разума совсем нетрудно было бы построить и компактную машину времени – что-то вроде «универсального блока» из многотомной эпопеи Василия Звягинцева «Одиссей покидает Итаку» или кабины «голема» из романа Василия Головачева «Схрон». Впрочем, мы далеко не случайно остановили внимание на произведениях этих авторов. Редко где еще можно встретить столь тщательно выписанную сложнейшую систему «хронопереходов» между разными временами и эпохами, и даже пришельцев, живущих в «обратном» времени.

Несмотря на фантастичность подобных путешествий, возможно, когда-нибудь их удастся осуществить. История науки убеждает нас в том, что если какая-то возможность разрешена законами природы, то ее осуществление – лишь вопрос времени. Однако сегодня мы еще очень далеки от этого. Честно говоря, мы даже не знаем, как подступиться к практической разработке гравитационной машины времени. Современная техника хорошо умеет генерировать самые различные электромагнитные поля. Это может быть и видимый свет, и радиоволны, и лучи лазеров, уже научились создавать даже пучки неуловимых частиц нейтрино.

Схема фотонного звездолета

1 – отражатель фотонов излучения, возникающего при аннигиляции материи и антиматерии; 2, 4 – защитные экраны; 3 – баки с горючим (антиматерией, подвешенной в магнитном поле); 5 – оранжерея; 6 – производственные помещения; 7 – кают-компания; 8 – специальные и жилые каюты; 9 – обсерватория, научный центр; 10 – космоботы; 11 – ракетопланпланетолет

Но вот как построить мощный генератор гравитационного излучения, который мог бы изменять силу поля тяготения, – этого пока никто не знает. Впрочем, существует обходной путь: заменить гравитацию силами инерции.

Такие силы мы создавать умеем. Как уже говорилось, движущиеся часы идут медленнее неподвижных, и экипаж летчиков станет моложе команды диспетчеров на аэродроме. В обычных условиях это различие, понятно, совершенно ничтожно. Чтобы оно стало заметным, скорость движения должна быть близка к скорости света. Например, космонавты, безостановочно в течение целого года летящие по орбите со скоростью несколько тысяч километров в час, «омолодятся» всего лишь на доли секунды.

Другое дело, если мы находимся на борту уже упомянутого фотонного звездолета, мчащегося с половинной скоростью света. Здесь сдвиг в будущее составит уже около полутора месяцев. Ну, а для путешествия в далекое будущее потребуется скорость, мало отличающаяся от световой.

Разгоняясь почти до скорости света, придется затратить огромное количество энергии. Ресурсов известных нам источников энергии, включая ядерную и термоядерную, для этого недостаточно. Поэтому практическое осуществление подобных полетов прежде всего связано с поиском новых источников энергии. Одним из самых перспективных проектов, обсуждаемых уже много десятилетий, является использование фотонного привода, испускающего реактивную струю мощного светового излучения при аннигиляции материи и антиматерии.

Глава 4. Атомы времени

В последние десятилетия физики и математики задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоит пространство? Действительно ли оно непрерывно – или больше похоже на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе – или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер?

Л. Смолин. Атомы пространства и времени

Какие бы проблемы времени мы ни рассматривали, так или иначе возникают вопросы об элементарных составных частях – частицах времени. Ведь еще основатели атомистики, древнегреческие философы Левкипп и Демокрит обсуждали в ходе очень давнего философского диспута реальность атомов времени. К подобному представлению о структуре времени философы и физики периодически обращались на всем протяжении истории. Важные соображения здесь принадлежат великому французскому математику Рене Декарту, который пришел к парадоксальному выводу о том, что для перехода нашего мира из мгновения в мгновение нужны силы, которые и создали Вселенную.

В настоящее время мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов. Причем никто особо не удивляется тому, что фотону свойствен дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, в других – как электромагнитная волна. Более того, если мы углубимся в дебри современной квантовой физики, то в конце концов обнаружим, что микрочастица по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.

В пользу дискретности времени, по мнению многих теоретиков, свидетельствует то обстоятельство, что момент настоящего как еще не пришедшее будущее и уже ушедшее прошлое сводится к точке. Однако физическое явление в объективных материалистических моделях должно иметь протяженность!

Во всяком случае на сегодняшнем этапе развития теории физики полагают, что элементарной первоосновой Вселенной могут оказаться кварки – гипотетические частицы, о которых уже рассказывалось и которые пока никому не удалось экспериментально наблюдать. А если их действительно не обнаружат, то вполне возможно, что физики-экспериментаторы попробуют разделить и их…

Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Точно этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые смогли бы фиксировать эти частицы. Можно лишь предположить, что фундаментальной длине физического пространства должен соответствовать своеобразный атом времени – его квант. Оценку этого кванта можно получить простым делением диаметра ячейки пространства на скорость света. На этих невообразимо малых расстояниях должны действовать законы еще не известной нам физики. Именно в таких масштабах сверхмалое может объединяться со сверхбольшим, и наша Вселенная – переходить в иные миры.

Никто не знает, как выглядят воображаемые атомы времени, но если они реально существуют, то вполне возможно, что «хроноквантовое время» внутри них свернуто в замкнутые циклы. Эти циклы могут не только играть важную роль в процессах взаимного превращения материи и энергии, но и объяснить многие загадочные обстоятельства рождения нашего мира.

Тем не менее опыт всей физики учит, что время, существующее «само по себе», маловероятно. Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающем нас мире. А значит, вполне вероятно, что на него как на физический параметр должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 10 миллиардов джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, смогут обеспечить едва ли миллиардную долю этой энергии. По всей вероятности, подобный ускоритель будет построен не скоро, ведь для его работы понадобятся огромные энергетические ресурсы.

Удивительные дискретные (т. е. делимые на отрезки) свойства времени четко проявляются при излучении энергии атомами. В квантовом явлении излучения нельзя указать точное начало и окончание этого акта во времени. Время, за которое происходит это явление, выступает перед нами как цельный отрезок. У нас нет способов различить в нем отдельные ранние и поздние моменты и вообще разделить его на отдельные части. Опытные исследования различных эффектов в мире квантов и элементарных частиц показывают, что в пределах чувствительности самой современной аппаратуры дискретность потока времени не обнаружена. Не обнаружены пока и основополагающие ячейки пространства.

Квантовые состояния объема и площади

Главный вывод теории петлевой квантовой гравитации относится к объемам и площадям. Рассмотрим область пространства, ограниченную сферической оболочкой В. В соответствии с классической (неквантовой) физикой ее объем может выражаться любым действительным положительным числом. Однако, согласно теории петлевой квантовой гравитации, существует отличный от нуля абсолютный наименьший объем (примерно равный кубу длины Планка, т. е. 1099 см³), а значения больших объемов представляют собой дискретный ряд чисел. Аналогично, есть ненулевая минимальная площадь (примерно квадрат длины Планка, или 1066 см²) и дискретный ряд допустимых площадей большего размера. Дискретные спектры допустимых квантовых площадей и квантовых объемов в широком смысле похожи на дискретные квантовые уровни энергии атома водорода.

Л. Смолин. Атомы пространства и времени

Много интересных следствий можно получить из гипотезы о неделимом атоме времени. Если она справедлива, то время течет не плавно и непрерывно, а, по образному выражению видного исследователя физики времени, профессора А. Д. Чернина, «отдельными одинаковыми толчками, как кровь в артерии». В обычных условиях, по его словам, эти толчки времени совершенно неразличимы из-за немыслимо малой их длительности.

В современной науке любое исследование физических свойств времени все чаще связывается с принципами квантовой механики. Так, в картине мироздания физики вполне определенно выделяют минимальные размеры ячеек пространства, называя их «фундаментальной длиной» – квантами пространства. Предполагаемая величина этих гипотетических «атомов пространства» реально совершенно невообразима, она представляет собой дробь с 33 нулями в знаменателе. Если бы мы увеличили размер таких клеток пространства до одного сантиметра, то диаметр атома возрос бы до 30 миллиардов световых лет, в два раза превзойдя размер Метагалактики. Атом – это минимальный реально наблюдаемый в электронный микроскоп объект, следующий за ним на пути в глубины материи – атомное ядро. Если повторить увеличение, ядро атома превратится в галактику, свет по которой будет путешествовать 300 000 лет.

Еще труднее представить себе элементарный «атом времени» – хроноквант. Его длительность в секундах выражается дробью уже с 44 нулями в знаменателе. Именно столько времени требуется на то, чтобы свет прошел расстояние, равное фундаментальной длине – кванту пространства.

Согласно теории со странным названием «петлевая квантовая гравитация», пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные в рамках этой концепции, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву.

Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально: мы обнаружим атомы пространства, если они действительно существуют.

Представьте себе тяжелый шар, помещенный на резиновый лист, и маленький шарик, который катается вблизи большого. Шары можно рассматривать как Солнце и Землю, а лист – как пространство. Тяжелый шар создает в резиновом полотне углубление, по склону которого меньший шарик скатывается к большему, как будто некоторая сила – гравитатация – тянет его в этом направлении. Точно так же любая материя или сгусток энергии искажают геометрию пространства – времени, притягивая частицы и световые лучи; это явление мы и называем гравитацией.

Модель земной гравитации

В те же десятилетия, когда зарождалась квантовая механика, Альберт Эйнштейн разработал Общую теорию относительности, которая представляет собой теорию гравитации. Согласно ей, сила тяготения возникает в результате изгиба пространства и времени (которые вместе образуют пространство – время) под действием материи.

По отдельности квантовая механика и Общая теория относительности Эйнштейна экспериментально подтверждены. Однако еще ни разу не исследовался случай, когда можно было бы проверить обе теории одновременно. Дело в том, что квантовые эффекты заметны лишь в малых масштабах, а для того, чтобы стали заметны эффекты Общей теории относительности, требуются большие массы. Объединить оба условия можно лишь при каких-то экстраординарных обстоятельствах.

Помимо отсутствия экспериментальных данных существует огромная концептуальная проблема: Общая теория относительности Эйнштейна полностью классическая, т. е. неквантовая. Для обеспечения логической целостности физики нужна квантовая теория гравитации, объединяющая квантовую механику с Общей теорией относительности в квантовую теорию пространства-времени.

Физики разработали множество математических процедур для превращения классической теории в квантовую. Многие ученые тщетно пытались применить их к Общей теории относительности.

Кстати, термин «петлевая» был введен из-за того, что в некоторых вычислениях использовались маленькие петли, выделенные в пространстве-времени.

Согласно теории петлевой квантовой гравитации, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, т. е. объем изменяется порциями. Другая величина, которую можно измерить, – площадь границы, которая тоже оказывается дискретной. Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема.

Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка очень мала: 10–33 см; она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, или 10–66 см². Наименьший возможный объем, отличный от нуля, – куб длины Планка, или 10–99 см³. Таким образом, согласно теории, в каждом кубическом сантиметре пространства содержится приблизительно 1099 атомов объема. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).

На что же похожи кванты объема и площади? Быть может, пространство состоит из огромного количества крошечных кубов или сфер? Все оказывается далеко не просто.

Вот как описывает проблему визуализации известный квантовый теоретик Ли Смолин. Вообразите область пространства, по форме напоминающую куб. На диаграмме мы изображаем ее как точку, представляющую объем, с шестью выходящими из нее линиями, каждая из которых изображает одну из граней куба. Число рядом с точкой указывает величину объема, а числа рядом с линиями – величину площади соответствующих граней.

Поместим на вершину куба пирамиду. У наших многогранников есть общая грань, и их следует изобразить как две точки (два объема), соединенные одной из линий (грань, которая соединяет объемы). У куба осталось пять свободных граней (пять линий), а у пирамиды – четыре (четыре линии). Аналогично можно изобразить любые комбинации различных многогранников: объемные полиэдры становятся точками, или узлами, а плоские грани – линиями, соединяющими узлы. Математики называют такие диаграммы графами.

Квантовые состояния объема и площади

В нашей теории отбрасываем рисунки многогранников и оставляем только графы. Математика, описывающая квантовые состояния объема и площади, обеспечивает нас набором правил, указывающих, как линии могут соединять узлы и какие числа могут располагаться в различных местах диаграммы. Каждое квантовое состояние соответствует одному из графов, и каждому графу, удовлетворяющему правилам, соответствует квантовое состояние. Графы представляют собой удобную краткую запись возможных квантовых состояний пространства.

Диаграммы гораздо больше подходят для представления квантовых состояний, чем многогранники. В частности, некоторые графы соединяются такими странными способами, что их невозможно аккуратно преобразовать в картину из полиэдров. Например, в тех случаях, когда пространство изогнуто, невозможно изобразить многогранники, стыкующиеся должным образом, зато совсем нетрудно нарисовать граф и по нему вычислить, насколько искажено пространство. Поскольку именно искажение пространства создает гравитацию, диаграммы играют огромную роль в квантовой теории тяготения.

Для простоты мы часто рисуем графы в двух измерениях, но лучше представлять их заполняющими трехмерное пространство, потому что именно его они иллюстрируют. Но здесь есть концептуальная ловушка: линии и узлы графа не занимают конкретные положения в пространстве. Каждый граф определяется только тем, как его части соединяются между собой и как они соотносятся с четко заданными границами (например, с границей области B). Однако нет никакого непрерывного трехмерного пространства, в котором, как может показаться, размещаются графы. Линии и узлы – это и есть пространство, геометрия которого определяется тем, как они соединяются.

Описанные графы называются спиновыми сетями, потому что указанные на них числа связаны со спином. Спиновые сети олицетворяют фиксированные квантовые состояния объемов и площадей пространства.

Экспериментальная проверка

Когда в миллиардах световых лет от нас происходит гамма-всплеск, мгновенный взрыв порождает гигантское количество гамма-лучей. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает несколько линий, т. е. некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет гамма-лучи более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет. Если возникшие при всплеске гамма-лучи разных энергий прибывают на Землю в разные моменты времени, то это свидетельствует в пользу теории петлевой квантовой гравитации.

Л. Смолин. Атомы пространства и времени

Отдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т. е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10184 узлов.

Итак, спиновые сети описывают геометрию пространства. Но что можно сказать о материи и энергии, находящихся в нем? Частицы, такие как электроны, соответствуют определенным узлам, снабженным дополнительными метками. Поля, такие как электромагнитное, обозначаются аналогичными маркерами на линиях графа. Движение частиц и полей в пространстве представляет собой дискретное (скачкообразное) перемещение меток по графу.

В теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единство. При введении концепции пространства – времени в теорию петлевой квантовой гравитации спиновые сети, представляющие пространство, превращаются в так называемую спиновую пену. С добавлением еще одного измерения – времени – линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. Переходы, при которых происходит изменение спиновой сети (шаги, описанные выше), теперь представлены узлами, в которых сходятся линии пены.

Мгновенный снимок происходящего подобен поперечному срезу пространства – времени. Аналогичный срез спиновой пены представляет собой спиновую сеть. Однако не стоит заблуждаться, что плоскость среза перемещается непрерывно, подобно плавному потоку времени. Так же как пространство определяется дискретной геометрией спиновой сети, время задается последовательностью отдельных шагов, которые перестраивают сеть. Таким образом, время тоже дискретно. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен времени Планка, или 10–43 с. Точнее говоря, время в нашей Вселенной отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».