Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Вернуться

119

Это хороший вопрос, над которым я размышлял в течение многих лет. Когда мы изучали классическую механику, периодически возникали ситуации, когда преподаватели начинали беззаботно описывать импульсы, совершенно несовместимые с фактической траекторией системы. В чем же дело? Проблема в том, что когда нас впервые знакомят с понятием «импульс», звучит определение: импульс – это результат умножения массы на скорость. Но время идет, и вот мы уже проникаем в эзотерические сферы классической механики, а то, что раньше было определением, становится следствием, которое несложно вывести из основополагающей теории. Другими словами, мы начинаем воспринимать суть понятия «импульс» как «некоторый вектор (с величиной и направлением), определенный в каждой точке траектории частицы», а затем выводить уравнения движения, из которых следует, что импульс должен быть равен массе, умноженной на скорость (это называется гамильтоновым подходом к динамике). Именно в таком стиле мы рассуждаем сейчас, говоря об изменении направления времени. Импульс – это независимая величина, часть состояния системы; он равен произведению массы на скорость только в том случае, если физические законы соблюдаются.

Вернуться

120

Дэвид Альберт ( Albert, D. Z. Time and Chance. Cambridge, MA: Harvard University Press, 2000) выдвинул совершенно новую теорию на этот счет. Он заявляет, что определять «состояние» следует с указанием лишь положений частиц, но не положений и импульсов (это он называет «динамическим состоянием»). Альберт оправдывает данное определение тем, что состояния должны быть логически независимыми в каждый момент времени, что и происходит. Переформулировав все подобным образом, он получил возможность пользоваться самым тривиальным определением инвариантности относительно обращения времени: «последовательность состояний, воспроизведенная в обратную сторону, все так же подчиняется исходным физическим законам». Это утверждение не включает в себя никакие непонятные преобразования. Однако ему пришлось заплатить за это высокую цену: несмотря на то что, согласно данному определению, ньютоновская механика инвариантна относительно обращения времени, практически ни о какой другой теории, включая классический электромагнетизм, этого не скажешь. И Альберт это признает; он утверждает, что посеянное еще Максвеллом традиционное убеждение об инвариантности электромагнетизма попросту неверно. Как и можно было ожидать, его точка зрения повлекла за собой целую череду обличительных выступлений; см., например: Earman, J. What Time Reversal Is and Why It Matters // International Studies in the Philosophy of Science , 2002, 16, p. 245–264; Arntzenius, F . Time Reversal Operations, Representations of the Lorentz Group, and the Direction of Time // Studies in History and Philosophy of Science , 2004, Part B 35, p. 31–43; Malament, D. B. On the Time Reversal Invariance of Classical Electromagnetic Theory // Studies in History and Philosophy of Science , 2004, Part B 35, p. 295–315. Большинство физиков скажут, что это просто не имеет значения. Не существует единственного верного значения термина «инвариантность относительно отражения времени», скромно дожидающегося того момента, когда мы, наконец-то, додумаемся до него и разберемся в его сути. Есть лишь набор понятий, которые могут пригодиться или не пригодиться в размышлениях на тему того, как устроен мир. Ни у кого не возникает альтернативных мнений относительно движения электронов в присутствии магнитного поля; разногласия касаются лишь терминов, с помощью которых следует описывать данную ситуацию. Физикам часто трудно понять, почему философы так трепетно относятся к выбору слов. Философов, с другой стороны, раздражают физики, которые постоянно жонглируют словами, но не понимают, что же эти слова в действительности означают.

Вернуться

121

Существуют две разновидности элементарных частиц: «частицы материи», называемые фермионами, и «частицы силы», именуемые бозонами. Среди известных нам бозонов – фотон, переносящий электромагнитную силу, глюон, переносящий сильное взаимодействие, и W- и Z-бозоны, переносчики слабого взаимодействия. Известные фермионы подразделяются на два типа: шесть видов кварков, которые под влиянием сильного взаимодействия образуют составные частицы, такие как протоны и нейтроны, и шесть видов лептонов, на которые сильное взаимодействие не распространяется, благодаря чему они свободно перемещаются по произвольным траекториям. Фермионы также можно дополнительно разделить на четыре набора по три частицы в каждом: есть три кварка с электрическим зарядом +2/3 (верхний (u), очарованный (c) и истинный (t) кварки), три кварка с электрическим зарядом –1/3 (нижний (d), странный (s) и прелестный (b)), три лептона с электрическим зарядом –1 (электрон, мюон и тау) и три лептона с нулевым зарядом (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино). Чтобы еще больше запутать ситуацию, каждому типу кварков и лептонов соответствует античастица с противоположным электрическим зарядом: например, существует верхний антикварк с зарядом –2/3 и т. п. Все это позволяет нам чуть более конкретно говорить о процессе распада нейтрона (два нижних кварка и один верхний): в действительности при этом появляется протон (два верхних кварка и один нижний), электрон и электронное антинейтрино. Важно понимать, что это именно антинейтрино, так как суммарное число лептонов не меняется. Электрон считается за один лептон, а антинейтрино – за минус один; таким образом, они компенсируют друг друга. Физикам еще не доводилось наблюдать процесс, в котором менялось бы суммарное число лептонов или суммарное число кварков, хотя есть подозрение, что такие процессы должны существовать. В конце концов, в реальном мире кварков намного больше, чем антикварков (у нас нет возможности точно оценить суммарное количество лептонов, так как находить нейтрино во Вселенной чрезвычайно сложно; вполне возможно, что антинейтрино может быть куда больше).

Вернуться

122

«Проще всего» означает, что этот способ позволяет сделать самую легкую частицу. Чем тяжелее частица, тем больше энергии требуется для ее создания; к тому же тяжелые частицы распадаются быстрее. Самые легкие типы кварков – это верхний (с зарядом, равным +2/3) и нижний (с зарядом, равным –1/3). Однако соединив верхний кварк с нижним антикварком, мы не получим нейтральную частицу; следовательно, придется воспользоваться более тяжелыми кварками. Следующий по массе – странный кварк, обладающий зарядом –1/3, и мы можем получить каон, если объединим его с нижним антикварком.

Вернуться

123

Angelopoulos, A. et al . (CPLEAR Collaboration). First Direct Observation of Time Reversal Noninvariance in the Neutral Kaon System // Physics Letters , 1998, B 444, p. 43–51. Группа KTeV из лаборатории Fermilab под Чикаго провела похожий эксперимент. Его целью также была оценка с помощью нейтральных каонов инвариантности относительно обращения времени, но выполнен он был немного другим способом ( Alavi-Harati, A. et al . (KTeV Collaboration). Observation of CP Violation in KL – > π+π-e+e- Decays // Physical Review Letters , 2000, 84, p. 408–411).