Часть II Библиотека истин

2.1. Правила дорожного движения

И вот мы прогулялись по всем дорогам, которые были запланированы в маршруте. Давайте, перед тем как завершить наше путешествие заглянем в библиотеку истин. Именно благодаря труженикам оного учреждения были протоптаны все эти тропы и расставлены придорожные знаки. Своими научными трудами и экспериментальными данными они покрыли большую часть дорог прочным асфальтом. И сегодня многие из них трудятся над тем, чтобы грунтовых участков не осталось совсем.

Библиотечный фонд начал пополнятся с того момента, когда люди впервые задумались о том как все устроено. В древности считалось, что земля плоская и там где она кончается, находится край мира. По поводу того, что находится за этим краем было множество предположений. Одни думали, что там кипит огненная лава, другие считали, что там простирается бескрайний океан, третьи полагали, что там замыкается купол небосвода и проникнуть за этот край невозможно. Сама земля могла располагаться на спине гигантского животного, будь то черепаха, слон или какой-нибудь другой мифический зверь; тогда как небеса над землей держали боги. Позже древние греки, не прибегая к мифологии, путем наблюдений и логических рассуждений, выяснили, что земля круглая. Птолемей создал картину мироздания, по которой солнце, луна и планеты вращались вокруг земли, а сфера из неподвижных звезд была краем нашей вселенной. Такая точка зрения просуществовала до конца средних веков, пока Коперник не установил, что земля не является центром мироздания. В центре мира отныне поместили солнце, а земля и остальные планеты, обращаясь вокруг своей оси, стали кружить вокруг него. Позже Джордано Бруно заявил, что звезды это такие же солнца, как и наше, и вокруг каждого из них могут вращаться планеты, на которых могут обитать другие существа, за что, кстати, и был сожжен. Но все это оказалось правдой, и вращение земли и отсутствие центра во вселенной.

На этом увеличение вселенной в головах людей не остановилось. До XX века считалось, что весь космос представлял собой одно дискообразное скопление звезд. С появлением мощных телескопов горизонты вселенной расширились многократно. Хаббл в тридцатых годах открыл, что диск из звезд внутри которого мы находимся не единственный. На гигантских расстояниях от нашего, есть и другие диски, хотя некоторые из них по форме напоминают иные объекты. Так были открыты галактики, которые в свою очередь образуют скопления и сверхскопления. Кроме того Хаббл установил, что галактики удаляются от нас, а значит когда-то они были ближе, следовательно вселенная расширяется и в прошлом была очень плотной. Сегодня именем этого великого астронома назван орбитальный телескоп, который помог нам сфотографировать самые отдаленные галактики. А другие космические зонды помогают изучать даже «край» вселенной, устремив свои датчики не только вглубь, но и в прошлое космоса, снова и снова подтверждая теорию происхождения вселенной. Большой взрыв, изначально был шутливым названием теории, сформулированной еще в пятидесятые годы XX века. Теория оказалась верной, и название прижилось. Впоследствии ее дополнили явлением первичного инфляционного расширения. Имеющая тоже довольно оригинальное название, теория космической инфляции, появилась относительно недавно, в восьмидесятых, а ее выводы вновь «увеличили» вселенную в размерах. Ведь если в первые моменты своего существования вселенная расширялась с невероятно высокой скоростью, значит та ее область, что доступна нам сегодня для наблюдений, на самом деле может оказаться крошечной частью истинного размера вселенной. Некоторые новые физические теории, которые только формулируются в едва наступившем XXI веке и вовсе предполагают, что наша вселенная не единственная, а существуют другие с иными законами природы. Хоть мы и не знаем наверняка, насколько большой может быть наша вселенная, и существуют ли другие вселенные, но горизонты познаний продолжают расширяться.

Мир малых масштабов оказался не менее захватывающим, и на первый взгляд таким же неисчерпаемым. Все началось с изобретения микроскопа. Галилей был одним из первых, кто указал людям на то, что дорога пространственных масштабов в обе стороны намного длиннее, чем они могли себе представить. Он был не только инициатором научного переворота во всем естествознании, но и вошел в историю как изобретатель оптических приборов. Первые в мире профессиональные телескопы и микроскопы, это работа его рук дело. Увеличение мощности микроскопа в середине XVII века привело к открытию живой клетки и микроорганизмов, сделав огромный толчок к развитию медицины. Физики в конце XIX века открыли радиоактивность, и на основе этого явления были окончательно установлены размеры и структура атомов, которые невозможно увидеть ни в один оптический микроскоп. В середине XX века удалось проникнуть внутрь ядра и получить самое мощное оружие и самый эффективный источник энергии из когда-либо доступных человечеству. Сегодня Большой Адронный Коллайдер и другие, менее мощные, ускорители проникают внутрь протонов и пытаются разглядеть внутреннюю природу элементарных частиц. Однако у нас пока еще не имеется средств и энергий, чтобы заглянуть в планковские масштабы, где физические расчеты предрекают возможность того, что там нам откроется структура самого пространства.

Выдающийся физик Ричард Фейнман, как-то сказал, главная заслуга науки в том, что она определила: все состоит из атомов. Теория атома нашла применение во всех областях естествознания и стала необходимой для реализации множества технических приспособлений. Атом является не только наиболее часто используемым символом науки, но и одним из самых точных инструментов. Чаще всего он используется для изучения временных интервалов. Атомные часы, в основе которых положены периодические колебания в атомах, самые точные механизмы, их погрешность составляет одну секунду за сто миллионов лет. С их помощью измеряются наносекундные процессы в лабораториях, и синхронизируется работа спутников GPS. Атомы также помогли ученым измерить возраст земли. Изучение радиоактивных атомов входящих в состав горной породы помогает приблизительно определить, сколько ей лет. Таким же образом, определяют возраст окаменелостей живых существ и выстраивают хронологию эволюционного древа. Спектроскопия позволяет определить тип элементов по свету, испущенному ими, и может многое рассказать об атомах, даже если те удалены на расстояния многих световых лет. Благодаря спектральному анализу определяется состав звезд, их температура, удаленность, скорость и направление движения. Этим же способом рассчитывают расстояния до самых далеких галактик, изучают большой взрыв по остаточному излучению, определяют возраст вселенной и прогнозируют ее будущее.

Когда осознаешь, каким образом сегодня происходит изучение природы, становится понятно, какая из наук особенно важна. Не только в наше время, но и раньше физика всегда шла в авангарде, ведя за собой остальные науки. Как бы, не обижались химики и биологи, но это правда. А обижаться тут не на что, ибо разделение природы на науки это исключительно человеческий фактор, просто так уж выходит, что физические явления фундаментальнее всех остальных. Ни в одной другой науке слово «закон» не воспринимается так строго, даже в юриспруденции. Благодаря физике была заложена методология науки заключенная в цепочке: наблюдение – теория – эксперимент, без которой не обходится ни одна другая область естествознания. В истории значение физики очень велико, начиная с того момента, что во многом за счет нее завершилось тянущиеся целое тысячелетие средневековье. Заложенные физикой научные каноны привели людей в эпоху просвещения. В дальнейшем развитие техники всегда сопровождалось развитием физики и подготовило почву для промышленной революции, создав тем самым индустриальное общество. Затем опять же благодаря физике случились научно-техническая и совсем недавно информационная революции, так возникло современное постиндустриальное общество со всеми его ценностями и устоями. Да и в нашем путешествии, как вы успели заметить, физика была главным путеводителем. Поэтому в библиотеке истин ей отведена особая полка, возле которой мы и остановимся, чтобы понять, почему дороги нашего путешествия оказались такими длинными.

Свой современный вид физика приобрела в начале XX века. Тогда всем казалось, что в ней уже все открыто и объяснено. Остался только один не разрешенный вопрос, что такое свет. В попытке выяснить его природу, были созданы две теории, на первый взгляд совершенно сумасшедшие, но в то же время глубоко фундаментальные. Одна из этих теорий полностью перевернула наши представления о пространстве и времени.

Тогда было известно, что свет всегда двигается в вакууме с постоянной скоростью (300000 км/с), и Эйнштейн еще в молодости задумался над тем, как с точки зрения наблюдателя будет выглядеть луч света, если его догнать и перегнать. Позже работая над своей теорией относительности он предположил, что такая ситуация невозможна и луч света, в принципе, никогда и ничто догнать не сможет. Наблюдатели всегда будут видеть, что свет движется с одинаковой скоростью в независимости от их собственной. Но при этом у разных наблюдателей может быть разная скорость движения, и чтобы все зарегистрировали одну и ту же скорость движения света, тогда у них самих время должно идти по-разному. Иными словами для того объекта, который движется быстрее время должно замедлятся. Кроме того все наблюдатели равны, и не существует того кто бы находился в абсолютном покое, поскольку любое движение во вселенной относительно. Сам наблюдатель никакого замедления времени не почувствуют и разница возникает только при сравнении с другим.

Причем разница возникает не только в течении времени, наблюдатель будет фиксировать, что у движущегося объекта сокращается объем, и растет масса. На самом деле с объектом ничего такого происходить не будет, напротив он то же самое мог сказать бы про наблюдателя, потому что с его точки зрения, это наблюдатель движется относительно него. Если бы объект превысил скорость света, то наблюдатель зарегистрировал бы, что масса объекта стала бесконечной, следовательно, для преодоления светового барьера ему потребовалось бесконечное количество энергии. Поэтому относительная скорость движения не может превышать скорость света (тут есть небольшие оговорки).

Однако все эти эффекты, связанные с замедлением времени, с относительным увеличением массы и с сокращением объема, становятся значимы, только если скорость близка к световой, поэтому здесь на Земле мы подобных явлений наблюдать не можем. Все приведенные здесь умозаключения Эйнштейн изложил в своей специальной теории относительности. Самым значимым результатом этой теории стало знаменитое уравнение E=mc². Оно говорит нам о том, что масса и энергия могут переходить друг в друга. Сегодня на основе этого уравнения построена теория элементарных частиц, физика высоких энергий и атомная энергетика.

Часто еще можно услышать, что теория относительности навсегда закрыла нам дорогу к звездам, однако так могут утверждать только люди, которые вообще ничего не понимают в теории относительности. Действительно, космическим кораблем никогда не будет достигнута скорость света, но за счет замедления времени у путешественников есть шанс побывать на других планетах. Для этого нужно лишь поддерживать постоянное ускорение. Благодаря этому, космический корабль будет приближаться к скорости света. Хотя его приближение к скорости света будет все меньше и меньше, но вот время будет замедляться все сильнее и сильнее. До ближайшей звезды космический корабль, имеющий постоянное ускорение 10 м/с² долетит  примерно за 6 лет, однако для космонавтов пройдет только лишь 3,5 года. Это значит, что скорость корабля должна каждую секунду увеличиваться на 10 м/с. Кстати, за счет такого ускорения на борту будет ощущаться обычное гравитационное притяжение. Однако, чтобы не пролететь мимо, где-то на середине пути придется начинать торможение при чем на него уйдет столько же затрат энергии сколько и на разгон. Перед тем как космонавты, пролетев половину пути, начнут тормозить, корабль уже будет лететь со скоростью 0.95 от скорости света, а время замедлится в 20 раз по сравнению с земным. В принципе поддерживая постоянное ускорение в 10 м/с² можно долететь даже до соседней галактики. Время в полете для космонавтов составит 30 лет, но на земле пройдет 2,5 миллиона лет. Таким образом, замедление времени из специальной теории относительности не только поможет преодолеть гигантские просторы космоса в течение одной человеческой жизни, но это к тому же билет в далекое будущее.

Так почему мы все еще не бороздим просторы вселенной. Проблема в том, что ракеты, которые выводят спутники на орбиту, способны поддерживать подобное ускорение всего несколько минут. Возникает одна проблема, которую называют ограничением удельного импульса. Чем больше масса ракеты, тем больше нужно топливо, чтобы поддерживать ускорение, а чем больше ракета несет топлива, тем больше ее масса. Получается замкнутый круг, и все упирается не в количество топлива, а в его эффективность. Максимальную скорость среди всех объектов, запущенных человеком, была достигнута зондом «Новые горизонты»; она равнялась 16.25 км/с. Его масса составляла полтонны. В пересчете на постоянное ускорение получается следующее: чтобы достичь скорости 16.25 км/с объекту массой в 500 кг, понадобится всего полчаса ускоряться в темпе 10 м/с². Однако это предел для ракетных двигателей, нет смысла говорить о годах с таким постоянным ускорением.

Сейчас выход видится только один, уменьшить ускорение, но увеличить его длительность. Перспективными выглядят ионные двигатели и солнечные паруса. Ионные двигатели выбрасывают ионизированный газ, который служит реактивной тягой. Эти двигатели очень слабые и долго будут разгонять объект. Но они потребляют мало топлива и способны работать на протяжении многих лет, в итоге получается, что их удельный импульс больше чем у ракетных двигателей. Поэтому они с легкостью преодолеют барьер в 16.25 км/с, хоть на это и потребуется больше времени. Недостаток в том, что им все равно приходится нести на борту топливо и собственную электростанцию, поэтому ограничение масса-топливо все равно устанавливает придел максимальной возможной скорости.

Солнечным парусам вообще не нужно топливо, поэтому в принципе они не имеют крайнего предела скорости. В основе принципа их работы лежит давление солнечного света на поверхность паруса, они не несут на борту топливо, поэтому понятие удельного импульса к ним вообще не применимо. Однако ускоряться они будут еще медленнее, и это усугубляется тем, что с расстоянием интенсивность солнечных лучей ослабевает. Даже если бы интенсивность солнечных лучей в глубоком космосе была такой же, как и в пределах земной орбиты, то парус площадью один квадратный километр смог бы разгонять объект массой 500 килограмм с постоянным ускорением всего в 0,00001 м/с². Чтобы достичь скорости 16.25 км/с у него ушло бы на это 50 лет. Предлагается ускорять парус не только за счет энергии солнца, но и искусственным способом. Для этого придется строить в космосе систему лазеров, которые целенаправленно будут светить на солнечный парус. Инженеры считают, что таким образом можно без особых затрат энергии достичь даже скорости в половину от световой.

От ракет в будущем вряд ли откажутся, потому что для вывода объекта на орбиту важно именно ускорение, а не удельный импульс. Однако есть идеи создания, так называемого космического лифта, который будет напоминать подъемник на сверхпрочном тросе, сделанном из наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки, и закрепленном на орбитальном спутнике. В наиболее далекой перспективе предполагают использование двигателя на антивеществе. Он будет обеспечивать такое же мощное ускорение как ракетные двигатели, а ограничение «масса-топливо» у него будет намного меньше, чем у ионных. Антивещество это не только самый взрывоопасный материал для создания бомбы, но еще и топливо с самым большим удельным импульсом. Сейчас нет даже догадок о том, как добывать его в промышленных масштабах. Один миллиграмм антивещества стоит 50 миллиардов долларов, но его все равно не удастся купить, потому что не существует производственных мощностей для получения антивещества в таком количестве. На экспериментальных установках вырабатывается обычно не больше тысячи атомов. Стимулом к новым инженерным идеям по добыче антивещества может служить тот факт, согласно которому для того чтобы добраться до Марса нам потребуется лишь 10 миллиграмм антивещества. Кроме того двигатели на антивеществе способны дать нам шанс подобраться к световой скорости, где начнутся эффекты замедления времени. Но в любом случае это еще очень далекое будущее. Поэтому пока не стоит переживать, что скорость света ограничивает наши возможности путешествия в космосе, пока мы имеем куда более насущные инженерные ограничения на этом фронте.

Следующая заслуга специальной теории относительности в объединении понятий пространство и время в единый пространственно-временной континуум. Термин пространство-время стали использовать в физике, имея в виду, что время это четвертое измерение нашего мира. Чтобы понять это, надо представить, что наш мир четырехмерен и что мы постоянно движемся в четвертом измерении, то есть во времени, причем всегда движемся в одну сторону. Замедление времени происходит, когда мы начинаем движение в других измерениях, а точнее в трех пространственных. Это можно сравнить с автомобилем, двигавшемся по дороге на север, и свернувшем в сторону северо-востока. Когда он совершит поворот, его скорость движения в северном направлении уменьшиться (см. рис.18.1). Вот так же и в нашей вселенной, начав движение в пространстве, мы замедляем свое движение во времени (см. рис.18.2). Именно поэтому понятия пространства и времени нельзя рассматривать по отдельности.

Объединив время и пространство, материю и энергию специальная теория относительности, все же оставалась неполной, потому что не включала в себя движение с ускорением. Эйнштейн исправил эту проблему в общей теории относительности, проведя параллель между ускорением и гравитацией. Ведь когда мы ускоряемся, находясь, скажем в автомобиле, мы чувствуем, что испытываем такое же давление на спинку сидения, как и на само сидение. Гравитация в теории представлена как искажение пространства-времени, которое вызывают материальные объекты. В итоге, из уравнений теории получается, что у тела, которое испытывает на себе сильное действие гравитации, так же будет замедляться время, сокращаться объем и расти масса, как и при движении на высокой скорости. Опять-таки стоит отметить, что все эти явления сможет установить только сторонний наблюдатель, для самого же тела ничего не изменится. Мы не замечаем подобных эффектов, потому что гравитация земли довольно слаба по космическим меркам и замедление времени просто ничтожно. Время на поверхности земли замедленно всего на одну секунду в год, по сравнению с международной космической станцией. Но даже, несмотря на незначительность этого эффекта, весьма удивительно следствие о том, что в верхних слоях атмосферы время идет медленнее, чем на земле. Итак, Эйнштейн создал новую теорию гравитации, которая говорит, что гравитация это не что иное, как искривление пространства-времени, создаваемое материальными объектами. На основе общей теории относительности было предсказано зарождение нашей вселенной с большого взрыва, расширение вселенной, ее дальнейшая судьба и существование черных дыр, где искривление пространства-времени таково, что можно сказать, время там останавливается совсем.

Кроме того общая теория относительности предсказывала существование так называемых гравитационных волн. С точки зрения теории это колебания самого пространства-времени. Если гравитационная волна пройдет через какой-либо объект, мы зарегистрируем, что он сначала сжался, а потом расширился, таким же колебаниям подвергнется его ход времени и масса. Естественно, если бы мы были на месте объекта, то не почувствовали бы никаких перемен. Сегодня физики пытаются согласовать такую трактовку с объяснением из квантовой механики, где гравитационные волны должны представлять собой поток свободных гравитонов, подобно тому, как электромагнитные волны являются потоком свободных фотонов. Так или иначе, гравитационные волны от реальных астрономических процессов очень слабы и наблюдались только косвенно, например, при изучении орбит систем из двойных нейтронных звезд. Взаимодействие гравитационных полей у таких систем приводит к излучению гравитационных волн, которые уносят энергию, поэтому нейтронные звезды сближаются до тех пор, пока полностью не столкнутся. Орбитальное вращение любой системы в пространстве приводит к возникновению гравитационных волн. Даже земля, вращаясь вокруг солнца, излучает их, однако масса и плотность земли очень мала по сравнению с массой и плотностью нейтронных звезд, поэтому энергии гравитационных волн, излучаемых землей, не хватит даже на то, чтобы зажечь лампочку. Значит, земля падает на солнце ничтожно медленно, и наше светило быстрее сгорит, чем мы хоть немного сблизимся с ним.

Из-за их слабости гравитационные волны тяжело зарегистрировать напрямую. Самому мощному детектору LIGO, с наичувствительнейшей системой лазеров, до сих пор это не удается, хотя он может засечь движение поезда за сотни километров до его приближения. Научится регистрировать гравитационные волны очень важно для изучения истории вселенной. Пока что раннюю вселенную изучают на основе снимков микроволнового излучения, того что осталось от большого взрыва. Но электромагнитные волны (фотоны) смогли свободно распространяться по вселенной, только когда вселенная перешла из состояния горячей плазмы в состояние разряженного атомарного газа, а это произошло через 380000 лет после начала большого взрыва. Напрямую исследовать более ранние события по снимкам микроволнового излучения невозможно. Другой инструмент для изучения ранней вселенной это нейтрино, они могли свободно распространяться, уже через секунду после большого взрыва. Но пока физикам еще сложно детектировать нейтрино так, чтобы выделять среди них те первичные, которые пришли к нам с расстояния 13.7 млрд. световых лет и были рождены большим взрывом, не говоря уже о том, чтобы выстроить на их основе картину ранней вселенной. Гравитационные волны же начали свободно распространяться с того момента, когда гравитация отделилась от остальных сил, через 10^-43 с (можно считать, что с самого рождения вселенной), поэтому если мы научимся их регистрировать, то сможем, в прямом смысле этого слова, наблюдать за большим взрывом. Для этих целей в 2020 году планируется построить в космосе систему спутниковых интерферометров LISA, чувствительности которой должно быть достаточно для подобных исследований.

Итак, получается, что благодаря теории относительности мы можем увидеть даже самый сокровенный момент творения, но на этом ее возможности не ограничены, она до сих продолжает нас удивлять. Когда специальная и общая теории относительности были созданы, они стали очень революционны, и в то время казались просто невероятными. Даже нобелевский комитет отказался давать Эйнштейну за них нобелевскую премию. Однако, куда более невероятными являются некоторые их следствия, которые и сегодня вызывают множество споров. Взять хотя бы черные дыры. Мы не знаем, что находится внутри этих объектов, и каким образом там происходит бесконечное искривление пространства-времени. Их гравитация настолько сильна, что даже свет не может ее преодолеть, поэтому они и черные. Граница невозвращения названа горизонтом событий, ее же считают границей черной дыры, поскольку все, что попало за ее пределы, обратно уже не вернется. Опишем спуск в черную дыру с точки зрения космонавта-самоубийцы и с позиции стороннего наблюдателя. Космонавт, падающий в черную дыру, с точки зрения наблюдателя движется все медленнее и медленнее, поскольку гравитация черной дыры замедляет его время. Однако с точки зрения космонавта ему кажется, что он движется как обычно, а это время наблюдателя ускоряется. Получается, что до того как космонавт пересечет горизонт событий он совершенно застынет в глазах наблюдателя, при этом сам космонавт будет наблюдать как время остальной вселенной вместе с наблюдателем ускорилось до такой степени, что миллиарды лет пролетают за секунду, и оно продолжает ускоряться. То есть космонавт, перед тем как пересечь границу черной дыры увидит вечность. На самом деле все будет не так, наблюдатель перестанет видеть космонавта еще до того как тот приблизится к горизонту событий, потому что длина световых волн исходящих от космонавта будет увеличиваться, смещаясь к красному цвету, пока не пропадет из видимого диапазона. Потом до наблюдателя будут доходить только инфракрасные волны, затем лишь радиоволны и, в конце концов, излучение станет вовсе неразличимым. Космонавт тоже не увидит все наше будущее и все будущее вселенной, просто в какой-то момент его движение станет столь быстрым, что свет, идущий из остальной вселенной в черную дыру, уже не сможет его догнать. Однако интересно, что же он почувствует, когда попадет внутрь черной дыры.

В принципе космонавт даже не понял бы, что пересек горизонт событий, для него ничего особенного не произошло бы. К сожалению, он вообще ничего к тому моменту не почувствует потому что погибнет еще задолго до этого, его разорвет приливными силами. За счет приливных сил под воздействием луны на земле происходят приливы. Суть явления в том, что даже на земле сила гравитации, действующая на нашу голову меньше, чем сила, действующая на наши ноги. Земля вращается, и океаны каждый день оказываются, то ближе, то дальше к луне. Гравитация луны периодически вытягивает и сжимает толщу океана, так происходят приливы и отливы. Но как уже говорилось, гравитация земли слаба, чтобы ее преодолеть, нужно набрать скорость в 11 км/с, называемую второй космической скоростью и по космическим меркам она ничтожна, поэтому на себе мы не чувствуем действие приливных сил. Находясь же у горизонта событий, гравитацию черной дыры не преодолеешь, даже если разгонишься до скорости света, поэтому приливный эффект там очень сильный. По мере приближения к черной дыре, разница между притяжением верха и низа станет настолько сильной, что со временем космонавта просто разорвет на части, а в дальнейшем остатки от его тела вытянутся в длинную струю из элементарных частиц и уже в таком виде космонавт пересечет горизонт событий*. Дальше мы сталкиваемся с парадоксом. Не смотря на то, что черная дыра имеет конечный размеры, расчеты показывают, что падение вещества внутрь ее будет длиться вечно. Это называется гравитационной сингулярностью, и является одной из главных проблем общей теории относительности.

Хочется также рассказать о том, что некоторые черные дыры могут быть вращающимися. При этом они увлекают за собой часть пространства, заставляя его тоже вращаться вместе с ними. Таким образом, они имеют особую область, которую называют эргосферой, она находится немного выше горизонта событий и ее еще покинуть, если обладать достаточной энергией. Эта область обладает свойством вырабатывать энергию. Происходит это следующим образом, частица, пролетая через эргосферу, должна испустить другую частицу с отрицательной энергией. Частица с отрицательной энергией пропадает в черной дыре, а наша исходная частица покидает черную дыру, неся в себе больше энергии, чем у нее было до того как она туда попала (см. рис.19). В отличие от процесса испарения, в этом случае отрицательная энергия забирает у черной дыры не ее массу, а ее энергию вращения. Однако остановить черную дыру таким способом практически невозможно, особенно если черная дыра активно поглощает материю и она достаточно массивна.

Получается, что это практически вечный источник энергии. Излучение, идущее от испарения черной дыры очень слабое, и не годится в качестве энергоисточника, но зато эргосферу вращающихся черных дыр можно очень выгодно использовать для этих нужд. Чем больше масса черной дыры, тем слабее будет излучение от испарения. С уменьшением массы интенсивность испарения будет усиливаться и со временем приведет к тому, что черная дыра испарится совсем. Значит лишь на финальных стадиях испарения, черная дыра может высвободить много энергии в краткие сроки. Зато эффективность эргосферы, наоборот усиливается с ростом массы черной дыры. Поэтому из вращающихся черных дыр можно будет извлекать энергию, даже когда погаснут все звезды, и до тех пор, пока они полностью не испарятся. Как не странно это звучит, но получается, что самые смертоносные объекты во вселенной способны будут приютить возле себя разумных существ, когда сама вселенная уже не сможет давать им ресурсы для жизни. Кроме того физики предсказывают, что эргосфера сверхбыстро вращающихся черных дыр, может стать для нас еще и машиной времени.

Если же понадобится получить от черной дыры еще больше энергии, и в краткие сроки, то нужно «всего лишь» организовать ей встречу со звездой. Когда черная дыра начнет поглощать в себя вещество звезды, то она внешне станет немного напоминать коллапсар на его поздних стадиях. Вообще коллапсар это, по сути, и есть только что родившаяся черная дыра, которая сразу начала активно поглощать оставшееся от ее формирования вещество. В обоих случаях раскаленная материя начинает с безумной скоростью вращаться вокруг черной дыры, при этом постепенно всасываясь внутрь. Этот процесс называется аккрецией, а яркий диск, который образуется вокруг черной дыры, аккреционным диском. Получается, что квазар это тоже не что иное, как аккреционный диск сверхмассивной черной дыры. Этот диск в совокупности с вращением самой черной дыры создает мощное магнитное поле и выбрасывает с полюсов два наимощнейших луча излучения, которые при прямой наводке могут даже разрушить планету. Их называют джетами, и это они рождают самые высокоэнергетические фотоны, которые изредка регистрируют среди космического излучения. В космосе черные дыры по большей части обнаруживают именно за счет аккреционных дисков и джетов. Таким образом, получается, что черные дыры, не так давно считавшиеся досадным парадоксом, возникающим в общей теории относительности, оказались реальными объектами, влияние которых на вселенную трудно недооценить. Поэтому сегодня досадным кажется, не то что общая теория относительности предсказывает, на первый взгляд, невозможные черные дыры, а то, что она не может объяснить причину их парадоксальных свойств.

Другой парадокс происходит из специальной теории относительности и более известен, как «парадокс близнецов». С ним знакомы многие, но не все знают, в чем его истинная парадоксальность. Для тех, кто не слышал о парадоксе, вкратце напомню его содержание. Один из близнецов садиться в космический корабль и отправляется к звездам. Корабль летит со скоростью близкой к скорости света. Когда корабль возвращается обратно на землю, близнец-космонавт встречает своего брата, который сильно постарел в отличие от него. Так вот, большая часть людей считает, что в этом и есть парадокс, но тут как раз и нет никакого противоречия. Действительно, все так и случится, это всего лишь демонстрация эффекта замедления времени. Парадокс заключается в другом: почему постареет брат, оставшийся на земле, ведь космонавт на полном основании может заявить, что не его корабль летит от земли, а земля с остальной вселенной движется относительно него. И это будет вполне правомерно с точки зрения теории относительности. Однако в тот момент, когда корабль развернется обратно к земле, почему то именно тогда определяется что двигался именно он. Вот в этом и парадокс.

Если подробнее описать ситуацию, тогда нужно взять второго брата, который остался на земле и тоже посадить в космический корабль. Теперь представим, что кроме двух кораблей с близнецами во вселенной ничего больше нет. Корабли удаляются относительно друг друга со скоростью близкой к скорости света. В таком случае у нас получается, что первый близнец, который развернет свой корабль, чтобы вернуться к брату и будет выглядеть моложе. Получается, что вселенная в один момент определит, кому из братьев постареть. Причем эта участь достанется тому, у кого не хватило решительности развернуться первым.

Следующий парадокс связан с самим понятием относительности. Еще раз представим себе космонавта, на этот раз он будет в скафандре и в открытом космосе. Опять сделаем допущение, что кроме него во вселенной ничего больше не существует. Таким образом, нельзя сказать движется он или нет. Понятие движения в этой ситуации теряет смысл, ведь нет объектов, относительно которых его можно определить. И даже если бы во вселенной были бы какие-нибудь объекты, космонавту все равно было бы тяжело определить: покоится он или нет. Но представим, что он не движется, а вращается, расставив руки в стороны. Его руки будут чувствовать центробежную силу и даже если он закроет глаза, он точно определит что вращается. Но если во вселенной нет других объектов, то относительно чего он будет вращаться? Или  в этом случае при вращении он не будет чувствовать центробежную силу?

Получается, что стоит ему бросить что-нибудь в глубины космоса как сразу же появиться центробежная сила. То есть выходит, что другие объекты во вселенной каким-то образом влияют на нас и заставляют чувствовать центробежную силу. Неужели ответственность за то что у нас кружится голова после того как мы покрутимся вокруг своей оси, лежит на всех объектах вселенной и в том числе на далеких-далеких галактиках. Теория относительности не может однозначно объяснить этот парадокс, но есть предположение о том, что вероятно, центробежная сила не исчезнет в пустой вселенной, а космонавт будет вращаться относительно пространства. Но если само пространство может являться объектом относительно, которого происходят какие-то процессы, то это в какой-то степени противоречит духу теории.

Еще одна необычная особенность связанна с одновременностью. Другим следствием теории относительности, о котором часто забывают, является, то, что не только скорость, но и расстояние влияет на восприятие времени. Эффекты специальной теории относительности не встречаются в нашей жизни, не только потому, что мы движемся на скоростях гораздо меньших скорости света, но и потому что относительные расстояния нашего движения тоже незначительны. С увеличением расстояния эффекты теории относительности проявляются на все меньших скоростях. Глядя на звезды, мы видим их такими, какие они были сотни и даже тысячи лет назад, а галактики, такими, какими они были миллионы лет назад. Но мы можем предположить, раз там прошли все эти долгие годы, то сейчас они выглядят по-другому. Таким образом, мы пытаемся представить вселенную так, чтобы в каждой ее точке время двигалось одновременно с нашим. Однако у наблюдателей, движущихся с разными скоростями, не может быть единого мнения по поводу одновременности событий. А, исходя из следствия о том, что большие расстояния между объектами делают эффекты теории относительности значительными даже на малых скоростях, то наши представления об одновременности вселенной не совсем корректны. А ведь галактики и звезды движутся, пусть и не со скоростью света, но на очень больших расстояниях.

Чтобы проиллюстрировать эту особенность, нужно снова представить двух космонавтов находящихся на разных концах наблюдаемой вселенной, расстояние между ними исчисляется миллиардами световых лет. Представим, что изначально они покоились относительно друг друга, и вдруг один из них начнет двигаться. В первом случае он с совершенно незначительной скоростью порядка нескольких километров в час движется навстречу своему коллеге. Если бы у него была возможность наблюдать за покоящимся космонавтом, он бы увидел его таким, каким покоящийся космонавт будет десятки лет спустя. Во втором случае космонавт двигался бы с такой же скоростью, но в другом направлении, тогда для него покоящийся космонавт выглядел бы таким, каким был десятки лет назад. Получается, когда один космонавт начинает увеличивать скорость своего движения, то для него время другого космонавта с противоположного конца наблюдаемой вселенной, начинает соответственно либо ускоряться, либо вообще идти в обратную сторону (см. рис.20). Естественно у космонавтов не будет возможности понаблюдать друг за другом, ведь любая информация о втором космонавте дойдет до первого лишь спустя миллиарды лет, и он не увидит этих изменений. Тем не менее, все равно получается, что для объектов находящихся на огромных расстояниях даже небольшая скорость их относительного движения способна разрушить синхронность хода времени.

Так же не стоит забывать, что вселенная пронизана гравитационными полями от галактик и звезд. Интенсивность этих полей повсюду различна, а значит, время в различных частях Вселенной так же идет слегка неравномерно, независимо от относительных скоростей. Поэтому представляя, как в далеких галактиках происходят какие-то процессы одновременно с происходящим сейчас у нас на земле, не стоит забывать, что понятие одновременности в теории относительности претерпело сильные изменения и просто не применимо в этом случае.

Вообще теория относительности очень гибкая теория, на ее основе даже были созданы гипотезы, предлагающие возможность того, на опровержении чего строится вся эта теория, а именно, сверхсветового движения. Итак, ничто не может двигаться в пространстве быстрее света. Однако само пространство в теории явление динамичное и может расширяться, а высказывание о том, что пространство может расширяться быстрее скорости света вполне правомерно в рамках теории. Вселенная постоянно расширяется и сильно отдаленные галактики удаляются друг от друга уже быстрее скорости света. Расстояние, на котором объекты за счет расширения пространства начинают удаляться друг от друга со скоростью превышающей скорость света, называется космологическим горизонтом событий. Потому что так же как с черной дырой, преодолев этот рубеж, объекты уже не смогут повлиять друг на друга. Если скорость расширения вселенной не уменьшится то объекты, находящиеся на таком расстоянии уже никогда не смогут встретиться. Именно поэтому в будущем из-за ускоренного расширения вселенной все галактики не входящие в наше скопление пересекут черту космологического горизонта событий, и мы будем от них изолированы. Поскольку наблюдаемая область вселенной меньше чем ее реальный размер, значит можно смело заявить, что на сегодняшний день некоторые галактики отдаляются от нашей быстрей скорости света. С галактиками, которые пересекли границу нашего космологического горизонта событий вообще нельзя, проводить какие бы то не было временные сравнения, они для нас, как объекты, попавшие в черную дыру.

Сейчас физики имеют, по крайней мере, две гипотезы позволяющих нам обмануть ограничение на движение со сверхсветовой скоростью. Первая построена на червоточинах*. Это пространственно-временные туннели, в которых искривление пространства-времени приводит к соединению двух участков вселенной. Наглядно их можно представить, если посмотреть на ручку чашки. В принципе, можно сказать и так, что они похожи на черную дыру с выходом (см. рис.21). Это хоть и наглядная, но не совсем точная аналогия, червоточина не обладает такими разрушительными свойствами как черная дыра, потому что не имеет собственного гравитационного потенциала. Теория относительности допускает их существование, но вот создание червоточин в рамках теории проблематично, во всяком случае, так следует из ее современной формулировки. Все потому что теория относительности «не умеет прокалывать» пространство. Кроме того червоточины имеют свойство быстро схлопываться, и для их поддержания нужна отрицательная энергия, которой необходимо заполонить пространственно-временной туннель. На сегодняшний день мы знаем лишь два способа, как создать отрицательную энергию это эффект Казимира, и испарение черной дыры. Однако не ясно, каким образом можно аккумулировать отрицательную энергию, чтобы ей можно было вымостить стенки туннеля. Тем не менее, существует предположение, что червоточины могли возникнуть как пространственно-временные дефекты на самой ранней стадии большого взрыва. Такие червоточины могут оказаться стабильными, поскольку их возникновение должно быть связано с наслоением первичной белой дыры на первичную черную дыру, что обеспечило бы наполнение отрицательной энергией внутренностей червоточины. Вероятность обнаружить такие червоточины в космосе еще меньше, чем вероятность зарегистрировать первичные черные дыры. Поэтому даже если червоточины и существуют, то в таких малых количествах, что возможно ни одной из них нет в пределах наблюдаемой вселенной.

Другая возможность, это создание пространственного пузыря, который может двигаться быстрее скорости света, вместе с тем, что находиться внутри него. Для создания такого пузыря необходимо спереди поместить гравитационное поле, а сзади организовать сильное расширение пространства. Однако нам неизвестны способы, с применением которых можно было бы вызвать искусственное расширение пространства. По некоторым современным теориям этого можно добиться, манипулируя свойствами вакуума на планковских масштабах. Пространство по бокам пузыря нужно заполнить отрицательной энергией. И будет все это называться двигателем Алькубиерре (по имени его изобретателя). Космический корабль с таким двигателем будет неподвижен внутри пузыря. Двигаться будет не корабль, а область пространства, в которой он находится. Скорость движения при этом зависит от разности потенциалов гравитационного поля спереди и расширения пространства сзади. Как видно проблем для создания такого двигателя предостаточно. Человечество еще не скоро научится манипулировать планковскими масштабами, чтобы создавать искусственные гравитационные поля и искусственное расширение пространства. Кроме того опять же нужна отрицательная энергия. Что касается возможности создания червоточин, тут тоже имеются предположения, что как только мы сможем контролировать планковские масштабы, то сразу же научимся прокалывать пространство, однако поскольку мы даже толком не знаем, что происходит на планковских масштабах, то все эти предположения безосновательны.

Оказывается, что в принципе в природе могут существовать частицы, которые на вполне законных основаниях будут двигаться быстрее скорости света. Их называют тахионами, и пока что они тоже в высокой степени гипотетические объекты. У них должно быть все наоборот, в отличие от обычных частиц, они могут двигаться с какой угодно сверхсветовой скоростью, но не могут двигаться с досветовой скоростью. Их масса и энергия будет расти не при ускорении, а при торможении. Когда они будут приближаться к скорости света, чтобы замедлится еще сильнее, преодолев этот барьер, им потребуется запастись бесконечной энергией. Поэтому тахионы, никогда не смогут замедлиться до такой степени. Чтобы обладать подобными свойствами, масса тахионов должна быть мнимой. Подробнее о мнимых единицах, мы поговорим позднее, и тогда станет понятно, что мнимая масса это нечто такое, что нашему разуму неподвластно представить.

На этом парадоксы с тахионами не заканчиваются. Если в человека направить поток тахионов, он зарегистрирует, что его тело их поглотило, однако сторонний наблюдатель будет уверен, что тело этого человека, наоборот, их испустило. Тахионы, вероятно, будут ускоряться даже в вакууме, потому как он, наполнен квантовыми флуктуациями. Тахионы будут терять энергию об виртуальные частицы, от чего станут двигаться еще быстрее, ведь у них все по-другому. Потерянную ими энергию, можно будет зарегистрировать по излучению, которое, как нам будет казаться, возникает прямо из вакуума. Получается что тахионы, теряя энергию, ускоряются, а ускоряясь, создают все более сильное излучение вакуума. На лицо нарушение закона сохранения энергии. Поэтому любая современная теория, результаты которой утверждают, что в природе должны существовать тахионы, скорее всего, неверна.

Но тахионы нельзя совсем сбрасывать со счетов. Когда происходит конденсация вакуумных полей, таких как хиггсово поле, создаются условия, при которых составляющие их скалярные частицы становятся равномерно распространенными по всему пространству. Впоследствии из-за того что фермионам и некоторым бозонам приходиться везде натыкаются эти скалярные частицы, они приобретают массу или другие свойства в зависимости от типа вакуумного поля. Расчеты показывают, что если бы вакуумные поля не распространились бы равномерно, в этом случае энергия вакуумного поля вылилась бы в рождение тахионов. Поскольку это могло вызвать нарушение закона сохранения энергии, природа предпочла первый вариант. Получается, что, когда вакуум менял свои свойства, благодаря тахионам, или точнее сказать благодаря невозможности их существования, конденсировались вакуумные поля, которые придали частицам их свойства и сыграли значимую роль в формировании законов Вселенной.

Такая принципиальная неприязнь природы к сверхсветовому движению, вносит большие сомнения в возможность реализации двух вышеприведенных способов передвигаться быстрее скорости света. Но давайте пренебрежем тем фактом, что объект нельзя разогнать до скорости света, потому что его масса становится бесконечной и для этого требуется бесконечное количество энергии. Допустим, нам удалось достичь сверхсветовой скорости, что тогда случится со временем объекта. Пока он достигал светового барьера, его время замедлялось, когда достиг – остановилось, а когда превзошел – время для него вообще должно было пойти в обратном направлении. Очень просто доказать, что ход часов остального окружения относительно хода часов объекта станет направлен в противоположную сторону. Так произойдет, потому что объект, достигнув сверхсветовой скорости, начнет обгонять весь свет, испущенный им же ранее. Вначале обгонит луч света, испущенный секунду назад, потом тот, что был испущен минуту назад и так далее. В итоге если бы этот объект был способен наблюдать, то позади он увидел бы как все события, произошедшие с ним, разворачиваются в обратном порядке, и сделал бы вывод что время вокруг пошло вспять.

Но оказывается, в отличие от нарушения закона сохранения энергии, возможность путешествия в прошлое не так сильно порицается природой. Раньше это считалось исключительно фантастикой, но в современной физике возможности путешествия во времени изучаются на полном серьезе. Во всяком случае, если специальная теория относительности запрещает перемещение в прошлое, потому что относительное движение быстрее света в ней невозможно, то общая теории относительности позволяет объекту попасть в свое прошлое иными способами. На сегодняшний день известно как минимум три возможности того как можно переместиться в прошлое. Первая из них это пройти сквозь червоточину, один конец которой побывал в сильном гравитационном поле, например близи черной дыры, или если он двигался со скоростью близкой к скорости света. Второй способ заключается в том, чтобы облететь две космические струны во время их сближения. И третий способ – попасть в область, находящуюся в непосредственной близости от сверхбыстро вращающейся черной дыры. Правда пока все три способа, такие же необоснованные предположения, как и возможности сверхсветового перемещения, потому что червоточины и космические струны – это чисто гипотетические объекты, а удовлетворяющие требованиям быстро вращающиеся черные дыры, до сих пор не обнаружены.

Путешествия в прошлое вдобавок приводят к множеству парадоксов, поэтому и считается, что они невозможны. Самый известный это парадокс дедушки. Он довольно жестокий, но наглядно демонстрирует абсурдность путешествий в прошлое. Согласно ему, человек попадает в прошлое и убивает своего дедушку в молодости. В таком случае он не смог бы родиться и совершить убийство. Все остальные парадоксы, причина которых невозможность совершения тех или иных действий в прошлом, считаются разновидностью парадокса дедушки. Выделяют так же другой тип парадоксов, связанных с возникновением спонтанных временных петель. Например, парадокс родственных связей, который, по сути, не менее аморален, чем парадокс дедушки. В нем наш персонаж, переместившийся в прошлое, встречается со своей матерью, и «по определенным причинам» может стать сам себе отцом. Другой более наглядный пример спонтанной временной петли называют информационным парадоксом. Его можно сформулировать так: ученый, воспользовавшись машиной времени, сам себе расскажет об открытии, которое сделает в будущем, тогда получается, что первоначальная идея открытия взялась из ниоткуда.

Как же быть с парадоксами, если в природе могут существовать способы переместиться во времени. Эти парадоксы говорят о том, что либо у нас нет свободы воли, и мы не сможем убить своего дедушку или стать причиной иного парадокса, либо происходит нарушение причинно-следственных связей. Последнее для физики недопустимо так же как нарушение законов сохранения. Путешествие со сверхсветовой скоростью, аналогичным образом вызывает нарушение причинно-следственных связей. Достигнув сверхсветовой скорости, космонавт может отправить сигнал в сторону обратную направлению своего движения, а поскольку он обгоняет даже испущенный собой ранее свет, то этот сигнал отправиться к нему же самому из прошлого. Это доказывает что, даже не передвигаясь непосредственно со сверхсветовой скоростью, а используя хитрости общей теории относительности, перемещение из одной точки в другую, прежде чем туда попадет свет, может вызвать парадоксы. Червоточины от остальных способов сверхсветового движения и путешествий в прошлое отличаются еще тем, что могут позволить нам отправиться даже в параллельные вселенные, если таковые имеются. Однако ключевая идея параллельных вселенных в том, что они не должны никоим образом влиять на нашу вселенную, иначе в результате таких взаимодействий произойдут все те же проклятые нарушения причинно-следственных связей. В любом случае путешествие в параллельную вселенную чревато фатальными последствиями, потому что в других вселенных должны быть другие законы физики, в частности, вакуум там будет иметь иные внутренние симметрии. Частицы, попав в условия вакуума другой вселенной, должны будут изменить свои свойства и связи между собой, а значит и все атомы нашего тела мгновенно распадутся, окажись мы в параллельной вселенной.

Стивен Хокинг, физик открывший испарение черных дыр, разработал гипотезу о защите хронологии, которая говорит, что должен существовать закон, запрещающий путешествия во времени. Правда, до сих пор ни один такой закон не был найден. Хокинг мотивирует свою гипотезу тем, что свобода воли в путешествиях во времени вообще не играет особой роли. Нам не нужно сознательно убивать своего дедушку, мы, даже не поняв этого, можем создавать парадоксы. Потому что один только факт путешествия в прошлое уже сам по себе парадокс. Приведем мысленный эксперимент в пользу данной гипотезы. Мы создаем червоточину пусть даже очень маленькую, диаметром три сантиметра (однако даже для этого, как показывают предварительные расчеты, должен понадобиться астрономический уровень энергии). Один ее конец мы запускаем в космос со скоростью света. В результате время для этого конца червоточины замедляется, и когда мы возвращаем его обратно, то убеждаемся что время на этом конце отстает от того конца, который оставался на земле. То есть, зайдя в один вход червоточины, из другого выйдешь раньше, чем зашел в первый. Иными словами мы получили машину времени. Теперь продолжая эксперимент, добавим немного жестокости (очевидно говоря о путешествиях в прошлое нельзя избежать темы убийства). Итак, попросим подопытного взять пистолет и подойти с ним к одному из концов червоточины. Второй конец, который совершил полет со скоростью света, расположим у него за спиной, но ему об этом не скажем. Допустим, время во втором выходе, в результате его путешествия, сместилось на пять минут, тогда и при прохождении червоточины из первого конца во второй нас отбросит на пять минут в прошлое. Однако толщина червоточины всего три сантиметра, и мы пролезть сквозь нее не сможем, но пуля пролететь способна. Дадим подопытному команду: стрелять через десять минут после выхода на позицию. Что же тогда произойдет? Подопытный стреляет в червоточину пуля проходит через нее, перемещается в прошлое на пять минут назад, в момент когда подопытный еще выжидал перед выстрелом, вылетает из второго конца и убивает его еще до того как он выстрелил. Но если он не стрелял, то откуда тогда взялась пуля? Однако самый интересный вопрос в том, что в действительности увидим мы как экспериментаторы. Это вероятно самая  наглядная версия парадокса дедушки, которая явно намекает на правильность гипотезы о защите хронологии.

К возможным путешественникам из будущего в прошлое применима та же логика, что и к высокоразвитым инопланетянам, живущим в пределах Млечного пути по соседству с нами. Почему ни тех, ни других сейчас нет среди нас? Это значит, что машину времени, так и не удалось построить. Предположения о том, что путешественники из будущего скрываются, так же как и инопланетяне, чтобы не оказать влияние на наше развитие, совершенно не научны, и больше смахивают на мистику. К тому же чтобы изменить ход истории необязательно вступать с кем-либо в контакт, само их присутствие уже может вызвать парадокс.

Одни физики утверждают, что должен существовать природный механизм запрещающий существование червоточин или возможности их прохождения. Такие же запреты должны существовать и в отношении других способов сверхсветового перемещения и путешествия в прошлое. Однако пока что явные запреты не установлены. Другие уверены, что гипотеза о защите хронологии не единственная возможность решения проблемы. На самом деле довод с отсутствием путешественников во времени, не может являться доказательством невозможности создания машины времени. Все вышеприведенные проекты запрещают путешествовать в прошлое раньше того момента, когда была построена машина времени. Значит, отсутствие сегодня среди нас путешественников во времени можно объяснить тем, что во вселенной еще не была создана ни одна машина времени. Однако это совсем не значит, что построить ее невозможно. Ученые, уверенные в возможности ее создания, утверждают, что перемещение в прошлое допустимо и без нарушения причинно-следственных связей.

Расчеты показывают, что на мельчайших отрезках пространства, в пределах планковских масштабов, где происходят квантовые флуктуации самого пространства-времени, наш континуум может рваться и закручиваться, то есть там должны на некоторое время образовываться червоточины. Кроме того частицы в микромире за счет их квантового поведения могут перемещаться в прошлое без нарушения причинно-следственных связей, что уже свидетельствует против запрета путешествий в прошлое, налагаемого гипотезой о защите хронологии. Частицы с точки зрения наблюдателя иногда могут двигаться по особым траекториям, причем эти траектории не пространственные, а временные. Их называют замкнутыми времениподобными кривыми. Все происходит, так, будто частица совершает петлю во времени. Некоторые ученые, изучающие этот феномен, утверждают, что путешествие в прошлое макроскопических объектов тоже возможно. Они ставили эксперименты, пытаясь помешать частице, описать петлю во времени, при помощи той же самой частицы, которая уже переместилась в прошлое. То есть они намеревались создать парадокс. Но всякий раз эксперимент заканчивался неудачей, частица все равно никак не могла повлиять на саму себя из прошлого. Поэтому они сделали вывод, что когда путешествия во времени станут возможными, если нам таки удастся построить машину времени, то тогда и появятся гости из будущего. Вот только у них не получиться убивать своих дедушек или вообще как-либо влиять на ход истории. Сама вселенная об этом позаботится, и создаст такие условия, что любое их, действие, направленное на изменение хронологии встретит на пути противодействие. Даже пуля отклонится от траектории вместе со звуковыми волнами выстрела, так что никто даже шума стрельбы не услышит.

До конца непонятно только, каким образом вселенная оградит дедушек от покушения, так что они даже не догадаются, что такое замышлялось. Самый эффективный способ обеспечить присутствие путешественника во времени и защитить хронологию от парадокса, это уничтожить его. Вероятно, при перемещении во времени частицы, которые входили в состав злоумышленника (а таковым для хронологии является любой, кто способен ее изменить) без препятствий окажутся в прошлом. Однако связи между ними должны будут претерпеть изменения или даже разорваться, после чего частицы рассеются в пространстве таким образом, чтобы не повлиять на собратьев из прошлого. Значит, путешественник, попав в прошлое, погибнет, причем произойдет это так, что никто даже и не узнает, что он там был. Получается, что путешествие в прошлое всегда будет сопровождаться фатальными последствиями для путешественника, чем-то схожими с теми, которые возникнут при перемещении в параллельную вселенную, такими как расщепление на элементарные частицы. Только так гипотеза о защите хронологии будет выполняться.

В последние время некоторые исследователи ставят вопрос таким образом: а так уж ли это будет страшно, если произойдет нарушение причинно-следственных связей. Например, если существуют параллельные вселенные, имеющие больше двух временных измерений, то в них нарушение причинно-следственных связей должно быть естественным явлением. Есть и другие возможности в строении вселенных, которые приведут к естественным нарушениям причинно-следственных связей. Однажды Эйнштейн получил письмо от математика Геделя, который доказал, что во вращающейся вселенной материальные объекты должны перемещаться в прошлое и могут встретиться сами с собой. Сейчас мы точно знаем, что наша вселенная стационарна в этом отношении, но даже самого создателя теории относительности шокировала подобная возможность.

В любом случае строительство машины времени на основе любого из трех способов недостижимо технологически, и едва ли будет доступно в обозримом будущем. То же самое касается и обоих проектов сверхсветового движения. Но сама возможность путешествий во времени на основе общей теории относительности, подсказывает, что вероятно, в ней до сих еще не хватает некоторых элементов. У теории есть и ряд других недостатков указывающих на ее неполноту, подсказывающих ученым, что есть еще более фундаментальная теория, описывающая пространство-время. Теория относительности является лишь приближением этой более глубокой и неведомой нам пока теории.

Помимо возможности нарушения причинно-следственных связей общая теория относительности грешна тем, что из нее невозможно вывести закон сохранения энергии, что должно быть куда более сильным недостатком. При расчете энергетических составляющих гравитационных искривлений и расширения пространства получаются абсурдные значения. Даже Эйнштейн был вынужден признать, что у гравитационных полей нет ни массы, ни энергии. Черные дыры, как уже говорилось, тоже представляют проблему, ибо общая теория относительности не может сказать, что внутри них происходит. Все ее уравнения, если их применить к области, находящейся за пределом горизонта событий черной дыры выдают бесконечные решения. То же самое, касается начала большого взрыва, предсказанного на ее основе. По общей теории относительности получается, что «начала» в привычном смысле этого слова у вселенной никогда не было. Если отматывать ход событий назад, руководствуясь только общей теорией относительности, то объем вселенной будет уменьшаться, стремясь к нулю, а масса и плотность будут увеличиваться, стремясь к бесконечности, при этом точки «начала» достичь так и не удастся, подобно тому, как не удается найти дно черной дыры. Но все-таки самая большая проблема в том, что общая теория относительности не совместима с квантовой механикой. В планковских масштабах следствия обеих теории становятся важными для описания происходящих там событий, но при этом они начинают противоречить друг другу.

Хочу предупредить читателя, что неправильно говорить, якобы теория относительности неверна, правильно сказать, что она не полностью фундаментальна и должна выводиться из некой другой теории, поэтому имеет границы применимости. Например, можно привести аналогия с законами акустики, по которым распространяется звук. На уровне отдельных атомов нет звука, он появляется только при их коллективном колебании, поэтому бессмысленно применять законы акустики к субатомным явлениям. Общая теория относительности, очевидно тоже неприменима к планковским масштабам. С другой стороны квантовая механика описывает события, происходящие в микромире, но и ее тоже нельзя применять к планковским масштабам. На уровне планковских длин гравитационные поля частиц становятся значимым элементом, но гравитацию может объяснить только общая теория относительности, а квантовая механика с ней не дружит. Чтобы понять, почему квантовая механика не признает гравитацию, нужно подробнее разобраться в ней самой.

Немногие знают, что Эйнштейн был не только создателем теории относительности, он же был основоположником квантовой механики*. Однако больше он не участвовал в ее дальнейшем развитии, а потом и вовсе невзлюбил ее. Не за это ли она теперь мстит Эйнштейну и никак не хочет дружить с общей теорией относительности? Развитие квантовой механики началось с одного эксперимента, который был поставлен с целью, разрешить вопрос, мучавший в то время не только молодого Эйнштейна, когда он впервые задумался об относительности. Остальные физики уже давно пытались установить, какова природа света.

В конце XIX века существовало две гипотезы на этот счет. Первая, что свет это поток частиц и вторая, что свет это волна невидимого, но вездесущего эфира. Для того чтобы разобраться в ситуации и был поставлен этот эксперимент. Источник света направляли на стену, при этом между источником и стеной помещали пластину с маленькой щелью. В результате свет отображался на стене в виде полоски. После этого меняли условия эксперимента и пластину с одной щелью заменяли на двухщелевую пластину, в этом случае свет отставлял на стене не две четких полосы, как следовало бы ожидать, а целый ряд расплывчатых полос. Почему же так происходило?

Если мы повторим этот эксперимент, наблюдая, как волны на воде проходят сквозь два промежутка в барьере, ограждающем заводь, то мы увидим что одна волна, попадая в промежутки, разбивается на две маленьких, которые частично перекрывают друг друга, и до берега доходит уже множество нечетких волн. Процесс перекрывания волн называется интерференцией. Казалось, результат эксперимента однозначно говорил нам о том, что свет это волна.

Позже эксперимент повторили, но вместо света использовали поток электронов. Как это ни поразительно, результат оказался таким же. По идее электроны должны были пройти через две щели, оставив на стене след двух четких полос, но в итоге экспериментаторы, получили интерференцию в виде множества нечетких полос. Даже когда интенсивность потока сократили до испускания отдельных электронов, все равно получалась интерференция. Но как такое могло случиться, ведь точно было известно, что электрон это точечная частица. Вывод из эксперимента напрашивался такой, что один электрон проходил через две щели одновременно, взаимодействовал сам с собой, после чего несколько его ипостасей оставляли размазанный след. Но и на этом странности не закончились. Когда экспериментаторы захотели выявить через какую именно щель проходит электрон и поставили детектор, электроны перестали интерферировать. Теперь они вели себя как обычные объекты, попеременно проходя через обе щели, и оставляя след в виде двух четких полос, как будто знали, что за ними наблюдают.

Эта ситуация противоречила принципам механики. В то время все принципы данного раздела физики строились на трех законах Ньютона. Многие считают, что открытие Ньютоном законов механики эта та переломная точка, с которой началось развитие всей современной науки. Ключевая идея этих законов в том, что естественным поведением для материи является движение. Со времен Аристотеля считалось, что для материи естественным поведением является покой. Все стихии стремятся к покою, считал Аристотель. Камень падает на землю и остается на ней лежать, шторм на море когда-нибудь затихнет, огонь погаснет. Только одна стихия не подчинялась этому правилу: космические тела. Они согласно Аристотелю, состояли из божественной пятой стихии, и поэтому находились в постоянном движении. Ньютон уравнял в правах и земную, и небесную материю, заявив, что в естественном состоянии все должно двигаться. Но почему тогда валуны, лежащие на земле, покоятся, в отличие от астероидов вечно движущихся в глубинах космоса. Все потому что на земные камни действует сила, именуемая гравитацией. Сила – вот фактор, который выводит материю из естественного состояния равномерного движения, она заставляет ее ускоряться, замедляться или покоиться относительно чего-то. Отсюда следовал вывод, что источником гравитации является материя сама по себе, а значит, масса порождает силу и вызывает притяжение, так родился всемирный закон тяготения.

С законов Ньютона начинается любой начальный курс физики. Эти законы просты и понятны, но применяя их, к изучению окружающего мира, мы считаем само собой разумеющимся то, что объекты не могут находиться в двух местах одновременно. Если бы такое было возможным, то вся механика Ньютона потерпели бы крах. Поэтому ученые сделали вывод, что в мире частиц действует иная механика, которая получила название квантовой механики. Механику Ньютона же сейчас принято называть классической механикой.

Тут придется оговориться, объяснив, что значит квантовая. Это название произошло от понятия квантов. Квант, это своего рода атом энергии. На стыке веков XIX и XX Макс Планк, физик, впервые предложивший изучение сверхмалых масштабов, названных позднее в его честь (планковских) и Эйнштейн, доказали что на микроскопическом уровне энергия передается не беспрерывно, а порциями. Эти неделимые порции энергии и называют квантами. Все величины в микроскопическом мире кратны некоторой величине, которую назвали постоянной Планка. В квантовой механике эта постоянная, имеет такое же фундаментальное значение, как и скорость света для теории относительности. Кроме того эти исследования показали, что свет, несмотря на его волновую природу, распространяется отдельными частицами – квантами света, или как их называют фотонами, что противоречило эксперименту с двумя щелями. Существование фотонов Эйнштейн окончательно доказал в своей первой работе по квантовой механике, той самой, с которой и началось развитие квантовой теории.

Многие могут заметить, что говоря о разнице между квантовой и классической механикой, мы забыли про теорию относительности. Ведь иногда можно услышать, что она заменила собой ньютоновскую механику, но это совершенно некорректное высказывание. Теория относительности не отменяет законов Ньютона. В этой теории динамика Ньютона, всего лишь частный случай при скоростях значительно ниже световых, когда эффекты теории относительности совсем незначительны для вычислений. Но при скоростях близких к световым ньютоновская динамика движения тел уже неприменима.

Это можно показать на следующем примере. Представим, что мы на земле можем наблюдать, как два космических корабля движутся на встречу друг другу со скоростями 0.6 световой (650000000 км/ч). Динамика Ньютона, да и наш здравый смысл говорят нам о том, что их относительная скорость движения будет 1.2 световой (1300000000 км/ч). Но вычисления в теории относительности с учетом замедления времени на субсветовых скоростях, дадут нам результат 0.88 от скорости света (950000000 км/ч), именно такой будет их относительная скорость движения. Если же скорость кораблей была бы 100 км/ч, то их относительное движение тоже было бы меньше 200 км/ч, но погрешность была бы ничтожной. Если быть точным, то в этом случае их относительная скорость движения равняется 199,99999999999 км/ч. Как видите при расчете скорости движения автомобилей, самолетов и даже ракет совершенно не обязательно прибегать к теории относительности. Честно говоря, инженеры, которые готовят запуски спутников, зондов и исследовательских станций к другим планетам, пользуются только теорией Ньютона. И все же теория относительности остается классической механикой, потому что она не заменяет, а только расширяет ньютоновскую динамику. Сегодня, аналогичным образом, пытаются расширить теорию относительности в область планковских масштабов, но очевидно, что оставаясь в рамках классической механики, это не получится.

Квантовая механика должна включать в себя совершенно иные принципы, отличные от принципов классической механики. Главный из них назвали принципом неопределенности, согласно которому нельзя одновременно измерить скорость и местоположения частиц, всегда будет погрешность. Как уже объяснялось ранее, мы не можем определить обе характеристики частицы, потому что для их измерения нам понадобится другая частица, которой мы ударим по первой, что изменит эти характеристики. Поскольку энергия в природе распростроняется отдельными порциями и даже свет состоит из частиц, то мы физически не можем обладать более точными инструментами, а значит погрешность имеет фундаментальную природу. Вычисления показали, что эта погрешность не должна быть меньше определенной величины, которую называют постоянной Планка. Подобно тому, как мы приводили аналогию с пространством-временем, где начиная двигаться в пространстве, мы как бы теряли скорость движения во времени (то есть время замедлялось). В квантовой механике аналогично можно представить, что есть какая-то неточность в измерении положения частицы и в измерении ее скорости движения, чем точнее мы измеряем одну из этих характеристик, тем больше неточности вносим в другую. В теории относительности, если мы двигались со скоростью света, то совсем останавливались во времени, таким образом, скорость света является фундаментальной константой, определяющей саму природу пространства-времени. Так и в квантовой механике есть константа (постоянная Планка), меньше, которой установить точность в измерении скорости или положения частицы физически не получится. Это закон природы, ограничивающий наши возможности измерения на самом фундаментальном уровне. Говорить о координате и о скорости частицы одновременно не имеет смысла. Вот и получается, что у частиц эти характеристики смешаны, так же как связаны пространство и время в теории относительности. На основе принципа неопределенности и выводятся все остальные правила квантовой механики.

После открытия принципа неопределенности Эрвин Шредингер написал уравнение волновой функции*, которое определяет движение частиц в квантовой механике. Исходя из этого уравнения получилось, что частицы не могут иметь абсолютно точной скорости и точного местоположения, вместо этого у них есть только вероятность того что их можно обнаружить в определенном месте с определенной скоростью. Самое главное то, что вероятность эта распределяется в пространстве в виде волны. Так в физике появились квантовые волны, которые были живым примером неопределенности в движении частиц и заменили им такие характеристики как скорость и местоположение. Стало понятно, почему так странно вели себя электроны. Просто, когда они проходили сквозь обе щели одновременно, это их волна вероятности разбивалась на два гребня. Теперь нашла объяснение и способность света иногда проявлять волновую природу, а иногда выступать в качестве потока частиц. Для распространения света не нужны стали колебания выдуманного эфира. Фотоны движутся согласно правилам их волн вероятности, поэтому свет и воспринимается нами, как колебательное движение.

Высказывание о том, что движется не частица, а ее волна вероятности тяжело поддается восприятию и уж тем более это сложно представить. Ричард Фейнман предложил рассматривать это явление по-другому, назвав свой способ визуализации квантового движения: суммирование по траекториям. Он предположил, что частица в квантовой механике все-таки имеет траекторию движения, но не одну, а сразу несколько (вернее у нее бесконечное количество траекторий). Однако когда мы измеряем путь движения частицы, то в результате обнаруживаем одну единственную, наиболее вероятную траекторию движения. Так происходит, потому что траектории суммируются. Понимайте это как хотите, но расчеты показывают, что суммирование по траекториям и волны вероятности, в действительности являются эквивалентными моделями поведения частиц (см. рис.22).

Один вопрос в эксперименте с двумя щелями пока еще оставался без ответа, почему электрон перестает вести себя как волна, когда мы устанавливаем детектор. Квантовая механика, говорит нам, что в этом случае его волна вероятности коллапсирует. То есть, когда мы однозначно определяем положение электрона, его волна вероятности, построенная на неопределенности местоположения, просто исчезает. Ведь если нет неопределенности, то все однозначно и нет никакой вероятности. Стоит отметить что принцип неопределенности, в таком случае не нарушается, потому что по мере того как положение частицы благодаря детектору становиться однозначным, растет неопределенность ее скорости. Поэтому всякий раз, когда частицы взаимодействуют, их волны вероятности изменяются, в физике это называют коллапсом волн вероятности.

Роль наблюдателя и коллапс волны вероятности до сих пор остаются самыми спорными моментами в квантовой механике. На сегодняшний день на их основе построено много необычных следствий теории. Если мы поставим детекторы у обеих щелей, тогда при подходе к щели, когда волна вероятности электрона изменится в пользу определенности положения и неопределенности скорости, каким образом выбирается, мимо какой щели электрону необходимо пролететь? Чтобы ответить на этот вопрос лучшие специалисты по квантовой механике собрались на конференцию в Копенгагене в 1927 году и постановили, что это определяется случайно, с вероятностью пятьдесят на пятьдесят. До сих пор большинство ученых придерживаются именно этой интерпретации. Согласно ей получается, что миром правит жребий слепой и беспристрастный, поскольку преобразование волн вероятности частиц это основа нашего мироздания.

Это утверждение стало причиной, почему множество ученых, в том числе Эйнштейн невзлюбили квантовую механику. Было создано множество логических парадоксов, чтобы ее дискредитировать, но самое удивительное в том, что изучение этих парадоксов еще сильнее углубили наши знания в области квантовой теории. Основанием для критики послужило много факторов. Например, акт измерения, определяющий результат жребия. Эйнштейн говорил, что раз наблюдение формирует реальность, то получается, что луна существует только, когда мы на нее смотрим. На что сторонники копенгагенской интерпретации отвечают так: для измерения необязательно нужен разумный наблюдатель, случайное взаимодействие частиц может быть расценено как наблюдение. Тут опять можно сделать допущение, что если ничто не взаимодействует с объектом, то он не существует. Однако, как показывают современные исследования, раз вакуум не может быть пустым, то с любыми частицами в нашей вселенной постоянно происходят какие-то взаимодействия. Но даже, несмотря на это, такая точка зрения все равно содержит внутренние противоречия. Ведь если существование частицы определяется только в момент взаимодействия то, что определяет существование другой частицы, с помощью которой это взаимодействие осуществляется.

Кроме того такие моменты как мгновенный коллапс волны вероятности и особенная роль наблюдателя неоднозначны сами по себе. С точки зрения теории относительности, в которой не существует такого понятия как одновременность для всех, понятие мгновенности лишено смысла. Разные наблюдатели по-разному определят время, когда наступил момент коллапса волны вероятности, в зависимости от их относительных скоростей и гравитации, которую они испытывают. Роль наблюдателя в определении реальности тоже можно подвергнуть проверке, если за наблюдателем поставить другого наблюдателя, который одновременно наблюдает и за экспериментом, и за первым наблюдателем. Каким образом коллапсирует волна вероятности в этом случае, копенгагенская интерпретация ответить не может. Наиболее радикальный способ опровергнуть данную интерпретацию, это принять в качестве квантовой системы всю вселенную. Неужели и за вселенной тоже кто-то должен наблюдать, чтобы в ней происходили какие-то процессы. Однако не будем говорить о том, что копенгагенская интерпретация намекает на существование бога, уж слишком спекулятивны подобные рассуждения.

Следующая позиция по этому вопросу на первый взгляд тоже кажется чистой спекуляцией, но в ее пользу есть некоторые доводы. Если мы посмотрим на то, как загружается графика в компьютерных играх, то там, в виртуальном мире, высказывание о том, что объект не существует, пока на него не смотрят, оказывается верным утверждением. Компьютерные игры, в которых представлено большое игровое пространство, не загружают все его в оперативную память сразу. Игровые объекты и территории подгружаются по ходу перемещения персонажа по виртуальному миру. Догадливый читатель уже может понять, к чему клонит автор. Сегодня многим знакома эта идея, потому что Голливуд уже успел ее популяризировать в нескольких своих фильмах. Наша вселенная может оказаться компьютерной программой!

Многие физики пришли к такой мысли, когда изучали испарение черных дыр, а именно информационный парадокс, который оно вызывает. Парадокс заключается в том, что информация, попадающая в черную дыру, там исчезает. Но информация по основным законам сохранения в физике не может исчезать бесследно, так же, как и энергия. К примеру, если мы напишем на листке бумаги секретное слово и сожжем его, то информацию можно вернуть. Для этого нужно немного немало повернуть время вспять, что естественно сделать невозможно. Однако физика утверждает, что все процессы при обращении хода времени тоже должны идти в обратном направлении. Молекулы дыма вновь соберутся в пламени, и, изменив свой химический состав, обратно превратятся в целлюлозу, таким образом, листок с паролем снова станет целым, поменяй мы направление времени. С черными дырами все не так просто. Они засасывают в себя материю, которая когда-то была звездой или планетой, поэтому заключают в себя информационное содержание. То есть, если обратить движение времени, материя должна вернуться из черной дыры и вновь стать небесными телами. Но черные дыры расщепляют вакуум, при этом они испаряются в виде хаотического излучения, которое уносит с собой массу черных дыр. Так вот если мы повернем ход времени, это излучение вернется в черную дыру, делая ее тяжелее, однако материя, которую поглотила черная дыра, не сможет восстановиться и образовать объект наподобие звезды, когда-то затянутый черной дырой. Все потому что информация об этом объекте была утеряна при испарении черной дыры. А это значит, если мы обратим время вспять, из черной дыры начнут появляться другие вещи, совсем не те, которые попали в нее. Тут попахивает нарушением причинно-следственных связей, а как мы выяснили для физики это катастрофа. В рамках квантовой механики без привлечения общей теории относительности разрешить данный парадокс невозможно.

В первом десятилетии XXI века ученые активно занимались решением этой проблемы. Некоторые физики пришли к так называемому голографическому принципу, который говорит, что информация должна сохраняться на поверхности черной дыры. Каким образом она записывается на горизонте событий пока еще до конца не ясно. У теории струн и у теории петлевой гравитации есть свои соображения на этот счет, но из-за обилия технических тонкостей я не буду их приводить, тем более что некоторые из этих идей до конца еще не разработаны. Нам важно следующее следствие голографического принципа: любую информацию, которая содержится в объеме, можно записать на поверхности сферы ограничивающей этот объем. Горизонт событий черной дыры постоянно изменяется, увеличиваясь, при поглощении материи и уменьшаясь при испарении, следовательно, и информация, записанная в нем должна преобразовываться, то есть черная дыра фактически представляет собой компьютер. Ученые рассчитали физический предел вычислительной мощи, он составляет 10⁵⁰ операций в секунду, а максимальная плотность записи информации не может быть больше 10⁶⁵ байт на 1 см³. Горизонт событий черной дыры как раз обладает такими предельными характеристиками, следовательно, черная дыра самый мощный в мире компьютер.

Если следовать голографическому принципу, то получается все процессы, происходящие в наблюдаемой вселенной тоже можно отобразить в виде поверхности опоясывающей сферы, которая работает как компьютер. Но это только в предельном случае. Мы сегодня не располагаем такой производительностью как у горизонта событий черной дыры, поэтому если делать эту сферу, теми средствами, которыми изготавливаются современные компьютеры, то она своими размерами должна превышать объем наблюдаемой вселенной. Однако поверхность сферы плоская и ее можно смять в другую форму, тем более что в отличие от горизонта событий, для тех компьютеров какие мы умеем делать, неважна форма, в виде которой они выполнены. Следовательно, гипотетически, можно создать компьютер, который полностью смоделирует вселенную и по своим размерам будет намного меньше, чем сама вселенная.

Что касается возможности того, что окружающий мир подгружается специально для нас, то это можно считать еще одной интерпретацией квантовой механики, причем не менее спорной, чем копенгагенская интерпретация. Существуют другие интерпретации, их следствия тоже могут показаться не менее странными, об одной из них мы еще поговорим в дальнейшем. Главная цель интерпретаций, объяснить каким же образом в действительности происходит коллапс волны вероятности. Неоднозначность этого процесса часто приводят в пример, когда говорят о неполноте квантовой механики.

Физики до сих пор не знают способа, как определить, какая из интерпретаций квантовой механики верна, и как описать с точки зрения мира больших вещей, каким образом взаимодействуют волны вероятности частиц. Некоторые считают, что это исключительно философский вопрос, поскольку какая бы интерпретация не оказалась верной, проверить это невозможно, потому что законы элементарных частиц не применимы к миру больших вещей. Легко объяснить, почему в макроскопическом мире не действует принцип неопределенности. Все окружающие нас объекты состоят из множества частиц, волны вероятности, которых гасят друг друга. Если макроскопические объекты и подвержены неопределенности в своем поведении, которая создается их внутренними частицами и частицами окружающей среды, то она получается настолько маленькой, что ее просто физически невозможно зарегистрировать. Тем не менее, иногда квантовая неопределенность может гораздо сильнее повлиять на наш мир, в этом случае вопрос об интерпретации нельзя сбрасывать в область философии.

В природе существует такое явление как туннельный эффект. Так называют процесс прохождения частицы, сквозь непроходимый барьер. Как будто частица прошла сквозь стену. Данное явление объясняется волновой природой частицы, когда энергетически более выгодным местом для частицы становиться то, которое за барьером и туда смещается гребень волны вероятности. Так же частица может оказаться вообще в другой точке космоса, ибо хоть ее волна вероятности и стремится к нулю, но в принципе распространяется по всей Вселенной. Была тут, а оказалась там, так и происходят квантовые скачки. Такое перемещение большая редкость и чем дальше расстояние, тем соответственно меньше его вероятность. Но это не будет сверхсветовым перемещением, поскольку волна вероятности определяет не только неопределенность местоположения, но и неопределенность скорости, а значит, относительность времени при прыжке будет скомпенсирована. Почему большие тела в отличие от частиц не могут совершать квантовые скачки? Вероятность того, что две или три частицы одновременно переместятся, скажем, с Земли на Марс, еще меньше. Что уж говорить о триллионах триллионов частиц в человеческом теле. Тем не менее, вероятность такого события не исключена, хоть и настолько мала, что быстрее во вселенной распадутся все атомы, чем это произойдет. Но самое главное, что эта вероятность, как говорят, отлична от нуля, а значит, у нас все-таки есть шанс внезапно оказаться на Марсе или в другом уголке Вселенной.

Другой пример, когда квантовое явление может повлиять на макроскопический мир, хорошо отображен в парадоксе Шредингера. Он был создателем уравнения волновой функции, которое определяет волны вероятности частиц, но был не согласен с тем, как в Копенгагене истолковали сущность преобразования волны вероятности. В попытке показать неполноту квантовой механики, к которой приводит спорная, по его мнению, копенгагенская трактовка, Шредингер придумал этот парадокс, и теперь его называют «парадокс кота Шредингера».

Перед тем как приступить к описанию парадокса, нужно вспомнить, что такое суперпозиция. Мы уже сталкивались с этим понятием, рассматривая ситуацию, когда волна вероятности образует два пика. Суперпозиция – это сумма всех состояний квантового объекта. Такое явление отсутствует в макроскопическом мире, где развивался наш разум, поэтому он отказывается понимать его. Когда квантовый объект принимает состояние суперпозиции, можно сказать, что он находиться в двух местах или в двух состояниях одновременно. Например, так происходит, когда электрон проходит через две щели одновременно. Когда мы устанавливаем детекторы, мы сводим волну вероятности к определенным значениям и состояние суперпозиции исчезает, электрон проходит сквозь одну щель. Получается, что когда производится наблюдение, один из пиков волны вероятности исчезает навсегда и больше не играет роли в жизни электрона. Дальнейшее преобразование волны вероятности идет только по оставшемуся пику, который в момент наблюдения становиться основным и единственным. Которому из них посчастливится остаться? Копенгагенская интерпретация говорит, что тут природа делает выбор случайно. Нестабильность радиоактивных атомов яркий пример подобной случайности. Можно сказать, что пока радиоактивный атом ненаблюдаем, его частицы находятся в состоянии суперпозиции, и невозможно определить распался он или нет. До момента регистарции этого атома он не является ни распавшися, ни целым, а сам находится в состоянии суперпозии.

Теперь опишем эксперимент. Мы берем кота, сажаем его в ящик, туда же помещаем радиоактивный атом и контейнер с ядовитым газом, который активируется счетчиком Гейгера. Если атом распадется, то счетчик Гейгера сработает и откроет контейнер с ядом, в результате кот умрет. Суть эксперимента в том, что пока мы не отроем ящик для нас атом находится в состоянии суперпозиции. То есть он как бы распался и не распался одновременно. Когда же мы откроем ящик, то произведем наблюдение над атомом, только тогда его волновая функция коллапсирует. Получается, что и о состоянии кота мы узнаем только в момент открытия ящика, а до этого момента он будет находиться в состоянии жизни и смерти одновременно.

Прежде всего, этот парадокс был направлен на то, чтобы показать несостоятельность копенгагенской интерпретации. Сторонники сей интерпретации в свою очередь указывали на то, что проведение такого эксперимента невозможно, так как абсолютно изолировать ящик с котом нам не удастся. И кот, и атом даже находясь в ящике, будут вступать во взаимодействия с внешним миром, а значит акт наблюдения наступит задолго до того как мы откроем ящик. Более того можно однозначно сказать что кот – макроскопический объект и состояние суперпозиции не применимо к нему. Однако из парадокса ясно, что в копенгагенской интерпретации такие понятия как макроскопический объект и акт измерения не совсем ясны.

Есть еще один важный момент, который показывает влияние квантовых волн вероятности на наш мир. В качестве примера опять можно взять эксперимент с двумя щелями, только теперь поставить его на галактическом масштабе. Источник света от звезды проходит через черную дыру, гравитационное поле которой играет роль линзы. Поэтому свет огибает черную дыру с двух сторон и после тысячи лет пути попадает на землю. Допустим находясь на земле, мы смогли бы собрать достаточно фотонов света, которые обогнули черную дыру с разных сторон, чтобы получилась интерференция. Теперь мы помещаем рядом с одним лучом детектор, и в итоге возникает не интерференцию, а две полосы света. Вопрос заключается в том, каким образом мы повлияли на траекторию фотона, который шел до нас тысячи лет и давно уже преодолел те «щели», которые определяли по какому из двух маршрутов ему двигаться. Как будто мы, поставив детектор, в мгновение изменили тысячелетнее прошлое света. Провести этот эксперимент, невозможно хотя бы потому, что мы не сможем экранировать свет нужной нам звезды от других источников космического излучения. Тем не менее, его результат однозначно определен квантовой механикой, и эквивалент этого эксперимента под названием квантовый ластик был поставлен в лаборатории. Из эксперимента следует, что законы квантовой механики в один миг могут изменить не только положение, скорость и состояние микроскопического объекта, но и его историю, буквально переписывая его прошлое.

Эйнштейн до конца жизни не смог принять все странности вытекающие из этой теории. Он не любил квантовую механику не за то, что она не согласовалась с общей теорией относительности, а потому что был реалистом и верил, что реальный мир должен существовать и при отсутствии наблюдателей и за пределами возможностей наблюдения. К тому же случайность для физических процессов неприемлема – считал Эйнштейн, говоря, что бог не может играть с нами в кости. Так вот чтобы показать, что квантовая механика незаконченная теория, Эйнштейн тоже придумал эксперимент. На момент возникновения эксперимент считался мысленным, потому что не было технических возможностей для его реализации. Направлен он был главным образом против принципа неопределенности. Попробую вкратце описать этот эксперимент, не вдаваясь в подробности. Итак, возьмем атом, который распадается и испускает две одинаковые частицы. По закону сохранения импульса эти частицы должны обладать одинаковыми скоростями и противоположным направлением движения. У одной частицы мы измерим положение в пространстве (при этом она изменит скорость), у другой измерим скорость (при этом она изменит положение), и таким образом мы точно узнаем и скорость, и местоположения обеих частиц, вопреки принципу неопределенности. Эксперимент назвали ЭПР-парадокс (в честь создателей Эйнштейна и его ассистентов Подольского и Розена). На самом деле, описанный мной случай, это лишь аналогия парадокса, который на самом деле требует привлечения более сложных понятий из квантовой механики. Но, тем не менее, суть остается той же.

Во второй половине XX века, вначале теоретически, а потом экспериментально было доказано, что ЭПР-парадокс не нарушает принцип неопределенности. То есть когда мы измерим скорость одной частицы, изменится положение обеих частиц. Если же мы измерим положение одной частицы, тогда у обеих изменится скорость. Таким образом, мы, совершив измерения над одной частицей, каким-то образом дистанционно повлияем и на другую. Это явление назвали квантовой нелокальностью. Ничего подобного в физике прежде не наблюдалось, всегда считалось что для того чтобы повлиять на объект надо каким-то образом воздействовать на него непосредственно. Такие частицы принято называть запутанными. У них должна быть одна волна вероятности, то есть с точки зрения квантовой механики они становятся одним целым, что случиться с одной, должно случиться и с другой. В каком-то смысле этот эффект обратный эффекту суперпозиции, где, наоборот, одна частица раздваивается. Еще важно то, что через запутанные частицы нельзя передавать информацию. Конечно, любые изменения со второй запутанной частицей происходят мгновенно где бы она не находилась, но никакой сигнал таким образом передать не удастся. Любая передаваемая через запутанные частицы информация раствориться в квантовой неопределенности, а значит, теория относительности, которая говорит, что сигналы не могут передаваться быстрее света, не нарушается.

Позже на основе явления квантовой нелокальности были объяснены некоторые вещи, которые раньше в физике не могли найти достойного объяснения, а так же были предложены новые эксперименты и технические проекты. Поэтому считаю необходимым, коротко упомянуть обо всех этих достижениях. Однако прежде надо пояснить, что запутывать частицы можно не только на основе их скорости и положения, а есть и другие квантовые характеристики для запутывания (например, спин – квантовое вращение), объяснять их все здесь не имеет смысла. Главное что должен знать читатель, так это то, что есть множество способов запутать между собой две частицы. Кроме того читателя еще нужно посвятить в одно правило, которое есть в мире элементарных частиц, его называют принципом неразличимости, оно говорит нам о том, что одинаковые частицы абсолютно неразличимы между собой. То есть один электрон в принципе неотличим от другого, и если бы мы могли остановить время, заменить одну частицу на другую, после этого снова запустить ход часов, то в физической системе абсолютно ничего не изменилось бы. В момент, когда разделялись фундаментальные силы, между некоторыми частицами пропадал принцип неразличимости, потому что они приобретали какие-то характеристики.

Теперь я могу объяснить, каким образом в 1998 году был проведен эксперимент в результате, которого удалось добиться эффекта телепортации (см. рис.23). В его основе лежит явление квантовой нелокальности. Телепортация это термин, обозначающий мгновенное перемещение объекта из одной точки в другую, наиболее часто его используют в фантастике, и вот недавно научные энциклопедии пополнились понятием «квантовая телепортация». Ключевым моментом в опыте с квантовой телепортацией является то, что мы не можем произвести процесс телепортации быстрее скорости света. Все потому, что для телепортации нам необходимо доставить результаты измерений из одной позиции в другую, а сделать это можно только классическим способом, к примеру, по телефонному кабелю. Так же хочется отметить, что с помощью квантовой телепортации можно переместить больше одной частицы, и ученые уже смогли телепортировать целый атом. Соответственно это требует большего количества заранее запутанных вспомогательных частиц. Теоретически можно переместить даже макроскопический объект, будь то карандаш, автомобиль, человек, да что угодно. Однако в таком случае нам понадобиться неисчислимое количество запутанных вспомогательных частиц, невероятно быстрые измерительные приборы, и невообразимо толстый канал связи. Поэтому телепортация больших предметов это такая же долгосрочная и не вполне ясная перспектива, как путешествия быстрее скорости света и путешествия во времени.

Все же несмотря на такие практические ограничения, эффект квантовой нелокальности можно проследить в мире больших вещей. Если охладить вещество до экстремальных температур, близких к абсолютному нулю, тогда его молекулы будут двигаться так медленно, что между ними возникнут запутанности. В 1995 году такое состояние было получено, его назвали конденсатом Бозе-Эйнштейна, по имени физиков, на основе работ которых, были сделаны выводы о существование такого состояния. Этот квантовый конденсат определяют в качестве пятого агрегатного состояния вещества*.

В текущих теоретических исследованиях предлагается использовать конденсат Бозе-Эйнштейна для квантовой телепортации систем из большого числа частиц. В этом случае для телепортации не нужно использовать большое количество измерительных приборов и вспомогательных запутанных частиц, потому что сам конденсат, по сути, является целой системой из запутанных между собой частиц. В идеале такая телепортация должна заставить взаимодействовать все частицы определенного тела с конденсатом, естественно все связи между ними будут разрушены, а тело уничтожено. Однако информация о взаимодействии, в виде выделившегося излучения может быть передана по классическому каналу связи, например, через оптоволокно на другой конденсат, который под воздействием этого излучения, должен стать телепортируемым объектом. Помимо множества технических трудностей в этом варианте телепортации, слабым местом так же остается потребность в невероятно толстом канале связи.

Все-таки подобное агрегатное состояние имеет и другие практические применения. Вещества в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна обладают сверхтекучестью, удивительным свойством, которое позволяет течь абсолютно без трения. Кроме сверхтекучести отдельные материалы при крайне низких температурах имеют другое свойство – сверхпроводимость. В этом случае ток проводится не отдельными электронами, а парами запутанных электронов*. Электроны в таком состоянии обладают сверхтекучестью и двигаются по материалу не вызывая трения, таким образом ток проходит не создавая сопротивления.

Магнитное поле сверхпроводников очень сильное и с легкостью способно поднимать в воздух намагниченные материалы. Сегодня сверхпроводники используются главным образом для создания мощных магнитов, которые нашли применение в ускорителях частиц, в медицинском оборудовании, в монорельсовых поездах и в других инновационных сферах. Основная проблема при использовании сверхпроводников, это большие энергетические затраты на охлаждение до сверхнизких температур, что делает в большинстве случаев невыгодным их использование. В принципе, использование достаточно мощных магнитов на основе сверхпроводников, даже позволило бы нам создать нательное снаряжение или машины, которые смогли бы парить над специальным дорожным покрытием. То есть, это возможность добиться транспортной левитации, которая так часто присутствует на воздушных дорогах городов будущего, описываемых в фантастике. Однако необходимость охлаждения сверхпроводников, делает их практическое применение в транспортной сфере крайне невыгодным и даже опасным.

Большие надежды сейчас возлагают на создание сверхпроводников комнатной температуры. Такие сверхпроводники можно будет использовать где угодно, даже в линиях электропередач, чтобы полностью избежать потерь электроэнергии. В 2008 году создали материал, который проявляет свойства сверхпроводимости уже при –55°С. Но и на этом фронте существуют значительные препятствия. Материалы, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью очень дорогие и хрупкие, поэтому их использование на сегодняшний день нецелесообразно. Более того не существует теории полностью объясняющей высокотемпературную сверхпроводимость, и при создании новых сверхпроводников инженеры зачастую экспериментируют наугад. Сегодня в прикладной физике исследование высокотемпературной сверхпроводимости такое же перспективное направление, как и работа над нанотехнологиями.

Следующая, не менее заманчивая перспектива это квантовый компьютер, который позволит нам преодолеть барьер производительности, установленный инженерными ограничениями в этой сфере. Миниатюризация транзисторов неизбежно столкнется с проблемой квантовой неопределенности царствующей на атомарных масштабах, а дальнейшее увеличение быстродействия уже невозможно по причине того, что транзисторы начинают плавиться. Выход из ситуации нам могут предоставить квантовые компьютеры. Они отличаются новой технологией обработки информации. Обычный (цифровой) компьютер использует двоичный код, знакомые нам с уроков информатики нули и единицы. Один ноль, или одна единица, называется битом информации. Биты записываются при помощи механизма: «есть ток – единица, нет тока – ноль». В квантовом компьютере для обработки информации используются запутанные частицы, которые могут быть в двух состояниях одновременно, находясь в суперпозиции. Это явления естественно не согласуются с тем, что мы видим в повседневном опыте, поэтому тем более странными нам покажутся единицы информации квантовых компьютеров. Вместо битов там используются кубиты*. Кубит может быть не только нулем или единицей, он может быть еще нулем или единицей с определенной вероятностью. Увеличения количества битов приводит к увеличению числа возможных значений, однако у кубитов, учитывая их дополнительные вероятностные состояния, этот рост еще сильней (см. рис.24).

Особенности вычислений на квантовых компьютерах в корне отличаются от цифровых систем. Для описания таких операций нужно привлекать сложный физико-математический аппарат, поэтому мы не будем касаться их в этой книге, но следует отметить, что уже давно существует наука, называемая квантовой информатикой. Нам же необходимо знать только то, что такой компьютер способен на невообразимую параллельность вычислений. А значит и средняя производительность у него на порядок выше, чем у цифрового компьютера. Если быть точным, то при одинаковом повышении мощности прирост производительности квантового компьютера будет квадратичным. Благодаря особенностям своего вычисления квантовый компьютер с легкостью сможет взломать большинство систем защиты, которые сегодня не поддаются ни одному хакеру. Так же они могут обрабатывать и другие алгоритмы, которые заставляют зависать обычные компьютеры. Ну и самое наверно интересное это то, что наш мозг основан на сходном параллелизме вычислений, и, по сути, является квантовым компьютером, а это значит в перспективе на основе квантового компьютера возможно даже создание полноценного искусственного интеллекта. Многие инженеры, однако, не столь оптимистичны в предсказаниях. Созданные на 2010 год образцы квантовых компьютеров пока еще не достаточно мощные и по всем показателям проигрывают цифровым машинами. Проблемами при создании таких компьютеров становятся: необходимость в большом количестве инструментов способных давать высокую точность измерений, а так же полная изоляция квантовой системы. Но кто знает, может совсем скоро, в каждом домашнем компьютере будет стоять квантовый процессор, способный обрабатывать такие программы, которые навсегда изменят нашу жизнь.

Явление квантовой нелокальности, открытое благодаря изучению парадокса, за счет которого Эйнштейн хотел опровергнуть квантовую механику, уже вовсю используется в последних технологических новшествах и является основой для самых перспективных проектов. Кроме того квантовая нелокальность имеет очень сильные последствия для физической картины мира. Если посмотреть на все с самого начало, а именно с момента Большого Взрыва, то тогда все частицы находились настолько близко, что должны были сделаться запутанными. То есть они и сейчас должны быть соединены невидимой квантовой связью, следовательно, все, что происходит с одной частицей, должно отражаться на других. Можно даже сказать, что частицы вашего тела связаны с частицами моего тела. И если с вашими частицами что-то произойдет, то мои должны это почувствовать. Правда тут следует оговориться, что с момента большого взрыва все частицы неоднократно вступали в различные взаимодействия и запутанности между ними распределялись и ослаблялись, поэтому сейчас невозможно выяснить, как именно ваши частицы связаны с моими. Следовательно, все эффекты квантовой нелокальности, которые частицы приобрели еще при большом взрыве, на сегодняшний день стали незаметными, поэтому, когда ваши частицы изменят свое состояние, то, для частиц в моем теле это будет несущественно. Но все равно можно сделать вывод, что во вселенной все связано. Тогда может быть, и нет никакого пространства, а это лишь какая-то особенность частиц, которая заставляет нас ощущать, что все чем-то отделено.

Квантовая нелокальность и суперпозиция возникают, когда происходит преобразование волны вероятности у частиц. Однако сам этот процесс не укладывается в рамки специальной теории относительности, для которой при разных скоростях не существует одновременности, а значит и не может быть мгновенного для всех коллапса волны вероятности, который требует квантовая механика. В этом их несовместимость, что заметил еще Эйнштейн, когда говорил о неполноте квантовой механики. Напомню читателю, что нельзя путать специальную теорию относительности, главная идея которой относительность скоростей, и общую теорию относительности, утверждающую, что гравитация это искривление пространства-времени, которое тоже влияет на физические соотношения. Специальную теорию относительности удалось согласовать с квантовой механикой, когда была разработана квантовая теория поля. Именно благодаря этому разделу физики стало ясно, что силы – это обмен частицами.

Квантовая теория поля рассматривает все во вселенной, не как частицы, а как поля. Понятие поля в физике это основа, которой трудно дать определение, можно сказать, что это некая субстанция, которая имеет бесконечную протяженность в пространстве. Вся материя и все силы природы могут быть описаны в виде полей. Бозоны, постоянно кочующие между частицами материи, создают силовые поля. Но и фермионы, лежащие в основе материи можно описывать как небольшие возмущения, так называемых материальных полей.

Чтобы лучше представить себе понятие полей надо познакомимся с гипотезой Фейнмана, того самого, который предложил заменить понятие волны вероятности на концепцию бесчисленного множества траекторий частицы. Это предположение Фейнмана тоже не менее удивительно, и заключается оно в том, что античастицы – это частицы, движущиеся назад во времени. Чтобы понять, почему он пришел к такому заключению, нужно взглянуть на простые диаграммы, описывающие взаимодействия частиц (см. рис.25). Эти диаграммы сегодня повсеместно используются в физике элементарных частиц и называются в честь Фейнмана, который, кстати, и придумал их использовать. Линии на диаграммах изображают частицы. Соединение линий называют вершиной диаграммы, именно там происходит взаимодействие частиц. Стрелки в диаграмме показывают не движение частицы, а как протекает реакция. Если стрелка направлена от вершины диаграммы, значит данная частица это уже результат взаимодействия.

На первой диаграмме Фейнмана изображена аннигиляция электрона и позитрона. Они сталкиваются и превращаются в фотон. На второй показан электрон, испустивший фотон, этот процесс происходит, в частности, когда атомы вещества излучают свет. Так вот если сравнить первую диаграмму со второй, то вывод напрашивается сам собой, позитрон это тот же электрон, но только двигающийся назад во времени. А таким образом в виде диаграммы выглядит квантовая флуктуация (см. рис.26). В вакууме рождаются две виртуальных частицы и спустя мгновение, столкнувшись, умирают. Теперь согласно предположению Фейнмана о том, что позитрон это электрон, движущийся назад во времени, мысленно поменяйте у позитрона направление стрелки на диаграмме. Мы получим замкнутую времениподобную кривую, по которой движется электрон. Поэтому по предположению Фейнмана, квантовые флуктуации и временные петли, описываемые частицами, это одно и то же.

Развивая свои идеи он пошел дальше и предположил, что частица может иметь бесконечное множество траекторий движения не только в пространстве, но и во времени. Это значит, что в принципе, во вселенной может существовать только по одной частице определенного типа. Например, во всей вселенной имеется лишь один электрон, все остальные это он же сам только из другого времени, потому что само время для него нелинейно. Для нас частица, которая, по сути, является вечным путешественником во времени, будет казаться множеством частиц. Таким предположением можно объяснить и волны вероятности, и нелокальность частиц, и квантовые флуктуации в вакууме. Ведь, по сути, частица способна испытывать квантовую неопределенность не только в пространстве, но и во времени. Поэтому то, что мы наблюдаем как отдельные частицы, на самом деле может быть всего лишь суперпозициями одной и той же.

Фейнман был известен как большой энтузиаст и новатор. Его идеи намного опередили время, в частности, именно он первый предложил использовать нанотехнологии, еще за 20 лет до того как был придуман этот термин, а эти предположения о природе частиц в рамках квантовой механики до сих пор невозможно ни доказать ни опровергнуть. Однако такие представления дают возможность лучше понять главную идею квантовой теории поля, согласно которой, вполне правомерно считать, что все частицы являются чем-то единым или что вместо частиц существуют поля, с тем или иным уровнем напряжения. Где уровень напряжения высок, там, как нам кажется, мы наблюдаем частицу. В связи с принципом неразличимости и неопределенным квантовым поведением, можно уверенно говорить, что каждому типу частиц сопоставлено какое-то поле. Частица, это всего лишь элементарная составляющая поля или говоря физическим языком – единичный квант. При высоких энергиях она проявляет себя, но при низких ведет как колебание этого поля. Когда физики в своих расчетах переходят с полей на частицы, они называют это перенормировкой. Античастицы встраиваются в такую картину как естественные элементы, если представить что поле это плоскость, то частицы будут являться выступами, а античастицы углублениями (см. рис.27.1). В случае если выступ и углубление наложить мы снова получим гладкую поверхность, таким образом, частицы и античастицы уничтожают друг друга при встрече, остается только их энергия в виде колебаний. Квантовые флуктуации тоже имеют куда более простое объяснение, рождающиеся на время из неоткуда частицы, рассматриваются как неизбежные колебания полей (см. рис.27.2). Все это, естественно, упрощенное объяснение, в действительности квантовые поля невозможно представить наглядным образом, взять хотя бы тот момент, что для их описания используется математика бесконечных измерений.

Еще одна причина, по которой физики переходят от частиц к полям состоит в том, что если изучать систему, используя частицы, приходится учитывать то, что фермионы постоянно поглощают и испускают бозоны, кроме того на частицы постоянно оказывается влияние со стороны квантовых флуктуаций. Виртуальные частицы, которые постоянно рождаются и умирают в вакууме, не могут не воздействовать на реальные частицы. Если учесть все эти факторы, то вычисления приведут к абсурдным бесконечным значениям. Однако с точки зрения квантовой теории поля поведение одной частицы становится неважным, ибо согласно ей каждый тип частиц можно представить лишь как проявление отдельного поля, тогда получается, что фермионы это проявления материальных полей, бозоны – силовых полей, а весь этот квантовый хаос всего лишь результат колебаний и взаимодействий этих полей. Таким образом поле помогает избежать бесконечностей в вычислениях, но самое главное это то, что поля, в отличие от волн вероятности частиц не вызывают противоречий со стороны специальной теории относительности.

Никогда не задумывались, что заставляет передвигаться электрический импульс со скоростью света, позволяя ему почти мгновенно огибать земной шар? Ток в проводах это направленное движение электронов, но, тем не менее, они движутся в проводе отнюдь не со скоростью света, их средняя скорость обычно не превышает 7 миллиметров в минуту, что очень медленно даже по привычным для нас меркам. Так почему же после того как мы подаем питание, за тысячу километров от источника мгновенно возникнет ток? Все дело в том, что со скоростью света движется электрическое поле и повсюду, где оно распространяется, вместе с ним свое медленное движение начинают электроны.

Электрическое поле это проявление электромагнитного, которое в свою очередь можно представить как квантовую совокупность виртуальных фотонов. Но внутри вакуума флуктуируют не только фотоны, но и другие частицы, следовательно, есть и другие поля. Таким образом, получается, что все реальные частицы это всего лишь проявления полей вырванные из вакуума. На самом деле электромагнитное поле не фундаментально, при высоких энергиях оно становится неразличимым проявлением электрослабого поля, которое так же при еще больших энергиях становится неразличимым проявлением электроядерного поля. В конце концов, все поля и материальные и силовые, в том числе гравитационные, должны быть проявлением единого поля. Их нынешнее разнообразие обусловлено несимметричностью вакуума, которая так сложилась в результате охлаждения вселенной после большого взрыва. Создать теорию, которая описывала бы это единое поле было заветной мечтой Эйнштейна, однако, похоже, эта мечта еще не скоро будет воплощена в жизнь, пока что квантовая теория поля не продвинулась дальше описания электрослабых полей.

Не хотелось бы сильно нагружать читателя терминами квантовой теории поля, но чтобы не запутаться в аналогиях я вынужден привести несколько из них. Итак, поскольку поля изучаются геометрическими методами, то они и получают математические названия. Силовые поля, в связи с особенностями их поведения, называют векторными (это не относится к гравитационным полям, которые по своим свойствам не соответствуют векторным полям). «Векторный» это значит имеющий направление, а для поля это означает, что оно может быть неоднородным, то есть в разной точке пространства будет иметь разную величину, поэтому все, что находится в таком поле, будет стремиться по направлению к его минимумам, соответственно, таким образом, и возникает силовое притяжение или отталкивание. В математические тонкости поведения силовых полей мы вдаваться не будем, скажу только то, что на основе исследований в квантовой теории поля и был впервые сделан вывод что силы, это обмен бозонами. Вакуумные поля, проявлениями которых являются скалярные частицы, собственно так и называют скалярными. В математике слово «скалярный» означает неизменяющийся в пространстве, это значит, что уровень вакуумного поля везде одинаков и может быть описан всего одной величиной.

Благодаря квантовой теории поля можно понять, что такое несимметричность вакуума и как она возникает, ведь эта теория позволяет не только описывать поведение частиц, но и их разделение на различные типы. Разделение типов частиц это результат взаимного влияния полей, происходит оно в основном за счет того, что с понижением температуры поля ведут себя по-разному. Например, уровень векторных полей уменьшается с понижением энергии среды, стремясь, таким образом, к нулевому уровню, то есть к вакууму. А вот вакуумные поля ведут себя совсем по-другому, при самой низкой энергии, они напротив, занимают ненулевой уровень (см. рис.28). Как раз из-за этого вакуум заполнен повсюду скалярными частицами.

Когда температуры среды падает, вакуумные поля теряют энергию, но при этом увеличивают свой потенциал, это и называют конденсацией вакуумных полей. Сей процесс нарушает симметрии между остальными полями, поэтому вакуум меняет свои свойства, разделяются фундаментальные силы и типы элементарных частиц. Чтобы понять каким образом это происходит, представим график конденсации вакуумного поля в трехмерном отображении, и пусть третьей осью будет показатель нарушения симметрии между частицами.

График получится в форме шляпы (см. рис.29). Теперь, чтобы продемонстрировать последствия конденсации, возьмем шарик и поставим его в центр шляпы на ее самое высокое место. Высота шляпы символизирует состояние энергии, а расстояние от центра символизирует уровень вакуумного поля. Когда шарик находится на верхушке, его энергия высокая, но состояние неустойчивое. Однако в таком положении симметрия системы не нарушена, потому что, с какой стороны на шляпу не посмотри, она будет выглядеть одинаково. Когда энергия падает до минимума, шарик оказывается на полях шляпы, то есть оказывается на определенном расстоянии от центра. Это значит, что уровень вакуумного поля становиться ненулевым, причем таким он отныне и останется, поскольку шарик находится в устойчивом положении. А так как шарик не может растечься по всему краю шляпы, то он остановится в какой-то одной точке на полях. Симметрия системы теперь нарушена, поскольку при вращении шляпы, она будет выглядеть по-разному из-за этого скатившегося шарика. Все это очень абстрактно, но более понятной аналогии нарушения симметрии вакуума не привести. Да собственно, и сами-то поля это всего лишь модели поведения элементарных частиц, истинная природа которых до сих пор покрыта мраком.

Механизм конденсации вакуумных полей в этой модели тоже содержит много неясностей, в частности не понятно, почему симметрия нарушилась именно таким образом. Но сильнее всего в полевую модель не укладываются гравитоны. Их не так просто изобразить в виде векторных полей, потому что, кроме того, чтобы быть колебанием поля, они должны еще и искривлять пространство-время, в котором это поле находится. Поля, соответствующие гравитонам в геометрии называется тензорными, и их невозможно корректно описать средствами квантовой теории поля. Квантовое вращение частицы определяет, какой тип поля она будет представлять, поэтому у гравитонов оно должно отличаться от остальных бозонов*. Если брать аналогию с поворотом головы, то гравитоны будут напоминать двуликого Януса (см. рис.30).

Есть много других причин, почему квантовая механика не совместима с гравитацией, описываемой общей теорией относительности. Например, концепция черных дыр в квантовой механике противоречива сама по себе. Если ничто не может покинуть черную дыру и даже свету это не удается то, как же тогда гравитация исходит от черных дыр. Согласно общей теории относительности нет никаких противоречий, ибо черная дыра появляется за счет того что пространство искривляется, а искривление пространства – это и есть собственно гравитация. Но с точки зрения квантовой теории гравитация это обмен гравитонами. Так же, как фотоны являются частицами света, гравитоны – должны быть частицами гравитации. И те и другие не имеют массы и всегда движутся со скоростью света. Но если фотоны не могут покинуть черную дыру, каким образом это удается гравитонам?

Не только по математическим, но и по логическим соображениям сложно совместить концепцию искривления пространства-времени с концепцией частиц-переносчиков сил. Даже если не касаться искривления из общей теории относительности, гравитоны все равно вызывают парадоксы в квантовой механике. Для понимания противоречия, которое они создают, приведу аналогию из области субъядерных масштабов. Вспомним, почему кварки не могут жить по отдельности друг без друга. Кварки обладают цветовым зарядом, который является источником сильной ядерной силы и заставляет их испускать и поглощать глюоны, частиц-переносчиков этой силы. Электромагнитная сила в свою очередь построена на обмене фотонами, которые никаких зарядов не имеют, следовательно, ничего не испускают и не поглощают. Фотоны спокойно перелетают от частицы к частице, поэтому электромагнитные силы передаются на любых расстояниях. Однако глюоны в отличие от фотонов  природа наградила цветовым зарядом, следовательно, по пути от кварка к кварку, они сами испускают глюоны, и чем дальше лететь, тем больше они самих себя испустят. Именно поэтому если кварки отдаляются, то притяжение между ними возрастет. А если случиться, так что один из кварков удалится слишком далеко, то энергии испущенных глюонов хватит на то, чтобы вырвать из вакуума виртуальные кварки, погасив их энергетическую задолженность, и таким образом составив компанию одиночке. Поэтому когда на ускорителе сталкиваются всего два протона, образуется множество новых адронов, совокупное число кварков в которых превышает исходное количество из столкнувшихся протонов.

Источником гравитации является масса или энергия. Фотоны не имеют массы, но обладают энергией и поэтому, согласно формуле E=mc², тоже подвержены гравитации. Однако получается, что и гравитоны, не имеющие массы, должны обладать энергией (частица не может существовать без энергии), следовательно, гравитоны переносящие гравитацию сами должны быть подвержены ей. Но тогда должна возникать ситуация сходная с той, которая не дает далеко улетать глюонам. Испущенный гравитон сам должен испустить другой гравитон, тот должен сделать, то же самое и так далее. Поэтому своими свойствами гравитация должна напоминать сильную ядерную силу, то есть увеличиваться с расстоянием, но она ведет себя наоборот, подобно электромагнитной силе. Гравитация реагирует на массу, а не на заряды, соответственно она не имеет ограничений по полярностям, и если бы она действовала как сильная ядерная сила, то все вещество во вселенной уже давно схлопнулось бы в черную дыру, или лучше сказать так, гравитация даже не позволила бы вселенной родиться в большом взрыве.

В физике проблему описания гравитации квантовой механикой не могут разрешить уже более 80 лет. Причиной может быть то, что и теория относительности, и квантовая механика, не самым фундаментальным образом описывают окружающий нас мир. Возможно, физика нуждается в кардинально новой концепции, которая совершит революцию в наших взглядах на природу, подобно тем переворотам, которые в свое время совершили Ньютон и Эйнштейн. Многие говорят, что теория относительности и квантовая механика лишили физику здравого смысла, показав, что в мире не может быть ничего абсолютного и определенного. Вполне вероятно, что новая теория должна быть еще более безумной для неподготовленного ума. Но это совсем не значит, что фундамент нашего мироздания слишком сложен для восприятия, скорее наоборот, это наш разум слишком сложен для его понимания.

следующая глава...