Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная
Монополи можно было бы хранить в «магнитных бутылках» — специальных ловушках, магнитное поле которых действительно имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения со стенками.
Пока это — только мечта. Но если законы природы ей не противоречат, рано или поздно наука ее осуществит.
Правда, есть и пугающий аспект проблемы: что произойдет, если хотя бы один монополь ускользнет из «бутылки»? Неуправляемый распад планеты? Загнать монополи обратно в «бутылку» потруднее, чем джинна в кувшин. Впрочем, надо сначала их найти...
Вот куда заводит, казалось бы, чисто теоретический вопрос о симметрии электричества и магнетизма! В физике всегда так: даже самые абстрактные проблемы рано, или поздно находят практическое применение. И в каждом таком приложении есть как положительные, так и отрицательные стороны. Такова диалектика природы и научного знания, диалектика жизни.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ,
посвященная движению со сверхсветовой скоростью, которое происходит в фантастическом мире, где будущее перемешивается с прошлым и можно встретить еще не родившихся потомков и давно умерших предков. Читатель знакомится со сверхбыстрыми тахионами, у которых по сравнению с обычными частицами все шиворот-навыворот
Один из основных постулатов физики утверждает, что в природе существует максимальная скорость. Это скорость света в пустоте — около 300 тысяч километров в секунду. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Безмассовые частицы — фотоны, нейтрино и спрятавшиеся в недрах других частиц глюоны — перемещаются в пространстве с максимальной скоростью. Все другие частицы и тела движутся медленно. Почему? Что им мешает? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению с житейскими нашими скоростями, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Может, в природе все-таки существуют частицы, движущиеся быстрее света, а мы их просто еще не обнаружили? Допущение с научной точки зрения не столь уж крамольное. А если не обнаружили, то где следует их искать и какими свойствами может обладать «сверхсветовое вещество»?
Вопрос о сверхсветовых скоростях — один из спорных пунктов современной физики. Хотя большинство ученых считает, что в природе таких скоростей нет, это мнение не имеет под собой безусловных оснований. Вопрос продолжает беспокоить физиков. В самых серьезных и респектабельных физических журналах время от времени появляются статьи, которые еще и еще раз, с новых точек зрения, анализируют следствия сверхсветовой гипотезы. Число посвященных ей работ—книг, статей, докладов на конференциях — давно перевалило за тысячу.
Все гипотетические тела, движущиеся со сверхсветовыми скоростями, независимо от их массы, размеров и других свойств, принято называть тахионами. Как и многие другие названия в физике, этот термин восходит к греческому корню: слово «тахис» означает «быстрый», «стремительный». Чтобы понять трудности, к которым приводит гипотеза о существовании в природе таких физических объектов, давайте сначала познакомимся со свойствами, которыми они теоретически должны обладать.
Хорошо известно, что масса тела зависит от его скорости: чем быстрее оно движется, тем оно тяжелее. При небольших скоростях увеличение массы незаметно. Но если тело разгоняется так, что его скорость становится близкой к световой, тогда масса увеличивается многократно. В современных больших ускорителях масса электрона возрастает в миллионы и даже миллиарды раз. Электрон становится тяжелее протона. Но чем больше масса тела, тем труднее его ускорять: требуется все больше и больше энергии. Чтобы разогнать одну частицу до скорости света, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии — энергию всей Вселенной. Поскольку это невозможно, долгое время считалось, что тахионов в природе быть не может.
Советский физик Я. П. Терлецкий одним из первых обратил внимание на то, что этот вывод говорит лишь о невозможности перейти через световой барьер путем непрерывного наращивания скорости. Но существуют же частицы, с легкостью движущиеся со скоростью света,— фотоны и нейтрино! Они рождаются, сразу имея такую скорость, без всякого разгона А все оттого, что у них просто нет массы покоя (во всяком случае у фотона). Тахионы тоже должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Другими словами, это совершенно новая форма материи, отделенная от обычной непроходимым световым барьером. Переход происходит всегда скачком: частицы поглощаются и рождаются затем сразу по другую сторону барьера. Они как бы подныривают под него.
Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, когда их скорость уменьшается. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион ускоряется. Эксперимент и теория убеждают нас в том, что вблизи светового барьера частицы с досветовыми скоростями сжимаются в направлении своего движения, а время их жизни (если они склонны к распаду) возрастает. Размеры распадающегося тахиона, напротив, растут — он как бы распухает в направлении движения, а течение времени для него резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, он вытягивается вдоль всей своей траектории. Словом, у тахионов все наоборот, и к этому выводу приводят нас строгие формулы теории относительности.
Впрочем, у тахионов есть еще более поразительные свойства. Оказывается, например, что порядок событий, в которых участвуют сверхсветовые частицы (какое из них раньше, какое позднее), зависит от выбора системы координат. Если в некоторой системе отсчета один атом испускает тахион, а второй атом его поглощает, то в системе координат, движущейся с иной скоростью, этот процесс может выглядеть как переход частицы в обратном направлении: от второго атома к первому. Взаимодействие со вторым атомом здесь происходит раньше, чем с первым. Иначе говоря, в тахионных процессах разделение времени на прошлое и будущее условно, как условно, например, противопоставление правого и левого в нашей обыденной жизни: для меня это — левое, а для стоящего ко мне лицом собеседника — правое. Так и для тахионов — в одной системе координат событие происходит в будущем, а в другой оно оказывается и прошлом.
В тахионном мире ничего не стоит подсмотреть, что произойдет завтра, послезавтра, через год. Нужно только сесть в экипаж, движущийся с подходящей скоростью. При этом возникают невероятные ситуации, в которых причинная связь событий нарушена.
У американского писателя-фантаста Рэя Бредбери есть знаменитый рассказ о том, как человек, отправившийся путешествовать в прошлое, пренебрег запретом «Ничего не трогай!» и, гуляя в древнем тропическом лесу, раздавил бабочку. Цепочка последовавших за этим причинно связанных событий привела к тому, что, возвратившись в свое время, неосторожный путешественник обнаружил свою страну такой же, какой она была прежде, только в фамилии человека, баллотировавшегося на пост президента, изменилась буква, и это был уже не умеренный буржуазный демократ, а потенциальный тиран. В мире со сверхсветовыми явлениями возможны и более удивительные происшествия: там можно устроить встречу давно умерших предков с их еще неродившимися потомками.
Свойства тахионов настолько удивительны, что возникают серьезные сомнения в возможности существования таких частиц. Правда, ускорение вместо торможения, распухание и размазывание по всей траектории — хотя и очень непривычные для нас вещи, считать их абсолютно невозможными нет оснований. Странно — не значит невозможно. К необычным явлениям и свойствам можно привыкнуть. Другое дело — причинность. Ее нарушение — вопиющее противоречие, не совместимое с естественным ходом вещей в нашем мире. Ведь в самом-то деле, не можем же мы беседовать со своими пращурами или давно умершими историческими личностями.
Как избавиться от нарушений причинности, к которым приводит гипотеза тахионов, и можно ли это вообще сделать, пока неясно. Этих трудностей нет в области очень малых пространственно-временных масштабов, где временной порядок событий, возможно, вообще нельзя установить или же он имеет смысл, весьма отличный от того, к которому мы привыкли в нашем макромире. Зависимость этого порядка от системы координат в этом случае не будет нарушать причинности. Некоторые опыты с элементарными частицами указывают на то, что в, субмикроскопических областях пространства и времени однозначно разделить прошлое и будущее действительно нельзя.
Тахионы останутся запертыми в области малых масштабов, если, например, все они короткоживущие частицы. Ведь, как говорилось выше, если время жизни распадающихся досветовых частиц растет с увеличением их скорости, то у тахионов оно, наоборот, уменьшается. Тахионы распадаются тем быстрее, чем больше их скорость, и это может произойти почти сразу же вблизи точек, где они родились. Наблюдать такие частицы в опыте будет крайне трудно. Вероятность их появления в макроскопических областях и, следовательно, вероятность нарушающих причинность явлений будут близки к нулю.
