Мысли вслух 997

Тахионы из будущего

Помимо «опережающих» волн из будущего (которые снова и снова доказывают свою полезность в квантовой теории), в квантовой теории существует еще одна необычная концепция, которая представляется столь же безумной, но, возможно, не столь полезной. Это гипотеза о тахионах, которые регулярно появляются в сериале «Звездный путь». Каждый раз, когда сценаристам «Звездного пути» требуется какой-нибудь новый вид энергии для некой магической операции, они привлекают тахионы.
Тахионы живут в странном мире, где все движется быстрее света. Теряя энергию, тахионы начинают двигаться быстрее — что, естественно, противоречит здравому смыслу. Мало того, тахион, полностью лишившийся энергии, движется с бесконечной скоростью. И наоборот, приобретая энергию, тахионы замедляются, пока не достигнут скорости света.
Особенно странными тахионы делает тот факт, что они обладают мнимой массой. (Говоря «мнимой», мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или i.) Если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них m на im, произойдет чудо. Скорость частиц внезапно станет больше скорости света.
Из-за этого возникают странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. По идее эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. Возникает замкнутый круг, и тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость!
(Тахионы отличаются и от антивещества, и от отрицательного вещества. Антивещество обладает положительной энергией, движется медленнее света и может быть получено в наших ускорителях частиц. Согласно теории, антивещество подчиняется закону тяготения и, как положено, падает вниз. Антивещество соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени. Отрицательное вещество обладает отрицательной энергией и тоже движется медленнее света, но под воздействием тяготения падает вверх, т. е. прочь от притягивающего тела из обычного вещества. Отрицательное вещество в лаборатории еще никто не видел. В теории в больших количествах оно может служить топливом для машины времени. Тахионы движутся быстрее света и обладают мнимой массой; как они ведут себя под воздействием силы тяжести, неясно. Их пока тоже не удалось получить в лаборатории.)
Тахионы, конечно, частицы очень странные, но физики серьезно их изучают; можно назвать, например, покойного Джеральда Фейнберга из Колумбийского университета и Джорджа Сударшана из Университета Техаса в Остине. Проблема в том, что никто никогда не видел тахиона в лаборатории. Надежным экспериментальным свидетельством существования тахионов было бы нарушение причинности. Фейнберг даже предлагал физикам исследовать лазерный луч до включения лазера. Если тахионы существуют, то не исключено, что свет лазерного луча можно обнаружить даже раньше, чем аппарат будет включен.
В научной фантастике тахионы регулярно используются как средство отправки сообщения в прошлое, предкам. Но из физики явления совершенно непонятно, возможно ли такое хотя бы теоретически. Фейнберг, к примеру, считал, что эмиссия тахионов, движущихся во времени вперед, точно соответствует поглощению тахионов с отрицательной энергией, движущихся во времени назад (аналогично положению с антивеществом), поэтому никакого нарушения причинности не происходит.
Если оставить фантастику в стороне, то в настоящий момент физики считают, что тахионы, возможно, существовали в момент Большого взрыва, нарушая причинность, но теперь их больше не существует. Более того, очень может быть, что тахионы сыграли существенную роль в том, что Вселенная вообще взорвалась. В этом смысле они играют важную роль в некоторых теориях Большого взрыва.
У тахионов есть еще одно забавное свойство. При введении в любую теорию они дестабилизируют «вакуум», т. е. самое низкоэнергетическое состояние системы. Если в системе присутствуют тахионы, значит, она находится в состоянии «ложного вакуума», а следовательно, нестабильна и будет разрушаться до состояния истинного вакуума.
Представьте себе плотину, которая удерживает воду в озере. Это и есть «ложный вакуум». Хотя плотина представляется вполне надежной, существует состояние с еще более низкой энергией. И если в плотине появляется трещина, вода начинает стремительно вытекать из озера и стекать на уровень моря — тогда-то система и достигает состояния истинного вакуума.
Точно так же считается, что Вселенная до Большого взрыва существовала в состоянии ложного вакуума, где были тахионы. Но их присутствие означало, что это не самое низкоэнергетическое состояние системы, а потому система нестабильна. Затем в ткани пространства-времени появилась крошечная «прореха», представляющая истинный вакуум. Прореха начала увеличиваться, появился пузырь. Вне пузыря тахионы по-прежнему существовали, но внутри их не было. С ростом пузыря появилась та Вселенная, которую мы знаем, — Вселенная без тахионов. Это и был Большой взрыв.
Одна из теорий, которую космологи воспринимают очень серьезно, состоит в том, что первоначальный процесс инфляции начал один-единственный тахион, известный как «инфлятон». Как мы уже упоминали, теория инфляционной Вселенной утверждает, что она возникла как крошечный пузырек пространства-времени, переживший сверхбыстрый период расширения (инфляции). Физики считают, что первоначально Вселенная существовала в состоянии ложного вакуума, где инфляционным полем был тахион. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и образовались крошечные пузырьки. Внутри одного из этих пузырьков инфляционное поле оказалось в состоянии истинного вакуума. Этот пузырек начал стремительно раздуваться, пока не превратился в нашу Вселенную. Внутри нашего пузыря-вселенной инфляция исчезла, поэтому ее и не удается зарегистрировать в нашей Вселенной. Получается, что тахионы представляют собой причудливое квантовое состояние, в котором объекты движутся быстрее света и, быть может, даже нарушается причинность. Но тахионы давно исчезли, дав при этом, возможно, жизнь самой Вселенной.
Наверное, все это похоже на досужие рассуждения, которые невозможно проверить. Но первый эксперимент по проверке теории ложного вакуума начинается в 2008 г. с пуском в Швейцарии, в окрестностях Женевы, Большого адронного коллайдера. Одна из основных задач БАК — обнаружение бозонов Хиггса, последней до сих пор не найденной частицы Стандартной модели, последней детали научной головоломки. (Частица Хиггса так важна и так неуловима, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей-богом».)
Физики считают, что бозон Хиггса начал свое существование как тахион. В ложном вакууме ни одна из субатомных частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и Вселенная перешла в новое состояние, к новому вакууму, в котором бозон Хиггса обернулся обычной частицей. После этого перехода — из состояния тахиона в состояние обычной частицы — субатомные частицы приобретают массу, которую мы сегодня измеряем в лаборатории. Таким образом, обнаружение бозона Хиггса не только поставит на место последнюю недостающую деталь Стандартной модели, но и подтвердит, что тахионное состояние когда-то существовало, но позже трансформировалось в обычную частицу.
Подведем итог. Ньютонова физика полностью отвергает возможность предвидения будущего. Железное правило причины и следствия никогда не нарушается. Квантовая теория допускает иные состояния вещества, такие как антивещество, которое соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени, но принцип причинности не нарушается. Более того, антивещество в квантовой теории необходимо для восстановления причинности. Тахионы на первый взгляд нарушают принцип причинности, но физики считают, что они исполнили свое предназначение — запустили механизм Большого взрыва и исчезли из нашей Вселенной.
Так что предвидение будущего, похоже, исключается, по крайней мере в обозримом будущем, а это значит, что его следует отнести к III классу невозможности. Если когда-нибудь удастся доказать при помощи воспроизводимых экспериментов, что предвидеть будущее все же можно, современную физику придется пересматривать до самого основания.


Существуют ли истины, которые навсегда останутся недоступными для нас? Существуют ли кладези знаний, которые будут неподвластны даже продвинутой цивилизации? Из всех технологий, которые мы обсудили в этой книге, только вечный двигатель и предвидение будущего пришлось отнести к III классу невозможности. Существуют ли другие, столь же невозможные технологии?
В чистой математике полно теорем, доказывающих полную невозможность того или иного события. Простой пример: невозможно разделить угол натрое при помощи только циркуля и линейки; это доказано еще в 1837 г.
Даже в простых системах, таких как арифметика, существуют невозможные действия. Как я уже упоминал, невозможно доказать все истинные утверждения в арифметике в пределах постулатов самой арифметики. В ней всегда будут существовать истинные утверждения, которые можно доказать только в пределах более крупной системы, подсистемой которой является арифметика.
Итак, в математике существуют вещи невозможные, но в физике очень опасно заявлять, что какое-то событие или действие абсолютно невозможно. Позвольте напомнить вам речь, которую произнес нобелевский лауреат Альберт Майкельсон в 1894 г. на церемонии открытия физической лаборатории Райерсона в Чикагском университете; Майкельсон заявил, что невозможно открыть какую бы то ни было новую физику: «Все самые важные фундаментальные законы и факты физической науки уже открыты и прочно утвердились; вероятность того, что их когда-нибудь в результате новых открытий сменят другие законы и факты, чрезвычайно мала... В будущем нам следует ожидать новых открытий лишь в шестом знаке после запятой».
Его замечания прозвучали буквально накануне величайших потрясений в истории науки — квантовой революции 1900 г. и открытия теории относительности в 1905 г. Дело в том, что события, которые мы сегодня считаем невозможными, нарушают известные нам законы физики — но ведь законы эти могут меняться.
В 1825 г. великий французский философ Огюст Конт в своем «Курсе философии» заявил, что наука никогда не сможет определить, из чего сделаны звезды. В то время это утверждение выглядело вполне резонным, ведь о природе звезд ничего не было известно. Ясно было, что находятся они очень далеко и добраться до них невозможно. Но всего через несколько лет после заявления Конта физики узнали (при помощи спектроскопии), что Солнце состоит из водорода. Более того, сегодня мы знаем, что путем анализа спектральных линий звезд, излучавших свет миллиарды лет назад, можно определить химический состав большей части Вселенной.
Конт бросил вызов научному миру, перечислив еще несколько «невозможных событий».
• Он утверждал, что «глубинная структура тел навсегда останется за пределами наших знаний». Другими словами, невозможно познать истинную природу материи.
• Он считал, что математика неприложима к биологии и химии. Он утверждал, что эти науки невозможно низвести до уровня математики.
• Он считал, что изучение небесных тел не может принести человечеству реальной пользы.
В XIX в. у философа были все основания для подобных заявлений, ведь фундаментальная наука тогда только зарождалась и мало что знала. Почти ничего не было известно о тайнах вещества и жизни. Но сегодня у нас есть атомная теория, открывшая новые просторы для научных исследований и изучения структуры вещества. Мы знаем о ДНК и квантовой теории, раскрывшей нам тайны жизни и химии. Мы знаем также о прилетающих из космоса метеоритах, которые не только оказали влияние на развитие жизни на Земле, но и, возможно, участвовали в ее зарождении.
Астроном Джон Барроу заметил: «Историки до сих пор обсуждают, не стали ли взгляды Конта одной из причин последовавшего вскоре упадка французской науки».
Математик Давид Гильберт, отвергая утверждения Конта, писал: «По-моему, подлинная причина того, что Конту не удалось найти ни одной действительно нерешаемои проблемы, заключается в том, что нерешаемых проблем не существует».
Но сегодня некоторые ученые пытаются составить новый список невозможных событий: мы никогда не узнаем, что происходило до Большого взрыва (или, скажем, что послужило его причиной); мы никогда не получим «теорию всего».
Физик Джон Уилер написал по поводу первого «невозможного» вопроса: «Двести лет назад можно было спросить у любого человека: "Сможем ли мы понять когда-нибудь, как возникла жизнь?" — и услышать в ответ: "Абсурд! Это невозможно!" Я примерно так же отношусь к вопросу "Поймем ли мы когда-нибудь, как возникла Вселенная?"».
Астроном Джон Барроу добавил: «Скорость света ограниченна, поэтому ограниченны и наши знания о структуре Вселенной. Мы не можем определить, конечна она или бесконечна, было ли у нее начало и будет ли конец, одинакова ли повсюду ее структура и вообще, в конце концов, упорядочение Вселенная или нет... На все принципиальные вопросы о природе Вселенной — от начала ее и до конца — оказывается, невозможно ответить»,
Барроу прав в том, что мы никогда не узнаем с абсолютной точностью подлинную природу Вселенной во всем ее великолепии. Но мы вполне способны отщипывать по кусочку от этих вечных неисчерпаемых вопросов и постепенно приближаться к истине. Утверждения о невозможности чего бы то ни было следует, вероятно, рассматривать не как абсолютные пределы нашего знания, а как вызов следующему поколению ученых. Эти пределы, подобно корочке пирога, возникают, чтобы быть разрушенными.