Орсон Петерсен - Работа над ошибкой [litres]

Классическая механика главенствует в макромире, теория относительности – в мегаспоре, а в микромире никак не обойтись без квантовой теории. Здесь ключевую роль играют квантовые явления. Настоящий синтез двух теорий, где наравне с квантовой теорией полноценно применялась бы теория относительности, остается пока делом будущего.

Однако несколько удивительных следствий такого союза известны уже сейчас. В первую очередь это гравитон – квант «взволнованного» пространства-времени, который сочетает в себе свойства элементарной частицы, несущейся со скоростью света, и легкой волны искривленности, бегущей по четырехмерному миру. Искривленность пространства-времени, даже очень слабая, обеспечивает его энергию и импульс. Квантовые эффекты создают частицы из искривленности пространства-времени, вызывают его «материализацию».

Здесь проливается свет на совсем новые связи в природе, глубинный смысл которых еще только предстоит выяснить.

Еще одним достижением на этом пути мы обязаны физику-теоретику Стивену Хокингу, который применил квантовые соображения к черной дыре. Путем теоретических расчетов он смог доказать, что черная дыра должна испускать разнообразные элементарные частицы и излучение, подобно нагретому телу. И в конце концов это излучение должно уничтожить черную дыру.

Данный эффект получил название квантового испарения черных дыр. И хотя он не наблюдался в природе, имеет значение сама принципиальная возможность сильного влияния квантовых закономерностей на поведение пространства-времени. Квантовое испарение уничтожает черную дыру и вместе с этим устраняет причину замедления времени в данной области пространства. Если черная дыра является преградой на пути потока времени, то квантовые эффекты способны устранить этот барьер и освободить временной поток.

Квантовые эффекты имеют ключевое значение при малых масштабах времени и пространства. Именно такие условия сложились в первые мгновения расширения Вселенной, когда ее возраст составлял необычайно малые доли секунды. В таких обстоятельствах квантовые эффекты должны были проявляться в полную силу. А это означает, что начало Вселенной было значительно квантовым. Течение времени в момент зарождения Вселенной, вероятно, не было непрерывным. Оно было прерывистым, квантовым. То есть существовали мельчайшие отрезки времени, в пределах каждого из которых нельзя выделить отдельные последовательные части. Каждый отрезок времени появляется сразу как целое, наподобие кванта света, излучаемого атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже».

Нетрудно предположить, насколько сильно данная ситуация размывает границы, установленные в физическом мире теорией относительности. Квантовая неопределенность вносится в причинность событий, но вместе с тем и в их одновременность, в порядок следования во времени. Даже в истории одной и той же частицы исчезает определенность в том, какое событие было раньше, а какое – позже. Такая обязательная, казалось бы, черта временного потока, как порядок смены событий, теряется в квантовых явлениях микромира.

Но в конце концов сильное отличие времени микромира от нашего обычного времени не является неожиданностью. Ведь различия между микромиром и макромиром столь значительны. Невозможно рассматривать время вне зависимости от явлений, описываемых с помощью времени. В свойствах времени отражаются свойства этих явлений.

На сегодняшний день теория относительности достаточно убедительно продемонстрировала свои возможности в изучении времени. Квантовая теория тоже помогла существенно продвинуться в изучении этого вопроса. Но в отличие от теории относительности, выводы квантовой теории, затрагивающие свойства времени, имеют пока в большей степени ориентировочный качественный характер.

Необратимое движение времени от прошлого к будущему, его однонаправленность называется «стрела времени». В пространстве мы можем двигаться в разных направлениях: мы можем поехать из Москвы в Барселону, а потом вернуться. Но время всегда движется только в одном направлении. Почему это так, нам не известно. А что нам известно о «стреле времени»?

Почему события не разворачиваются задом наперед? Как это ни странно, законы физики ничего не говорят о том, что события должны разворачиваться только в одном направлении. В соответствии с этими законами, все вполне может происходить в обратном порядке. Большая часть законов, используемых для описания явлений в окружающем нас мире, не учитывает концепцию «стрелы времени». Все эти законы могут действовать столь же успешно, если события начнут происходить в обратном порядке. Возникает противоречие между физикой, утверждающей, что процессы обратимы, и нашей жизнью, мгновения которой уносятся безвозвратно. И тем не менее физики утверждают, что подобные необычные явления теоретически возможны. Каким же образом?

Если, скажем, разбить кофейник, образуется беспорядок. Мысль о том, что возникший хаос способен возвратиться в упорядоченное состояние и вновь стать кофейником, видится нереалистичной. Однако законы физики такую возможность допускают. Необходимо всего-то навсего поменять направление движения всех осколков и капель, каждой молекулы стекла, жидкости, пола и воздуха на противоположное. И готово.

Отчего же мы не наблюдаем, как разбитые кофейники собираются сами по себе? Как увязать наш повседневный опыт с законами физики? В чем причина возникновения «стрелы времени»?

На венском кладбище, где покоятся Бетховен, Брамс, Шуберт и Штраус, похоронен Людвиг Больцман – австрийский физик, живший в девятнадцатом веке. На могильном камне высечена элегантная математическая формула: S = k · ln W, описывающая мощный процесс, известный как энтропия.

Больцман полагал, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления. Эти необратимые явления затрагивают все тела физического мира и всю Вселенную в целом; они вносят во Вселенную развитие, создавая тем самым время, задавая его ход и темп, определяя, в какую сторону ему течь. Так возникает непрерывное течение времени, уносящее события в прошлое, влекущее нас в будущее. По мнению Больцмана, стремление всей Вселенной как целого к тепловому равновесию (к тепловой смерти, как об этом говорили позже) есть единственное направление ее развития. И то, что мы называем временем, в действительности просто проявление этого неудержимого «старения» Вселенной, ее стремления к своему естественному концу.

Энтропия – это мера распада или стремления к хаосу. Это, безусловно, значительное явление, потому что все в нашей Вселенной имеет свойство двигаться от порядка к хаосу.