Текст книги "Сумасшедший мир физики. Астронавт Ульрих Вальтер объясняет почти всё"

Существуют ли тахионы?

Тахионы не могут существовать, как утверждает квантовая теория. Смогут ли более современные теории вроде теории струн дать другой ответ?

В предыдущей главе был сделан удручающий вывод: нам никогда не удастся использовать в своих целях сверхсветовые свойства тахионов. Дальше будет еще хуже. Как мы вскоре убедимся, квантовая теория исключает само существование тахионов, не говоря уж о том, чтобы каким-то образом использовать их. Вы спросите: «А не могут ли теории будущего как-то иначе подойти к этой проблеме?» Нет, похоже, и в этом случае будет то же самое. Чтобы это понять, вам придется несколько глубже погрузиться в квантовую механику. Но не беспокойтесь, вы все поймете. Я обещаю.

ТАХИОНЫ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Тахионы – это гипотетические частицы, вытекающие из специальной теории относительности Эйнштейна, которая представляет собой теорию классической механики в пограничной области околосветовых скоростей. Если же взглянуть на тахионы с позиций квантовой теории, возникают две проблемы. Реальная частица, которая движется в вакууме со сверхсветовой скоростью, должна, в соответствии с теорией, испускать черенковское излучение, причиной которого является поляризация виртуальных частиц в вакууме. При этом частица должна терять энергию, а вместе с ней и массу, что, как мы уже знаем, должно разгонять частицу еще больше. Это вызвало бы неконтролируемую цепную реакцию, потому что повышение скорости должно приводить к усилению черенковского излучения вплоть до бесконечно больших значений.

То, что мы, несмотря на развитие нашей экспериментальной техники, еще никогда не наблюдали подобных парадоксальных случаев, означает лишь, что тахионный мир либо не существует, либо по каким-то причинам не может контактировать с нашим.

Но тахионы создают для квантовой теории и вторую проблему, которая разрушает даже эту возможность. Дело в том, что, в соответствии с квантовой теорией, частицу можно представить себе и в виде волны, причем оба подхода не только не являются противоречивыми, но даже дополняют друг друга. Этот принцип корпускулярно-волнового дуализма, как он именуется в физике, не может быть соблюден в случае с тахионами. Корпускулярный и волновой подходы начинают противоречить друг другу. Если применить к тахионам волновые уравнения, возникают две альтернативы: либо надо признать, что тахионные волны распространяются медленнее скорости света, что справедливо с математической точки зрения, но в корне противоречит корпускулярному подходу, либо мы имеем дело с волнами, которые распространяются со сверхсветовыми скоростями, но нигде не могут быть локализованы в виде частиц. Другими словами, волна, а вместе с ней и частица находятся везде и в то же время нигде. К какой бы альтернативе мы ни склонились, нам скрепя сердце придется признать, что с помощью тахионов не удастся посылать сигналы со сверхсветовой скоростью. Либо последние будут распространяться все-таки со скоростью света, либо их не удастся зафиксировать. Что же считать правильным: описанный ранее корпускулярный подход, который небезупречен с точки зрения логики, или волновой подход, который не только таит в себе такие же проблемы, но и противоречит корпускулярной картине? Пытаясь втиснуть тахионы в квантовую теорию, мы приходим к полному нарушению логики.

ВЫВОД

Квантовая теория по логическим причинам исключает существование тахионов.

МОЖЕТ ЛИ ТЕОРИЯ СТРУН ПОДСКАЗАТЬ ВЫХОД?

Действительно ли все обстоит именно так, или теория относительности вместе с квантовой теорией еще не до конца разобрались в мире тахионов в силу своего несовершенства? Возможно, нам могла бы помочь еще не разработанная теория квантового поля, от которой физика ожидает решения многих других проблем. Теория струн как раз представляет собой такую теорию квантового поля, но мы еще не знаем, насколько правильно и полно она описывает наш мир. Как бы то ни было, профессор Ашок Сен считается специалистом по тахионам в теории струн. По его словам, тахионы могут быть описаны в виде струн, но это не реальные частицы, которые способны передвигаться со сверхсветовыми скоростями и имеют мнимую «массу покоя», а нестабильные конфигурации струн, которые быстро распадаются, – так называемые тахионные нестабильности. Даже если Большой взрыв породил такие нестабильные тахионы, они уже давно должны были распасться. Так что говорить в рамках теории струн о тахионах как об экзотических частицах, которые летают со сверхсветовыми скоростями и из которых можно было бы извлечь какую-то пользу, не приходится. То есть и здесь тоже пустой номер.

Надежда на то, что в будущем какая-то теория квантового поля сможет предложить выход, не подтверждается имеющимся опытом. Устоявшиеся к настоящему моменту теории демонстрируют нам в целом последовательный образ мира. Лишь когда мы подойдем к границам экспериментальных возможностей, нам потребуются новые теории, которые дополнят уже существующие, но не будут им противоречить. Если бы тахионы действительно существовали, то они бы уже нашли свое место в теории относительности, даже если бы некоторые вопросы оставались еще открытыми. Но все обстоит не так. Образ тахионов совершенно непоследователен как в теории относительности, так и в квантовой теории. И это заставляет предполагать, что тахионный мир на самом деле не существует.

Таким образом, мы исключаем даже ту возможность, что мир тахионов существует, но не взаимодействует с нашим. Кроме нашей Вселенной с нормальными частицами и фотонами, больше ничего нет.

Истина никогда не празднует свой триумф. Просто ее противники вымирают.

Макс Планк (1858–1947), немецкий физик, основатель квантовой физики

Кое-что может двигаться быстрее света

Ничто не может превысить скорость света, но иногда такое случается!

Говоря о тахионах, мы пришли к выводу, что частицы, обладающие массой, не могут двигаться со сверхсветовыми скоростями. Но существуют некоторые свидетельства, правда, лишь кажущиеся, которые дают основания усомниться в этом.

Говоря о «скорости», мы представляем себе проносящийся мимо автомобиль. Почему существуют какие-то границы скорости? Ведь достаточно просто добавить газ, чтобы поехать еще быстрее. Помните, как там было со звуковым барьером? В начале прошлого века многие считали, что скорость звука – это скоростной предел, который не удастся превзойти. Но в 1947 году этот барьер был преодолен. Можно ли вообще доверять тем, кто утверждает, что нельзя двигаться быстрее скорости света? Если я на своем космическом корабле подобрался к скорости света, то надо всего лишь добавить мощности – и я проскочу эту границу! Но так ли это?

СКОРОСТЬ ЗВУКА

Что касается звукового барьера, то люди, конечно, и раньше знали, что некоторые тела способны лететь быстрее скорости звука, то есть 1200 км/ч. Взять хотя бы ружейные пули. Кроме того, за пределами атмосферы ввиду отсутствия сопротивления воздуха можно летать и еще быстрее. Просто специалисты в области аэродинамики, которые занимались полетами в атмосфере, полагали, что динамический удар при преодолении звукового барьера может разрушить хрупкий самолет. Это было лишь предположение, а не непреложная истина.

СВЕРХСВЕТОВАЯ СКОРОСТЬ В ПРОЗРАЧНОЙ СРЕДЕ

Ситуация со скоростями вблизи светового порога в прозрачной среде (то есть не в вакууме, а, скажем, в воде) несколько напоминает полеты в атмосфере. Некоторые частицы могут двигаться здесь быстрее света, то есть со сверхсветовыми скоростями. Так бывает, например, когда космические мюоны, летящие почти со скоростью света, попадают в воду[6]6
  http://hyperraum.tv/2014/03/04/pierre-auger-observatorium/


[Закрыть]. При этом мы наблюдаем некое подобие «конуса Маха», возникающего при преодолении самолетом звукового барьера. Речь идет о знаменитом черенковском свечении. Мюон, прилетевший из верхних слоев атмосферы со скоростью, составляющей почти 300 000 км/с, проникает в воду, в которой скорость света составляет всего 226 000 км/с. Таким образом, мюон движется в воде в 1,33 раза быстрее фотона. Вот вам и сверхсветовая скорость!

ВСЕ ДЕЛО В ВАКУУМЕ

Тем не менее Эйнштейн утверждает: «Ничто не способно двигаться быстрее скорости света». И все ученые с ним согласны. Просто все дело в том, что речь идет о вакууме. Там скорость света составляет 300 000 км/с, и космический мюон немного отстает от него. Но почему? Почему этот мюон не может в вакууме чуть-чуть прибавить и превысить скорость света? Ответ таков: потому что это невозможно логически. Если вам все еще непонятно, необходимо внимательно прочитать либо главу «Трилогия Эйнштейна – ничто не может двигаться быстрее света!» в моей книге «В черной дыре черт ногу сломит», либо главу «Существуют ли тахионы?» в этой книге. Там подробно описаны все причины.

Подводим итог: ничто в нашей Вселенной не может превысить скорость света в вакууме. И точка.

Осталось прояснить еще три момента. Во-первых, это знаменитые тахионы, которые якобы всегда летают быстрее света. То, что они не существуют, я уже продемонстрировал вам в предыдущих главах.

СВЕРХСВЕТОВАЯ СКОРОСТЬ, ХОТЯ НИЧТО НЕ ДВИЖЕТСЯ!

Есть еще один эффект, позволяющий достичь любой скорости. Возьмите лазерную указку и, направив ее на что-нибудь, повернитесь за одну секунду вокруг своей оси. Возможно, при этом луч лазера коснется и Луны. С какой скоростью он будет передвигаться по лунной поверхности? Угловая ширина Луны составляет примерно 0,5^°. Чтобы преодолеть ее, лучу понадобится 1/2 (1/360) с = 1,4 мс. За это короткое время луч преодолеет на Луне дистанцию около 3500 км. Это значит, что его скорость относительно лунной поверхности составит 3500 км / 0,0014 с = 2,5 000 000 км/с. Это в 8,4 раза быстрее, чем скорость света. Выходит, сверхсветовые скорости возможны? Это только кажется. Ведь на самом деле ничто не движется. Лазерная точка – это не материальный объект, а всего лишь место на поверхности Луны, в которое попали испускаемые лазером фотоны. Мысленно мы можем представить себе эту точку чем-то материальным, но на самом деле это не так.

КВАНТОВЫЙ ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ

Хотелось бы прояснить третий момент – квантово-механический туннельный эффект. Что он собой представляет? Существуют свидетельства того, что частица, проходящая через так называемый туннельный барьер, движется чуть быстрее скорости света. Что же происходит на самом деле? На очень коротких расстояниях – менее 10 нм – наш мир действует порой не так, как мы привыкли. Это квантовый мир. Мельчайшие объекты, в частности элементарные частицы, ведут себя там не как частицы, а как волны (волна де Бройля). Кроме того, элементарные частицы способны преодолевать тончайшие наномасштабные барьеры, которые обычно представляют для них непреодолимую преграду. Это то же самое, как если бы вы несколько миллионов раз с разбегу натыкались на десятиметровый забор, а в один прекрасный момент вдруг раз – и оказались по ту сторону. Это и называется туннельным эффектом. То, что невозможно в нашем мире, вполне возможно в квантовом микрокосме.

Радиоактивный распад калия-40 в нашем организме и естественная радиоактивность человеческого тела, вызывающая мутации, которые способствуют эволюции человека, основываются как раз на этом квантово-механическом туннельном эффекте. Без него нас с вами не было бы.

А теперь самое интересное: элементарные частицы, не имеющие спина, в частности бозоны, могут преодолевать барьер со скоростью чуть выше световой. Это нам сегодня уже известно. Поскольку фотон также является бозоном, то получается, что свет преодолевает оптический барьер быстрее скорости света. Если бы туннельный эффект существовал в масштабах макрокосма, то можно было бы сказать, что в момент преодоления забора вы двигались быстрее скорости света. Но вы не бозон и живете не в макрокосме, а потому с вами такого никогда не произойдет. Поэтому я настоятельно не рекомендую проводить подобные эксперименты.

ДЕЙСТВИТЕЛЬНО ЛИ В КВАНТОВОМ ТУННЕЛЕ ДЕЙСТВУЮТ СВЕРХСВЕТОВЫЕ СКОРОСТИ?

Разве квантовый туннельный эффект не является доказательством того, что в нашей Вселенной возможны сверхсветовые скорости и что Эйнштейн был неправ? Нет, и на это есть две причины. Элементарная частица может действительно преодолеть ширину барьера со скоростью чуть больше скорости света, но если рассматривать ситуацию с классической точки зрения (а теория относительности Эйнштейна и является такой классикой), то здесь нет свободного пространства, в котором частица может свободно двигаться. Формально говоря, волновая функция частицы является в данном случае мнимой, так как энергия частицы меньше, чем потенциальная энергия барьера. Поэтому в момент преодоления барьера частица, по сути, не существует.

Вторая причина в том, что квантовый туннельный эффект сегодня уже можно объяснить распространением эванесцентных волн. При этом импульсная волна, которая проходит через барьер, гасится в задней части сильнее, чем в передней. Из-за этого импульс после барьера изменяется так, что его максимум (это важно) достигает другой стороны раньше, чем максимум такого же импульса, но без барьера. Однако для передачи информации (в данном случае 1 бит) это не имеет значения, потому что первое, что фиксирует детектор по ту сторону барьера, – это подошва (низшая точка) волны, после которой начинается нарастание сигнала. В момент детекции сигнал уже считается переданным. Но, как доказано экспериментально, время прохождения через барьер подошвы волны как раз не меняется. Туннельный барьер искажает лишь ширину импульса и его максимум, а не подошву волны, которая и является определяющей для информационного сигнала. Таким образом, скорость передачи информации остается неизменной, а это имеет для нашего мира основное значение. Передать информацию со сверхсветовой скоростью не удастся. Это гарантирует принцип причинности в нашей Вселенной, который я уже называл фундаментальным.

Таким образом, вместо того чтобы утверждать, будто ничто не может в вакууме двигаться быстрее света, лучше выразиться точнее: «В вакууме не существует ничего, что могло бы передавать информацию быстрее скорости света». В этом заключается суть теории относительности Эйнштейна, и никакой квантовый туннельный эффект не в силах это изменить.

Помните, что сказал Эйнштейн, оценивая всю сложность и в то же время абсолютную логичность своей теории относительности? «Господь Бог изощрен, но не злонамерен».

Наука напоминает лодку, борта которой мы по ходу плавания надстраиваем доска за доской.

Отто Нейрат (1882–1945), философ Венского кружка

Может ли существовать вечный двигатель?

В нашем мире есть принципы, которые ученые просто отказываются обсуждать, например возможность создания вечного двигателя. А почему, собственно?

Поводом для обсуждения этой темы стала статья (Frankfurter Allgemeine Zeitung от 12.11.2013, рубрика «Техника»), где описывалось изобретение Томаса Энгеля. В частности, там говорилось, что изобретатель создал новый вид двигателя, который по необъясненным пока причинам непрерывно работает без всякого горючего[7]7
  https://www.psiram.com/de/index.php/Magnetmotor_nach_Engel


[Закрыть].

Попробуем разобраться в этом квантово-магнитном двигателе, по поводу которого физики только разводят руками. И средства массовой информации, сообщающие об очередном изобретении типа «квантового двигателя Томаса Энгеля», и многие обыватели постоянно ставят в вину физикам то, что те из чистого упрямства отрицают возможность создания вечного двигателя, хотя он стоит прямо перед ними и продолжает работать, несмотря ни на что.

Физики дают на это формальный ответ: если бы вечный двигатель существовал, то он представлял бы собой устройство, которое совершает работу, не пользуясь энергией извне. Поскольку работа с физической точки зрения представляет собой форму энергии, значит, вечный двигатель способен создавать энергию из ничего. Это, как мы сейчас убедимся, противоречит основополагающим свойствам нашей Вселенной, а потому у такого двигателя где-то должен быть внешний источник энергии, следовательно, речь идет о самом обычном моторе.

Перейдем теперь к деталям. Есть два основных типа того, что называют вечными двигателями.

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРВОГО РОДА

К первой разновидности вечных двигателей относятся устройства, добывающие энергию из пустоты. В христианском богословии существует понятие creatio ex nihilo – творение из ничего. Леонардо да Винчи (1452–1519) тоже верил, что такое возможно, и сконструировал несколько устройств, которые должны были это доказать. Но у него ничего не получилось. Почему этот подход не работает?

В качестве причины часто называют закон сохранения энергии. В соответствии с ним в замкнутой физической системе (то есть лишенной притока и выхода энергии) энергия не может исчезать или возникать из ничего. Вы можете с полным правом спросить, почему так происходит. Действительно, существует причина, почему закон сохранения энергии и многих других физических аспектов имеет фундаментальное значение.

Так называемая теорема Нётер устанавливает взаимосвязь между различными законами сохранения с одной стороны и фундаментальными свойствами Вселенной с другой. Из принципа однородности времени (физическое время всегда течет равномерно) следует закон сохранения энергии. Из принципа однородности пространства (пространство ведет себя одинаково во всех своих точках) вытекает закон сохранения импульса, а из принципа изотропности пространства (пространство имеет одинаковые свойства во всех направлениях) следует закон сохранения момента импульса. Если бы принцип сохранения энергии не существовал, это означало бы, что время неоднородно (имеется в виду время как таковое, а не события, которые из-за привходящих обстоятельств могут протекать медленнее или быстрее). В этом случае мы не могли бы полагаться на Вселенную, маятник которой без всяких видимых причин колебался бы то быстро, то медленно. Земля могла бы то замедлять, то ускорять свое вращение по орбите вокруг Солнца, а это сопровождалось бы изменением центробежной силы. Как следствие, Земля то чересчур близко подходила бы к Солнцу, из-за чего испарялись бы ее океаны, то слишком удалялась бы от него, из-за чего океаны замерзали бы. К счастью, такого не происходит. В нашем мире все идет своим чередом, поэтому и не могут существовать вечные двигатели первого рода.

ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА

Вечный двигатель второго рода отличается большей изощренностью. Он основывается на идее, что в помещении, где тепловая энергия распределена равномерно, можно без затраты работы (например, с помощью демона Максвелла) перераспределить ее и сделать неравномерной. Эту неравномерность можно затем использовать для приведения в действие некой машины, то есть для получения энергии. «Вечные» часы Atmos или игрушечная птичка, которая, раскачиваясь, пьет воду, представляют собой интересные примеры кажущихся вечных двигателей второго рода[8]8
  http://www.hp-gramatke.de/perpetuum/german/page0100.htm


[Закрыть]. В качестве обоснования невозможности вечного двигателя второго рода чаще всего называют нарушение второго начала термодинамики, в соответствии с которым энтропия замкнутой системы не может уменьшаться, а следовательно, не может существовать никакого демона Максвелла, который перераспределяет энергию в пространстве, тратя на это больше энергии, чем может получить в результате. Конечно, можно было бы усомниться и в абсолютной истинности второго начала термодинамики. Но за ним стоит нечто более основополагающее. Это физический постулат, гласящий, что в нашем мире никто – никакие высшие существа, демоны Максвелла или божественные сущности – не управляет целенаправленно событиями, сопровождая это энергозатратами. События происходят чисто случайно. Можно продемонстрировать, что второе начало термодинамики вытекает именно из этого постулата. Таким образом, и в данном случае мы видим, что вечный двигатель второго рода не может существовать.

ПОДВЕДЕМ ИТОГ

Если в нашем мире все идет своим чередом, то всевозможные вечные двигатели, в том числе и квантово-магнитный двигатель Томаса Энгеля, представляют собой лишь кажущиеся феномены. Другими словами, на самом деле они не представляют собой замкнутые системы, а каким-то изощренным способом взаимодействуют с окружающей средой и получают оттуда энергию, приводящую их в движение. Чтобы разоблачить такой вечный двигатель, необходимо решительно и беспощадно изолировать его от внешнего мира, и тогда он остановится.

ГОСПОДЬ БОГ ИЗОЩРЕН, НО НЕ ЗЛОНАМЕРЕН

Когда мы применяем основополагающие физические принципы, включая и законы сохранения, к объектам все более мелкого масштаба, начинают происходить интересные вещи. Все остается в неизменном виде, пока мы не доходим до атомарного уровня. Здесь перестают действовать классические законы и вступают в силу законы квантовой механики. А они в силу принципа неопределенности Гейзенберга допускают нарушения однородности и изотропности пространства и времени. Эти нарушения влекут за собой нарушения соответствующих законов сохранения, хотя и в чрезвычайно малой степени, а именно на крошечную величину так называемой постоянной Планка. Чтобы понять масштаб этих нарушений, можно представить себе рябь на море от легкого ветерка. Если смотреть издалека, то видна гладкая поверхность воды (что соответствует постоянной энергии). Лишь подойдя ближе, можно заметить небольшие отклонения. Точно так же, как на больших расстояниях рябь становится незаметной, случайные квантово-механические нарушения классических законов сохранения сглаживаются при переходе к большему масштабу.

Кстати, и основной принцип специальной теории относительности, гласящий, что ничто не может двигаться в вакууме быстрее скорости света, также нарушается на квантовом уровне. В так называемом квантовом туннельном эффекте частицы могут преодолевать расстояния атомарного масштаба со сверхсветовой скоростью. Но даже такие мелкие нарушения влекут за собой большую проблему. Если исходить из специальной теории относительности, то можно сказать, что таким образом нарушается в нашем мире закон причинности, поскольку меняются местами причина и следствие. Это точно так же, как если бы во время дуэли соперник погибал прежде, чем сделан выстрел, а свет включался до нажатия выключателя. Однако с позиции логики даже мелкие нарушения могут иметь далеко идущие последствия. Правда, можно доказать (см. книгу «Туннельный эффект – пространства без времени» (Tunneleffekt – Räume ohne Zeit)), что в квантовом туннельном эффекте информация не может передаваться со сверхсветовой скоростью и принцип причинности остается в неприкосновенности (специальная теория Эйнштейна – это не квантовая теория, и она может ошибаться, когда речь идет о микроскопических масштабах). Следовательно, выдвинутый философом Дэвидом Юмом (1711–1776) принцип причинности можно по-прежнему с полным правом считать фундаментом нашей Вселенной. Он никогда не нарушается. Поэтому поступившее в 2017 году из ЦЕРН известие о том, что нейтрино могут преодолевать большие расстояния быстрее скорости света[9]9
  http://www.spiegel.de/wissenschaft/natur/neutrinos-schneller-als-das-licht-physiker-raetseln-ueber-rasende-teilchen-a-787972.html


[Закрыть], было воспринято большинством физиков со скепсисом… и впоследствии оказалось, что они были правы[10]10
  http://www.spiegel.de/wissenschaft/mensch/ueberlichtgeschwindigkeit-das-web-lacht-ueber-absurde-neutrino-witze-a-788156.html


[Закрыть].