Физика времени
Шрифт:
Рассматривая состояния, все более и более близкие к сингулярности, мы видим, что одна из наших величин — время — неограниченно убывает. Но если речь идет о промежутках времени, стремящихся к нулю, то, значит, и неопределенность в длительности этих промежутков тоже стремится к нулю. Что же происходит при этом с энергией? Неопределенность в ней тем больше, чем меньше неопределенность во времени. Поэтому квантовая неопределенность энергии должна неограниченно расти, стремясь к бесконечности, когда время стремится к нулю. Ясно, что бесконечностью ни в каком случае нельзя пренебрегать. И, таким образом, важность квантовых эффектов на самых первых этапах расширения становится очевидной.
Мы пришли к этому заключению, рассуждая о времени и энергии. Но подобное рассуждение
Мы видим, что теория космологического расширения должна быть наполнена новым содержанием вблизи сингулярности: физические явления во Вселенной и, прежде всего, само ее расширение имели тогда существенно квантовый характер. Но что же в действительности происходило у «нуля времени»?
Увы, об этом остается пока что только строить предположения. Ведь чтобы основательно судить о самом раннем этапе эволюции Вселенной, нужно располагать теорией, которая объединяла бы в себе и общую теорию относительности, и квантовую теорию. Важность квантовых явлений мы доказали. Важность эффектов общей теории относительности сама по себе очевидна: в сверхплотном веществе исключительно сильны и поля тяготения. Единственная последовательная картина синтеза обеих теорий достигнута для гравитационных волн; но в них поля тяготения считаются слабыми. Квантовой теории сильных полей тяготения до сих пор нет — а именно она и нужна для исследования ранней Вселенной.
Мы не знаем, какой окажется эта теория будущего. Единственно, что мы можем делать сейчас, — это стараться угадать какие-то ее черты, строить правдоподобные рассуждения, пусть и не строго доказательные. В последнее время высказаны интересные соображения такого рода, которые заслуживают того, чтобы о них, хотя бы и очень кратко, рассказать.
Прежде всего, многие физики сходятся на той мысли, что учет квантовых явлений устранит сингулярность в теории Фридмана. Сингулярность должна, так сказать, «размазаться»): вместо исходной точки будет какой-то протяженный объем. О его размерах можно, по-видимому, судить по характерной длине порядка 10– 35 метра, о которой уже упоминалось. Эта ветчина возникает, как мы говорили, просто из комбинации трех физических констант — скорости света в пустоте, постоянной Планка и ньютоновской гравитационной постоянной. Но если теория будущего объединит в одно целое идеи относительности, квантовые законы и всемирное тяготение, то довольно разумно считать, что эти три составные части будут представлены в ней тремя названными физическими величинами. И если в каком-то физическом состоянии эффекты всех трех типов действуют в полную силу, то комбинации этих констант и в самом деле должны что-то значить. Эти комбинации получили название планковских «величин — они впервые встречаются в работах Планка. Кроме длины, среди величин такого рода имеются время порядка 10– 45 секунды, о котором уже упоминалось, и масса (порядка 10– 8 килограмма).
Из значений массы и длины можно составить еще одну планковскую величину — плотность. Она оказывается порядка 1097 кг/м3. Это невообразимо большая, но все же конечная величина. Если Вселенная в начальном состоянии действительно занимала объем с поперечником около 10– 35 метра, то эта плотность должна считаться ее начальной плотностью.
А что могло бы означать планковское значение времени 10– 45 секунд? Мы уже говорили о нем как об одном из кандидатов на роль «атома времени». В духе космологических соображений ее нужно, вероятно, понимать как квантовую неопределенность в моменте начала расширения. Этот мельчайший отрезок времени должен тогда рассматриваться как нерасчленимый — внутри него нельзя выделить какие-то отдельные
Начального нуля времени нет, нет и нуля размера. Вселенная начиналась как квантовая система, и квантовые неопределенности составляли самое существо ее исходных физических свойств. Так квантовая теория толкует смысл космологической сингулярности.
Из вакуума...
Соображения, которые мы только что изложили, не кажутся еще, пожалуй, слишком дерзкими. Гораздо дальше заходят рассуждения о самом происхождении мира. Квантовым свойствам времени (и пространства) в таких рассуждениях отводится ключевая роль. Другая исходная идея — представление о физическом вакууме.
Все физические тела погружены в вакуум, который, как стало теперь ясно, не назовешь просто пустотой. Под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни частиц, ни полей. Это состояние наименьшей возможной энергии. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения. В нем происходят, например, особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля. Но это не то поле, которое хорошо известно нам по разнообразным проявлениям; это не оно, а его, так сказать, «вакуумные корни». Эти колебания не вырываются из вакуума и не могут распространяться. Но они отчетливо проявляются в физическом эксперименте. (В частности, они влияют на взаимодействие между ядром и электронами в атоме и тем самым немного сдвигают линии в спектре излучения атома.)
Такого рода квантовые колебания есть не только у электромагнитного поля, но вообще у всех физических полей. Имеются и вакуумные колебания поля тяготения — «вакуумные корни» гравитационных волн. В эксперименте их не наблюдали, но они, несомненно, должны существовать: гравитационные волны и в этом смысле ничуть не хуже электромагнитных. Вакуумные колебания не могут распространяться, но в каждом данном месте они постоянно и нерегулярно колеблют уровень тяготения. А из-за этого, согласно обшей теории относительности, непрерывные изменения претерпевают и геометрические свойства пространства-времени. Они испытывают постоянное «дрожание». По этой причине, например, отношение длины окружности к радиусу колеблется около 2 — значения, которое оно имеет в евклидовой геометрии. Ясно, конечно, что эти колебания неуловимо малы, когда мы имеем дело с «обычными» длинами. Но чем меньше масштаб, тем эти «дрожания» геометрии заметнее. И в микромире они должны быть существенны.
То же относится и к времени. Идеально чувствительные часы, испытывая воздействие вакуумных колебаний тяготения, должны непрерывно и хаотично менять темп хода. Это означает, что и само время течет не вполне плавно. Его поток постоянно и нерегулярно колеблется, то ускоряя, то замедляя свое движение, и это происходит по-разному в разных местах и в разные моменты.
Державинское сравнение времени с рекой можно было бы продолжить и сказать, что течение в реке времен не спокойное и гладкое. По ней бегут волны; и, кроме того, река времен всегда бурлит. В обычном масштабе секунд, часов, дней это, конечно, совершенно неощутимо, но во временных масштабах микромира такое бурление времени составляет одну из важнейших его черт.
Помимо колебания полей в вакууме постоянно происходят и другие события. В нем все время рождаются и тут же исчезают частицы и античастицы. Они возникали парами: электрон с позитроном, протон с антипротоном... Вообще все возможные частицы, каждая в паре со своей античастицей, живут в вакууме своей особой беспокойной жизнью. Но они тоже — как и вакуумные колебания — не могут сами собой вырваться из него и начать независимое существование. Но если сталкиваются, скажем, два протона достаточно высокой энергии, то эти вакуумные пары частиц могут освободиться из вакуума. Тогда рождается целый «сноп» частиц, которые потом в вакууме не исчезают и живут уже независимо от него.