Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Атом времени?
Фотоны, кванты света, рождаются благодаря излучению атомов и в разнообразных иных процессах, например при ускоренном движении электронов. Энергия фотонов оказывается при этом, естественно, различной. Существуют, или по крайней мере в принципе могут существовать, фотоны любых энергий — от очень больших до сколь угодно близких к нулю. Об очень больших энергиях говорить не будем (такие фотоны быстро исчезают, рождая другие частицы). Сейчас для нас интереснее всего то, что для энергии фотона нет нижней границы.
Но можно ли сказать то же самое и обо всех других физических величинах в мире частиц и квантов? Конечно, нет. Существуют физические величины, которые никогда не могут иметь значения, меньшие некоторого. Таков, например, электрический заряд. Если он имеется у какого-то тела или частицы, то его значение никогда не меньше (по модулю) некоторого предельно малого. Нижним пределом электрического заряда служит элементарный заряд, равный (по модулю) заряду электрона. И вообще: величина заряда всегда составляет целое число этих элементарных зарядов.
Электрический заряд не допускает, таким образом, беспредельного дробления. Разделить заряд электрона на части уже нельзя*). Тем же свойством обладают и некоторые другие величины. Например, момент импульса, если он отличен от нуля, не может быть меньше половины постоянной Планка. Свободный электрон обладает как раз таким минимальным моментом — он связан с его собственным вращением (спином), подобным вращению волчка вокруг своей оси. Момент любого тела или частицы равен целому числу этих минимальных моментов.
*) Единственное исключение — кварки, частицы, которые никогда не наблюдались в свободном состоянии, по отдельности; но и у них заряд не может быть сколь угодно малым — он не меньше (по модулю) 1/3 элементарного заряда.
А каковы в этом смысле свойства времени? Могут ли его отрезки принимать в различных физических явлениях сколь угодно малые значения? Или время состоит из отдельных кратких мгновений, которые не допускают уже дальнейшего дробления? В первом случае время было бы подобно энергии — для его отрезков не существовало бы нижнего предела. Во втором случае оно было бы похоже на электрический заряд и каждый его отрезок состоял бы из целого числа «элементарных мгновений» — атомов времени.
Физика — наука экспериментальная, и выбор между этими двумя возможностями может сделать только эксперимент. Что же известно сейчас об этом? Эксперименты указывают на то, что никаких свойств атомарности время не обнаруживает. Это проверено вплоть до длительностей порядка 10-27 секунд, о которых мы упоминали в самом начале главы 12. Для таких экспериментов недостаточно иметь атомные часы. Это эксперименты в области микромира и часами здесь служат сами микрочастицы (плюс приборы для регистрации частиц).
Об атомарности времени говорили и спорили еще мудрецы древности (см. главу 2). Что же касается атомарности пространства, то этот вопрос, может быть, и не имеет столь давней истории, но зато его живо обсуждали в последние десятилетия в связи с рядом острых проблем физики. В разные годы выдвигали гипотезы о некоторой минимальной или фундаментальной длине. До этой длины дробление пространственных масштабов, отрезков длины, может идти, как обычно, но на этой длине возникает нечто существенно новое. Либо деление далее вообще становится невозможным, либо начиная с этой длины и далее, к еще более мелким отрезкам, свойства пространства каким-то образом резко меняются.
В качестве фундаментальной длины предлагались по тем или иным соображениям величины 10-13, 10-15, 10-18, 10-35 метра. Судя по тому, что говорит сегодня эксперимент, первые три величины не могут уже претендовать на роль фундаментальной длины. Если такая длина и существует, то эту роль могла бы, возможно, играть наименьшая из приведенных величин. Она представляет собой числовое значение выражения, составленного из трех важнейших физических констант: скорости света в пустоте, гравитационной постоянной Ньютона и квантовой постоянной Планка. Не исключено, что и в самом деле это какое-то особое, выделенное значение длины, означающее принципиальную ограниченность тех представлений о пространстве, которые можно составить на основании современной физической науки.
Фундаментальной длине, если она существует, должен отвечать и определенный предельный промежуток времени. Если остановиться на четвертом из приведенных выше значений для длины, то соответствующий промежуток времени составит 10-43 секунд. Его получают просто делением этой длины на скорость света.
Не окажется ли эта исключительно малая длительность атомом времени? Если да, то это означало бы, что время течет не плавно и непрерывно, а отдельными одинаковыми «толчками», как кровь в артерии. Конечно, в обычных условиях, да и в условиях микромира эти толчки времени неразличимы из-за немыслимо малой их длительности.
Скажем еще раз, что судьей здесь может быть только эксперимент. Но сейчас не видно никаких путей проверки в реальном эксперименте атомарности времени. Она могла бы проявиться в экспериментах с микрочастицами, но для этого требуются частицы невообразимо больших энергий. Чтобы составить представление об этих энергиях, нужно снова обратиться к соотношению неопределенностей. Добиться необходимой точности измерения времени, сократить неопределенность его значения до 10-43 секунд можно лишь при энергии микрочастицы порядка 109 джоулей. Но даже на самых мощных ускорителях элементарных частиц — существующих и строящихся — можно получить в лучшем случае лишь миллиардную долю этой энергии. Уже сейчас ускорители оставили далеко позади по своим размерам (и стоимости) все остальные инструменты экспериментальной физики. Но ускоритель, способный довести энергию частиц до 109 джоулей, не удастся построить никогда. Для этого просто недостаточно энергетических ресурсов, которыми мы располагаем на Земле.
Не перестает ли физика быть наукой экспериментальной?
Время в самом начале
К счастью, грандиозный эксперимент со сверхвысокими энергиями произвела для нас сама природа. Это космологическое расширение. Изучая Вселенную, самую большую физическую систему, мы можем, по-видимому, узнать о том, как протекают физические явления в очень малых временных и пространственных масштабах. Ведь сама Вселенная была когда-то всего лишь... точкой.
Мы рассказывали в главе 10 о космологической теории Фридмана, которая предсказала общую нестационарность Вселенной. Эта теория описывает нынешнее состояние космологического расширения, восстанавливает для нас прошлое Вселенной, указывает направление ее развития в будущем. Самый удивительный из выводов космологии касается ранней истории Вселенной. В далеком прошлом все вещество Вселенной было сжато до исключительно высоких плотностей. С помощью теории Фридмана можно, мысленно двигаясь назад по времени, проследить состояния все больших и больших плотностей. И зайдя достаточно далеко в прошлое, приблизительно на 15—18 миллиардов лет, мы обнаруживаем, что плотность достигает неограниченно большого, бесконечного значения. Бесконечной плотности соответствует объем, равный нулю. Значит, в этот момент вся Вселенная была сжата в точку. Это состояние космологической сингулярности.
Но можно ли применять теорию Фридмана непосредственно вблизи сингулярности и в ней самой? Ведь эта теория, как и общая теория относительности, из которой она исходит, не учитывает законов квантовой физики. Квантовые эффекты и в самом деле слишком малы, и ими вполне можно пренебречь, когда рассматривается современное разбегание галактик. Они пренебрежимы и для прошлого Вселенной — во все 15 или 18 миллиардов лет, но кроме самых первых мгновений расширения мира. В эти начальные моменты развитие Вселенной управлялось квантовыми законами.
