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

Фантастика? Однако вспомним некоторые факты из жизни современной квантовой теории поля, описывающей элементарные частицы. Общепризнано (насколько подобное можно заявить сегодня), что в основе всех физических явлений лежат квантовые поля, дискретными составляющими которых выступают элементарные частицы. Эти частицы постоянно участвуют в сложных процессах взаимопревращения, возникновения и исчезновения. Для любопытствующих я весьма бы рекомендовал пару лучших книг по данной тематике: «Атомную физику» моего учителя Александра Ильича Ахиезера и «Физику элементарных частиц» Льва Борисовича Окуня, крупнейшего мирового авторитета в данной области. Удивительно, но пространственно-временные представления, которые использует квантовая теория поля, по своей сути являются макроскопическим миром Минковского!

Мировая линия в континууме Минковского

Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность.

В свое время создание классической механики способствовало формированию такого идеала научного знания, согласно которому теория должна объяснять явления как четко причинно обусловленные, происходящие в пространстве и времени, на основе однозначных законов механики Галилея — Ньютона. Высшее развитие принцип классической предопределенности явлений, или детерминизма, получил в работах знаменитого французского физика и философа Пьера Симона Лапласа. Он писал: «Все явления — даже те, которые по своей незначительности как будто не зависят от великих законов природы, суть следствия столь же неизбежные этих законов, как обращения Солнца. Не зная уз, соединяющих их с системой мира в ее целом, их приписывают конечным причинам или случаю, в зависимости от того, происходили ли и следовали они одно за другим с известной правильностью, или же без видимого порядка, но эти мнимые причины отбрасывались по мере того, как расширялись границы нашего знания и совершенно исчезли перед здравой философией, которая видит в них лишь проявления неведения, истинная причина которого мы сами. Всякое имеющее место явление связано с предшествующими на основании того принципа, что какое-либо явление не может возникнуть без производящей его причины». Детерминизм Лапласа предполагал однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицания объективной случайности.

Модель времени Лапласа была органично связана с представлениями об однозначной предопределенности физических явлений. Оказалось, что и теоретикам очень удобно оперировать понятиями четырехмерного пространства с тремя геометрическими координатами и одной временной.

В простейшем случае движение тела можно изобразить на плоскостной диаграмме, откладывая по одной координате значения времени, а по другой — пройденного пути. Если тело движется с некоторой скоростью, то через определенные интервалы времени после начала движения оно сместится от начала своего пути на соответствующую дистанцию. На диаграмме эти события отобразятся точками, через которые можно провести линию. Эта линия, образуемая из множества событий-точек, в истории тела называется мировой линией.

В первой четверти координатной плоскости, где и время, и значения пути положительны, мировая линия ведет себя вполне логично. В какой-то мере можно представить себе физически и движение вдоль мировой линии во второй четверти, где время положительно, а путь — отрицателен. В нашем обыденном мире это может означать возвращение в исходную точку. В этом смысле путь может показаться величиной отрицательной: двигаясь по нему, мы удаляемся от нужного нам пункта, вместо того чтобы приближаться к нему.

Но уж совсем необъяснимы с позиций обыденного мира случаи с отрицательным временем (нижняя полуплоскость на нашей диаграмме). Что это означает? Принципиальную возможность движения в прошлое? Но ведь время, насколько нам всем известно, не может течь вспять…

Мировая линия может изменять свое положение в пространстве в зависимости от того, с какой скоростью происходит движение. Если бы мы были способны двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, физически достижимая на сегодняшний день, — это скорость света. Значит, мировая линия на нашем рисунке должна быть ограничена прямыми, показывающими распространение света, это будут так называемые «световые конусы».

Все это время мы рассматривали двухмерный случай, но наш мир, как уже говорилось, имеет четыре измерения. Значит, мировая линия может помещаться внутри некоторого светового конуса, очерченного мировыми линиями света. Особенно интересна поверхность конуса прошлого, лежащего в той области, где время отрицательно. Ведь на этой поверхности находится то, что мы можем увидеть. В самом деле: видеть — это, говоря иначе, воспринимать световые лучи. Но пока они донесут информацию от источника до нашего глаза, пройдет какое-то время, значит, видеть мы можем только то, что уже произошло.

Следующие интереснейшие парадоксы физического времени можно встретить в микромире, рассматривая античастицы и обращение времени. Античастица — это частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от нее знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких, как электрический и цветовой заряд, барионное и лептонное квантовое число). Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Начиная с тридцатых годов прошлого века было уже открыто несколько сотен элементарных частиц.

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица — античастица, в значительной мере условно. Однако окружающая нас природа состоит именно из «частиц», и соответствующие им античастицы определяются совершенно однозначно. Знаменитые физики-теоретики двадцатого века Ричард Фейнман и Джон Уилер построили оригинальную модель античастиц как обычных частиц, живущих «вспять во времени». Парадоксально, но этого оказалось вполне достаточно для определения их свойств. Следуя идеям Фейнмана — Уилера, можно представить, что если античастица участвует в некотором процессе — скажем, испускания кванта электромагнитного поля, то его вероятность будет в точности равна вероятности обратного процесса поглощения точно такого же фотона обычной частицей.