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

Взрыв первичного атома Леметра

Теория Леметра обосновывала оригинальную концепцию возникновения Вселенной из особого начального состояния с очень высокой плотностью материи. В духе физических знаний своего времени он интерпретировал этот момент как распад некого первичного атома, который существовал вне времени и пространства. Леметр вычислил последующую эволюцию «взорвавшейся» Вселенной на основе уравнений общей теории относительности и теоретически вывел линейную зависимость между радиальной скоростью галактик и их удаленностью от Солнечной системы.

Компьютерная модель эволюции Мироздания (сверху вниз)

Что же удержало в свое время квантовый пузырек нашей Вселенной от практически мгновенного схлопывания? Теоретики считают, что здесь мог проявиться своеобразный эффект «неустойчивости нестабильности», в силу действия которого Вселенные типа нашей являются ярко выраженными аномалиями. Первично неустойчивое состояние вакуума в результате флуктуации топологии (образования пузырька новой Вселенной) могло привести к тому, что внутри возникшего мира вакуум начал неожиданно изменять свои свойства, стремясь к новому устойчивому пределу. Этот процесс перестройки вакуума должен, по теоретическим расчетам, сопровождаться гигантским выделением энергии, результатом чего и явился Большой взрыв. Этот процесс можно представить как своеобразный взрыв вакуума — взрыв непустой пустоты!

Естественно, что грандиозность масштаба таких взрывных процессов, скрывающихся в окружающем нас мире, вызывает очень много вопросов к обсуждаемой новой космологии. Однако исторический опыт науки, особенно последних десятилетий, показывает плодотворность подобных смелых попыток заглянуть за границу известного. В принципе — вопросы расставлены, и ответы на них должны дать будущие исследователи, которые сегодня еще учат физику в школе!

Вероятностная интерпретация событий в микромире в свое время составила основу знаменитой полемики между Эйнштейном и Бором, разделив физиков на несколько спорящих групп. Одни из них, следуя Бору, Гейзенбергу и Борну, считают, что непредсказуемый характер единичных квантовых событий является фундаментальной особенностью окружающей природы и не имеет под собой никакого более глубокого фундамента. Другие, исходя из выводов научных школ Эйнштейна и Шрёдингера, доказывают, что неопределенность хода физических процессов микромира неизбежно приводит к целому ряду логических проблем (кот Шрёдингера) и даже явных противоречий, так что квантовые представления не являются достаточно полными. Третьи, подобно Луи де Бройлю, академикам В. А. Фоку и Д. И. Блохинцеву, занимают свою оригинальную позицию, часто предлагая собственные варианты понимания квантовой теории.

Спор между сторонниками и противниками абсолютной фундаментальности квантовой теории еще далеко не закончен и изредка разгорается с новой силой, вводя в круг обсуждаемых вопросов весьма необычные и даже фантастические предметы, такие, как «сознание наблюдателя». Все это еще раз подчеркивает, насколько далеки от повседневной действительности современные концепции теоретической физики. Во всяком случае, они, так или иначе, во многом противоречат обыденным представлениям об окружающем нас классическом мире. Исходя из этого, многие ученые, особенно занимающиеся другими разделами физики, просто считают квантовую теорию очень удачным математическим образом, позволяющим успешно предсказывать исход тех или иных экспериментов в микрофизике.

Тут пришло время прервать наш рассказ о чудесах квантовой механики и немного рассказать о втором «столпе», на котором сооружен храм современной физики, — теории относительности. Мне кажется, что это прекрасно сделал один из самых знаменитых физиков современности, член Королевского научного общества Великобритании Стивен Уильям Хокинг.

Каждое утро английские студенты из знаменитого Тринити-колледжа в Кембридже, где заведовал кафедрой физики еще великий Ньютон, видят необычный самодвижущийся экипаж — коляску, в которой сидит человек с безвольно склоненной набок головой. Это спешит на лекции нынешний хозяин кафедры Ньютона замечательный физик-теоретик Стивен Хокинг. Страшный недуг поразил его тело, но не смог сломить силу воли и разум. Хокинг посещает все интересные конференции по физике во всех частях света, выступает с лекциями в других университетах и даже читал доклад по приглашению американского президента на лужайке перед Белым домом. А еще профессор Хокинг пишет прекрасные научно-популярные книги.

В небольшом фрагменте одной из таких книг С. Хокинга —«Краткая история времени от Большого взрыва до черных дыр» — и описывается теория относительности, причем сделано это мастерски, очень образно и доступно.

«Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном покое, теперь, говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего измеряется эта фиксированная скорость. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной „эфиром“, которой наполнено все, даже „пустое“ пространство. Световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе, и, следовательно, их скорость — это скорость относительно эфира. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна оставаться при этом неизменной. В частности, коль скоро Земля движется в эфире по своей орбите вокруг Солнца, скорость света, измеренная в направлении движения Земли (при движении в сторону источника света), должна превышать скорость света, измеренную под прямым углом к направлению движения (то есть когда мы не движемся к источнику). В 1887 году Альберт Майкельсон (впоследствии ставший первым американцем, удостоенным Нобелевской премии по физике) и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент. Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы!