Физика времени

Чернин Артур Давидович

В такого рода рассуждениях мы опираемся на классическую механику и ньютоновский закон тяготения. А как обстоят дела в общей теории относительности, которая представляет собою обобщение классической механики вместе с законом тяготения?

Как это ни покажется на первый взгляд странным, обобщить закон сохранения энергии, дать его новую, более общую формулировку, подходящую для всех случаев, общая теория относительности не может. Препятствие возникает из-за того, что в полную энергию нужно включать, как и в классической механике, энергию тяготения. Но как вычислять энергию тяготения в общем случае, когда имеются тела, движущиеся в искривленном их собственным тяготением пространстве-времени, неизвестно. Точнее говоря,

энергию тяготения не удается определить и вычислить однозначным образом: можно предложить несколько различных рецептов вычисления, каждый из которых как будто разумен. Но все они ведут к различным результатам. Однозначно определить энергию можно лишь тогда, когда на больших расстояниях от тяготеющих масс пространство-время является неискревленным (как в специальной теории относительности). С другим, совсем особым примером, мы еще познакомимся чуть позже — это слабые гравитационные волны.

В вычислении энергии тяготения нужно каким-то образом учитывать не только потенциальную энергию тел, но еще и энергию самого поля тяготения. Поле же тяготения проявляет себя в общей теории относительности как искривление четырехмерного пространства-времени. Так что и самому пространству-времени приходится приписывать энергию, только неизвестно, как именно это делать.

Выходит, что энергия тяготение, подсказавшее когда-то закон сохранения энергии, теперь его же и разрушает. Ведь если энергия тяготения не определена однозначно, то, значит, нет и закона сохранения энергии.

Это затруднение в общей теории относительности — не просто какое-то вычислительное препятствие, которое пока что не удается преодолеть. В этом, скорее всею, отражается нечто принципиальное. Действительно, в обшей теории относительности время уже не абсолютно, как в классической механике. А раз так, оно совсем не обязано обладать однородностью — симметрией, которая порождает, по теореме Нётер, закон сохранения энергии. Если время в общем случае неоднородно, то в общем случае нет и закона сохранения энергии.

А время и в самом деле не обязано быть всегда и везде однородным. Как мы знаем, на его темп влияют физические условия, которые, вообще говоря, различны и в разных местах пространства, и в разные моменты времени. Это способно создавать неравноправность, неэквивалентность различных моментов, а с ними, следовательно, и неоднородность самого времени.

Обратимся к космологии. Начальная сингулярность, о которой мы говорили в главе 11, представляет собой особый, резко выделенный момент времени. Это естественный «нуль времени», и никак нельзя сказать, что другие моменты времени с ним равноправны. Но в неоднородном времени нет сохранения энергии — она просто не обязана сохраняться. Поэтому и начало космологического расширения, самый его старт, совсем не обязательно подчиняется закону сохранения энергии. То же относится и к сингулярности в будущем, если она допускается в конце процесса сжатия, способного сменить наблюдаемое сейчас расширение. «Уход» в эту конечную сингулярность тоже не обязан происходить с сохранением энергии.

Конечно, космологические сингулярности и иные возможные случаи неоднородности времени находятся очень далеко от «обычной» физики, от нашего непосредственного окружения. И вряд ли стоит специально предупреждать кого-либо, что общая теория относительности не отменяет запрета на вечный двигатель, который действовал бы в «обычных» условиях.

Итак, закон сохранения энергии поколеблен. Он лишился своей абсолютной универсальности. Но нужно помнить, что он покоился на концепции абсолютного однородного времени. А для нее, как мы хорошо теперь понимаем, нет никаких оснований.

Выше мы упомянули о хаосе, который воцарился бы в нашей жизни, не будь закона сохранения энергии. В жизни Вселенной закона нет. Законы природы не обязаны быть одинаковыми во все времена. Но это не означает всеобщего

хаоса в мире. Ведь эти законы изменяются не произвольно: существуют «законы изменения законов природы». Общая теория относительности дает этому замечательный пример.

И тем не менее крушение закона сохранения энергии оставляет равнодушными далеко не всех; примириться с этим не просто. Некоторые теоретики переживают этот факт столь остро, что даже решаются на возврат к абсолютному времени или, вернее, к абсолютному пространству-времени, как в специальной теории относительности. При таком подходе общая теория относительности заменяется другой теорией, в которой вместо искривленного пространства-времени вводится поле тяготения, существующее в неискривленном абсолютном пространстве-времени специальной теории относительности. В идейном плане это, конечно, шаг назад по сравнению с обшей теорией относительности. Но и, так сказать, в практическом смысле преимущества подобного подхода не очень ясны. Здесь еще спорить и спорить...

Кванты, волны, частицы

Общая теория относительности царит в той области физики, которая имеет дело с самыми большими телами природы и со всей Вселенной. В другой, противоположной ей по масштабам облает фундаментальных исследований, в физике микромира, господствует другая великая физическая теория XX века — квантовая теория. Она открыла новую, неожиданную грань взаимоотношений между временем и энергией. Это один из самых замечательных ее успехов, создавших основу для дальнейших достижений физики, а вслед за ними и техники наших дней.

Квантовая теория зародилась в 20-е годы, чуть позже теории относительности. Она возникла из стремления понять устройство атома, осмыслить законы его излучения. И прежде всего тот факт, что атомы излучают энергию не непрерывно, а отдельными порциями, квантами.

Другой не менее важный факт касается собственного поведения квантов света, излучаемых атомами. В своем движении, а также и при взаимодействии с другими атомами и частицами они проявляют два, казалось бы, несовместимых свойства. Они ведут себя, в зависимости от конкретных условий, то как электромагнитные волны, то как особые частицы. Стоит заметить, что тем самым получил разрешение давний спор в физике между теми, кто считал свет волнами (Гюйгенс), и теми, кто рассматривал его как поток частиц, корпускул света (Ньютон). Можно, оказывается, увидеть в свете и то и другое — он обладает свойствами и волн, и частиц. Кванты света получили специальное название фотонов.

Единство волновых и корпускулярных свойств обнаруживают не только фотоны, но также электроны, протоны, нейтроны — все частицы микромира и все физические поля. Каждой из частиц соответствуют свои особые волны, волновые поля, не сводящиеся к электромагнитным. А всем физическим волновым полям соответствуют свои частицы.

Вот экспериментальный пример двойственности свойств электрона. Пучок электронов определенной энергии направляется на кристалл, за которым ставится фотопластинка. Пройдя сквозь кристалл, электроны создают на фотопластинке типичную дифракционную картину с правильным чередованием светлых и темных колец (или полос). Эту картину нельзя понять иначе как на основе волновых представлений: она возникает из-за наложения волн, рассеянных каждым атомом кристалла.

Но с другой стороны, уже выйдя из кристалла, каждый отдельный электрон попадает на фотопластинку и дает почернение только в одном месте, в одном зерне фотоэмульсии. Значит, электрон ведет себя по-разному при взаимодействии с кристаллом и при взаимодействии с фотопластинкой. Когда происходит рассеяние на кристалле, он подобен волне, имеющей какое-то протяжение в пространстве, и охватывает сразу много атомов кристалла. А при попаданий на зерно эмульсии он действует как более или менее «точечная» частица, находящаяся строго в пределах этого зерна.