Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
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.
Конечно, такая двойственность свойств означает, что объекты микромира не являются в действительности ни волнами, ни частицами в обычном понимании. Они представляют собою нечто третье, чему в нашем повседневном опыте нет никакого подобия. И прежняя доквантовая физика «обычных» тел и «обычных» волн никаких такого рода двойственных свойств не знала.
Поведение микрочастиц регистрируется нашими приборами, которые сами являются «обычными» телами. И потому, извлекая сведения о микрочастицах, приборы сообщают нам результат измерения на одном из тех двух «языков», которые им только и доступны — либо на языке волн, либо на языке частиц. Дополняя результаты эксперимента, в котором данная микрочастица проявляла себя, скажем, как волна, результатами другого эксперимента, в котором она проявляла себя как частица, можно составить полную картину свойств этого объекта.
В каждом отдельном эксперименте микрочастица раскрывает себя не полностью. Но дело не сводится только к этому. Даже когда микрочастица проявляет себя, например, как частица, в ее поведении остается еще немало необычного. В классической механике состояние движения данной частицы полностью описывается и определяется двумя физическими величинами — координатой частицы в пространстве и ее скоростью (или импульсом). Для каждого момента времени координата и скорость имеют конкретное, вполне определенное значение*). В микромире это, как оказывается, совсем не гак. Микрочастица не может иметь сразу определенное значение координаты и определенное значение скорости (или импульса) — только одно из двух. Если определена координата, то скорость остается неопределенной. Если определена скорость, то неопределенной будет координата, и в этом последнем случае частица уже не может считаться точечной.
*) Нас интересует не внутреннее устройство частицы, а только ее движение как целого. Поэтому, как принято в классической механике мы можем считать ее точечной, рассматривать как материальную точку.
Именно эта особенность поведения микрочастиц обеспечивает существование атомов. Представим себе, что электроны двигались бы в атоме наподобие «обычных» частиц — по орбитам вокруг ядра, подчиняясь законам классической механики, как планеты вокруг Солнца. Поскольку такое движение не является равномерным и прямолинейным, каждый электрон должен — по законам классической электродинамики — излучать электромагнитные волны. При этом он терял бы свою энергию на излучение волн, и его орбита скручивалась из-за этого в спираль. По такой спирали он очень скоро должен был бы соскользнуть к ядру и упасть на него. Тогда и атом, любой атом в мире и все они вместе прекратили бы свое существование.
