Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

«Температура» дискуссий резко поднялась после доклада академика Н. Н. Боголюбова. В докладе доказывалась теорема, позволяющая экспериментально проверить, не нарушается ли в микромире свойство причинности.

Причинность — это обусловленность одного явления другими. У философов есть более точные определения, но суть именно в этом — в такой связи событий, когда одно из них (причина) порождает другое (следствие).

Каждый из нас по собственному опыту знает, что беспричинных событий не бывает — в мире все взаимосвязано. Французский астроном, физик и математик Лаплас считал даже, что если бы в какой-то момент были точно известны движения всех тел и действующие между ними силы, то последующая судьба мира была бы определена однозначно, и можно было бы предсказать все — вплоть до направления полета маленькой мушки и траектории падения желтого листа с дерева. Однако число действующих в природе связей неисчерпаемо, они пересекаются так прихотливо, что возникает случайность, и исход явления начинает зависеть от множества второстепенных факторов. И тем не менее, терпеливо распутывая сложную сеть этих факторов, можно все более точно предсказать связанные с ними события.

Каждая физическая теория имеет свое понимание причинности — условий, при которых взаимодействие передается от одной пространственной точки к другой без помех во временном порядке событий. В механике Ньютона эти условия совсем не такие, как в квантовой теории. Чем совершеннее теория, тем точнее и детальнее определяется в ней причинность. Ясно, что это зависит и от того, какими свойствами теория наделяет пространство и время. Например, в теориях с обычным пространством-временем взаимодействия распространяются не так, как в общей теории относительности с ее искривленным пространством-временем, где могут быть даже самозамыкающиеся цепи событий, когда происходит возврат к исходному состоянию и вся история повторяется заново.

Первым такие цепи в теории относительности обнаружил австрийский математик и логик Курт Гёдель. Они напоминают ленту Мёбиуса. Возьмите полоску бумаги и склейте ее в кольцо так, чтобы верхняя сторона листа на одном конце соединилась на другом с его нижней стороной. Получится односторонняя поверхность: в каждой заданной точке у ленты две стороны — верхняя и нижняя, но их можно соединить непрерывной кривой. Так и со временем: у каждого момента есть две стороны — прошлое и будущее, и последнее можно соединить с первым непрерывной траекторией, двигаясь всегда при этом из прошлого в будущее. Существуют такие искривленные пространства (во всяком случае в математике), где это удается сделать. Хотя это пока только теоретический результат, но, может быть, где-нибудь в мире — в очень сильных гравитационных полях или внутри элементарных частиц — существуют такие удивительные кольца времени.

Причинность — один из самых сокровенных моментов любой физической теории. Недаром физики так много внимания уделяют этому вопросу. А изучая причинность, мы вместе с тем изучаем и свойства пространства-времени. Связь здесь самая прямая.

Так вот, теорема Боголюбова устанавливала соотношения между вероятностями различных процессов взаимодействия элементарных частиц, которые верны лишь в том случае, если выполняется причинность и нет никаких беспричинных явлений. Другими словами, новая теория позволяла проверить, насколько пригодна для описания микрочастиц современная формулировка причинности. Если бы обнаружились отклонения, это было бы указанием на какие-то новые свойства пространства и времени.

Изучением микропричинности ученые занимались и ранее. Однако для этого использовались приближенные модели, и в случае несогласия с опытом всегда можно было сказать, что это связано с несовершенством модели. Боголюбову впервые удалось вывести теорему из самых общих постулатов физики. Поэтому-то она так и взволновала участников конгресса в Сиэтле.

После конгресса советские физики побывали в нескольких институтах США, в том числе в знаменитом Институте высших исследований в Принстоне, под Нью-Йорком, где до конца своих дней работал Эйнштейн. И в каждом институте организовывался многолюдный семинар, где теоретики снова и снова возвращались к теореме о причинности, стараясь обнаружить какие-либо изъяны в доказательстве.

Опыты по проверке теоремы были выполнены сразу в нескольких советских и американских лабораториях. Никаких изъянов! По крайней мере до расстояний, которые в несколько сот раз меньше размеров протона.

Свойства пространства и времени оказываются необычайно устойчивыми. Но насколько глубоко простирается эта устойчивость? По мнению некоторых ученых, от теоремы следует ожидать отклонений на расстояниях, в десятки тысяч раз меньших, чем радиус протона,— там, где теряется зеркальная симметрия прошлого и будущего и где, возможно, существуют микрочастицы, движущиеся быстрее света. А если таких частиц все-таки нет, то могут быть какие-то другие явления, связанные с «перепутыванием» прошлого и будущего, которые тоже приведут к нарушению привычной для нас причинности. Но заглянуть в эту таинственную область мы пока не в состоянии.

Еще более радикальных изменений в свойствах пространства и времени можно ожидать в глубинных, ультрамалых областях. Физики, изучающие и разрабатывающие «теорию суперобъединения», все чаще высказывают мысль, что там не только пространство, но и время становится многомерным. Но все это пока одни предположения, а факты говорят о том, что пространство-время микромира в принципе такое же, как и в макромире. Чем же объяснить такую устойчивость?

Размышляя об этом, некоторые ученые пришли к мысли, что, может быть, пространства и времени в микромире... вообще нет. И наблюдаемая устойчивость связана с тем, что они — излишний, по существу, ни на что не влияющий элемент теории, который мы по привычке принесли из области макроскопических явлений. В физике подобные «разоблачения» случались уже не раз — проводились более точные эксперименты, и старые, незыблемые до того представления оказывались ненужными. Так было и с теплородом, и с флогистоном, и с эфиром, и со многими другими мифическими вещами. Может, и с пространством-временем произойдет то же самое? О них с уверенностью можно говорить в макромире, а в субатомных масштабах их просто нет, как нет там температуры или цвета! Бессмысленно ведь говорить о температуре и цвете одной или двух элементарных частиц; лишь когда частицы образуют макроскопическое тело, цвет и температура возникают как некий усредненный эффект — результат большого числа взаимодействий. Может, пространство-время тоже представляет собой нечто такое, что возникает лишь на определенной ступени сложности?

Мы уже говорили: чтобы добраться до очень малых расстояний, нужны частицы с очень большой энергией. Но эти частицы так сильно взаимодействуют на изучаемый объект, что после этого он оказывается совсем не таким, каким был вначале. При столкновении рождается много новых частиц, а исходная частица-мишень вообще исчезает. Измеряя, мы ломаем то, что хотели бы измерить. Измерение очень мелких деталей внутри частиц, казалось бы, становится принципиально невозможным. А это как раз и означает, что понятие пространства теряет там свой смысл, становится чисто теоретическим.

На первый взгляд соображения весьма убедительны. Однако так было бы для частиц, движущихся по точным траекториям, когда траектория либо пересекает частицу-мишень, либо нет. Если пересекает, то происходит взаимодействие и мишень портится, если проходит мимо — то никакого взаимодействия нет и говорить не о чем. Для реальных микрочастиц картина получается совсем- иная. Они, как мы знаем, движутся по размазанным волновым траекториям; волна же всегда огибает края препятствия, рассеивается им. Поэтому всякий раз, когда поток частиц сталкивается с мишенью, наряду с взаимодействиями, разрушающими мишень, происходит и упругое рассеяние, при котором сталкивающиеся частицы отскакивают друг от друга совершенно невредимыми, подобно биллиардным шарикам. Изучая такое рассеяние, можно получить сведения о свойствах пространства и времени внутри самих частиц.

Составить наглядное представление о связи упругого рассеяния с поглощением довольно трудно. Возможно, кое-что здесь останется для читателя не совсем ясным. Но детали и не нужны. Важно понять одно: в природе существуют процессы, с помощью которых можно изучать пространство и время в микромире, и никаких принципиальных препятствий на этом пути не видно. Трудности связаны лишь с получением частиц высокой энергии. Гипотеза о макроскопическом происхождении пространства-времени оказывается неверной, хотя и по сей день ее нет-нет да и встретишь на страницах какого-нибудь журнала.

Можно многое рассказать о свойствах пространства и времени и о том, какие удивительные метаморфозы они могут претерпеть при переходе от привычных нам масштабов к ультрамалому и ультрабольшому. Но все-таки, что же это такое — пространство и время?