Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

С другой стороны, в научных популяризациях квантовой механики уже довольно давно сложился образ частиц-осцилляторов, неких шариков на пружинках. Эти шарики, атомы и частицы находятся в непрерывных колебаниях, а многие еще и вращаются вокруг своей оси. Их движение зависит от энергии, повышаясь с ростом температуры, но и при самой низкой из возможных температур во Вселенной — температуре абсолютного нуля — микроскопические жители нашего мира не останавливаются. Они продолжают двигаться, совершая так называемые «нулевые квантовые колебания». Вот такие сверхмаленькие непоседы!

Эти кручения и колебания микрочастиц настолько быстры, что буквально сливаются в размытую область кручения и верчения. Согласно принципу неопределенности «энергия — время»: ΔEΔt ≥ ħ, для частицы, «живущей» сверхмалый интервал времени Δt, энергия не может быть зафиксирована. Аналогично, частица с определенными координатами имеет соответствующий разброс по значениям импульса. Получается, что по квантовым законам энергия и импульс непрерывно флуктуируют, то есть их значения колеблются произвольным образом, и в течение сверхмалых промежутков времени закон сохранения энергии может «виртуально» нарушаться, а процессы, протекающие внутри сверхмалых объемов, могут сопровождаться «местными нарушениями» закона сохранения импульса. Это напоминает ситуацию с нечестным банковским кассиром, использующим кассу банка для своих нужд. Кассир всегда может взять какую-то сумму из кассы для покрытия своих расходов, ведь главное — вернуть ее в кассу через промежуток времени Δt до начала очередной банковской ревизии. Ну а если когда-нибудь кассир замешкается, превысит время Δt «одалживания» денег у своего банка и в результате проверки тут же попадет под домашний арест? Оказывается, он и тут сможет применить преимущества своего «стиля поведения», скажем, выскакивая из дома во двор на расстояние Δх и возвращаясь назад до того, как его отсутствие заметит полицейский. Главное здесь то, что с классической точки зрения все законы сохранения неуклонно выполняются, денежный баланс банка не нарушается, а арестованный безукоризненно выполняет свой режим содержания!

Это дает возможность по-новому взглянуть и на парадоксальную неопределенность явлений микромира, где все предсказания того или иного течения какого-либо процесса сводятся к своеобразным «статистическим гаданиям». Впрочем, лучше всего это мог бы проиллюстрировать отрывок из блестящей научной популяризации выдающегося физика прошлого века Г. Гамова «Приключения мистера Томпкинса»:

«Следя за катящимся шаром, мистер Томпкинс, к своему большому удивлению, заметил, что шар начал „расплываться“. Это было единственное выражение, которое пришло ему на ум при виде странного поведения бильярдного шара, который, катясь по зеленому полю, казался все более и более размытым, на глазах утрачивая четкость своих контуров. Казалось, что по зеленому сукну катится не один шар, а множество шаров, к тому же частично проникающих друг в друга…

Должно быть, игрок, нанесший удар по шару, был знатоком своего дела: катящийся шар столкнулся с другим шаром в лобовом ударе, как это и требовалось. Послышался громкий стук, и оба шара — покоившийся и налетевший (мистер Томпкинс не мог бы с уверенностью сказать, где какой шар) — разлетелись „в разные стороны“. Выглядело это, что и говорить, весьма странно: на столе не было более двух шаров, выглядевших несколько размазанно, а вместо них бесчисленное множество шаров (все — с весьма смутными очертаниями и сильно размазанные) поразлеталось по направлениям, составлявшим от 0 до 180 градусов с направлением первоначального соударения. Бильярдный шар скорее напоминал причудливую волну, распространяющуюся из точки соударения шаров. Присмотревшись повнимательнее, мистер Томпкинс заметил, что максимальный поток шаров направлен в сторону первоначального удара.

— Рассеяние S-волны, — произнесу него за спиной знакомый голос, и мистер Томпкинс, не оборачиваясь, узнал профессора.

— Неужели и на этот раз что-нибудь здесь искривилось, — спросил мистер Томпкинс, — хотя поверхность бильярдного стола мне кажется гладкой и ровной?

— Вы совершенно правы, — подтвердил профессор, — пространство в данном случае совершенно плоское, а то, что вы наблюдаете, в действительности представляет собой квантовое явление.

— Ах эти матрицы! — рискнул саркастически заметить мистер Томпкинс.

— Точнее, неопределенность движения, — заметил профессор…

— Вы заметили, что шары „расплываются“, — начал он. — Это означает, что их положение на бильярдном столе не вполне определенно. Вы не можете точно указать, где именно находится шар. В лучшем случае вы можете утверждать лишь, что шар находится „в основном здесь“ и „частично где-то там“.

— Все это в высшей степени необычно, — пробормотал мистер Томпкинс.

— Наоборот, — возразил профессор, — это абсолютно обычно в том смысле, что всегда происходит с любым материальным телом. Лишь из-за чрезвычайно малого значения квантовой постоянной и неточности обычных методов наблюдения люди не замечают этой неопределенности и делают ошибочный вывод о том, что положение и скорость тела всегда представляют собой вполне определенные величины. В действительности же и положение, и скорость всегда в какой-то степени неопределенны, и чем точнее известна одна из величин, тем более размазан на другая. Квантовая постоянная как раз и управляет соотношением между этими двумя неопределенностями. Вот взгляните, я накладываю определенные ограничения на положение этого бильярдного шара, заключая его внутрь деревянного треугольника.

Как только шар оказался за деревянным заборчиком, вся внутренность треугольника заполнилась блеском слоновой кости.

— Видите! — обрадовался профессор. — Я ограничил положение шара размерами пространства, заключенного внутри треугольника, то есть какими-то несколькими дюймами. И в результате — значительная неопределенность в скорости, шар так бегает внутри периметра треугольника!»

Вернемся теперь к теории гравитации Эйнштейна, гласящей, что вблизи любого сгустка вещества или энергии искривляется пространство-время, а вместе с ним и траектории частиц, которые словно бы оказываются в гравитационном поле. Я тут не оговорился: именно «словно бы», ибо в ОТО Эйнштейна гравитационного поля в привычном нам понятии как бы и не существует, его заменяет искривление пространства-времени.

А что же тогда нам объясняют на школьных уроках физики? Вообще-то, говоря о гравитации Ньютона, школьные учителя (а часто и университетские профессора!) рассказывают нам о том, как мы воспринимаем с помощью понятия гравитационного поля истинную причину всемирного тяготения, кроющуюся в геометрии (математики говорят — топологии) нашего мира.

Зная координаты, скорости и массы, можно с помощью уравнений общей теории относительности вычислить искривления пространства-времени и определить влияние тяготения на траектории рассматриваемых тел. Соответственно, пустое релятивистское пространство-время является абсолютно ровным и гладким, представляя собой идеальную сцену для выступления вещества и энергии во вселенском спектакле. Проблема только в том, что для всех бесчисленных сценариев, которые постоянно предлагают теоретики, у Природы просто может не хватить ролей…