Как выглядит частица, когда на нее никто не смотрит.

 

Казалось бы, ответ очевиден — так же, как и в случае, когда ее наблюдают. Ведь частица существует сама по себе, независимо от того, смотрят на нее или нет. В физике, основанной на законах Ньютона, это действительно так, а вот в квантовой механике дело сложнее.

Чтобы подчеркнуть независимость от нашей личной точки зрения какого-нибудь утверждения, мы часто говорим, что это — экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, так сказать, «кусок» независящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты — это упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», независящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наш мозг, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его воздействием на наши органы чувств и их продолжения — физические приборы. Другими словами, мы всегда имеем дело как бы с отдельными «проекциями» внешнего мира. Слух дает нам его звуковую проекцию, зрение — его изображение в световых лучах. Физические приборы предоставляют нам еще более детальные и разносторонние срезы окружающей нас действительности. Однако, имея дело с проекциями, мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем. Каждый человек воспринимает мир по-своему. Бывает, что для одного происходящие явления — совершенно независимые между собой факты, а другой сразу усматривает их взаимозависимость.

Мир не существует точно в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс всегда зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не заметить некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только случайные подтеки и пятна, которые бы просто скользнули мимо его сознания.

Животные тоже слышат, видят и чувствуют внешний мир, зачастую значительно лучше нас, но воссозданная их мозгом картина окружающей обстановки ни в какое сравнение не идет с картиной мира в мозгу человека.

Хотя любое наше представление о мире является приближенным, по мере накопления и корректировки знаний оно постепенно уточняется и становится все менее зависящим от нашего мнения и наших личных точек зрения. Мы выделяем из воспринимаемых нами проекций, вылущиваем из них то, что не связано со способом наблюдений, и из этих очищенных элементов строим образ независящего от нас мира. Например, один прибор измеряет координату частицы, другой — ее скорость, а мы в уме или на бумаге строим единый график движения, с помощью которого в любой момент времени можем сразу узнать координату и скорость частицы. Физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» личного, или, как говорят философы, субъективного, элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и изучать явления в чистом виде, без всякого влияния наблюдателя. Физики были твердо уверены, что трудности на этом пути чисто технические, а не принципиальные. Образно говоря, каждый прибор — это невод, с помощью которого мы выуживаем знания из многоводной реки по имени Природа. И чем он тоньше и деликатнее, тем богаче улов.

Но вот в квантовой механике все оказалось по-другому. Поскольку у микрочастицы нет определенной траектории и она как бы размазана по всему пространству, нельзя одновременно узнать ее координату и скорость. Если мы определим точку, в которой находится частица, то в следующий момент она может находиться в любой другой точке, и мы не сможем вычислить ее скорость. Наоборот, мы можем знать скорость частицы, но тогда неизвестно ее местоположение. Какими бы деликатными и тонкими ни были приборы, они все равно не смогут одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Чем точнее измеряется одна из этих величин, тем сильнее «размазывается» вторая, и, как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других — скорость. Одна из этих величин обязательно остается неопределенной. Какая — это зависит от того, как ставится эксперимент.

Каковы бы ни были причины вероятностной размазки микроявлений, все физики согласны в том, что квантовая механика описывает не отдельную частицу саму по себе, так, как она есть, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к окружающему фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть — совсем на другом, и никогда все вместе. Спрашивать квантовую механику о том, каковы свойства микрочастицы самой по себе, безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат, — в каждой системе отсчета она своя.

В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения — свой пейзаж. Воплощенная в камне идея о том, что все в мире имеет много сторон и аспектов; все они ограничены и в чем-то даже противоречат друг другу. Однако это не мешает составить точное представление о всей композиции в целом и увидеть ее мысленным взором. Может, так и с микрочастицей — в современной квантовой механике она всегда связана с окружающим фоном, но в будущей теории, объединяя различные «приборные проекции», возможно, удастся получить ее точную, ни от чего постороннего не зависящую картину? Ведь считал же Эйнштейн, что физика не выполнит задачу объяснения мира до тех пор, пока не научится описывать частицы и происходящие с ними явления в чистом виде, независимо от всех внешних обстоятельств! Если так, то квантовая механика — только переходный этап, временные строительные леса на пути к такой «очищенной» теории, и главная задача физиков — поскорее создать эту теорию.

 

Еретики и правоверные

 

До сих пор ученым всегда удавалось разделить мир на относительно независимые этажи-уровни. Уровень космических явлений, охватывающий галактики и звездные скопления, уровень макроскопических масштабов, к которому принадлежим мы сами, еще более глубокие этажи биологических и химических процессов — каждый из них управляется своими особыми законами и каждый можно с достаточной точностью рассматривать независимо от других. Перемешивание законов происходит в узких пограничных областях, где возникают такие гибридные науки, как биофизика, физическая химия и так далее. Однако природа может быть устроена таким образом, что простое деление на этажи в микромире становится уже невозможным, и, как бы глубоко в недра материи мы ни спускались, происходящие там явления всегда будут связаны с этажом макроскопических процессов. В этом случае любая теория «заквантовых явлений» будет похожа на современную квантовую механику.

Надо сказать, что большинство ученых, физиков и философов склоняются к мысли, что именно так и будет. Лишь небольшое число еретиков убеждены в том, что за кулисами квантовой механики скрыта чисто микроскопическая «заквантовая» теория, которую с высокой точностью можно рассматривать независимо от макроскопических тел и явлений. Объекты микромира, подчеркивают эти физики, настолько сложны и многогранны в своих свойствах, что привычных нам образов мира макроскопических вещей и процессов просто недостаточно для их описания. Это похоже на то, как если бы с помощью букв и нотных, знаков пытаться передать глухому человеку всю прелесть музыкального произведения или пытаться с помощью плоских чертежей рассказать о форме и строении многомерных фигур. С помощью ньютоновской физики можно передать лишь отдельные срезы того, что происходит в микромире. «Заквантовая» теория должна описывать субатомные явления с помощью каких-то сложных математических образов. Правда, как построить такую теорию, пока никто не знает.

Как известно, наряду со многими добродетелями благородный и доблестный герой романов Дюма о трех мушкетерах Портос обладал такой необычайной спесивостью, что не разрешал портным касаться своей особы, и, для того чтобы сшить костюм, им приходилось снимать мерки с его изображений в зеркалах. При изучении микромира физики встречаются с похожей задачей: наблюдая макроскопические отражения того, что происходит в микромире, они хотят создать точный образ микроявлений. У портных не было сомнений в том, что зеркала точно отражают фигуру благородного мушкетера, а вот можно ли для микромира сшить «костюм», не зависящий ни от каких зеркал, — этот вопрос остается пока открытым. Для ответа нужны дальнейшие исследования, и прежде всего новые эксперименты. Голосованием научные проблемы не решаются, и, кто знает, может, преобладающие сегодня в меньшинстве еретики как раз и окажутся правыми.

Мы преодолели трудный теоретический барьер и можем судить, какие сложные проблемы, на грани физики и философии, стоят перед квантовой механикой. И если здесь не все сразу понятно, не стоит огорчаться, ведь, как утверждает Фейнман, по-настоящему квантовую механику пока не понимает никто. Во всяком случае, до полной ясности здесь еще далеко!

Физика очень тесно связана с философией. И чем сложнее и абстрактнее физическая теория, тем более важной становится эта связь. В переводе с греческого «философия» означает «любомудрие». Впервые философом назвал себя Пифагор, тот, кто открыл знаменитую теорему о прямоугольном треугольнике. Когда его однажды спросили, кто же он такой, Пифагор гордо ответил: «Я философ!»

Есть ли предел делимости тел, что такое конец и начало мира, глубинный смысл пространства и времени, можно ли точно изучить мир с помощью приближенно работающих органов чувств и приборов — эти и многие другие обсуждавшиеся выше проблемы принадлежат одновременно и физике и философии. Слагаясь, они образуют то, что называется мировоззрением человека.

До конца главы мы совершим еще несколько дальних плаваний по океану неизвестного, и каждый раз физика будет соседствовать с философией.

 

Время, текущее вспять

 

Формулы теоретической физики подсказывают, что если бы удалось создать генератор лучей, обгоняющих свет, мы смогли бы высвечивать цепочки уже свершившихся событий в обратном направлении — от настоящего в прошлое. Что мешает создать такой «хроноскоп истории» — только лишь наше неуменье, недостаток знаний или же этому препятствуют какие-то фундаментальные физические законы? Физика XX века приучила нас к мысли о том, что многое из считавшегося ранее принципиально недопустимым все же может происходить в каких-то особых, специфических условиях, тем более что опыты на ускорителях частиц обнаружили явления, где противопоставление прошлого и будущего неоднозначно. Может, каким-то образом все же удастся создать машину времени хотя бы для микроявлений?

В старой ньютоновской физике показания часов не зависели ни от скорости их движения, ни от каких-либо других причин. Время там течет безучастное ко всему происходящему в мире. Для Ньютона было очевидным, что часы на башне собора и в движущемся дилижансе всегда показывают одно и то же время.

Иначе ведет себя время в современной физике быстро движущихся тел. Стрелки перемещающихся часов идут медленнее неподвижных, их отставание будет тем заметнее, чем больше скорость движения. Правда, даже для космических кораблей, пересекающих сегодня просторы космоса, отставание времени еще очень незначительно и станет ощутимым, когда их скорости возрастут, по крайней мере, в несколько сотен раз. Но вот в мире элементарных частиц эффект замедления времени весьма заметен. Например, время жизни неподвижного мю-мезона около миллионной доли секунды, ничтожный миг; далее мезон распадается на более легкие частицы. Однако быстрый мю-мезон, рожденный космической частицей в высотных слоях атмосферы, становится долгожителем. Он живет так долго, что успевает пройти сквозь всю толщу воздуха и распадается лишь глубоко под землей. Пользуясь эффектом замедления времени, физики транспортируют пучки ускоренных короткоживущих частиц на большие расстояния. Подобная аппаратура есть во многих физических лабораториях.

Если движется не только наблюдаемое тело, но и сам наблюдатель, то его скорость тоже влияет на длительность событий. Например, продолжительность происходящего с телом процесса будет различной в зависимости от того, наблюдают его с космодрома или из иллюминаторов стремительно летящей ракеты, — ведь относительная скорость тела и наблюдателя в этих случаях будет отличаться. Однако порядок происходящих событий, то есть какое из них совершается раньше, а какое позднее, во всех случаях остается неизменным. Выбором системы координат, движущейся или неподвижной, можно сократить или, наоборот, растянуть длительность события, но направление времени изменить нельзя. Оно так же неизменно, как в старой ньютоновской физике медленно движущихся тел.

Переходить от движущейся системы координат к другой, тоже движущейся или неподвижной, умел еще Галилей. Выведенные им для этого формулы так и называются — преобразования Галилея. Сегодня с ними знаком каждый старшеклассник. Но они применимы лишь для небольших скоростей, много меньших скорости света. Формулы преобразований для быстрых движений были выведены в начале нашего века швейцарцем Эйнштейном, французом Пуанкаре и голландцем Лоренцем. Вывод этих формул и правила обращения с ними составляют содержание специальной теории относительности. Само название этой теории говорит об относительности физических величин, об их зависимости от выбора системы координат, а эпитет «специальная» отмечает тот факт, что рассматривается частный случай движений в плоских, неискривленных пространстве и времени. Этим случаем мы и ограничимся.

Теория относительности прекрасного согласуется с экспериментом и является фундаментом современной физики. Самые тщательные опыты не обнаружили никаких отклонений от ее формул.

Для последующего нам очень важно иметь в виду, что хотя теория относительности создана на основе «досветовых явлений», протекающих со скоростями, меньшими или равными скорости света, в ее формулах нет никаких условий или ограничений, запрещающих их применение в «засветовой области» — при сверхсветовых скоростях. И вот тут обнаружилась замечательная особенность этих формул: они приводят к выводу, что в процессах с участием «сверхсветовых тел» от скорости зависит не только длительность, но и сам временной порядок событий. Совсем не так, как в досветовой области! Пилот одной ракеты скажет, что событие А произошло раньше события Б, а пилот второй ракеты, движущейся с иной скоростью, увидит их в обратном порядке. Время для этих наблюдателей будет идти в противоположных направлениях. То, что для одного — прошлое, для другого — будущее. Это похоже на то, как если бы в кино прокрутили пленку в обратном направлении. И нельзя указать, какое направление времени истинное, так же, как нельзя сказать, какая сторона является правой, а какая — левой. Для меня — это правая, а для стоящего лицом ко мне человека — левая. И мы оба правы — относительность!

Зависимость сверхсветовых явлений от времени разительно отличается от того, к чему мы привыкли в «досветовом мире». В процессах, протекающих быстрее света, подходящим выбором системы координат можно обратить время вспять. Получается, что сверхсветовые частицы — это объекты, свободно путешествующие во времени. Давняя мечта писателей-фантастов!

Но вот существуют ли в природе такие частицы? Как и где следует их искать? И вообще, не приводит ли предположение о сверхсветовых скоростях к противоречию с другими положениями современной физической теории, ведь не все же гипотезы физиков реализуются в природе… С другой стороны, если сверхсветовых скоростей в природе нет, то почему? Может, за этим прячется какой-то новый физический закон?

 

Факты и предположения

 

Недавно мне попал в руки научно-фантастический роман С. Снегова «Люди как боги». Там звездолеты летают с любыми скоростями — в пять, десять, сто раз быстрее света! Среди созвездий они ведут себя, как грузовик на узкой улице, — развернулся в созвездии Персея, задним ходом углубился в соседнее шаровое скопление, оттуда устремился в созвездие Плеяд… Феерическая картина! А собственно, почему это невозможно?

Правда, в любом учебнике физики можно найти утверждение о том, что в природе существует некоторая максимальная скорость. Это скорость света в вакууме. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Однако это всего лишь — постулат, теоретическая гипотеза. То, что в экспериментах еще никогда не встречались сверхсветовые скорости, нельзя рассматривать, как их стопроцентный запрет, — не встречались при одних условиях, могут встретиться при других. Пока не найдены законы, которые это запрещают, вопрос остается открытым.

Большинство физиков склоняются сегодня к мнению, что сверхсветовых скоростей в природе нет, тем не менее вопрос продолжает их беспокоить. В научных журналах нет-нет да и снова вспыхивает дискуссия о сверхсветовых явлениях. Мой аспирант составил список статей по этой проблеме, их оказалось более полутора тысяч! И основная часть появилась в последние десять — пятнадцать лет.

Действительно, что ограничивает скорость движения? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению со скоростями, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. От Солнца к Земле свет бежит около восьми минут, а чтобы получить сигнал и отдать команду аппарату, исследующему окраинные планеты Нептун, Плутон и Уран, нужны десятки минут. Неужели нельзя передвигаться и передавать информацию быстрее?

Чтобы разобраться в этих сложных и во многом еще неясных вопросах, познакомимся сначала со свойствами, которыми должны обладать сверхсветовые частицы и состоящие из них тела. Это поможет выявить трудности, к которым приводит гипотеза сверхсветовых движений, и подскажет, где можно заметить такие движения.

 

Зазеркалье скоростей

 

Частицы, движущиеся со скоростями, большими скорости света, принято называть тахионами — от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить их свойства можно будет после того, как такие частицы откроют на опыте. Однако некоторые их особенности можно предсказать теоретически на основе уже известных физических законов. Один из них — взаимосвязь массы и скорости частицы.

При обычных условиях эта взаимосвязь чрезвычайно слабая, и мы ее просто не замечаем. Однако если скорость тела становится сравнимой по своей величине со скоростью света, масса тел начинает возрастать. Это явление было открыто в конце прошлого века в опытах с электронами. При увеличении скорости быстро движущееся тело становится все тяжелее, и дальнейшее увеличение скорости требует затрат все большей и большей энергии. Это явление называют световым барьером. Приближаться к нему так же трудно, как подниматься в крутую гору путнику, имеющему за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъема. Чтобы достичь скорости света, разгоняя какие-либо частицы, например, легкие электроны, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии.

Казалось бы, это исключает всякие надежды на открытие сверхсветового вещества. Долгое время так и считали. Однако если посмотреть внимательнее, то можно заметить, что на самом деле отсюда вытекает лишь невозможность превращения обычных, досветовых частиц в тахионы путем непрерывного увеличения скорости. Подобно тому как нейтрино и фотоны уже при самом их рождении обладают световой скоростью, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента их появления в процессах взаимодействия. Это означает, что тахионы — частицы совершенно нового типа. Они никогда не переходят через сверхсветовой барьер на нашу досветовую сторону. Они рождаются, живут и исчезают в процессах распада и поглощения, всегда обладая скоростью, большей скорости света. Впервые на это обстоятельство лет двадцать назад обратил внимание советский физик Я. П. Терлецкий. Это поставило проблему тахионов на твердую почву. После этого, собственно, и начались серьезные исследования их свойств.

Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, — при ее уменьшении. Если на классной доске провести мелом вертикальную линию и считать, что это — световой барьер, то слева будет область досветовых частиц, справа — область тахионов. На самом барьере масса и энергия бесконечно велики, при удалении от него вправо и влево они уменьшаются. Световой барьер напоминает энергетическую горку со спусками в сторону меньших и больших скоростей. Теряя энергию, обычная частица замедляется, тахион, напротив, ускоряется! Шарик из тахионного вещества, скатываясь с горки, не ускоряется, а тормозится. Падающее сверху тахионное облако тоже будет тормозиться — спускаться, как на парашюте. Тахионное яичко, упав с высокого стола, не разобьется, а плавно, как перышко, ляжет на пол. Зато сверхсветовая пуля под действием сопротивления воздуха должна, как это ни удивительно… разгоняться! И ружья не требуется, надо только тихонько толкнуть тахионный шарик в нужном направлении, а дальше он сам разгонится.

По сравнению с обычными, кинематические свойства сверхсветовых частиц оказываются буквально вывернутыми наизнанку!

Мир тахионов — своеобразный антимир скоростей, своего рода Зазеркалье. Зазеркалье скоростей.

Однако этим дело не кончается, у сверхсветовых частиц есть еще несколько удивительных особенностей.