БЛОГФорумСсылки Написать письмоПочему Арбуз? Служебная UN ЕЖЕ-движение - международный союз интернет-деятелей

Эта статья Мартина Гарднера была опубликована  журнале "Знание-сила" №1 1968 и вошла в коллекцию "Золотая эра". Перевод В. Скурлатова


Статья иллюстрируется удевительными картинами Яцека Йерки,


Может ли время идти вспять?
«ЗС» №1/1968

Такие вопросы уводят нас далеко за пределы физики и затрагивают проблемы, о которых мы знаем не больше, чем рыба в реке Лиффи знает о городе Дублине.

«…время, темное время, таинственное
время, всегда текущее как река…»
Томас Вулф. «Ткань и прялка»


I

Время описывалось многими метафорами, но нет более древней и более навязчивой, чем образ времени как реки. «Вы не можете войти дважды в одну и ту же реку, — говорил греческий философ Гераклит, — потому что всегда вокруг вас текут новые воды». «Вы не можете даже один раз войти в нее, — добавлял его ученик Кратил, — потому что пока вы в нее входите, и вы и река уже успеваете в чем-то измениться». Эту идею, только другими словами, выразил Огден Наш в своей поэме «Время идет вперед»:

Пока эта леди наденет чулок
Другой станет леди за краткий сей срок.

У Джеймса Джойса в «Поминках по Финнегану» великим символом времени является река Лиффи, протекающая через Дублин. Ее «бесцельно блуждающие воды», достигающие океана в последних строках романа, затем возвращаются в «русло», чтобы опять начать бесконечный цикл изменения. Однако река — символ не только яркий, но и сбивающий с толку. Ведь течет не время, а мир. «В каких единицах надо измерять скорость потока времени? — спрашивает австралийский философ Дж. Смарт. — В секундах за…?» Говорить «время движется» — это то же самое, что сказать «длина протягивается». В поэзии эта мысль тоже нашла отражение — у Остина Добсона, в его стихотворении «Парадокс Времени»:

Вы говорите, что время идет?
Ах, к сожалению, нет.
Время стоит, мы же идем
через пространство лет.

Но вернемся к избитому сравнению. Если рыба может плыть по реке против течения, мы бессильны проникнуть в прошлое. Изменяющийся мир, по-видимому, больше напоминает магический зеленый ковер, развертывающийся прямо под ногами и свертывайся сразу же позади. (Этот образ также взят из литературы, из произведений американского фантаста Фрэнка Баума, в котором королева страны Оз пересекает пустыню Смерти, двигаясь всегда в одном направлении по узкой ковровой дорожке «теперь»). Но почему магический ковер никогда не развертывается обратно? Каков физический базис этой странной непреодолимой асимметрии времени? По этому поводу среди физиков имеется так же мало согласия, как и среди философов. А ныне, в результате недавних экспериментов, замешательство еще больше, чем прежде.


II

До 1964 года все фундаментальные законы физики, в том числе теория относительности и квантовая механика, были «времени-обратимыми». Другими словами, можно было заменть t на —t в любом основном законе, и он оставался так же применим к миру, как раньше: независимо от знака перед t, закон описывал нечто, что могло происходить в природе.

Но физики все-таки стремились найти разницу между наконечником и оперением «стрелы времени». Они обратили свои взоры к таким событиям, а их немало, которые хотя и возможны теоретически, но в действительности никогда или почти никогда не происходят. Лучи звезды, например, распространяются во всех направлениях. Никогда не наблюдается обратное — они не приходят с разных сторон и не сходятся в звезду, нет обратно протекающих ядерных реакций, которые делали бы звезду поглотителем излучения, а не его источником. Однако в основных законах ведь нет ничего такого, что делало бы такую ситуацию невозможной в принципе! Другие примеры — возникновение частиц при радиоактивном распаде ядер и образование волн при падении камня в спокойный пруд. Это тоже однонаправленные события, они никогда не происходят «наоборот». Совершенно невероятно, что условия на «краю» мира могут быть таковы, чтобы обеспечить требуемый вид концентрирующейся, а не рассеивающейся энергии. В самом деле, обратимость бета-распада, например, означала бы, что электрон, протон и антинейтрино выстреливаются с «окраин» мира с таким сверхточным прицелом, что все три частицы сталкиваются в одной и той же точке и образуют нейтрон!

Непрерывное расширение всего космоса представляет еще один пример таких событий. Здесь опять нет причины, почему бы этот процесс в принципе не мог идти в обратную сторону. Если бы удаление галактик друг от друга сменилось их сближением, красное смещение превратилось бы в голубое смещение, и общая картина не нарушала бы никаких известных физических законов.

И хотя, как говорит наш опыт, эти процессы расширений и рассеяний всегда однонаправлены, но и они не помогают нам различать два конца стрелы времени.

Многие философы и даже некоторые физики считали, что объяснение стрелы времени можно найти только в человеческом сознании, в однонаправленной деятельности нашего ума. Однако их аргументы не были убедительны. Например, Земля претерпела долгую эволюцию перед тем, как на ней возникла какая-либо жизнь, и все доводы говорят за то, что события на Земле были раньше так же однонаправлены, как и теперь. В конце концов большинство физиков пришли к выводу, что все события природы в принципе времени-обратимы. Все, кроме тех, что связаны со статистическим поведением большого числа взаимодействующих объектов.

Идея эта нуждается в некотором пояснении.


III

Пусть удар кия разрушит треугольник из 18 шаров на биллиардном столе. Шары рассеются во все стороны и, скажем, 8 из них попадут в лунки. Предположим, сразу после этого движение всех участвовавших в событии объектов стало бы совершаться в обратном направлении с теми же скоростями. Молекулы в лунках, куда попали шары, сконцентрировали бы свою полученную при падении шара тепловую энергию таким образом, чтобы в результате шары вытолкнулись бы обратно на биллиардный стол. Попутно молекулы, переносящие теплоту трения, должны возвратить свою энергию шару и подтолкнуть его на прежний путь. Подобным же образом должны двигаться и другие шары. Восемь шаров, вытолкнутых из лунок, и шары, катающиеся на поверхности стола, будут перемещаться по столу до тех пор, пока они в конце концов не образуют треугольник. При этом не будет слышно никаких звуков соударений, потому что звуковая энергия молекул, участвовавших в возникновении колебаний воздуха во время первоначального разрушения треугольника, должна возвратиться к шарам и совместно с энергией их движения добиться того, чтобы шары сошлись в треугольник и к тому же оттолкнули кий в исходное положение. Картина движения любой индивидуальной молекулы, участвующей в этом событии, не представляла бы собой абсолютно ничего необычного. По-видимому, не был бы нарушен ни один фундаментальный закон механики. Но если рассматриваются миллиарды «бесцельно блуждающих» молекул, участвующих в общей картине, то вероятность, что все они будут двигаться по пути, требующемуся для воссоздания исходного треугольника, является слишком малой.

Или вот еще один случай — на этот раз космического масштаба.

Поскольку гравитация является однонаправленной силой — всегда притягивающей и никогда не отталкивающей, — можно было бы предположить, что движение тел под действием силы тяжести не способно стать времени-обратимым. Но это не так. Замените лишь направления движений планет на обратные, и они стали бы вращаться вокруг Солнца по тем же самым орбитам.

А как же быть со столкновением объектов, притягивающихся друг к другу, — например, с падением метеоритов? Несомненно, уж это-то событие не является времени-обратимым. Но и это так! Когда большой метеорит сталкивается с Землей, происходит взрыв. Миллиарды молекул рассеиваются во все стороны. Обратите направления движений всех этих молекул, и их соударение в одной точке даст точно такое количество энергии, чтобы запустить метеорит обратно по орбите. И при этом ни один фундаментальный закон не был бы нарушен — кроме статистических законов!

Именно здесь, в законах вероятности, большинство физиков девятнадцатого века искали обоснование стрелы времени. Вероятность объясняет такие необратимые процессы, как растворение кофе, таяние мороженого, взрыв бомбы и все другие знакомые однонаправленные события, в которых участвует большое число молекул. Их объясняет второй закон термодинамики, согласно которому теплота всегда передается от более нагретого к более холодному телу, увеличивая энтропию — меру беспорядка системы. Этот закон объясняет, почему перетасовка делает беспорядочной колоду карт.

«Без какого-либо мистического призыва к сознанию, — констатировал Артур Эддингтон (в лекции, в которой он впервые ввел образ «стрелы времени»), — возможно найти направление времени… Произвольно направьте стрелу. Если, следуя за стрелой, мы найдем в состоянии мира все больше и больше беспорядка, значит, стрела указывает в будущее; если же, наоборот, беспорядок уменьшается, значит, стрела указывает в прошлое. Таково единственное различие между прошлым и будущим, известное физике».


IV

Но к настоящему моменту выяснилось, что есть более фундаментальное, чем с помощью статистических законов, обоснование стрелы времени. В 1964 году группа физиков Принстонского университета открыла, по-видимому, времени-необратимость некоторых слабых взаимодействий частиц. «По-видимому», — так как данные косвенны и спорны. Из них следует лишь, что если справедливы некоторые предпосылки, то симметрия времени нарушается.

Наиболее важная предпосылка известна как CPT-теорема. C — соответствует электрическому заряду (плюс или минус), P — четности (левое или правое зеркальное отображение) и T — времени (прямому иди обратному). Еще десять лет назад физики полагали, что каждая из этих трех основных симметрий справедлива во всей природе. Если вы замените заряды частиц камня на противоположные так, что положительные заряды станут отрицательными, а отрицательные положительными, камень все же останется камнем. Точнее говоря, камень превратится в камень из антиматерии, но нет никаких причин, почему антиматерия не может существовать. Аитикамень на Земле мгновенно бы взорвался (материя и антиматерия аннигилируют друг с другом при соприкосновении), но физики могут вообразить галактику из антиматерии, в точности похожую на нашу собственную галактику — за исключением лишь знака С.

Считалось, что такая же универсальная симметрия справедлива относительно Р (четности). Если вы измените на обратную четность камня или галактики — или, что то же самое, отразите в зеркале всю их структуру вплоть до последней волны и частицы, — в результате подучится совершенно такой же камень иди галактика. Но в 1957 году Ч. Янг и Т. Ли подучили Нобелевскую премию по физике за теоретическую работу, которая привела к открытию несохранения четности. В мире элементарных частиц имеются события, в том числе некоторые слабые взаимодействия, которые не могут происходить, будучи отраженными в зеркале!

Открытие было неожиданным и внушающим беспокойство, но физики быстро свели концы с концами. Были проведены эксперименты, из коих следовало, что если эти асимметричные и нарушающие четность события. отразить в воображаемом CP-зеркале, то симметрия восстанавливается. Иными словами, если вдобавок к обычному зеркальному отражению произойдет также перемена заряда, то получившийся объект может иметь место в природе. Возможно, существуют галактики из антиматерии, являющейся также зеркально-отраженной материей. В таких галактиках, допускают физики, ученые могли бы повторить каждый эксперимент с частицами, который может быть осуществлен и у нас. Если бы мы установили бы связь с учеными в такой CP-обращенной галактике, то не было бы никакого способа обнаружить, живут ли они в мире наподобие нашего или в CP-отраженном мире. (Конечно, если бы мы отправились туда и наш космический корабль взорвался бы по прибытии, то мы узнали бы, что попали в область из антиматерии).

Не успели физики привыкнуть к этой новооткрытой симметрии, как принстонские экспериментаторы обнаружили несколько слабых взаимодействий, в которых и CP-симметрия, по-видимому, нарушалась. Другими словами, они нашли несколько событий, для объяснения которых пришлось допустить нарушение знака T — вдобавок к перемене знаков C и P.

В начале 1966 года Паоло Франчини и его жена, работая на синхротроне в Брукхевенской национальной лаборатории, нашли еще одно доказательство нарушения CP-симметрии — на этот раз в событиях, связанных с электромагнитными взаимодействиями. (Правда, их работа была оспорена группой физиков из ЦЕРНа в Женеве).

Хотя данные еще косвенны и частично спорны, многие физики теперь убеждены, что в мире элементарных частиц существуют события, идущие во времени только в одном направлении. Если это справедливо по всей Вселенной, то, установив связь с учеными в удаленной галактике, мы сможем отныне узнать, живут ли они в мире из материи или антиматерии. Для этого надо просто сказать им, чтобы они провели один из экспериментов с нарушением CP-симметрии. Если их описание точно совпадает с нашим собственным описанием того же эксперимента, то мы не взорвемся, когда прилетим к ним. Вполне может случиться, что во Вселенной нет галактик из антиматерии. Но физики любят уравновешивать все на свете, и если во Вселенной имеется столько же антиматерии, сколько материи, то могут существовать области космоса, в которых все три симметрии меняют знак. События в нашем мире, однозначные относительно СРТ, будут все идти противоположным путем в CPT-обращенной галактике. Материя такой галактики должна быть зеркально отраженной, противоположной по заряду и двигающейся назад во времени.


V

Но что значит сказать — события в галактике идут назад во времени? Об этом никто не знает ничего реального. Новые эксперименты указывают всего лишь на преимущественное направление времени для некоторых взаимодействий частиц. Однако имеет ли эта «стрела» какую-либо связь с другими «стрелами времени» наподобие тех, которые определяются процессами излучения, законом возрастания энтропии и психологическим временем живых организмов? Указывают ли все эти стрелы в одну и ту же сторону или они могут независимо указывать разные направления?

Наиболее популярный способ придать какой-то смысл «обратному времени» издавна заключался в том, чтобы вообразить мир, в котором процессы «перетасовки» идут наоборот — от беспорядка к порядку. Людвиг Больцман, австрийский физик прошлого века, один из основателей статистической термодинамики, сознавал, что после того, как молекулы газа в замкнутом изолированном сосуде достигнут состояния теплового равновесия — то есть будут двигаться в полном беспорядке, а значит с максимальной энтропией, — в нем все-таки всегда будут образовываться небольшие области, где энтропия кратковременно уменьшается. Эти области должны уравновешиваться другими областями, где энтропия увеличивается, так что усредненная энтропия остается неизменной.

Больцман мыслил себе космос огромной величины, возможно бесконечный в пространстве и времени, средняя энтропия которого максимальна — то есть в нем царит полный беспорядок. Но в этом же космосе есть области, где энтропия иногда уменьшается. («Область» может охватывать миллиарды галактик, а «иногда» может растянуться на миллиарды лет). Возможно, разбегающиеся волны нашей части бесконечного океана пространства-времени представляют область, в которой произошло такое отклонение: когда-то в прошлом, возможно во время первоначального «большого взрыва», энтропия вдруг уменьшилась; теперь она увеличивается. В вечном и бесконечном потоке возник кусочек порядка; теперь этот порядок опять рассыпается, и наша стрела времени летит по обычному направлению увеличения энтропии. Есть ли иные области пространства-времени, задал вопрос Больцман, в которых стрела энтропии указывает в другую сторону? И если они есть, то будет ли правильным говорить, что время в таких областях течет вспять, или надо просто считать, что энтропия там уменьшается, а сама область продолжает развиваться вперед во времени?

Впрочем, рассуждая о стреле времени, которая в течение огромных промежутков времени плавно меняет свое направление, Больцман имел предшественника, жившего за много веков до него — Платона.

В первой книге платоновского диалога «Политик» Иностранец рассказывает Сократу свою теорию о том, что мир проходит через громадные циклы «пульсирующего» времени. В конце каждого цикла время останавливается, поворачивается и затем идет в противоположную сторону. Вот как Иностранец описывает момент поворота времени, происшедший, по его словам, на памяти живущего человечества:

«И тогда неизбежно находит величайшая гибель как на прочих живых существ, так и на человеческий род, который в этом случае недалеко отстает от них. И приходится испытывать множество и иных дивных и новых бедствий, но особенно это, величайшее, которое наступает в связи с превращением Вселенной в то время, как совершается поворот космоса, противный нынешнему. Возраст, в котором находилось каждое животное, сперва у всех остановился, и все, сколько бы ни было смертного, переставало идти к старости, а поворачивалось опять в противную сторону, как бы возрастая по направлению к юности и младенчеству. И вот у стариков седые волосы чернели, у людей, обраставших бородою, щеки опять сглаживались и возвращали каждого в пережитый возраст молодости; организмы же, цветущие юностью, с каждым днем и ночью уменьшаясь в росте, опять получали природу новорожденного дитяти и уподоблялись ему как по душе, так и по телу, но с этой уже поры, чрезвычайно высохшие, совершенно исчезали».

Платоновский Иностранец, очевидно, попался в ловушку. Если вещи останавливаются во времени и «затем» растут вспять, то какой смысл приобретает слово «затем»? Оно имеет смысл, если только мы предполагаем более общий вид времени, продолжающий идти вперед независимо от того, как движутся вещи во Вселенной. По отношению к этому метавремени — времени гипотетического наблюдения, откуда-то со стороны обозревающего картину, — космос действительно движется обратно. Но если нет никакого мета-времени — нет никакого наблюдателя, который может находиться вне космоса и следить за его поворотом, — то становится трудным понять, какой смысл может быть придан утверждению, что космос «остановился» и «затем» начал двигаться обратно.


VI

Значительно легче, без всяких логических затруднений, вообразить две части Вселенной, например две галактики, в каждой из которых время течет в противоположных направлениях. Философ Ганс Рейхенбах в своей книге «Направление времени» предполагает, что это могло бы иметь место и что разумные существа в каждой галактике считали бы свое собственное время «прямым», и время в другой галактике «обратным». Обе галактики напоминали бы два зеркальных изображения: каждая казалась бы галактикой «наоборот» для обитателей другой. С этой точки зрения направление времени является относительным понятием наподобие верха и низа, правого и левого, большого и малого. Было бы почти так же бессмысленно сказать, что весь космос изменил свое направление времени, как было бы бессмысленным говорить, что он перевернулся сверху вниз или вдруг стал своим собственным зеркальным отражением. Это было бы бессмысленным из-за того, что вне космоса нет никакой абсолютной или фиксированной стрелы времени, с помощью которой можно было бы определить такой поворот. Только когда часть космоса изменяет направление времени относительно другой части, такой поворот приобретает смысл.

Здесь, однако, мы опять сталкиваемся со значительной разницей между зеркальным отражением и обращением времени. Легко наблюдать зеркально перевернутый мир — достаточно только взглянуть в зеркало. Но как может наблюдатель с одной галактики «видеть» другую — времени-обращенную — галактику? Память наблюдателей в обеих галактиках была бы нацелена в противоположных направлениях. Если бы мы как-то смогли установить связь с жителем времени-обращенного мира, тот сразу же все забывал бы, так как каждое событие мгновенно становилось бы частью его будущего, а не прошлого. «Плоха та память, которая обращена только назад», — говорила Белая Королева из книги Льюиса Кэрролла в своем зеркально-отражённом и времени-обращенном (PT-обращенном!) королевстве. К сожалению, за исключением фантастического мира Кэрролла, память везде направлена только в одну сторону. Норберт Винер, обсуждая подобные вопросы в своей книге «Кибернетика», делал вывод, что между разумными существами в областях с противоположными направлениями времени не была бы возможна никакая связь.

Английский физик Ф. Стеннард пошел еще дальше Винера. Он сделал вывод (но не все физики согласны с ним), что никакое взаимодействие не должно быть возможно даже между частицами материи в двух мирах, временные оси которых направлены противоположно друг другу. Если во Вселенной сохраняется в целом симметрия относительно времени, частицы с двумя направлениями времени будут «некоммуннкабильны», и два мира должны быть не видимы друг другу. «Иной» мир будет состоять из галактик, поглощающих, а не испускающих свое излучение, живые организмы будут становиться более молодыми, нейтрон будет образовываться при тройном столкновении между протоном, электроном и антинейтрино, и т. д. Вместо одной Вселенной с пульсирующим временем, как в рассказе платоновского Иностранца, концепция Стеннарда раздваивает космос на бок о бок сосуществующие области, каждая из которых развертывает магический ковер своей истории одновременно.


VII

А теперь — еще один любопытный вопрос из той же серии: можно ли представить себе человека, живущего «попятно» в мире с нормальным направлением времени? Младший современник Платона, греческий историк Теопомпий из Хиоса, писал о каком-то яблоке, которое достаточно съесть, чтобы человек начал становиться все моложе и моложе. Это, конечно, не совсем то же самое, что полное обращение индивидуального времени. Есть несколько научно-фантастических романов о людях, которые росли наоборот подобным способом, в том числе занимательный рассказ «Курьезный случай с Бенджаменом Баттоном», написанный Скоттом Фитцджеральдом в 1922 году. Бенджамен родился в 1860 году семидесятилетним стариком с седыми волосами и длинной бородой. Он ходил в детский сад до 65 лет, окончил школу и женился к пятидесяти годам. Тридцать лет спустя он решил поступить в Гарвард и получил диплом в 1914 году, когда ему минуло шестнадцать лет. В армии Бенджамену присвоили звание бригадного генерала, поскольку он, будучи еще биологически старше, участвовал в чине старшего лейтенанта в испано-американской войне. Но когда он прибыл в армию маленьким мальчиком, его отправили домой. Он становился все меньше и меньше, и наконец он не мог уже ходить или говорить. «Затем все стало темнеть, — заключает Фитцджеральд свой рассказ, — и его белая детская кроватка, и смутные лица, наклоняющиеся над ним, и сладкий аромат грудного молока, все это постепенно расплывалось в его уме».

За исключением своего роста назад, мистер Баттон жил нормально во времени, идущем вперед. Еще более забавное описание ситуации, в которой стрелы времени, личности и мира указывают в противоположных направлениях, содержится в романе Льюиса Кэрролла «Сильвия и Бруно». Немецкий профессор посылает рассказчику Заморские Часы с «обратным заводом», которые вызывают обратное движение внешнего мира в течение четырех часов. Кэрролл занятно рассказывает об обеде при попятном времени, когда «пустая вилка подносилась к губам, здесь она ловко подцепляла кусок баранины и быстро клала его на тарелку, где этот кусок мгновенно прирастал к уже лежащему там мясу». Однако детали не согласуются с обратным течением времени. Порядок разговора за обеденным столом обратный, но слова произносятся правильно, как будто бы время идет нормально.

На самом же деле стоит нам попытаться представить человека, все физиологические и умственные процессы у которого идут в обратном направлении, как мы сразу же столкнемся с непреодолимыми трудностями. Например, ом не сможет испытать снова события своей предыдущей жизни, потому что эти события тесно связаны с его внешним миром, а мир этот движется вперед во времени. Не увидим ли мы этого человека в безумной пляске смерти, наподобие той, которую совершает автомат, когда его двигатель завертится в другую сторону? Или, быть может, со своей точки зрения он посчитает, что мыслит правильным образом, тогда как мир покажется ему идущим назад? Если так, то он не должен что-нибудь увидеть или услышать в этом мире, ибо все звуковые и световые волны будут двигаться по направлению к своим источникам.


VIII

Мы, очевидно, встретимся только с абсурдными парадоксами, если попытаемся приложить различные стрелы времени к человеку и к миру, в котором он живет. Но нельзя ли разумно говорить о части Вселенной, движущейся по необычному пути во времени на микроуровне квантовой теории? Оказывается, можно. В 1948 году Ричард Фейнман, который получил в 1965 году Нобелевскую премию по физике, разработал математический подход к квантовой теории, в котором античастица рассматривалась как частица, движущаяся обратно во времени на протяжении долей микросекунды. Когда образуется пара из электрона и его античастицы — позитрона (положительно заряженного электрона), позитрон живет чрезвычайно короткое время. Он почти сразу же сталкивается с другим электроном, оба аннигилируют, и остаются гамма-кванты. В этом процессе как будто бы участвуют три разных частицы — один позитрон и два электрона. Но по теории Фейнмана здесь есть только одна частица — электрон. То, что мы наблюдаем как позитрон, на самом деле просто электрон, краткое мгновение движущийся вспять во времени. Поскольку наше время равномерно бежит вперед, мы видим времени-обращенный электрон как позитрон. Мы думаем, что позитрон исчезает, когда он наталкивается на другой электрон, но на самом деле — по Фейнману — это тот же первоначальный электрон, возобновивший свое движение вперед во времени. Электрон как бы исполняет зигзагообразный микротанец в пространстве-времени, забегая то в будущее, то в прошлое, запрыгивая в прошлое иногда настолько далеко, что мы можем заметить его траекторию в пузырьковой камере и считать при этом, что увидели позитрон, движущийся вперед во времени.

Фейнман пришел к своей основной идее, когда он был студентом в Принстоне, во время телефонного разговора со своим профессором физики Джоном Уилером. В речи при получении Нобелевской премии Фейнман следующим образом передает эту историю:

«Фейнман, — сказал Уилер, — я знаю, почему все электроны обладают одним и тем же зарядом и одной и той же массой». «Почему?» — спросил Фейнман. «Потому, — ответил Уилер, — что все они являются одним и тем же электроном!»

И Уилер стал объяснять дальше по телефону изумительную догадку, пришедшую ему в голову. В теории относительности физики используют так называемые графики Минковского для иллюстрации движения объектов в пространстве-времени. Траектория объекта на таком графике называется его «мировой линией». Уилер вообразил, что один электрон перемещается как челнок взад и вперед по пространству-времени и прочерчивает сплошную мировую линию. Эта мировая линия похожа на гигантский спутанный клубок шпагата с миллиардами миллиардов узелков, заполняющий собой весь космос в одно сверхвременное мгновение. Если провести поперечное сечение через космическое пространство-время под прямым углом к временной оси, то получится картина трехмерного пространства в некий момент времени. Это трехмерное поперечное сечение движется вперед но оси времени, и именно на этой движущейся вперед полоске «теперь» события мира исполняют свой вечный танец. В этом поперечном сечении мировая линия электрона распадается на миллиарды миллиардов танцующих точек, и каждая точка соответствует пересечению с мировой линией электрона. Если поперечное сечение обрезает мировую линию на отрезке, где частица движется вперед во времени, то точка соответствует электрону. Если мировая линия обрезается на отрезке, где частица движется назад во времени, то пересечение соответствует позтроиу. Все электроны и позитроны космоса, согласно фантастической гипотезе Уилера, представляют поперечные сечения запутанной траектории этой одной частицы. Так как все они являются сечениями одной и той же мировой линии, они, естественно, обладают одинаковыми массами и зарядами. Их отрицательные и положительные заряды не что иное, как указателя направлений времени, по которым частица в это мгновение прокладывает свой путь через пространство-время.

Во всех этих вещах нас подстерегает много ловушек. Число электронов и позитронов во Вселенной должно быть одинаково. Вы можете в этом убедиться, изобразив на листе бумаги двумерную аналогию рассуждений Уилера. Просто начертите на странице сплошную кривую, напоминающую запутанный клубок и заполняющую всю страницу. Пересеките ее прямой линией. Эта прямая совершает одномерное поперечное сечение двумерного мира (одна ось пространства и одна ось времени) в некоторый момент времени. В точке, где клубок пересекается прямой линией, получаем электроны, если движение происходит в направлении стрелы времени, и позитроны, если движение происходит в обратном направлении. Легко видеть, что число электронов должно быть или равным числу позитронов или различаться на единицу. Вот почему, когда Уилер описал свою гипотезу, Фейнман сразу же спросил его:

«Но, профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов».

«Хорошо, — парировал Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или еще в чем-нибудь».


IX

Уилер не представил строгой теории, но предположение, что позитрон можно рассматривать как электрон, двигающийся в течение коротких мгновений обратно во времени, поразило воображение Фейнмана. Он долго размышлял о словах своего учителя, пока не обнаружил, что можно развить математическую форму этой гипотезы, которая будет полностью удовлетворять и логике и всем законам квантовой механики. Разработанный Фейнманом математический аппарат стал краеугольным камнем его знаменитом «пространственно-временной интерпретации» квантовой механики, за которую он и удостоился Нобелевской премии. Зигзагообразный танец фейнмановских частиц открывает новый способ трактовки некоторых вычислений и чрезвычайно упрощает их. Означает ли это, что позитроны «на самом деле» являются электронами, двигающимися вспять во времени? Нет, это только одно из физических толкований «фейнмановских графов». Однако в новых экспериментах, обнаруживших таинственную взаимосвязь заряда, четности и направления времени, зигзагообразный танец фейнмановского электрона, когда он прочерчивает свою мировую линию через пространство-время, больше не кажется столь необычной интерпретацией, как прежде.

Сегодня никто не может предсказать, к чему в конце концов приведут новые данные о том, что для некоторых из множества взаимодействий элементарных частиц существует стрела времени. Узнаем ли мы, какая из двух возможностей истинна? Или, как мыслилось Платону, поток существования несет нас в будущее, которое в некотором смысле уже существует. Иными словами, история — это уже отснятая кинолента, проецирующаяся на четырехмерный экран нашего пространства-времени для развлечения или назидания некой непостижимой аудитории. Или же будущее открыто и не предопределено и не существует ни в каком смысле до тех пор, пока оно действительно не наступает? Такие вопросы уводят нас далеко за пределы физики и затрагивают проблемы, о которых мы знаем не больше, чем рыба в реке Лиффи знает о городе Дублине.

Перевод В. Скурлатова


Автор about me
Design by dady_MYKC
)c( 2000-2017
Kопирайта нет, копируйте на здоровье :)

100012 лет в Интернете


.