Аннотация

Эта брошюра о машине времени, и не только о ней, а больше о физике и ее возможностях в изучении такого сложного понятия, как время. Оказывается, заглянуть в прошлое можно уже сегодня, и это успешно делают астрономы принимая, например, свет, далекой звезды идущий до нас миллиарды лет. Так как же смотрит физика на принципиальную возможность создания машины времени? Как она может быть устроена? Об этом в интересной и очень доступной форме рассказывает автор выпуска. Брошюра рассчитана на широкий круг читателей

 

Станислав Николаевич Зигуненко

Как устроена машина времени?

 

К читателю

 

«В этом то и заключается зерно моего великого открытия. Вы совершаете ошибку, говоря, что нельзя двигаться во Времени…» – так утверждает Путешественник во Времени из известного романа знаменитого английского фантаста Герберта Уэллса «Машина времени». «…А теперь обратите внимание на следующее: если нажать на этот рычажок, машина начинает скользить в будущее, а второй рычажок вызывает обратное движение. Вот седло, в которое должен сесть Путешественник во Времени. Сейчас я нажму этот рычаг – и машина двинется…»

С помощью своей машины Путешественник, как вы наверное помните, смог перенестись на сотни тысяч лет в будущее.

Ну а как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня? Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что раньше казалось совершенно не реальным, сегодня становится обыденностью.

А все же, что нужно, чтобы построить машину времени? Когда этого можно ожидать? Как далеко продвинулась здесь наука? – одни сплошные вопросы, которые можно продолжать и продолжать. Но главным среди них будет конечно «что такое время?» Ведь чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени, научиться им управлять. И именно с этого‑то все трудности и начинаются…

«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время». Эти слова, сказанные много веков назад философом Августином Блаженным, верны и в наши дни.

И все‑таки дело не столь безнадежно, как может показаться сначала. Современная наука знает о сущности времени не так уж мало. Более того, ей известны некоторые виды «машин времени», которые издавна существуют в природе.

Как именно они работают? Какую практическую пользу мы можем иметь от них? Насколько правы в своих предположениях фантасты?.. Об этом и пойдет речь ниже.

 

Спираль или прямая?

 

Еще тысячелетия назад наши предки как‑то осознали время силою своего разума и воображения, дали ему имя и даже научились его измерять. И как теперь выясняется, обретенные ими знания вовсе не бесполезны для нас сегодня.

 

 

Истины древних

 

Если современному человеку задать вопрос: «Как течет время?», то большинство из нас скорее всего уподобит его некой реке, текущей из будущего в прошлое и никогда не поворачивающей свои воды вспять.

А вот древние греки так не считали. «Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно». Эта точка зрения, принадлежавшая современнику Гераклита философу Проклу, продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ней окончательно разделаться. И все выгоды такого столь наглядного представления о времени нам, пожалуй, не мешало бы детально обсудить.

Конечно, древние во многом и ошибались. Так, скажем, длительность «великого года», то есть одного кольцевого цикла, согласно Платону, исчислялась в 36 тысяч лет. Сегодня мы знаем, что это не так. Что, впрочем, не мешает нам соглашаться с другим изречением великого мыслителя: «…мы не смогли бы сказать ни единого слова о природе Вселенной, если бы никогда не видели ни звезд, ни Солнца, ни неба. Поскольку же день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной».

Ну а тем, кто интересуется взаимосвязью окружающего нас мира и времени, позвольте напомнить слова еще одного ученого античности – Лукреция. В своей обширнейшей, полной всяческих сведений поэме «О природе вещей» он, в частности, пишет:

 

«Также и времени нет самого по себе, но предметы

Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершалось,

Что происходит теперь и что воспоследует позже.

И неизбежно признать, что никем ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел и покоя…»

 

Но все‑таки как оно движется, это самое время, по прямой или по кругу?

– А никак! – решил этот вопрос известный в древности любитель парадоксов Зенон Элейский. – Движения в мире нет…

И в подтверждение своего утверждения высказал апорию (т. е. загадку) «Стрела», дошедшую до нас в пересказе Аристотеля.

Как мы представляем себе полет стрелы? Ее движение – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах. Но мы ведь с вами живем мгновениями. Ну а коли так, значит, в любое определенное мгновение стрела находится в определенном, единственном положении. Она находится в данном месте точно так, как если бы она покоилась здесь всегда. А значит, полагал Зенон, ее никоим образом нельзя отличить от другой стрелы, которая действительно покоится в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от покоящейся, значит, никакого движения и не существует…

Это умозаключение вызвало большие толки в научном мире Благодаря им имя Зенона оказалось не затерянным в веках. Даже современные ученые так и не могут однозначно определить свое отношение как к самому Зенону, так и к его апориям. Одни считают, что знаменитая апория оказала громадное влияние на развитие науки. Другие же полагают, что то очень старая и… глупая проблема.

А пока вы будете определять свое собственное отношение к Зенону и его загадкам, позвольте сказать следующее. Зенона нужно поблагодарить уже за то, что он заставил ученых пристальнее всматриваться в окружающий мир, поставил вопросы, задевавшие за живое, и в конце концов позволил продвинуть науку дальше. А она, в свою очередь, дала ответы на многие вопросы, в том числе и на вопрос: «Время движется по окружности или по прямой?»

Аристотель, назвавший Зенона первым диалектиком, в стиле диалектики и ответил на этот вопрос. Он объединил круг и прямую – получилась спираль. Правда, Аристотель не предлагал свое изобретение в качестве нового образа времени. Но спираль соединяет воедино то, что раньше казалось несопоставимым, что противопоставлялось друг другу, когда говорили о наглядном представлении времени.

Таким образом, наука о времени получила новый образ, физическое толкование которого предстояло найти последователям античных мыслителей.

 

 

Время Галилея и Ньютона

 

Натиск инквизиции на много веков приостановил материалистическое познание мира. Лучшие представители человечества, подобно Джордано Бруно, горели за свои идеи на кострах, подобно Галилею, подвергались унизительной процедуре отречения от ереси.

Но истину все же не удалось удержать в темницах. Пожалуй, самое значительное научное достижение эпохи Возрождения – учение Коперника. Начав с попыток усовершенствования геоцентрической системы Птолемея, полагавшего, что в центре Вселенной находится Земля, он в конце концов пришел к идее системы гелиоцентрической: Земля, как и все другие планеты, вращается вокруг Солнца.

Это был поворот от церковной догмы к научным взглядам на природу. Новая система мировоззрения дала толчок к развитию небесной механики Галилея и Ньютона. А это, в свою очередь, послужило отправной точкой к созданию первой научной теории времени.

Глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. Например, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, с полным основанием может считать, что книга, лежащая на его столе, находится в состоянии покоя. В то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а значит, у него есть все основания считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль.

Так движется ли в самом деле книга или покоится? На этот вопрос нельзя ответить однозначно. Ответ зависит от точки отсчета. Если мы примем точку зрения путешественника, то книга находится в покое. Если будем рассматривать ситуацию с точки зрения стоящего на берегу, то книга, конечно, движется.

Таким образом, из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейно и равномерно – нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь свалиться поближе к корме. Надоедливого же шума мотора во времена Галилея не знали – паруса работали бесшумно…

Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, как помните: движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить. Очень образно этот парадокс описал А. С. Пушкин:

 

«Движенья нет, сказал мудрец брадатый.

Другой смолчал и стал пред ним ходить.

Сильнее бы не мог он возразить;

Хвалили все ответ замысловатый.

Но, господа, забавный случай сей

Другой пример на память мне приводит:

Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,

Однако ж прав упрямый Галилей».

 

Тот же Галилей определил и силу, которая объединяет тела, находящиеся в абсолютном и относительном покое, – это сила инерции. Она никак не проявляет себя, пока тело действительно покоится или находится в равномерном прямолинейном движении. Но стоит лишь чуть притормозить его или заставить двигаться криволинейно, как тотчас начинает проявлять себя ускорение. Мы по инерции, т. е. за счет ее силы, как бы стараемся восстановить утраченный покой.

С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, введенными его предшественником, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело.

Однако чтобы сделать эту связь полностью определенной, чтобы от слов перейти к формулам, Исааку Ньютону пришлось ввести новое понятие – массу. Тогда и родился знаменитый закон:

 

F = ma.

 

Его называют вторым законом Ньютона. Первым же считается закон инерции, который по справедливости надо бы считать законом Галилея, Ньютон лишь уточнил его формулировку. И наконец, третий закон утверждает равенство действия и противодействия.

Итак, три этих закона навели порядок в нашем представлении об окружающем мире. Однако Ньютон на том не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Такой силой оказалось гравитационное воздействие, производимое введенной им массой тела: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Причем закон одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте – камню на Земле или планете во Вселенной.

Так родилась классическая механика Ньютона – Галилея, с помощью которой удалось объяснить до мельчайших деталей движение планет, явление океанских приливов, вызываемое тяготением Луны, движение камня, брошенного под углом к земному горизонту, и вращение искусственного спутника.

Однако, чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия без пространства.

Измерять время, конечно, хотелось бы идеально точными часами, ход которых не зависел бы от происходящих вокруг событий. Такие ритмично идущие часы называют инерциальными, так как их показания не зависят от того, действительно ли они находятся в покое или все участвуют в движении – прямолинейном и равномерном. Помните, мы говорили о путешественнике, который по опыту, проведенному в закрытой каюте, не может определить, движется он или находится в покое. Так и по инерциальным часам, находящимся в этой каюте, нельзя выявить какие‑либо отклонения по отношению к часам, идущим на берегу. Все инерциальные часы показывают некое абсолютное время, ход которого всегда одинаков для всей Вселенной.

Это понятие абсолютного времени, введенное в механику Галилея – Ньютона в качестве аксиомы, стало краеугольным камнем фундамента, на котором покоится здание классической физики. «Абсолютное, истинное математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему‑либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью». Такое определение ему Ньютон дает в самом начале своих знаменитых «Начал», отделяя его от того времени, которое показывают реальные часы с их отнюдь не идеальной точностью. Об этом времени Ньютон говорит с легким налетом иронии, наделяя его эпитетом «обыденное».

 

 

Абсолют времени и пространства

 

Вообще И. Ньютон был не очень высокого мнения о творении Господа Бога. (Хотя не забывайте, что великий физик был глубоко верующим человеком, за ним значатся и труды в области теологии.) Но это, впрочем, не мешало ему оставаться критичным, строго придерживаться фактов, когда дело касалось не потустороннего, а реального, физического мира.

«Возможно, что не существует (в природе) такого равномерного движения, – писал он, – которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не' может. Длительность или продолжительность существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли, или их совсем нет».

' Но зачем тогда Ньютону понадобилось понятие абсолютного времени, которое повлекло за собой и понятие абсолютного пространства, то есть не имеющего границ, всюду и везде одинакового по своим свойствам, вмещающего в себя все природные тела и дающего место всем природным явлениям?.. Для удобства решения задач той же практики.

Как писал в одной из своих статей Альберт Эйнштейн, «цель Ньютона заключалась в том, чтобы дать ответ на вопрос: „Существует ли простое правило для полного вычисления движений небесных тел нашей планетной системы по заданному состоянию движения всех этих тел в один определенный момент времени?“ И Ньютон дал простой ответ на этот вопрос. Но для этого ему пришлось абстрагироваться от всего случайного и мелочного, то есть от реальности перейти к идеалу, иначе он попросту бы запутался в мелочности реальных поправок. И его теория верой и правдой служила практике многие десятки лет, пока не появилась теория относительности.

 

 

Все в мире относительно

 

«Счастливый Ньютон, счастливое детство науки… Природа была для него открытой книгой, которую он читал без усилий. Концепции, которыми он пользовался для упорядочения данных опыта, кажутся вытекающими самопроизвольно из самого опыта, из замечательных экспериментов… В одном лице он сочетал экспериментатора, теоретика, мастера… Он предстал перед нами сильным, уверенным и одиноким; его радость созидания и ювелирная точность проявляются в каждом слове и каждом рисунке».

Отдав этими словами должное своему предшественнику, «этому блестящему гению», А. Эйнштейн тем не менее принялся перекраивать Вселенную по своему разумению. Говорят, он удивил своих собеседников, признавшись однажды, что никогда не понимал понятия «абсолютное время». Конечно, это была шутка в стиле Эйнштейна – он знал и об абсолютном времени, и об абсолютном пространстве классической физики достаточно много. Столько, чтобы понять несовершенство механики Ньютона – Галилея.

Почему время везде и всюду течет одинаково? Чем этот темп задается и что (или кто) его контролирует? Эти «проклятые» вопросы не давали ему покоя. И он в конце концов разрешил их, создав теорию относительности.

За этой теорией, законченной автором в 1916 году, с самого начала утвердилась' слава непостижимой. Сначала говорили, что ее во всем мире понимают всего три человека, включая самого автора. Потом число посвященных увеличилось до двенадцати, но сам автор из этой дюжины, как ни странно, выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я сам перестал ее понимать».

Действительно, математическая сторона теории весьма непроста. Но можно ведь и о самых сложных вещах рассуждать просто, объясняясь, как говорится, на пальцах. Сам Эйнштейн, кстати, владел таким способом изложения своих мыслей достаточно хорошо.

«Представим себе двух физиков, – говорил он. – У обоих есть по физической лаборатории, снабженной всеми мыслимыми физическими приборами. Лаборатория одного из физиков находится в открытом поле, а лаборатория другого – в вагоне поезда, быстро несущегося в некотором направлении. Принцип относительности утверждает: два физика, применив все приборы для изучения существующих в природе законов – один в неподвижной лаборатории, другой в вагоне, – найдут, что эти законы одни и те же, если вагон движется равномерно и без тряски. Если сказать в более абстрактной форме, то это выглядит так: согласно принципу относительности законы природы не зависят от поступательного (равномерного) движения систем отсчета». Таким образом Эйнштейн своими словами пересказал притчу о путешественнике в запертой каюте, соглашаясь тем самым с правильностью в определенных случаях теории Галилея – Ньютона. И действительно, эта теория около двухсот лет служила верой и правдой человечеству, и никто на нее не жаловался. Так что же заставило Альберта Эйнштейна пересмотреть устоявшиеся позиции? Все та же практическая необходимость.

За два столетия многое переменилось в окружающем мире. Скорости, в нем существующие, заметно возросли. Появились новые отрасли знания – физики, в частности, вплотную занялись явлениями электромагнетизма. И потому на; смену принципу относительности Галилея должен был прийти принцип относительности Эйнштейна. Он добавил в теорию одну важную аксиому: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Долгое время считали, что скорость света вообще равна бесконечности. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимите ночью голову к небу. Вы увидите звезды. Закройте глаза – звезды исчезнут. Откройте их снова – звезды тотчас появятся. Поскольку между мигом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка, то свет распространяется мгновенно».

А вот уже известный нам Галилей был по этому поводу другого мнения. Он предложил проделать эксперимент по измерению скорости света. Пусть два человека, снабженных сигнальными фонарями, станут подальше друг от друга, рассуждал он. Один из них открывает свой фонарь. Второй делает то же самое, как только видит свет фонаря первого. А наблюдатель, стоящий рядом с первым фонарщиком, пусть замерит промежуток времени, который пройдет между тем мгновением, когда первый фонарщик откроет свет своего фонаря, и тем мигом, когда наблюдатель увидит свет второго фонаря.

Галилей даже попытался провести такой эксперимент на практике, но вскоре убедился – скорость света чересчур велика, чтобы ее можно было было замерить вручную.

Опыты по схеме Галилея удалось провести в XVII и XIX веках. Сначала в 1675 году датский астроном Олаф Кристенсен Ремер провел наблюдения во время затмения открытых Галилеем спутников Юпитера. При этом впервые было подтверждено, что скорость света имеет конечную величину. А потом опыт Галилея был проведен в лабораторных условиях французским экспериментатором Ипполитом Физо в 1849 году с помощью сконструированного им простейшего механического устройства.

Пучок света, пройдя через промежуток между зубцами шестеренки, распространялся на некоторое расстояние (в своих экспериментах Физо доходил и до дистанции в 9 км). На этом расстоянии стоит зеркало, отразившись от которого световой луч идёт обратно. Если зубчатое колесо неподвижно, этот луч попадет в глаз наблюдателя через тот же промежуток между зубцами. А вот если колесо вращается, то в зависимости от скорости вращения световой луч попадет либо на зубец, либо – при дальнейшем повышении скорости – в следующий промежуток.

Зная расстояние до зеркала и скорость вращения колеса, можно вычислить скорость распространения света. Физо получил в своих опытах значение скорости света, равное 313 тыс. км/с. (Для сравнения заметим, что в современных опытах, проведенных с помощью атомных часов, это значение равно 299 799 456 м/с с погрешностью + 0,2 м/с.)

Так вот, разрабатывая свою теорию относительности, Эйнштейн пришел к выводу, что скорость света в пустоте, вакууме абсолютна. Она равна примерно 300 тыс. км/с, и быстрее света не может двигаться ничто.

К этому выводу Эйнштейн пришел на основании логических рассуждений, основанных на известных ему экспериментах, связанных с изучением электромагнитных процессов. Особенно высоко ценил ве ликий теоретик эксперимент голландского астронома де Ситтера, основанный на наблюдениях двойных звезд. Проведенные им исследования показали, что скорость света не зависит от скорости перемещения звезды, испускающей этот свет. Затем этот же факт неоднократно подтверждался и в других опытах.

Итак, скорость света постоянна. Так что же тогда меняется в этом изменчивом мире? Очень многое, в том числе и скорость… течения времени!

Чтобы понять, как это может быть, давайте вслед за Эйнштейном проведем мысленный эксперимент. Снова обратимся к двум лабораториям, одна из которых расположена в чистом поле, а другая в вагоне движущегося поезда.

Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Физик‑наблюдатель движущейся лаборатории находится посредине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света.

Эксперимент построен так, что вспышки света от этих лампочек достигают «поездного» и «полевого» физиков строго одновременно, а именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?

Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно», Физик в полевой лаборатории имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен ими несколько ранее момента, когда меня достиг – ведь как‑никак световые лучи имеют пусть и огромную, но конечную скорость. Отсюда логично предположить, что в момент испускания света передняя стенка вагона была ко мне ближе, чем задняя. А так как свет от обоих источников распространяется с одинаковой скоростью, получается, что лампочка на задней стенке вспыхнула раньше, чем на передней…»

В итоге вслед за нашими физиками мы должны будем прийти к выводу: одновременно или неодновременно случилось некое событие, зависит от того, с какой точки зрения мы будем их рассматривать. Если с точки зрения двигавшегося физика, то лампочки вспыхнули одновременно; если с точки зрения физика, находившегося неподвижно, то нет.

А это, в свою очередь, неумолимо приводит нас к некому логическому парадоксу (по крайней мере таковым он кажется на первый взгляд): время в разных системах отсчета течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно не абсолютно, а относительно… С точки зрения теории относительности нельзя сказать просто «сейчас столько‑то времени». Надо обязательно добавлять, в какой именно системе координат.

 

 

Парадокс близнецов

 

Из чисто логических построений Эйнштейна вскоре последовали и практические расчеты зависимости течения, времени от скорости движения. Позвольте здесь опустить математические выкладки (как помните, их не очень жаловал и сам Эйнштейн) и сообщить вам сразу конечный результат. В движущейся системе координат время замедляется по отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движения нашего объекта к скорости света.

Это уже дает нам по крайней мере одну 'принципиальную возможность построить машину времени. Садитесь в ракету, отправляйтесь в длительное путешествие, разогнавшись до скорости, близкой к световой, и вы вернетесь на Землю значительно более молодым, чем ваши современники, провожавшие вас в полет.

В «Популярной физике» Дж. Орира даже приводится точный рас‑i чет, насколько вы будете моложе. Если один из близнецов в возрасте 20 лет отправится в космическое путешествие к звезде Арктур на корабле, летящем со скоростью 0,99 скорости света, то, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он вернется на Землю через 11,4 года по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет 80,8 года. Так что брат, оставшийся на планете, должен очень постараться, чтобы дождаться возвращения межзвездного путешественника. Ведь ему к моменту возвращения корабля стукнет 108,8 года! Космический путешественник окажется моложе его на целую жизнь– 69,4 года!

Так что летайте субсветовыми звездолетами! Вы сэкономите себе массу времени! И был совершенно прав известный писатель В. Войнович, когда в одной из своих книг послал своего героя преодолевать 100‑летний промежуток именно таким образом. Отправил его звездолетом в путешествие, а когда тот вернулся, на Земле прошло ровно столетие.

«Ну, фантасты способны еще и не на такие чудеса, – вполне справедливо скажете вы. – А вот нам‑то, ныне живущим, какой прок от подобных машин времени? Субсветовых звездолетов пока нет, и рассчитывать, что они появятся при нашей жизни, знаете, как‑то не приходится…»

Что верно, то верно. И потому на сегодняшний день единственные люди, которые могут воспользоваться выводами из теории Эйнштейна в своих практических целях, – это астрономы.

Расстояния во Вселенной не случайно измеряются световыми годами. Световой год – это тот путь, который световой луч может преодолеть, пока на Земле пройдет год. Стало быть, глядя на звезды, мы видим их не такими, какие они есть в настоящее время, а такими, какими они были 40, 50 и более световых лег назад.

«…Как свет умерших звезд доходит», – сказал В. Маяковский. Сегодня мы видим свет небесных объектов, которых на самом деле уже нет. А самое главное, таким образом мы можем заглянуть в собственное прошлое и прогнозировать отдаленное будущее!

Здесь на помощь ученым приходит метод аналогии. Суть его состоит в том, что наше Солнце – довольно обыденное светило из разряда желтых карликов. Таких на небосклоне – пруд пруди! А значит, наблюдая за ними, определяя их видимый возраст – а это астрономы делать уже научились, – можно получать как бы мгновенные фотографии разных периодов существования нашей звезды. Вот это снимок. Солнца‑младенца, вот это – юноши, а вот и старца… Сравнительно недавно, в марте 1987 года, ученым удалось «засечь» момент рождения сверхновой звезды, которую так и нарекли – Сверхновая 1987А.

А вот вам еще один пример. Группа американских астрономов недавно обнаружила столь отдаленный космический объект (квазар), что возможно науке придется пересмотреть саму теорию образования Вселенной. Ведь согласно нынешней точке зрения обнаруженный объект не имеет права на существование.

На сегодняшний день считается, что наша Вселенная образовалась в результате Большого Взрыва 15 – 20 млрд. лет тому назад. Поначалу материя распространялась во все стороны равномерно, а потом стала сгущаться в галактики и квазары. Так вот астрономы Паломарской обсерватории в Калифорнии, обнаружившие новый квазар, определили его расстояние до Земли в 14 млрд. световых лет.

Однако если объект отдален от нас расстоянием в 14 млрд. световых лет, то это равносильно тому, что мы наблюдаем его таким, каким он был 14 млрд. лет тому назад, т е. в период ранней юности Вселенной. Беда однако состоит в том, что согласно нынешней теории на столь раннем этапе существования Вселенной квазары еще не должны были образоваться.

Впрочем, сотрудник Принстонского университета Дональд Шнайдер, тоже принимавший участие в этой работе, полагает, что квазар, открытый его коллегами, возможно является единичной аберрацией, т е. говоря попросту, оптическим обманом. В этом случае теорию образования Вселенной пересматривать не придется.

– Однако нельзя исключить и такую возможность, – говорит Шнайдер, – что) подобных объектов множество, только мы до сих пор не имели возможности их обнаружить. И если нам удастся найти еще с десяток подобных квазаров, тогда волей‑неволей нынешние теории придется подвергнуть пересмотру…

По случайному совпадению, почти одновременно с обнаружением престарелого квазара ученые Гарвардского университета установили, что и масса Вселенной гораздо больше, чем предполагалось до сих пор. Это открытие тоже ставит под сомнение нынешнюю вселенскую теорию.

Астрономам остается надеяться, что некоторую ясность в эту путаницу сумеет внести новая научная лаборатория, запущенная недавно на орбиту вокруг Земли.

А теоретики между тем не спят – они изобретают новые теории. Так, скажем, профессор Стивен Хокинг, с которым мы познакомимся поближе чуть позднее, в одной из своих работ, написанной совместно с Джимом Хартлом из Калифорнийского университета в Санта‑Барбаре, утверждает, что вполне возможна и модель Вселенной без каких‑либо границ в пространстве или во времени.

Теория Большого Взрыва предполагает, что когда‑то, в самом на чале Вселенной, был момент, когда вся космическая материя концентрировалась в одной точке. Существование такой точки подразумевается общей теорией относительности. Однако безграничная Вселенная, полагает С. Хокинг, не обязательно должна возникнуть из одной точки…

Как философ, профессор Хокинг является детерменистом и полагает, что основополагающие законы Вселенной сравнительно просты и что скоро мы их откроем. В одной из своих последних лекций ученый заявил, что должен существовать свод законов, определяющих эволюцию Вселенной с самого начала. «Эти законы могли быть предопределены и богом, – говорит Хокинг, – но во всяком случае он не вмешивается, чтобы изменить их…»

Но значит ли это, что все предопределенно заранее и нам остается лишь уповать на судьбу? Отнюдь… Профессор понимает свободную волю каждого субъекта, как эквивалент теорий, применяемых в науке для изучения систем, содержащих слишком много частиц, чтобы каждую из них можно было рассмотреть отдельно. Примером того может послужить механика сплошных сред, в которой движения индивидуальных частиц в жидкости или газе рассматриваются на основе постоянного усредненного показателя. Такие теории не относятся к числу фундаментальных, но они весьма эффективны на практике. Ну а чтобы сделать свою мысль доходчивее, профессор прибег к наглядному примеру:

«Я думаю, что концепция свободной воли и моральной ответственности за наши действия является эффективной теорией в том же смысле, что и механика сплошных сред. Возможно, что все, нами проделываемое, предопределенно некоей Всеобщей теорией. Если эта теория предопределила, что мы умрем через повешение, мы не утонем. Но нужно быть чертовски уверенным, что вам предназначена виселица, чтобы отправиться в открытое море на утлом суденышке, когда ожидается сумасшедший шторм. Я заметил: даже люди совершенно убежденные, что все предопределено свыше; тем не менее, смотрят по сторонам, прежде чем перейти дорогу…»

Так что, как видите, и в самых заумных, теоретических рассуждениях можно при желании найти определенный практический прок. И мы вполне можем согласиться с хорошо известными словами: «На свете нет ничего практичнее хорошей теории».

Так что, как видите, определенный прок этакие теоретические «машины времени» уже приносят. Ну а если вас подобные «машины» не устраивают и вам хочется чего‑то поконкретнее, пожелезнее, что ли… – давайте продолжим наше путешествие по теории. Глядишь, там обнаружатся предпосылки и к построению этаких персональных машин времени.

Итак, снова в путь, читатель! Нас ждет еще длинная дорога.

 

Большие маятники вселенной

 

Время не существует само по себе, оно неразрывно связано с другими понятиями окружающего нас мира. И осознание этого факта позволило ученым развить немало интересных теорий.

 

 

Мировая линия

 

В прошлой главе мы довольно долго пытались разобраться в сущности времени, даже придумали, как можно использовать в качестве своеобразных машин времени телескопы астрономов. Однако при всем этом ухитрились так и не ответить на вопрос, вынесенный в начало главы: «Так как же все‑таки распространяется время – по прямой, по кругу, по спирали?..» И это получилось вовсе не случайно. Понятие времени оказалось много сложнее, чем предполагали древние.

«Отныне понятия пространства самого по себе и времени самого по себе осуждены на отмирание и превращение в бледные тени, и только своего рода объединение этих двух понятий сохранит независимую реальность». Так заявил в 1908 году немецкий математик и физик Герман Минковский, человек, очень много сделавший для разработки математического аппарата теории относительности. И Эйнштейн, который, как мы уже говорили, вообще‑то относился с некоторой иронией к упражнениям математиков над его теорией, на сей раз не имел ничего против.

Оказалось, что и математикам и физикам очень удобно оперировать понятиями четырехмерного пространства, три координаты которого являются геометрическими – длина, ширина и высота, а четвертая – временной. «Когда не математик слышит о „четырехмерном“ пространстве, его охватывает мистическое чувство, подобное чувству, возбужденному театральными привидениями», – сострил по этому поводу Эйнштейн. Но добавил, что нет тем не менее более банального утверждения, чем сообщение о четырехмерности окружающего нас мира.

В самом деле, мы довольно часто пользуемся его четырехмерностью в обыденной практике. Вот только один пример. Вы переходите дорогу, по которой мчится автомобиль. И тем не менее вы благополучно довершаете свой путь к противоположному тротуару. Да, три геометрические координаты совпали – автомобиль только что проехал по тому месту, где были вы, а вот четвертая, временная, пет – человек и машина разминулись во времени на несколько секунд, и катастрофы не произошло.

Из этого примера следует интересное следствие. Если вдуматься, то получается, что уже классическая физика «объединяет» время и пространство – она связывает их через движение.

В простейшем случае движение тела можно изобразить на плоскостной диаграмме, откладывая по одной координате значения времени, а по другой – пройденного пути. Если тело движется, скажем, со скоростью 4 м/с, то через секунду после начала движения оно сместится от начала своего пути на 4 м, через две – на 8 м и т. д. На нашей диаграмме эти события отобразятся точками, через которые можно провести линию.

Эта линия, образуемая из множества событий‑точек, в истории тела называется мировой линией.

Давайте поразмышляем над ее поведением на нашей мысленной диаграмме, попробуем подобрать геометрическому образу физический эквивалент.

В первой четверти координатной плоскости, где и время и значения пути положительны, мировая линия ведет себя вполне логично. Машина движется: за каждый отрезок времени она проходит определенный отрезок пути, начав с нулевой отметки, откуда мы стартовали по данному маршруту.

В какой‑то мере можно представить себе физически и движение вдоль мировой линии во второй четверти, где время положительно, а путь – отрицателен. В нашем обыденном мире это, к примеру, может означать, что наша машина через некоторое время вернулась в исходную точку. В этом смысле путь может показаться величиной отрицательной: двигаясь по нему, мы удаляемся от нужного нам пункта, вместо того чтобы приближаться к нему.

Но уж совсем необъяснимы с позиций обыденного мира случаи с отрицательным временем (левая полуплоскость на нашей диаграмме). Что это означает? Принципиальную возможность движения в прошлое? Но ведь время, насколько нам всем известно, не может течь вспять… Если бы это было возможно, то мы с вами сейчас бы не обсуждали возможность создания машины времени на страницах этой книжки, а попросту ездили, куда нам вздумается, не только в понятиях географических, но и временных.

Оставим пока данный вопрос без ответа. Мы еще постараемся вернуться к нему. А пока рассмотрим, что можно «выжать» из движения в правой полуплоскости, в положительном времени.

Мировая линия может изменять свое положение в пространстве в зависимости от того, с какой скоростью мы будем двигаться. Если бы мы могли двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, физически достижимая на сегодняшний день, – это скорость света. Значит, мировая линия на нашем рисунке должна быть ограничена прямыми, показывающими, с какой скоростью в «правильном» или в «неправильном» направлениях распространяется свет.

Все это время мы с вами для простоты рассматривали двухмерный случай. Наш же мир, как мы говорили, имеет четыре измерения. Значит, мировая линия может помещаться внутри некоторого светового конуса, очерченного мировыми линиями света.

Для нас особенно интересна поверхность конуса прошлого, лежащего в той области, где время отрицательно. Ведь на этой поверхности находится то, что мы можем увидеть. В самом деле: видеть – это, говоря иначе, воспринимать световые лучи. Но пока они донесут информацию от источника до нашего, глаза, пройдет какое‑то время… Значит видеть мы можем только то, что уже произошло.

Произошло это один миг назад или сто тысяч лет – уже другой вопрос. Главное, «се это в прошлом. Свет от настольной лампы запаздывает к нам на ничтожную долю секунды, солнечный свет – на восемь с лишним минут, а некоторые дальние квазары мы наблюдаем такими, какими они были миллиарды лет назад. Быть может, ни Земли, ни даже Солнца тогда еще не было, а они уже светили… Так что еще раз мы убедились: телескоп – это машина времени, направленная в, прошлое.

 

 

Прошлое и будущее меняются местами

 

Итак, принципиальная возможность видеть прошлое, и даже довольно отдаленное, нами найдена. Более того, имеется даже принципиальная возможность в этом прошлом побывать! Как именно? Хорошо сказано об этом в известном детском стихотворении:

 

«Сегодня в полдень пущена ракета.

Она летит куда быстрее света

И долетит до цели в шесть утра

Вчера».

 

Возможны ли подобные чудеса? «Если и в самом деле допустить, что скорость ракеты больше скорости света, то это вполне возможная вещь», – отвечает на этот вопрос доктор физико‑математических наук А. Д. Чернин.

Полет ракеты нужно рассматривать в двух системах координат. Одна – это поверхность Земли, тот ракетодром, с которого стартовала ракета. В этой системе отсчета все происходит достаточно традиционно: ракета стартует в полдень, и пусть она летит даже впятеро быстрее света, цели она достигнет через несколько часов после старта, например в полночь.

Но вот если тот же полет рассматривать в другой системе координат, а именно движущейся с большой скоростью в том же направлении, что и ракета, то порядок событий, с точки зрения наблюдателя, в этой системе может оказаться нарушенным. Как в кино при запуске пленки задом наперед, он увидит, что ракета сначала достигнет цели, я лишь потом взлетит.

Причем по формулам теории относительности можно даже подсчитать, что ракета прибудет на 32 часа раньше старта в том случае, если система отсчета будет двигаться относительно Земли со скоростью 3,5 скорости света.

Какова же главная мысль этого немыслимого эксперимента?. «Мировая линия сверхсветовой ракеты лежит вне светового конуса с вершиной в момент запуска и в точке старта, – полагает А. Д. Чернин. – Два события – запуск и попадание в цель – разделены в пространстве на слишком большое расстояние. Расстояние между событиями в пространстве больше, чем разделяющий их промежуток времени, умноженный на скорость света. Такие события не могут, очевидно, лежать на мировой линии реальных тел, ибо все тела движутся со скоростью, не превосходящей скорость света…»

И тем не менее есть предположения, что подобный мысленный эксперимент все же не лишен физического смысла. Некоторые ученые выдвинули не столь давно гипотезу, что в нашем мире могут существовать, кроме всех прочих частиц, еще и тахионы – частицы, движущиеся со сверхсветовыми скоростями.

Такое предположение основано лишь на некоторых теоретических предпосылках. Но если такие частицы вдруг действительно существуют, то не исключено, что время для них может течь навстречу нашему. То есть, говоря другими словами, прошлое и будущее для таких частиц как бы меняются местами.

И эта идея, пожалуй, еще не самая «сумасшедшая» из тех, которые выдвигают в последнее, время физики.

 

 

Вселенная в атоме?

 

Многим, наверное, знакомы стихи В. Брюсова:

 

«Быть может, эти электроны –

Миры, где пять материков,

Искусство, знанья, войны, троны

И память сорока веков!»

 

Зато немногие, верно, знают, какими событиями научного мира были навеяны эти стихи. Довольно часто полагают, что Брюсову, как и многим другим большим талантам, был свойствен пророческий дар – он умел предвидеть дальнейший ход событий.

Рискну, быть может, навлечь на себя гнев некоторых любителей поэзии, почитателей таланта Валерия Яковлевича Брюсова, но все‑таки скажу: поэт шел вслед за учеными, но не впереди их.

Стихотворение «Мир электрона» датировано 1922 годом. Но еще в 1913 году знаменитый датский физик Нильс Бор предложил первую количественную теорию атома. Согласно ей, вокруг массивного ядра легкие электроны вращаются примерно так же, как планеты ходят по своим орбитам вокруг звезды. Кое‑кто воспринял эту аналогию чересчур буквально, и в печати начала века появились научно‑фантастические публикации, авторы которых порою вполне серьезно полагали,

что электроны‑планеты населены чрезвычайно малыми живыми существами. И на каком‑то этапе развития своей науки они обнаруживают, что их атомы тоже являются малыми планетными системами…

С высоты наших сегодняшних познаний можно было бы и усмехнуться, читая о тех теориях этакого «матрешечного» мира: из большой Вселенной раз за разом вынимаются вселенные поменьше… Но в свете некоторых научных представлений последнего времени эта усмешка получается несколько кривоватой. Чтобы понять, в чем тут дело, давайте начнем с самого начала.

Еще два с половиной тысячелетия назад перед философами древнего мира встал вопрос: что будет, если вещество дробить на все более мелкие кусочки? Есть ли пределы этому дроблению и каковы могут быть наименьшие размеры вещества?

Пока философы спорили над этими «вечными» вопросами, физики работали – дробили вещество на все более мелкие части. Вещество – на молекулы, молекулы – на атомы, атомы – на ядра и электроны, ядра – на протоны, нейтроны и другие элементарные частицы. При ближайшем рассмотрении оказалось, что и эти элементарные частицы не так уж элементарны – они, в свою очередь, состоят из множества других…

Во всяком случае на сегодняшний день физики полагают, что «первокирпичиками» Вселенной могут оказаться кварки – гипотетические частицы, которые пока никому не удалось «засечь» в эксперименте. Так что никто пока не знает достоверно, существуют ли кварки на самом деле. Ну а если они в действительности обнаружатся, можете не сомневаться, физики попробуют разделить и их…

Есть ли в конце концов конец этой цепочке деления? Многих эта игра «в матрешки» заводит в тупик. В самом деле, если конца делению нет, значит, мир непознаваем. С таким выводом не может согласиться ни один уважающий себя материалист. Если же «первокирпичики» действительно существуют, значит, дойдя до последней «матрешки», мы исчерпаем все свойства мира? Но ведь процесс познания, согласно той же материалистической философии, бесконечен…

Тупик? Ничего подобного. Этот тупик нам видится только потому, что мы подходим к проблеме с точки зрения нашего обыденного мира. А чтобы познать мир элементарных частиц, чтобы познать, что же происходит там, внутри атома, приходится овладевать совсем другой логикой.

Так, скажем, здравый смысл и опыт дают нам все основания полагать: если мы разрежем яблоко пополам, то каждая половина будет в два раза меньше целого. Сложив вместе обе половинки, мы снова будем видеть перед собой практически целое яблоко. И уж, конечно, не может такого быть, чтобы половинка весила больше, чем целое яблоко.

А вот в мире микрочастиц подобные феномены в порядке вещей. Разнимая «матрешки», на каком‑то этапе физики вдруг обнаружили, что закон сохранения массы больше не соблюдается. Масса целой частицы сплошь и рядом оказывается меньше суммы масс тех частиц, что получаются из нее в результате реакции деления. Почему? Каким образом?..

Физиков выручил опять‑таки Эйнштейн. Он доказал, что масса и энергия эквивалентны. И недостача массы может быть восполнена выделением соответствующего количества энергии. Кстати, именно это положение лежит в основе термоядерной реакции, на которую еще недавно возлагали столь большие надежды энергетики всего мира. Ныне, правда, эти надежды несколько поблекли – задачка оказалась много труднее, чем предполагалось поначалу. Но если осуществить управляемый термоядерный синтез все‑таки удастся (особенно если с помощью «холодного термояда», весьма простого в осуществлении), то проблемы человечества с получением энергии будут исчерпаны.

И это, кстати, не единственно принципиально возможный способ черпать энергию из микромира. Например, протон, как полагают, состоит из трех кварков. Так вот, масса одного кварка во раз много превышает массу одного протона. Естественно, масса трех кварков еще больше… И все эти 95 процентов «излишней» массы опять‑таки переходят в энергию. Несложные подсчеты показывают, что «утилизация» одного грамма кварков позволила бы получить количество энергии, эквивалентное той, что получается ныне при сжигании 2500 т нефти!

Но мы несколько отвлеклись. Главная тема разговора в– этой главке ведь все‑таки о размерности миров. Ну так вот…

«Может ли слон залезть в кастрюлю? – рассуждает по этому поводу доктор химических наук Ю. Г. Чирков. – Странный, казалось бы, вопрос. Но разве не столь же странно положение „толстых“ кварков, втиснутых в чрево „худенького“ протона? А ведь это в мире микрочастиц совсем не исключение…

Но если слон может влезть в кастрюлю, значит, сама кастрюля уж никак не может влезть в слона? Не будем спешить с выводами. Элементарным частицам эта задачка – семечки. Вот, например, свободный нейтрон. В среднем через 17 мин он распадается на протон, электрон и антинейтрино. Значит, – протон входит составной частью в нейтрон. Но, с другой стороны, при столкновении двух протонов появляется несколько элементарных частиц, и среди них… нейтроны. Значит, нейтрон входит составной частью в протон… Позвольте, но кто же в кого входит, кто больше, кто меньше? А все одинаковы. Каждая элементарная частица как бы состоит из остальных, несмотря на то что размеры и массы этих остальных во много раз больше размеров и массы самой частицы…»

Этот и многие другие примеры показывают, что при рассмотрении явлений микромира надо отрешиться от традиционных представлений и мерок. Но только ли к явлениям микромира они не подходят?

 

 

Фантазия Фридмана

 

Для начала позвольте сказать несколько слов об А. А. Фридмане. Этот незаурядный человек, безусловно, заслужил толику вашего внимания.

Александр Александрович Фридман родился в 1888 году в Санкт‑Петербурге. В городе на Неве прошла и вся его короткая, но исключительно яркая жизнь. Закончив Петербургский университет, Фридман считал себя математиком. Но посмотрите, насколько широк был круг его научных интересов: он вывел математические соотношения для атмосферных вихрей, имеющие фундаментальное значение в теории прогноза погоды. И сотрудники Главной геофизической обсерватории, которой А. А. Фридман руководил в 1924 – 1925 годах, имеют все основания гордиться одним из своих директоров… При этом он еще преподавал в университете, и эта сторона его деятельности отмечена работами по теории хаотических турбулентных движений. Ну а чтобы проверить свои идеи на практике, он летал на дирижаблях, поднялся в июле 1925 года на аэростате на рекордную по тем временам высоту – 7400 м.

Заинтересовавшись в 1920 году общей теорией относительности, он очень быстро овладел ее понятиями настолько, что уже в 1922 году была опубликована первая из его двух космологических статей, положившая начало отечественной космологии, дала новый качественный толчок и мировому развитию этой отрасли науки.

Статья называлась «О кривизне пространства», и с некоторыми ее положениями будет невредно ознакомиться и нам. Чуть позднее вы поймете, какое все это имеет отношение к основной теме книжки.

С тех пор как общая теория относительности получила права гражданства, в словаре многих физиков появились такие необычные' понятия, как «кривизна пространства», «замкнутый мир», «незамкнутый мир»…

Чтобы понять, что это такое, для большей наглядности обычно призывают на помощь аналогию, которой впервые в 1917 году воспользовался еще сам А. Эйнштейн.

Попробуйте себе вообразить, что на совершенно ровной плоскости живут некие «двухмерные», но тем не менее разумные существа. По законам геометрии их двухмерного мира существам знакомы лишь понятия «вправо‑влево», «вперед‑назад». А вот «верха» и «низа» для них не существует – это уже определение из трехмерного мира.

И тем не менее существа вроде бы неплохо устроились. Их ученые прекрасно знают эвклидову геометрию и очень довольны, что их пространство вполне соответствует этой простой геометрии: сумма углов треугольника всегда равна 180 градусам, а через две точки можно провести только одну прямую…

И вот в один не очень прекрасный день плоскость, на которой жили двухмерные существа, по непонятной причине изогнулась. Большинство жителей этого вовсе не заметили, как не замечаем мы, что живем на круглой Земле. Но вот ученые переполошились: пространство вдруг стало неэвклидовым, сумма трех углов треугольника перестала равняться 180 градусам…

Почему? В поисках ответа на этот вопрос самый гениальный геометр двухмерного мира выдвинул «сумасшедшую» идею: двухмерный мир искривлен, у него появилось некое третье измерение.

После долгих споров эта идея в конце концов принимается наукой на вооружение, хотя никто из ученых так и не может представить себе, что же это такое – третье измерение. Но лучше хоть какое‑то объяснение, чем никакого.

Мы по сравнению с двухмерными существами можем чувствовать себя почти что богами. Наше воображение не только с легкостью представляет себе трехмерное пространство, но и может даже отыскать причину его искривления. Например, если на плоский лист железа поставить гирю, то он заметно искривится. Причем степень искривления будет увеличиваться по мере приближения к гире.

Но богом быть трудно. И наше воображение пасует, как только речь заходит о возможной кривизне нашего трехмерного мира, а уж тем более о кривизне четырехмерного пространства‑времени.

Однако именно об этом пространстве‑времени мы и должны вести речь дальше, поскольку именно им и занимался А. А. Фридман. Решая задачу о геометрии нашей Вселенной, о ее пространстве и времени, он предположил в качестве начального условия, что вещество распределено по объему Вселенной равномерно и само вещество однородно. А в качестве ответа нужно было определить, каким будет время‑пространство Вселенной с течением этого самого времени.

Для решения задачи Фридман воспользовался уравнениями, выведенными Эйнштейном, и внимательно проанализировал, какие следствия из них вытекают. И вот оказалось, что согласно данным уравнениям вещество Вселенной не может находиться в покое сколько‑нибудь длительное время. Плотность общего однородного распределения вещества должна либо увеличиться, либо уменьшиться. То есть применительно к наблюдаемой нами картине Вселенной это означает, что галактики и другие звездные скопления не стоят на месте, они движутся, и расстояния между ними со временем меняются.

Теоретические рассуждения Фридмана получили блестящее подтверждение на практике, в ходе астрономических измерений. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл, изучая спектры галактик на звездном небе, обнаружил в них «красное смещение». То есть, говоря иначе, линии спектра, который они излучали, были сдвинуты к красной области по сравнению с нормальным эталонным положением. Из этого наблюдения Хаббл сделал вывод, что смещение это можно истолковать как следствие эффекта Доплера, согласно которому звук и свет, излучаемые движущимся предметом, отличаются от такого же излучения в неподвижном состоянии.

Что касается звука, то эти смещения вы можете уловить на слух, прислушавшись, например, к гудкам электрички, движущейся на вас и от вас. Они заметно отличаются по тону, как друг от друга, так и от сигнала стоящей электрички.

Смещение светового излучения не столь заметно, на глаз его не определишь. Хотя среди физиков и бытует шутка о неком физике‑автолюбителе, который, проехав на красный свет светофора, пытался уверить инспектора ГАИ, что это произошло только потому, что красный свет показался ему зеленым. Наука, дескать, вполне допускает это, если вы движетесь навстречу источнику света.

– И при какой скорости это происходит? – поинтересовался инспектор.

– Легко подсчитать – получается что‑то около 75 процентов от скорости света, – быстренько прикинул физик.

– В таком случае платите штраф за превышение скорости…

Шутки шутками, но астрономы тем не менее ухитряются «засекать» это смещение с помощью точных приборов. Более полувека назад астроном Пулковской обсерватории использовал этот прием для измерения скорости звезд, а Хаббл воспользовался тем же эффектом для открытия нового явления во Вселенной – разбегания галактик.

Так получила свое начало теория расширяющейся Вселенной.

 

 

Пространство вне времени?

 

Исходя из созданной им общей теории относительности, А. Эйнштейн попробовал построить космологическую теорию строения окружающей нас Вселенной. При этом он исходил из определенных общих воззрений на нее. В частности, он считал, что Вселенная в целом должна быть однородной. Предполагал он также, что и все направления во Вселенной равноправны.

Однородность и изотропность – это пространственные свойства Вселенной Эйнштейна. Ну а каковы должны быть ее временные свойства? На этот счет тоже существовала традиция начала века, которой последовал и создатель теории относительности. Согласно бытовавшим в то время взглядам считалось, что Вселенная пребывает в неизменном состоянии и никак не подвластна ходу времени. Если где‑то погасла звезда или галактика, то ей на смену тотчас же загорается другая, так что в целом картина мира остается принципиально неизменной.

Однако реальная Вселенная оказалась совершенно иной, не статически застывшей, а динамичной и развивающейся. Уравнения Фридмана показали, что вещество Вселенной не может находиться в покое. Оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

Но почему Вселенная не может быть статической? Ответ на этот вопрос достаточно прост. Классическая механика Галилея и Ньютона приучила человечество к мысли, что тело может находиться в покое или в состоянии равномерного прямолинейного движения только в том случае, если на него не действуют никакие силы. Или если эти силы – сколько бы их ни было – уравновешивают друг друга.

Может ли такое равновесие наблюдаться во Вселенной? Вряд ли. Потому что на все небесные тела в нашем мире действует, по существу, одна лишь сила – сила небесного тяготения. Никаких иных сил в этом масштабе попросту нет. В итоге сила всемирного тяготения ничем не уравновешивается и вследствие этого приводит мир в движение: планеты обращаются по своим орбитам вокруг солнц, а сами солнца и их скопления – звездные галактики, а также открытые недавно скопления галактик – все это должно двигаться.

На сегодняшний день измерена и скорость этого движения. Постоянная Хаббла, как называют эту скорость, по современным данным, составляет от 50 до 75 километров в секунду на мегапарсек^[1]. Более точно эту величину измерить пока не удается по техническим причинам. Но и полученных данных достаточно, чтобы понять: время во Вселенной измеряется миллиардами лет.

В самом деле, если мы предположим, что две галактики находятся друг от друга на расстоянии 100 мегапарсек, то по закону Хаббла, гласящему, что скорость удаления одной галактики от другой равна постоянной Хаббла, умноженной на расстояние между галактиками, получается: одна галактика «убегает» от другой со скоростью где‑то около 5 тыс. км в секунду.

По нашим земным понятиям скорость, конечно, весьма прилична. Однако с точки зрения масштабов Вселенной такое движение можно сравнить с черепашьим шагом: время, за которое одна галактика отойдет от другой на удвоенное расстояние, составит… порядка 20 млрд. лет!

 

 

Время Вселенной

 

Таким образом, получается, что время во Вселенной все‑таки есть. Но движется оно, можно сказать, неспешно. Проходят миллиарды и миллиарды лет, пока становятся зримо видны изменения в строении галактик или в структуре составляющих их звезд. И человечество, если оно хочет хоть что‑нибудь узреть и понять на протяжении короткого промежутка жизни одного поколения, должно запускать машину времени.

Одна из таких «машин» – наше воображение. «Если галактики разбегаются, – говорит оно нам, – то, значит, раньше они были ближе друг к другу. Чем дальше в прошлое, тем теснее они располагались в пространстве…»

Значит, где‑то там, в весьма далеком прошлом, у Вселенной есть начало – момент, когда космическая плотность вещества была невообразимо велика и вся Вселенная сжата в одну точку.

Такое начальное состояние бесконечной плотности называется космической сингулярностью. (Кстати, само слово «сингулярность» в переводе означает «особенность». Оно как бы намекает на то, что это состояние совершенно необычно и исключительно.)

Но бесконечность, вообще‑то, понятие математическое. Что оно может означать физически? Скорее всего, предел, границу применимости модели Фридмана. За ним, в области сингулярности, становятся неприменимы многие законы привычного нам мира, в том числе, по всей вероятности, и общая теория относительности.

…Качается большой маятник Вселенной. От точки сингулярности к некому пределу, за которым расширение Вселенной сменится ее сжатием. И снова вещество начнет сжиматься в некую точку, как было уже однажды. И пусть это время далеко от нас, человечество не может не задуматься о том, что его ждет в данном случае.

 

Эти странные – престранные миры…

 

И размышления лучших умов человечества привели к обозначению престранной картины. Оказывается, не надо дожидаться «конца света», чтобы увидеть Вселенную, сжимающуюся в невообразимо плотный комок, в точку. Такие Вселенные, вполне возможно, существуют уже сегодня. Они – рядом с нами, возможно, и внутри нас…

 

 

Уникальные фридмоны

 

Разбегание галактик оказалось лишь одним из следствий, вытекавших из рассмотрения Фридманом уравнений Эйнштейна. Помните, мы говорили об искривлении пространства? Двухмерный мир (лист тонкой жести) нетрудно изогнуть (хотя бы при помощи гирь) таким образом, что получится какая‑нибудь незамкнутая поверхность – например, нечто похожее по форме на седло. А если очень уж постараться, то можно согнуть плоский лист и в замкнутую сферу.

Подобным же образом, согласно Фридману, и искривленное трехмерное пространство может быть разомкнутым, а может быть и замкнутым. Каким именно oнo станет, зависит от многих обстоятельств.

Например, если плотность материи в таком мире будет ниже некой критической величины, то он окажется незамкнутым, сможет расширяться до бесконечности. И луч света, выпущенный из какой‑либо точки внутри него, никогда не вернется назад, разве что отразится, натолкнувшись на какую‑либо преграду.

Если же плотность вещества превысит некоторое критическое значение, то пространство окажется замкнутым. Оно будет то расширяться, то сжиматься, не выходя все‑таки за некоторые пределы.

Для наглядности такой пульсирующий замкнутый мир мы можем представить, скажем, в виде баскетбольного мяча, внутри которого то раздувается, то спускает воздух резиновая камера. Само собой разумеется, что при всем старании нам вряд ли удастся раздуть камеру больше внутреннего Объема покрышки. Только в теории Фридман имел дело с более многомерным пространством, чем мы в своей аналогии.

И в таком замкнутом пространстве свет, направленный в одну сторону, может облететь всю полость и вернуться с другой стороны, так и не вырвавшись наружу…_

Академик А. А. Марков, попытавшийся описать подобный мир математически, назвал такие образования фридмонами – в честь впервые указавшего на возможность их существования Фридмана.

Удивительные вещи должны происходить в таком замкнутом мире. Попробуем описать их опять‑таки при помощи упрощенной двухмерной аналогии. Пусть наши плоские существа живут теперь не просто на искривленной плоскости, а на поверхности сферы. И случилось так, что за какую‑то провинность они решили отправить в ссылку одного из своих сограждан (мера, кстати, весьма распространенная и в нашем трехмерном мире). Очертили небольшую по сравнению со всей шаровой поверхностью окружность и сказали: «Живи тут!..»

Через какое‑то время жесткость наказания решили усилить – радиус запретительной окружности еще уменьшили. Наказанный стал протестовать, за что ему еще уменьшили территорию… И продолжали уменьшать окружность до тех пор, пока она не превратилась в точку. А сам изгнанник за миг перед этим должен был подпрыгнуть и, покинув поверхность шара, очутиться в каком‑то ранее совершенно немыслимом для двухмерного существа третьем измерении, неком потустороннем мире.

Сходным образом могли обстоять дела и в нашем трехмерном мире, с той лишь разницей, что изоляция могла выглядеть в виде некой сферы, радиус «свободы» которой постепенно все уменьшался, оставляя изгнаннику лишь возможность перехода из этого мира в иной, если он, конечно, существует.

Полностью замкнутый мир никоим образом, по идее, не проявляет себя вовне: из него не проникают наружу даже световые лучи. Я Значит, снаружи он должен представлять для стороннего наблюдателя нечто, не имеющее ни размеров, ни массы, ни электрического заряда.

Но вот в том месте, где изгнаннику предоставили возможность выхода в иной мир, средняя плотность материи в замкнутом пространстве должна быть, очевидно, меньше критической. И полностью замкнутого мира в данном случае не получается. Получится почти замкнутый. И вот это «почти» дает существенное качественное отличие. Полная масса и полный электрический заряд теперь уже не равны нулю. У луча света есть возможность если не вырваться наружу, то извне попасть внутрь. Между двумя мирами образуется нечто вроде коридора, по которому они могут сообщаться между собой. Причем для нашего изгнанника «дверь» в этот «коридор», по сути дела, олицетворяет весь мир, расположенный по другую сторону.

К сказанному остается добавить, что полная масса и полный электрический заряд почти замкнутого мира уже не равны нулю.

 

 

«Быть может, эти электроны…»

 

Таким образом, в нашем воображении вырисовывается картина, на описание которой не каждый бы и фантаст решился. Быть может, и наша Вселенная со всеми ее солнцами, млечными путями, туманностями, квазарами – всего лишь один из фридмонов.

Впрочем, фридмоны не обязательно должны заключать в себе только гигантские мироздания. Их содержимое может быть и более скромным: например, содержать в себе «всего лишь» одну галактику, звезду… А также несколько граммов или даже несколько сотых грамма вещества. Самое удивительное, что при всем этом все фридмоны внешне могут выглядеть совершенно одинаково.

Причем «лазейка», связанная с идеей фридмонов, имеет определенные преимущества перед всеми другими. Дело в том, что размеры сферической «горловины», которая ведет в почти замкнутое пространство, зависит от величины электрического заряда, содержащегося в этом почти замкнутом пространстве. Чем больше заряд, тем и размеры больше.

В таком случае, казалось бы, в природе должны встречаться частично замкнутые миры самых различных размеров (по крайней мере по виду «снаружи»). Ну а поскольку трудно представить себе, что огромная Вселенная имеет микроскопический электрический заряд, то фридмон, «включающий» в себя огромные миры, вроде бы должен иметь весьма малое распространение.

И вот тут природа как бы проявляет симпатию к этому удивительному феномену. Согласно расчетам академика А. А. Маркова, развившего идеи Фридмана, почти замкнутая система с большим электрическим зарядом должна быть неустойчива. Чтобы обрести эту самую устойчивость, она стремится во что бы то ни стало выбросить избыток электричества «наружу». Причем тот заряд, при котором система приобретает желанное равновесие, должен быть как раз микроскопический, близкий к заряду, которым обладают многие элементарные частицы.

Таким образом, получается, что если пространство в какой‑то момент времени и обладало большим зарядом, то через некоторое время заряд этот неизбежно уменьшится. А значит, соответственно сократятся размеры и масса пространства, каковыми они предстают перед сторонним наблюдателем. То есть, говоря проще, согласно математическим выкладкам получается, что стягивание гигантских миров в точку отнюдь не маловероятно, а, напротив, практически неизбежно.

Исходя из теории фридмонов получается, что мы должны свыкнуться с мыслью: любая элементарная частица в принципе может оказаться «входом» в иные миры. Проникнув через этот вход, мы можем оказаться в совершенно иной Вселенной. Нашему взору, возможно, предстали бы иные галактики, населенные, вполне возможно, своими цивилизациями.

Оглянувшись же назад, мы бы увидели, что до микроскопических размеров сжалась теперь наша родная Вселенная. Если бы мы захотели вернуться назад, то пришлось бы снова проделать путь по коридору между мирами. Ну а окажись бы любопытство сильнее страха, то вполне возможно, мы могли бы отыскать другой фридмон, и тогда бы наше путешествие по иным мирам могло продолжаться до бесконечности.

 

 

Вселенная Стивена Хокинга

 

Описанные выше путешествия могли бы привести не только к перемещениям в пространстве, но и, что для нас в данном случае наиболее интересно, к перемещениям во времени. Так во всяком случае и считают Стивен Хокинг и его последователи. Но прежде чем мы углубимся в устройство подобных «туннелей времени», надо, наверное, сказать несколько слов и о самом Хокинге. Уж больно неординарная это фигура даже для нашего времени, которое, кажется, уже отучило нас удивляться.

…Недавно в Кембридже состоялось не совсем обычное торжество. Профессора и студенты знаменитого Тринити‑колледжа – того самого, где профессором был когда‑то сам сэр Исаак Ньютон, – пением и аплодисментами приветствовали человека, неподвижно сидевшего в инвалидной коляске.

Человек в коляске был нем и недвижим. Тем не менее именно он сегодня занимает ту кафедру, которую когда‑то занимал Ньютон, читает лекции студентам, создает новые книги и научные гипотезы, в том числе наиболее «безумные», а значит, и чрезвычайно интересные.

Беда постигла Стивена Хокинга в юности, когда он учился на первом курсе колледжа. Неизлечимая болезнь практически обездвижила все тело, а неудачная операция привела вдобавок еще и к тому, что Хокинг онеменел. И тем не менее он не сдался.

В какой‑то мере Хокингу помогает современная техника. Коляска с электроприводом позволяет ему передвигаться самостоятельно, а расположенный под сиденьем кресла компьютер с синтезатором речи дает ему возможность говорить.

Стивен Хокинг сумел не только закончить колледж, но и стать профессором, написать несколько книг. Одна из последних называется «От Большого взрыва до черных дыр». На ней мы и остановимся более подробно.

Она представляет собой относительно небольшую (200 страниц)

научно‑популярную работу, в которой описаны все космологические

теории и гипотезы последнего времени.

– Издатель сказал мне, что каждая новая формула будет со кращать число читателей вдвое, – сказал Хокинг. Поэтому в книге всего одна формула – это знаменитое эйнштейновское уравнение

 

Е = mc2.

 

Все остальное я постарался изложить как можно более доступным языком…

И надо сказать, что попытка популяризации Хокингу вполне удалась. В своей книге он рассказывает о гипотезе Большого Взрыва, согласно которой вся наша Вселенная когда‑то образовалась из одной‑единственной сингулярной точки.

По неведомой пока нам причине в один прекрасный миг эта точка взорвалась, и с той поры ее вещество все время расширяется, преобразуясь по дороге. Затем, как полагают многие ученые, большой маятник Вселенной качнется в обратную сторону – расширение может смениться сжатием до новой сингулярной точки. Таким образом, наша Вселенная должна иметь начало и конец.

Однако Хокинг с такой точкой зрения не согласен. Он полагает, что она чересчур пессимистична, поэтому ввел в науку новое понятие – воображаемое время. Используя это понятие, Хокинг создал модель такой Вселенной, у которой нет ни начала ни конца.

«Представьте себе движение по воображаемому шару, – пишет Хокинг. – Вы начали движение по нему с северного полюса и постепенно движетесь к югу, все время меняя широту места…»

Говоря иначе, Хокинг своими словами пересказывает ту притчу о плоскостном мире, с которой мы уже познакомились. Но рассматривает он ее применительно к нашему трехмерному (или, если угодно, четырехмерному) миру и приходит в конце концов к неожиданному выводу.

«По мере движения, – продолжает он свой рассказ, – широта места, т. е. длина окружности, будет возрастать, а потом, когда вы перевалите экватор, начнет сокращаться, пока не превратится в нуль. Что это – точка сингулярности?.. Нет, ведь если вы продолжите движение, то широта снова станет возрастать…»

Конечно, все сказанное выглядит весьма схематично. На самом деле мир устроен, наверное, значительно сложнее. Однако в том и есть один из талантов Хокинга – говорить о сложных вещах или емкими, точными формулами, или просто наглядными образами.

Он ввел понятие воображаемого времени, которое не имеет никакой связи с настоящим физическим временем, однако оказалось весьма удобным для описания многих процессов космологии.

Теория воображаемого времени – продолжение работы Хокинга над теорией «черных дыр». Когда он впервые познакомился с феноменом «черных дыр», введенным в обиход профессором Роджером Пенроузом, то был весьма поражен, что «черная дыра» – это такое место во Вселенной, откуда из‑за чрезвычайно сильного тяготения, а значит, и искривления пространства не вырывается ничто: ни элементарная частица, ни луч света… «Получается, что „черная дыра“ ничего не излучает в пространство, а посему может быть совершенно незаметна, – сказал сам себе Хокинг. – Но разве так бывает?..»

И он‑таки нашел возможность доказать, что «черная дыра» может посылать в пространство некое излучение, радиацию, которую теперь так и называют – радиация Хокинга.

«Представьте себе, что поверхность шара, по которому мы. только что двигались, вибрирует, – продолжает свои рассуждения Стивен Хокинг. – Эта вибрация едва заметна, ее величина 10‑23 см, то есть в 10‑20 меньше, чем диаметр протона. Но тем не менее этой величины вполне достаточно, чтобы поверхность шара претерпевала изменения, а значит, от него в пространстве распространялись некие волны излучения…»

Говоря иначе, Хокинг с другой стороны подошел к теории замкнутой или почти замкнутой Вселенной. Он попытался объединить два понятия, существовавших до того раздельно, – фридмоны и «черные дыры». Это объединение повлекло за собой далеко идущие последствия, к рассказу которых мы сейчас и перейдем.

 

 

Теория «червячных дыр»

 

Представьте себе тот же шар, который мы использовали в своих аналогиях уже неоднократно. По поверхности этого шара ползают все те же плоскостники‑двухмерники. Понятно, что для того, чтобы попасть из точки А в точку В на поверхности шара, они должны преодолеть некий путь по дуге. И вот некий гений местного масштаба однажды все‑таки сумел сообразить не только то, что движение по поверхности шара происходит по дуге, но и то, как этот путь можно спрямить. Не берусь рассказать обо всем ходе и логике рассуждений «двухмерника», в нашем же трехмерно‑четырехмерном мире это можно показать на простейшей аналогии.

На яблоке поселился червяк. Вместо того чтобы передвигаться из одной точки в другую по поверхности яблока, он просто прогрызает ходы‑червоточины. Так путь по дуге превращается в более короткий путь по хорде.

Оказывается, подобные «червоточины» вполне могут существовать и в окружающей нас Вселенной. Чтобы понять, как это может быть, давайте несколько отступим по времени назад и расположим события в их логической последовательности.

Как известно, суть гравитации, открытой И. Ньютоном в 1687 году, заключается в том, что два тела, обладающих некой массой, испытывают взаимное притяжение. Сила притяжения зависит от расстояния между телами. А это, в свою очередь, позволяет выдвинуть следующее предположение: если одно из тел меняет свое положение, меняется и сила притяжения, которое оно оказывает на другое тело.

Причем гравитационные эффекты протекают, со скоростью, значительно большей, чем скорость света. Это на сегодняшний день известно точно: если солнечный луч движется к нам 8 мин, то стоит Солнцу чуть изменить свое положение, как Земля чувствует изменение гравитационного поля немедленно.

Как же тогда примирить эту особенность с теорией Эйнштейна, которая утверждает, что именно скорость света есть абсолютно непреодолимый предел скорости? Сам Эйнштейн попытался найти решение этой проблемы в рамках общей теории относительности.

Суть ее для данного случая заключается в том, что согласно предположению Эйнштейна пространство не «плоское», как полагали раньше, а «изогнутое», деформированное под воздействием распределенных в нем массы и энергии.

Говоря другими словами, это означает, что наше трехмерное пространство загибается в некое четвертое измерение, подобно тому как двухмерный лист бумаги, если его скрутить, загибается в третье измерение.

Последствия этой теории не до конца осознаны и в наши дни. Пространство и время потеряли свой абсолютный характер и, как мы уже говорили, уступили место новому понятию «пространства‑времени». Изменения, вносимые при этом в наши геометрические понятия, одновременно носят и количественный и качественный характер.

Количественный – потому, что отныне необходимо учитывать искривленность пространства и времени, а это предполагает, к примеру, что сумма углов треугольника не обязательно должна быть равна 180° (пространственная геометрия Лобачевского), а прямые параллельные линии согласно той же геометрии в некоторых случаях могут и пересекаться.

Качественный – в основном потому, что становится возможным соединить две точки совершенно различными способами, не имеющими друг с другом пространственно‑временной связи. Именно на этих неожиданных путях вселенские «червяки» и прогрызают свои необыкновенные «дыры».

Чтобы яснее понять, что же знаменуют собой те «различные способы», которыми можно соединить две точки, обратимся к наглядному примеру, приводимому, тем же Стивеном Хокингом в его новой книге «Короткая история времени».

Понаблюдаем за самолетом, летящим над пересеченной местностью, предлагает нам английский ученый. Его траектория в небе – прямая линия в трехмерном пространстве. А вот тень его следует по изогнутой траектории – в зависимости от рельефа – в двухмерном пространстве.

Точно так же Земля движется вокруг Солнца по прямой траектории в четырехмерном пространстве (три классических пространственных измерения плюс четвертая координата – время). А вот в трехмерном пространстве отображение нашей планеты перемещается по изогнутой траектории – эллипсу, примерно так же, как движется по какой‑то кривой тень самолета.

Из всего этого следует, что при помощи «червячной дыры», проходящей через четвертое пространственное измерение, можно изрядно сократить себе путь как в пространстве,, так и во времени.

Существование таких кратчайших путей было предсказано теоретиками еще в 1916 году, но только двадцать лет спустя, когда Эйнштейн совместно с Розеном взялся за анализ своих же уравнений, была выдвинута достаточно проработанная гипотеза о неком «мосте», который может связывать две точки более коротким путем, чем общепринято. Эта гипотеза получила название «мост Эйнштейна – Розена».

И вот в конце 50‑х годов Джон Уилер впервые ясно обрисовал, где именно эти «мосты» в нашей Вселенной могут быть наведены. Ему же принадлежит и название «червячные дыры» по известной аналогии с ходами, проделываемыми плодовым червяком. Итак, согласно Уилеру, «червячные ходы», скорее всего, могут возникать в тех районах Вселенной, где пространство сильно изогнуто. То есть, говоря иначе, в районах, где существуют те самые «черные дыры», о которых мы уже говорили.

При этом, однако, Уилер и его последователи получили поначалу не слишком обнадеживающую картину. Во‑первых, было неясно, как именно могла бы появиться «червоточина» – теория не находила механизмов для ее образования. Во‑вторых, получалось, что два входа «червоточины» – теоретики назвали их «ртами» – могут сообщаться между собой весьма незначительное время. Не успеет «червоточина» появиться, как канал или «глотка», соединяющая оба «рта», тотчас должна мгновенно стянуться, давая в итоге две не сообщающиеся между собой «черные дыры».

Таким образом, сконструированные теоретиками «червоточины» показались им нежизнеспособными, и интерес к космическим туннелям вскоре угас.

 

 

Путешествия по «червоточине»

 

Интерес к «червоточинам» возродился всего несколько лет назад, когда известный американский астрофизик Кип Торн при участии своих сотрудников и учеников решил вновь заняться этой проблемой. Говорят, одним из толчков к исследованию послужила просьба, адресованная Торну его коллегой и приятелем, известным ученым Карлом Саганом. Саган на сей раз решил выступить в несвойственной ему роли и написал научно‑фантастический роман «Контакт», действие которого происходит как раз в туннеле‑«червоточине».

Чтобы придать правдоподобие выдумке своего приятеля, Торн и решил посмотреть, каким образом «червоточину» можно уберечь от мгновенного разрушения. Для начала исследователи попробовали укрепить стенки туннеля некой «экзотической материей».

Материя должна быть действительно на редкость экзотической: она должна выдерживать давления в миллиарды миллиардов атмосфер да при этом еще и обладать, как показывают расчеты, отрицательной… массой – явлением еще не известным в физике.

Однако тем не менее «строительство» продолжалось. Чтобы сделать «червоточину» пригодной для передвижения астронавтов, в транспортный туннель поместили вакуумную трубу. Было предложено и еще одно решение: ученые наделили экзотическую материю такими свойствами, чтобы она не взаимодействовала с обычным веществом. Теперь астронавты могли двигаться сквозь туннель, вовсе не ощущая сопротивления.

Работая с «червоточинами», Торн попытался теоретически обосновать и еще одну идею, ранее обсуждавшуюся применительно к «черным дырам». Эта идея – путешествие во времени. Согласно расчетам получается, что в принципе можно если не запустить ракету, которая прилетит вчера, то по крайней мере по прилете увидеть хвост своего собственного стартующего корабля.

Ну а если заниматься не подобными «фокусами», а чем‑либо более серьезным, то с помощью такого приема можно будет отправиться в прошлое. Правда, и тут есть свои сложности. Сложность первая: чтобы сместиться в прошлое, скажем на тысячу лет, придется предварительно двигать «рот» около столетия со скоростью, сравнимой с околосветовой. Сложность вторая и, пожалуй, главная – это возможное нарушение принципа причинности. Следствие в данном случае может повлиять на причину, и никто не знает, чем все это может кончиться…

Ну а чтобы вы не печалились заранее, скажем, что сам Кип Торн весьма расстроен тем шумом, который подняли вокруг его гипотез досужие журналисты. Это ведь всего лишь рабочая гипотеза, в которой сам ученый не видит ничего особенно необычного.

«Пока мы не знаем всех физических законов, на основе которых могут (или не могут) возникать и функционировать космические „червоточины“, – говорил он. – И в то же время известные законы их не запрещают. Более того, по представлениям таких крупных специалистов, как С. Хокинг и Дж. Уилер в масштабах околопланковской длины, то есть где‑то около 10‑43 см, все пространство состоит из микроскопических „червоточин“ и представляет собой, как ее называют, квантовую пену. Может быть, когда‑нибудь, через тысячелетия, люди научатся раздувать эти „червоточины“ до космических размеров…

Что же касается принципиальной возможности перемещения во времени, то К.Торн не видит тут принципиальных «ловушек», поскольку возможность такого путешествия основана на уже достаточно проверенном и привычном эффекте теории относительности – «растягивании» времени с увеличением скорости.

«Словом, машина времени существует самым очевидным образом… но в бесконечно малом мире» – пишет по этому поводу французский научно‑популярный журнал «Сьянс э ви». Такая констатация, конечно, мало обнадеживает человека, который бы хотел совершить путешествие во времени, ну если не завтра, то по крайней мере в начале следующего века. И все‑таки должен ли человек оставить всякую надежду на путешествия в пространстве и времени? Конечно, нет. Если космический корабль будущего и машина времени еще не появились на свет, то гипотеза о том, что однажды они появятся, уже перестала быть чисто теоретической.

Сверхскоростные перемещения в пространстве – первая и наиболее доступная область применения «червячных дыр». Сегодня для межпланетных полетов даже в Солнечной системе требуются годы и даже десятилетия. Ну а тем, кто пожелал бы ощутить себя менее одиноким во Вселенной и отправился бы на поиски жизни к другим планетам, путешествие обернулось бы 160 тысячами годов полета до самой близкой к нам звезды – Проксимы Центавра.

Даже если предположить, что корабль сможет достичь скорости света, то и тогда на дорогу уйдет не менее десятка лет. Однако самая передовая техника и самые большие оптимисты не заглядывают за рубеж 20% от скорости света. Значит, чтобы начать исследования за пределами Млечного пути, не хватит и нескольких поколений космонавтов? Не отчаивайтесь, «червячные дыры» могут сделать подобные путешествия практически мгновенными. Главной заботой станет правильный выбор нужного туннеля, чтобы очутиться именно в нужном месте, а не в каком‑либо другом…

Путешествия во времени организовать и осуществить будет значительно сложнее. Здесь необходимо помнить, что в соответствии со все теми же уравнениями Эйнштейна, время течет тем медленнее, чем быстрее происходит перемещение. Другими словами, время становится понятием относительным: абсолютное время и единые часы не существуют.

Эта гипотеза уже подтверждена экспериментально в начале 70‑х годов, когда было измерено расхождение трех часовых механизмов – одни двигались вокруг Земли на запад, другие – на восток, третьи – оставались неподвижны относительно поверхности нашей планеты. Вывод из этого эксперимента оказался таким: часы, перемещавшиеся на восток, показали по возвращении на место старта меньшее время, чем другие часы, поскольку с учетом скоростей собственно самолета, на котором они находились, и вращения планеты (а Земля, как известно, вращается с запада на восток) данные измерители времени двигались с большей скоростью, чем все остальные.

Это проявление теории относительности уже известно нам под названием «парадокса близнецов». Однако наш близнец‑космонавт ни в коем случае не смог бы вернуться во времени» назад. Для этого ему непременно пришлось бы пройти через «червячную дыру». Чтобы лучше понять это, представим такую «дыру», начало которой пусть находится на Земле, а выход – на каком‑нибудь астероиде, неподалеку от нашей планеты. Представим также, что этот самый астероид отправился в полет по Вселенной, имея у себя «на борту» некого новорожденного. Что будет происходить с ним во время полета?

Оконечность «червячной дыры» и находящийся в этом месте ребенок будут стареть медленнее, чем та ее часть, которая находится на Земле. (По аналогии с «парадоксом близнецов» – тот, кто путешествует, стареет медленнее.) Предположим, что к концу 50‑летнего полета астероида Земля состарится на 200 лет – такова разница в их скоростях движения. Тогда и разница в возрасте двух оконечностей «червячной дыры» составит 150 лет.

Предположим теперь, что житель астероида, теперь уже далеко не мальчик, а солидный пятидесятилетний мужчина, решит вернуться на Землю, пользуясь туннелем «червячной дыры». Перемещение по ней происходит практически мгновенно, и поскольку особенностью «дыры» является то, что она связывает идентичное время, наш мужчина прибудет на Землю в ту пору, когда до начала всей рассказанной нами истории будет оставаться еще 50 лет. То есть он попадет в прошлое, «сэкономив» 150 лет, поскольку Земля в этот момент будет еще находиться на двухсотом году до начала полета астероида.

Если же теперь наш путешественник вновь отправится на астероид, но уже не через «дыру», а на космическом корабле, двигающемся со скоростью, близкой к скорости астероида (чтобы время этого путешествия не выглядело чудовищно большим по сравнению с временем полета), то он может прибыть на астероид, допустим, на 35‑м году полета астероида. Так как последний был уже в полете порядка 10 лет до того, как корабль покинул Землю, то путешествие, таким образом, продлится 25 лет по собственному времени путешественника. И наш мужчина ступает на астероид в возрасте 75 лет… и слышит приветствие от молодого тридцатипятилетнего человека, который не кто иной, как он сам!

Причем только старец в данной ситуации будет знать, что видит самого себя; молодой же человек еще понятия не имеет, что в возрасте 50 лет он решит отправиться назад на Землю. Интересно, а какой будет выглядеть наша история в том случае, если старцу вдруг придет в голову сумасбродная мысль прикончить своего «двойника»?.. Ситуация похлеще, чем во многих детективах…

 

Парадоксы наших дней

 

Возможности фантазировать по поводу путешествий во времени и пространстве поистине безграничны. Но это повествование все‑таки не детективный и не научно‑фантастический роман. А потому давайте вернемся непосредственно к теме нашего разговора и рассмотрим еще некоторые возможности управления потоками времени.

 

 

Волчок в реке времени

 

Лет тридцать назад в сборнике трудов Московского университета был опубликован доклад профессора Пулковской обсерватории Н. А. Козырева, поразивший воображение парадоксальностью своих выводов не только людей несведущих, но и специалистов,

Поскольку по своей основной специальности Николай Александрович Козырев был астрономом, то речь он вел поначалу о вещах чисто астрономических. Луна издавна считалась мертвым небесным телом, уже закончившим свою эволюцию. И вдруг нашелся ученый, который во всеуслышание заявил: на естественном спутнике Земли вполне возможна вулканическая деятельность!

Ох и досталось же ему от коллег за такое «антинаучное» заявление! Однако ученый мир удивленно затих, когда в 1958 году Н. А. Козырев все‑таки высмотрел в свой телескоп вулканическое извержение в кратере Альфонс и даже сумел получить его спектрограмму.

Понадобился еще добрый десяток лет, прежде чем наблюдения Козырева были признаны вполне достоверными. Только в декабре 1969 года Госкомитет по делам открытий и изобретений СССР выдал ученому диплом об открытии лунного вулканизма, а в следующем же году Международная астрономическая академия наградила его именной Золотой медалью с бриллиантовым изображением созвездия Большой Медведицы.

Итак, факт остается фактом – вулканизм на Луне есть, тут уж ничего не попишешь. Однако многие скептики никак не могли успокоиться: уж больно необычным путем Н. А. Козырев пришел к свое му открытию. Дело в том, что Николай Александрович полагал основу лунного вулканизма нужно искать в… потоке времени

Свою уверенность Козырев черпал в нескольких простых экспериментах. Вот один из них. Ученый брал обычные рычажные весы подвешивал к одному концу коромысла вращающийся по часовой стрелке гироскоп. На другом конце – чашка с гирьками. Дождавшись, когда стрелка весов замерла на нуле, ученый включал электровибратор, прикрепленный к основанию. Причем сила вибрации рассчитывалась таким образом, чтобы вибрация полностью поглощалась массивным ротором волчка.

Как должна отреагировать на это уравновешенная система? Весь могли не шелохнуться, и физики всегда найдут этому вполне правдоподобное объяснение. Весы могли выйти из равновесия, и это тоже вполне можно объяснить. Но как объяснить то, что произошло с весами на самом деле?

Экспериментатор раскручивал гироскоп, вешал его на коромысло – стрелка уравновешенных весов оставалась в точке равновесия. Затем экспериментатор снимал остановившийся гироскоп и раскручивал его вновь, но в обратную сторону. И когда гироскоп снова подвешивался к коромыслу весов, происходило маленькое чудо – стрелка уравновешенных весов уходила в сторону, показывая: гироскоп стал легче!

Сам Козырев объяснял этот парадокс следующим образом. Гироскоп на весах с электровибратором – это система с причинно‑следственной связью. Во втором случае направление вращения волчка противоречит ходу времени. Время оказало на него давление, возникли дополнительные силы, которые можно измерить…

А раз можно измерить, значит, эти силы реально существуют. И тогда получается, что время – это не просто длительность от одного события до другого, измеряемая часами. Время – физический фактор, обладающий свойствами, которые позволяют ему активно участвовать во всех природных процессах, обеспечивая причинно‑следственную связь явлений. Козырев, таким образом, установил экспериментально, что ход времени определяется линейной скоростью поворота причины относительно следствия. Согласно его расчетам получалось, что величина такой линейной скорости составляет 700 км/с и имеет знак «плюс» в левой системе координат.

Правда, справедливости ради следует отметить, что подобный же опыт, который провели недавно два японских физика, был забракован их придирчивыми коллегами. Многие ученые ныне считают, что разница в показаниях весов основана прежде всего на погрешности опыта, а также возможных неточностях изготовления карданова подвеса, в котором вращается гироскоп.

Но вот вам описание еще одного опыта, который Козырев проводил специально для скептиков. Он брал самый обыкновенный термос с горячей водой. Только в пробке было проделано отверстие, куда ученый вставил тонкую хлорвиниловую трубку. Термос ставился около весов с гироскопом. Стрелка весов при этом показывала, что вращающийся волчок при весе в 90 граммов стал легче на 4 миллиграмма – величина хоть и крохотная, но вполне осязаемая.

После этого Козырев начинал добавлять по трубке в термос воду обычной комнатной температуры. Казалось бы, как может влиять баллон с горячей водой, которую начинают охлаждать, на ход гироскопа и его вес? Тем более что термос имеет сосуд с двойными стенками, практически полностью исключающий теплообмен с окружающей средой.

Однако стрелка весов сдвигалась каждый раз на одно‑два деления – значит, какая‑то связь все‑таки существовала…

И уж совсем приводил в смятение сторонних наблюдателей опыт, в котором возле весов поочередно ставились два стакана с горячей водой – один с сахаром, другой – без него. Так вот, тот стакан, в котором еще не было сахара, никак не влиял на показания весов, тот же, в котором растворялся сахар, заставлял стрелку сначала отклоняться, а затем по мере окончания процесса растворения, снова возвращаться к исходной отметке.

Какие же объяснения давал своим, прямо скажем, странным опытам сам Козырев?

– Стоит подлить в термос холодную воду, а в стакан с чаем опустить сахар, – говорил ученый, – как равновесие системы нарушалось потому, что в ней начинают происходить необратимые процессы. Холодная вода не может привести к повышению температуры воды в термосе, а сахар не способен заново кристаллизоваться из раствора. И этот процесс, покуда система снова не придет в равновесие на новом уровне – пока в термосе не установится одинаковая по всему объему температура, а сахар полностью не растворится, – уплотняет время, которое и оказывает «дополнительное» воздействие на гироскоп. Другого объяснения я просто не могу предложить. Мои слова подтверждаются и другими фактами…

А факты эти таковы. Если время воздействует на систему с причинно‑следственной связью, то должны меняться и какие‑то другие параметры пространства. Так оно и оказывается при проверке. Вблизи термоса, где смешивается горячая и холодная вода, изменяется частота колебаний кварцевых пластинок, уменьшается электропроводность и объем некоторых веществ.

Свои лабораторные опыты Козырев соотносил и с процессами, происходящими во Вселенной. Весьма бурные и могучие тепловые процессы идут как в недрах, так и на поверхности многих звезд. А если это так, рассуждал далее Козырев, то получается, что звезды обязательно должны выделять колоссальное количество времени, то есть, по существу, служить генераторами этой непонятной пока еще нам субстанции.

Но тогда время, как физический фактор, должно подчиняться и основным физическим законам, в частности законам отражения и поглощения. Чтобы убедиться в этом, Козырев провел еще один необычный эксперимент. Он направлял телескоп с помещенным в его фокусе некоторым веществом на какую‑либо яркую звезду, но… прикрывал его объектив черной бумагой или тонкой жестью, чтобы исключить влияние световых лучей. Электропроводность вещества, находящегося в фокусе, менялась. Тонкая жесть сменялась более толстой, затем очень толстой металлической крышкой… Соответственно уменьшалось и отклонение стрелки гальванометра, что вполне поддается объяснению. Если время – физический фактор, то его вполне можно экранировать…

Конечно, всякий раз находились скептики, которые объясняли поведение стрелки гальванометра и многими другими причинами – инфракрасной частью излучения, которое хоть ненамного, но все же нагревает металлическую крышку, просто погрешностями эксперимента и т. д. И тогда Козырев провел решающий эксперимент.

При его подготовке он руководствовался следующими соображениями. Известно, что обычно мы видим звезду не там, где она в данный момент действительно находится, а там, где она находилась в момент испускания светового излучения. А свет хотя и является, согласно теории относительности, самым скоростным излучением во Вселенной, все‑таки имеет конечную скорость распространения. А вот со временем, как и с гравитацией, дело обстоит иначе – оно не распространяется постепенно по Вселенной, а сразу проявляется во многих ее точках.

Говоря проще, используя свойства времени, можно получать мгновенную информацию из любой точки пространства и столь же быстро передавать ее в любую точку. Только при таком условии мы не вступаем в противоречие со специальным принципом относительности. Так что если вычислить, где в данный момент действительно находится данная звезда, и навести телескоп на этот «чистый» участок неба, то при изменении веса гироскопа гипотеза будет доказана.

Козырев так и поступил. Именно таким образом было зафиксировано положение Проциона. Впрочем, скептиков и это не убедило: они нашли, что да, действительно, в настоящее время подобные эксперименты нельзя объяснить известными законами механики, но, с другой стороны, это вовсе не значит, что таким образом себя действительно проявляет именно время. После смерти Н. А. Козырева накал страстей вообще заметно снизился. О «парадоксах Козырева» не то чтобы стали забывать, нет, о них помнят, но воспоминания эти носят некий налет иронии: «Вот, дескать, был такой чудак, который считал…»

Но время – то самое, о котором столько споров! – работает, по всей вероятности, именно на гипотезу Козырева. Судите сами.

 

 

Почему светятся звезды?

 

Н. А. Козырев был астрономом. И естественно, что он стал подбирать ключи к мировым законам не на Земле, а во Вселенной. В 1953 году он пришел к парадоксальному выводу: в звездах вообще нет никакого источника энергии. Звезды живут, излучая тепло и свет, за счет прихода энергии извне.

Надо сказать, что у Николая Александровича были для такого суждения свои резоны. Еще в 1850 году немецкий физик Р. Клазиус сформулировал постулат, который впоследствии был назван вторым законом термодинамики. Вот как он звучит: «Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более теплому».

Утверждение, вроде бы, самоочевидное: всем доводилось наблюдать, как, скажем, выключенный утюг постепенно становится все более холодным, но никто не видел, чтобы он вдруг стал нагреваться, забирая тепло из окружающего пространства. И все‑таки против постулата Клазиуса в свое время выступали многие известные ученые – Тимирязев, Столетов, Вернадский… Даже Циолковский назвал такое суждение антинаучным, поскольку из постулата Клазиуса вытекала неизбежность тепловой смерти Вселенной.

Если все тела самопроизвольно охлаждаются, гласила она, то в конце концов со временем все звезды по Вселенной погаснут. Значит, наступит, что называется, конец света?

Сто с лишним лет назад два великих ума того времени – Гельмгольц и Кельвин – казалось бы, решили загадку. Звезды – это огромные сгустки газа. Сжимаясь под действием гравитации, они нагреваются до миллионов градусов и обогревают Вселенную. Но… расчет показал, что при такой схеме работы наше Солнце должно было израсходовать всю свою энергию задолго до того, как на нашей планете проявились бы первые проблески жизни.

Затем наступила очередь другой точки зрения: звезды стали считать сначала ядерными, а потом и термоядерными реакторами. Но и здесь не все гладко: эксперименты и расчеты показывают, что температура внутри Солнца гораздо меньше той, что требуется для поддержания термоядерной реакции.

Таким образом, получается, что недостающую энергию звезды берут из окружающего пространства. Однако само по себе пространство не может быть источником энергии – оно для этого достаточно пассивно. Но, с другой стороны, пространство неотделимо от времени: помните мы с вами говорили о существовании пространства‑времени?..

Но тогда что же представляет собой само время? Не является ли оно своеобразным вечным двигателем Вселенной? Как говорил главный герой романа М. Анчарова «Самшитовый лес» изобретатель Сапожников, если в поток времени поставить вертушку, она закрутится.

Но что это за поток? Справедлив ли для него закон сохранения энергии? И откуда он эту самую энергию берет?.. Вот сколько вопросов, и все они требуют обстоятельных ответов.

Закон сохранения энергии был выведен в XVII веке в результате многочисленных экспериментов с различными движущимися телами. К середине XIX века этот закон был распространен не только на чисто механические движения, но и на другие виды процессов, в частности тепловые. Не случайно в термодинамике этот закон называют первым началом, подчеркивая тем самым его важность.

Но второй закон термодинамики, тот самый постулат Клазиуса, о котором мы говорили, гласит, что тепло (энергия) из системы куда‑то все время утекает. Куда? Во что оно переходит? Точного ответа на эти вопросы пока нет. Но это вовсе не значит, что закон сохранения энергии во Вселенной нарушается.

Возьмем хотя бы такую аналогию. Вы видите у человека на руке часы, которые не надо заводить. Что, в них работает вечный двигатель? Вовсе нет. Хитроумный механизм использует либо механическую энергию движений самого человека, либо разность температур между его телом и окружающей средой, либо энергию естественного и искусственного света…

Так и с потоком времени. Если мы не знаем, откуда он берется и куда уходит, это вовсе не значит, что мы можем говорить о нарушении основных законов природы. Так считал Козырев, так считают сегодня многие ученые. И надо сказать, жизнь с каждым годом позволяет им все более утвердиться на этой точке зрения.

В свое время тот же Козырев обратил внимание на двойные звезды. Эти образования могут состоять из звезд разных классов, но, объединившись в пару, они обретают удивительно схожие черты – одинаковую яркость, спектральный тип и т. д. Возникает впечатление, что главная звезда воздействует на свой спутник и постепенно передает ему нечто, изменяющее его облик. Но что именно? Межзвездные расстояния достаточно велики, чтобы исключить влияние обычных силовых полей. На таких расстояниях работают только силы гравитации и… время. Силы гравитации удерживают небесные тела в одной системе, а время, может статься, помогает им обмениваться энергией.

Свою догадку Козырев пробовал проверить на ближайшей к, нам небесной паре: Земля – Луна. Так он пришел к гипотезе о лунном вулканизме, впоследствии получившем подтверждение на практике. Потом его внимание привлекли «черные дыры». Ведь их тоже можно считать в некотором роде сверхплотными звездами – коллапсарами с огромным полем тяготения. Туда, в эти «дыры», скорее всего, и утекает энергия из нашей Вселенной. Но безвозвратно ли она утекает?

 

 

Стрела времени

 

То, что на сегодняшний день нам известно о строении Вселенной, позволяет считать, что ее энергия утекает не безвозвратно. Рано или поздно процесс поглощения вещества «черными дырами» может прекратиться, и тогда начнется обратный процесс – выход энергии и вещества наружу. Быть может, начиная с этого момента, и время потечет вспять?

Правда, весь предыдущий опыт человечества пока говорит о том, что большинство событий и явлений, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, не обладают обратимостью: человек может только стареть, разбитая чашка никогда уже не станет целой, молоко, разлившееся из опрокинутой бутылки, никогда не соберется в нее вновь…

Однако многие явления обладают обратимостью: автомобиль может проехать сначала в одну сторону, а потом вернуться, день сменяется ночью, а потом снова приходит день, все молекулы участвуют в беспорядочном броуновском движении… Откуда возникает необратимость, если законы движения обратимы?

Вопрос непростой. О нем не случайно говорят как о парадоксе обратимости. Споров вокруг него было немало, пока Л. Больцман все‑таки не нашел решение проблемы. Вот ход его рассуждений.

Капля сиропа, расплывшаяся в воде, может снова собраться. Тепло может перейти обратно к тому из брусков, который раньше был более горячим. Газы, выпущенные из двух баллонов в общий сосуд, могут когда‑либо снова разделиться… Все эти процессы в принципе возможны хотя бы потому, что из свойств механического движения молекул следует, что возможны как перемешивание газов, так и обратный ему процесс. Ведь атомы и молекулы движутся хаотично, а раз имеется обратимость в движениях отдельных атомов, значит возможно и обратимое поведение всего их сообщества. Категорического запрета на это нет. А то, что мы не наблюдаем их в повседневной жизни, говорит лишь о том, что обратные явления по сравнению с прямыми происходят очень и очень редко. Может случиться так, что за всю историю Вселенной нам не доведется их наблюдать, но это вовсе не значит, что они не могут происходить вообще.

Эту идею впоследствии поддержал уже известный нам Н. А. Козырев. Он предположил: что все известные законы движения – лишь некоторая приближенная форма точных законов, которые еще предстоит открыть. И если в приближенных законах соблюдается обратимость, то точные законы будут обладать обратимостью, хотя, вполне возможно, она и будет выражена достаточно слабо.

Косвенным подтверждением этих высказываний можно, пожалуй, считать открытие не столь давно одной не совсем обычной элементарной частицы. Речь идет о нейтральном К‑мезоне. Эта нестабильная, распадающаяся частица «различает» прошлое и будущее; два направления времени для нее не симметричны.

Тогда поручается, что направление времени связано с направлением большей части процессов во Вселенной? Именно такую догадку выдвинул в свое время английский физик Артур Эддингтон. Он высказал предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, и назвал это явление «стрела времени». В тот момент, когда расширение сменится сжатием, может повернуться в другую сторону и «стрела времени».

Так это или не так, еще предстоит разобраться нашим потомкам. А для этого нужно понять, из чего же именно состоит поток времени.

 

 

Фотон… Гравитон… Хронотон?

 

В настоящее время мы как‑то уже привыкли к тому, что все окружающие нас излучения можно разделить на составляющие их частицы. К примеру, всем сегодня известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов. Причем никто даже особо не удивляется тому, что фотону свойствен Дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, в других – как электромагнитная волна.

Более того, если мы как следует углубимся в дебри современной квантовой физики, то в конце концов обнаружим, что микрочастица по своей природе не является, вообще‑то говоря, ни тем и не другим. Она только похожа на волну или на частицу в том или ином эксперименте. Если в какой‑то ситуации микрочастица похожа на «обычную частицу», то для нее большую определенность приобретает ее положение в пространстве. Если же она в данном конкретном случае более походит на волну, то и большее значение приобретает ее импульс. И физики пользуются в каждом конкретном случае тем или иным определением.

Однако они, эти определения, вообще говоря, введены больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая.

Физики‑теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и спокойно им пользуются при описании различных событий в микромире.

Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. Ну а как быть с гравитацией и временем?

Этот вопрос тоже в немалой степени занимает внимание теоретиков. О возможности существования гравитационных волн говорилось уже в первые годы развития общей теории относительности. А. Эйнштейн доказал, что из его теории следует возможность и даже необходимость существования таких волн.

Гравитационные волны – это волнообразные колебания пространства‑времени, придающие ему дополнительную, бегущую волнами, как «барашки» по морю, искривленность. Теоретики полагают, что эти волны распространяются в четырехмерном пространстве‑времени примерно так же, как в воздухе распространяются упругие акустические колебания или электромагнитные волны.

Гравитационные волны, как и электромагнитные, распространяются с предельной скоростью – 300 тыс. км/с. Однако при этом непонятно, почему гравитационные возмущения распространяются намного быстрее световых. Возможно, для их распространения используются более короткие; внепространственные каналы типа «червоточин»?

Точного ответа на этот и другие подобные вопросы пока нет. Даже сами гравитационные волны пока не удается наблюдать или экспериментально зарегистрировать. Опытные установки, построенные в нескольких точках земного шара, пока не дали результатов, которые бы можно было однозначно интерпретировать как доказательство существования гравитационных волн.

И тем не менее теоретики отважно продолжают свои изыскания. К примеру, еще в 30‑е годы советский физик М. П. Бронштейн применил к описанию гравитационных волн математический аппарат квантовой теории микромира. Он предположил, что гравитационные волны должны быть если не тождественны, то по крайней мере родственны электромагнитным колебаниям, свету.

И что же, теория показывает, что при некоторых условиях гравитационные волны вполне могут вести себя как потоки неких частиц, квантов этих волн. По аналогии с фотонами и электронами, эти частицы получили название гравитонов.

Гравитоны, с одной стороны, очень похожи на фотоны, полагают теоретики. Как и частицы света, они всегда должны двигаться с максимальной скоростью. Их масса должна быть связана с движением – масса покоя, как таковая, отсутствует.

С другой стороны, между этими частицами должны быть и определенные отличия. Фотон взаимодействует только с электрическими заряженными частицами, гравитон же со всеми – он представитель всемирного тяготения.

Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они на самом деле? Точно этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые бы смогли фиксировать эти частицы. Единственное, на что мы пока можем положиться, – на опыт всей физики. А он, этот опыт, учит: нет никакого времени, которое бы существовало «само по себе». Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающем нас мире. А значит, вполне вероятно, что на него должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хронотонов. Или хрононов?!. Точного названия для этих частиц пока нет, и их еще никому, как мы говорили, не удалось обнаружить. Хотя об атомарности, квантованности времени спорили еще мудрецы древности.

Однако физика – наука точная. Она не может существовать на одних предположениях. И если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о машинах, это время преобразующих по нашему желанию, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать не только кванты тяготения, но и кванты времени. Мерилом истины может быть только Эксперимент. Но возможен ли он в нашем конкретном случае? Теоретики, а тем более экспериментаторы пока не могут ответить на этот вопрос однозначно. Дело в том, что некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 109 джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, – могут обеспечить едва ли миллиардную долю этой энергии. По всей вероятности, подобный ускоритель вообще никогда нельзя будет построить – ведь для его работы не хватит никаких планетарных ресурсов.

Впрочем, кое‑какой выход из положения все‑таки намечается. Если мы не можем создать подобные условия на нашей планете, надо поискать, – не существуют ли они где‑то во Вселенной. И тогда, наблюдая за ходом эксперимента в лаборатории природы, мы и сможем получить ответ на интересующие нас вопросы.

В связи с таким подходом многие исследователи в последние годы самым настоятельным образом советуют повнимательнее присмотреться к вакууму, то есть к космической пустоте, которая окружает все небесные тела. Судя по некоторым данным, эта пустота может оказаться вовсе не так пуста, как казалось еще недавно.

На сегодняшний день под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни полей, ни частиц. Это состояние наименьшей возможной энергии, но оно вовсе не значит, что энергии в системе нет вовсе. В вакууме все время протекают самые различные превращения. И, разобравшись в них, мы, вполне возможно, еще очень многое поймем в сущности окружающего нас мира, в том числе и в такой странной и загадочной на сегодняшний день физической субстанции, какой является время.

«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время». Слова древнего мудреца остаются верными и в наши дни. Но это вовсе не значит, что над сущностью времени не надо вообще задумываться. Надо! Именно на этом пути и лежит возможность создания удивительных, фантастических пока устройств – машин времени.

Временная спираль завершает свой очередной виток. И на пороге нового тысячелетия мы подводим итоги своих знаний о природе времени, чтобы затем вновь отправиться в путешествие сквозь годы, познавая суть времени все глубже…

 

СОВЕТУЕМ ПРОЧИТАТЬ

 

Альберт Эйнштейн и теория гравитации. Сб. статей. – М.: Мир, – 1979.

Б р о н ш т е й н М. П. Атомы и электроны. – М.: Наука, 1980.

В а л е н т и н о в А. А. Вечный маятник Вселенной./ / Социалистическая индустрия. – 1977. – 20 ноября.

Время и современная физика. – М.: Мир, 1970.

Л и б ш е р Д. Э., Новиков И. Д. Река времени// Природа. – 1985. – № 4.

М и з н е р Ч., Торн К., У и л е р Дж. Гравитация. – М.: Мир, 1978.

Р о б р е д о Ж. – Ф. Путешествие в прошлое: возможно ли это?// Сьянсэви. – 1989. – № 11

С в о р е н ь Р. А. Проектируется машина времени/ / Наука и жизнь. – 1990. – № 2.

У и т р о у Дж. Структура и природа времени. – М.: Знание, 1984.

X о к и н г С. Край Вселенной// Природа. – 1985. – № 4.

X о к и н г С. Короткая история времени. – Лондон: Наука, 1989.

Ф р и д м а н А. А. Сочинения. – М.: Наука, 1966.

Ч е р н и н А. Д. Физика времени. – М.: Наука, 1987.

Э й н ш т е й н А. Сочинения. – М.: Наука, 1978.