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

Как вообще объясняет физика невозможность подобных нарушений? В теории относительности положение любого объекта описывается четырьмя координатами — тремя пространственными и одной временной. Эти четыре координаты указывают так называемую мировую точку в пространстве Минковского (напомним, что Герман Минковский был учителем, а впоследствии и соавтором Эйнштейна). При движении объекта получается извилистая траектория, называемая мировой линией. Любопытно, что с чисто пространственно-временной точки зрения вся биография человека изображается таким вот извилистым червячком (а не линией, ведь тело человека занимает определенный объем), хвост которого совпадает с местом и временем его рождения, а передний конец непрерывно ползет вперед и вперед.

Квантовая физика описывает поведение элементарных частиц статистически. Эта врожденная «статистичность» микрообъектов является одной из самых трудных загадок природы. На микроуровне в любой момент времени можно указать лишь вероятность того или иного физического процесса. Этот вывод очень трудно осознать, и даже великий Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.

Одна из самых необычных попыток объяснить вероятностный характер квантовой механики была предпринята в середине прошлого века американским физиком Хью Эвереттом, который предложил теорию «множественных вселенных». Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через 5 минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной» вселенной его копия распадется через 10 минут, а в третьей — через 15. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.

С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.

Так, она может легко разрешить парадоксы путешествий во времени. Например, в случае романа Азимова точка встречи критика и писателя представляет собой особый узел Мультивселенной, в котором сходится множество вселенных-копий. В зависимости от того, какое действие произведет герой в прошлом, он и все его окружение оказываются той или иной из этих копий. Но прошлое и будущее в каждой из этих копий будет различным (рис. 29 цв. вкл.).

Взгляд в прошлое

Вернуться в прошлое и не вызвать логических парадоксов пока можно только на «астрономической машине времени». Сильные телескопы способны дать нам изображение галактик, звезд и планет миллиарды лет назад.

Видный советский физик-теоретик академик Моисей Александрович Марков создал математический образ подобного мира и назвал такие образования фридмонами — в честь впервые указавшего на возможность их существования знаменитого математика А. А. Фридмана.

Полностью замкнутый мир никоим образом по идее не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Значит, снаружи он должен представлять собой для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда. Таким образом, в нашем воображении вырисовывается совершенно фантастическая картина. Быть может, и наша Вселенная со всеми ее солнцами, млечными путями, туманностями, квазарами — всего лишь один из фридмонов. Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе одну лишь галактику, звезду…

Если исходить из теории фридмонов, то получается, что любая элементарная частица в принципе может оказаться входом в иные миры. Проникнув через ее поверхность, мы можем очутиться в иной Вселенной с трудновообразимым содержимым, причудливыми галактиками, населенными странными цивилизациями. Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что наша родная Вселенная сжалась до микроскопических размеров. Если бы мы захотели вернуться назад, то пришлось бы снова проделать весь путь по коридору между мирами. Путешествуя по различным фридмонам, мы встречали бы каждый раз новую реальность, и наше путешествие по иным мирам могло бы продолжаться до бесконечности. Интересно, что такие путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и к перемещениям во времени.

Еще два с половиной тысячелетия назад философы стали задаваться вопросом: что будет, если дробить вещество все мельче и мельче? Есть ли пределы дробления и каковы наименьшие размеры вещества? Это была, пожалуй, одна из самых трудных, поистине головокружительных проблем.

Сейчас физики интенсивно исследуют сверхмалые элементарнейшие сущности (частицами их назвать уже затруднительно) — кварки. Правда, никто пока еще не предложил реальных методов их наблюдения, которые однозначно бы ответили на вопрос: существуют ли кварки на самом деле? Естественно, ученым очень хочется, чтобы они существовали. Кварки ныне почти единодушно признаны фундаментальными кирпичиками материи, из которых сложено мироздание. Однако уже слышны голоса физиков-теоретиков, которые моделируют субкварковые составляющие нашего мира…

Это бесконечное деление напоминает частицу-матрешку. И главный вопрос здесь: существует ли последняя матрешка, которую уже нельзя разнять… В самом деле, если последней матрешки нет, если процесс деления бесконечен, то мы никогда не узнаем, как устроен мир… С таким выводом нелегко согласиться. Но еще труднее свыкнуться с тем, что делимость вещества на каком-то этапе должна прекратиться. Значит, дойдя до последней матрешки, мы исчерпаем все свойства мира?

Здравый смысл говорит нам: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше и легче целого плода. Сложим обе половины — и снова получим яблоко. И не может быть такого, чтобы каждая половинка весила больше целого яблока. В макромире действительно такого быть не может, а вот в мире элементарных частиц… Разнимая матрешки до все более мелких частиц, физики вдруг обнаружили нарушение закона сохранения массы. Оказалось, что масса целой частицы всегда… меньше суммы масс частиц, ее составляющих. Впрочем, физиков это совершенно не удивляет. Еще Эйнштейн показал, что масса и энергия эквивалентны. Значит, дефект масс, лежащий в основе тех же термоядерных превращений, восполняется выделением соответствующего количества энергии, и никаких нарушений законов сохранения, лежащих в основе физики, не происходит. Несложные подсчеты, основанные на соотношении Эйнштейна, показывают, что грамм кварков может высвободить громадную энергию, эквивалентную сжиганию двух с половиной тысяч тонн нефти!