Вселенная в электроне
Шрифт:
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
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
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.