В глубинах микромира

В глубинах микромира

(беседа с доктором физико-математических наук B.C. Барашенковым)

В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами. Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является построение квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.

Автор: Чем, на ваш взгляд, поучительна теория элементарных частиц и история ее развития?

Барашенков: Эта область физики поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, что кварки были изобретены, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории то и дело возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика как наука никогда не закончится.

Автор: Какую роль, по вашему мнению, играет теория элементарных частиц в современном естествознании?

Барашенков: Теория элементарных частиц, наряду с астрофизикой, всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира.

Так, например, современная теория элементарных частиц подводит нас к новым представлениям о том, что такое элементарность. Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем, от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше любой из составляющих его частей.

Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Так, например, протон на очень короткое время распадается на протон и пи-мезон, а каждый пи-мезон – на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, о простом и сложном, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас представление об элементарности.

Автор: А чего вы ждете в ближайшем будущем от теории элементарных частиц? Каких новых достижений, каких открытий?

Барашенков: Прежде всего, построения единой теории различных физических взаимодействий.

Автор: Нуждается ли, по вашему мнению, современная теория элементарных частиц в каких-то принципиально новых идеях, в частности, в «безумных идеях»?

Барашенков: Это в настоящее время никому не ясно. Экспериментальных данных в этой области сейчас очень много, много и непонятного. Не исключено, что стараниями теоретиков удастся преодолеть существующие трудности и объяснить экспериментальный материал, не прибегая к каким-то принципиально новым представлениям. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.

Автор: В популярной литературе сейчас довольно часто можно встретить утверждение о «неизбежности все более странного мира». Считаете ли вы, что исследования в области микромира в самом деле ведут к открытию «все более странного мира»?

Барашенков: Да, это в самом деле так. Теория элементарных частиц ведет все дальше от наглядных представлений, она обрастает все более сложным математическим аппаратом, все более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в непосредственно окружающем нас мире.

Происходит любопытный процесс: новые непривычные понятия – непривычные даже для физика – постепенно осваиваются, входят в обиход и незаметно становятся привычными. Совершается процесс освоения «все более странного мира».

Автор: Если уж мы заговорили о странном мире элементарных частиц, то невольно возникает вопрос о сверхсветовых частицах или тахионах. Насколько мне известно, по этой проблеме в последние годы публикуется множество работ. Хотелось бы знать ваше мнение на этот счет.

Барашенков: Проблема эта бесспорно увлекательная. Само предположение о возможности существования сверхсветовых частиц не может не поражать воображение. Но самое главное заключается в следующем. Гипотеза тахионов может быть верной или неверной, но она естественно вписывается в специальную теорию относительности, создавая цельную замкнутую картину. Разумеется, справедливость этой гипотезы может доказать только эксперимент. Но естественность обобщения не может не поражать.

Автор: Но, как известно, одним из основных положений специальной теории относительности является утверждение о предельном характере скорости света. Нет ли тут противоречия с предположением о существовании сверхсветовых частиц?

Барашенков: Дело в том, что мир тахионов, если он действительно существует, нигде не пересекается с миром досветовых скоростей. Эти миры, видимо, между собой не взаимодействуют. Таким образом, тахионы оказались бы третьим типом частиц, наряду с досветовыми и световыми частицами. Частица, принадлежащая к одному из этих типов, не может перейти в частицу другого типа ни при каких известных нам взаимодействиях. Я подчеркиваю: ни при каких «известных нам» взаимодействиях. На очень глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может быть и не так.

Автор: И все же возникает ощущение, что гипотеза сверхсветовых скоростей является чем-то вроде физической бессмыслицы.

Барашенков: Все дело в том, что вообще называть «физически бессмысленным». Соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о «возможном» и «невозможном» носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие теоретические выводы, которые вступают в противоречие с тем или иным известным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза же тахионов, как мы видели, в подобные противоречия не вступает.

Автор: Но в таком случае возникает другой вопрос. Ведь при сверхсветовых сигналах должна нарушаться причинность – следствия могут опережать свои причины.

Барашенков: Да, действительно, хотя гипотеза о сверхсветовых сигналах формально и не вступает в противоречие со специальной теорией относительности, предположение о существовании сверхсветовых частиц автоматически ведет к тому, что в природе существуют процессы с неопределенным направлением развития. Иными словами, причины и следствия могут меняться своими местами, в зависимости от выбора системы отсчета.

Автор: Но в таком случае с помощью тахионного пучка можно было бы, так сказать, проникнуть в прошлое?

Барашенков: Да, и при этом будут возникать различные парадоксы. Кстати сказать, если рассматривать область, где существуют только сверхсветовые взаимодействия, то в этой области никаких парадоксов нет. Они возникают только в тех случаях, когда сверхсветовые сигналы соседствуют с досветовыми. И если в подобной ситуации для микропроцессов нарушения причинности еще можно избежать, то для обычных макроскопических процессов они возникают с неизбежностью. При этом суть парадоксов, о которых я говорил, в следующем. В процессах со сверхсветовыми сигналами временной порядок событий – то есть какое из них происходит раньше, а какое позже – зависит от выбора системы координат, системы отсчета. А направление потока информации, которое составляет основу причинно-следственной связи при замене одной системы координат другой, не меняется. Именно поэтому и происходит нарушение причинности. Кстати, при этом нарушается не только причинность. Для макроскопических явлений обратный во времени поток информации означает также нарушение такого фундаментального закона сохранения, как второй закон термодинамики.

Автор: Закона, запрещающего переход тепла от более холодных тел к более нагретым?

Барашенков: Да, именно так обстоит дело.

Автор: Вы не могли бы для наглядности привести пример какого-либо физического процесса, в котором при наличии сверхсветовых сигналов происходит нарушение причинности?

Барашенков: Представим себе, что в точке А расположен источник тахионов, в точке В их приемник, а между ними находится щель, изменяя ширину которой мы можем менять интенсивность тахионного пучка, или, как говорят физики, его модулировать. Но так как тахионы движутся со сверхсветовой скоростью, то можно подобрать другую такую систему координат, в которой процесс будет протекать в обратном направлении, то есть тахионный пучок будет исходить из точки В. При этом он окажется модулированным еще до подхода к щели. Получается парадоксальная ситуация: щель как бы знает, как именно ей надо колебаться. В промежутке между точкой В и щелью факт модуляции тахионного пучка будет восприниматься как самопроизвольное, беспричинное, необъяснимое явление.

Автор: Существуют ли в таком случае какие-либо подходы к решению проблемы сверхсветовых частиц?

Барашенков: Одно из направлений связано с попыткой пересмотреть специальную теорию относительности. Быть может, парадоксы возникают потому, что мы пытаемся применять соотношения этой теории за границами их применимости? В принципе подобная точка зрения неуязвима, ибо любая физическая теория имеет определенные границы применимости. Однако с практической точки зрения подобный подход ничего не дает. Он не конструктивен и не обладает эвристической ценностью. Фактически это не более чем пожелание.

Наиболее интересный путь – все-таки попытаться понять, что означают нарушения причинности, с которыми мы сталкиваемся при попытках ввести сверхсветовые сигналы.

Автор: А как обстоит дело с экспериментальной точки зрения? Есть ли хотя бы какие-либо экспериментальные указания на возможность существования тахионов и можно ли надеяться такие указания получить вообще?

Барашенков: Пока таких указаний получить не удалось. Но, может быть, дело в том, что в подобных экспериментах не учитывались какие-то неизвестные нам пока свойства тахионов. Одна из интересных возможностей – попытаться обнаружить тахионы по так называемому черепковскому излучению. Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны. Впрочем, если это и так, измерить подобное излучение будет весьма нелегко.

Автор: В последние годы много пишется и говорится о взаимосвязи между микропроцессами и явлениями космического порядка. Как вы считаете – каково космологическое значение теории элементарных частиц в ее современном состоянии?

Барашенков: Взаимосвязь микро- и макропроцессов – одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.

Автор: Согласно специальной теории относительности, два события А и В, происходящие в одной системе отсчета (скажем, на платформе железнодорожной станции), с точки зрения другой системы отсчета, движущейся с некоторой скоростью относительно первой (например, из окна подходящего к станции поезда), будут располагаться во времени несколько иначе.

В теории относительности можно вычислить, как меняется промежуток времени между двумя событиями при переходе от одной системы отсчета к другой с помощью особых математических формул, которые носят название «преобразований Лоренца».

Барашенков: Чем быстрее движется поезд, тем короче будет этот промежуток. Но хотя по мере приближения к скорости света промежуток между событиями А и В будет все короче и короче – последовательность событий остается одинаковой и для наблюдателя на платформе и для пассажира поезда.

Автор: А если бы скорость движущегося поезда превосходила скорость света?

Барашенков: В этом случае с помощью преобразований Лоренца мы обнаружим, что промежуток времени между событиями А и В для наблюдателя в движущемся поезде сделается отрицательным. Иными словами, в этой системе отсчета события А и В поменяются местами. Или что то же самое следствие возникнет раньше причины!

Автор: Если я вас правильно понял, то предположение о существовании сверхсветовых частиц автоматически ведет к тому, что в природе должны иметь место процессы с неопределенным направлением развития. Можно выбрать такую систему отсчета, в которой причины и следствия поменяются своими местами. Но в таком случае напрашивается закономерный вопрос: нельзя ли с помощью тахионного пучка, так сказать, проникнуть в минувшее?

Барашенков: Да, с помощью такого пучка можно было бы в принципе создать телефон, направленный в прошлое! Или, например, выстрелив сейчас, скажем в два часа пополудни, таким пучком, застрелить самого себя накануне в одиннадцать часов утра!

Автор: Но в таком случае возникают неизбежные парадоксы!..

Барашенков: Однако, как я уже подчеркивал, они возникают только в тех случаях, когда сверхсветовые сигналы соседствуют с досветовыми. Если же рассматривать область, где существуют только сверхсветовые взаимодействия, то в ней никаких парадоксов нет. В той же области, где досветовые и сверхсветовые явления сосуществуют, для микропроцессов нарушений причинности еще можно избежать. Но для обычных макроскопических процессов они возникают с неизбежностью. На языке современной физики это означает, что допуская существование тахионов, мы приходим к нарушению принципа причинности.

Автор: Легко сказать!.. Но ведь принцип причинности – одно из самых фундаментальных, основополагающих положений современного естествознания. Если не ошибаюсь, наиболее общая его формулировка была дана академиком Боголюбовым. «Любое событие, происходящее в физической системе, может оказать влияние на эволюцию этой системы лишь в будущем и не может оказывать влияние на поведение системы в прошлом». И, насколько мне известно, в обычных условиях принцип причинности никогда не нарушается! По крайней мере, науке такие случаи неизвестны.

Барашенков: Но если допустить возможность существования сверхсветовых сигналов, то, повторяю, причины и следствия могут меняться местами.

Автор: Можно ли в таком случае сказать, что для процессов, протекающих со сверхсветовыми скоростями, противопоставление прошлого и будущего приобретает условный, относительный характер?

Барашенков: Да, это именно так… Суть парадоксов, возникающих при этом, состоит в следующем. Как я уже говорил, в процессах со сверхсветовыми сигналами временной порядок событий, то есть какое из них происходит раньше, а какое позже, зависит от выбора системы координат, системы отсчета. А направление потока информации, которое составляет основу причинно-следственной связи, при замене одной системы координат на другую – не меняется. Именно поэтому и происходит нарушение причинности. Кстати, при этом нарушается не только причинность. Для макроскопических явлений обратный во времени поток информации означает также нарушение такого фундаментального закона сохранения, как второй закон термодинамики!

Автор: Вы имеете в виду закон, запрещающий переход тепловой энергии от более холодных тел к более нагретым? Барашенков: Именно так.

Автор: Не могли бы вы для наглядности привести пример какого-либо физического процесса, в котором при наличии сверхсветовых сигналов происходит нарушение причинности? Барашенков: Ну, хотя бы так… Представим себе, что в точке А расположен источник тахионов, а в точке В – их приемник. А между ними находится щель, изменяя ширину которой мы можем регулировать интенсивность тахионного пучка: как говорят физики, его модулировать. Но так как тахионы движутся со сверхсветовой скоростью, то можно подобрать такую систему координат, в которой процесс будет протекать в обратном направлении, то есть тахионный пучок будет исходить из точки В. При этом, как нетрудно, сообразить, он окажется модулированным еще до подхода к щели. Получается парадоксальная ситуация: щель как бы знает, как ей надо изменять свою ширину. В результате в промежутке между точкой В и щелью факт модуляции тахионного пучка будет восприниматься как самопроизвольное, беспричинное, необъяснимое явление.

Автор: Существует ли какой-либо выход из подобной ситуации?

Барашенков: Предлагаются различные подходы к решению проблемы сверхсветовых частиц… Некоторые физики считают, что причина не обязательно должна опережать следствие, что это всего лишь некоторая связь, «корреляция» событий – и только. И поэтому необходимо пересмотреть само понятие причинности. Логически построить подобную схему, может быть, и можно, но такой подход противоречит физическому эксперименту. Во всяком случае, до расстояний вплоть до 10^-15 сантиметра никаких нарушений причинности в обычном понимании, как я уже отмечал, обнаружить не удалось. К тому же подход, о котором идет речь, неудовлетворителен и с методологической точки зрения, он отбрасывает самое главное – генетическую связь между событиями, то принципиальное обстоятельство, что одно событие порождает другое. В реальных физических процессах и экспериментах мы всегда предсказываем будущее по прошлому, а не наоборот.

Автор: Мне однажды случилось слышать, как известный советский физик-теоретик Я.А. Смородинский сказал по поводу тахионов буквально следующее: идея тахионов не противоречит в принципе ни одной из фундаментальных физических-теорий… но ни из одной из них она и не вытекает…

Барашенков: Разумеется, подчеркну еще раз, что окончательно выяснить вопрос о существовании тахионов способен только эксперимент. Но в то же время, чрезвычайно интересно проанализировать на теоретическом уровне сущность тех нарушений причинности, с которыми мы сталкиваемся при попытках ввести сверхсветовые сигналы, и выяснить, что они означают в действительности.

Автор: А есть ли все-таки какие-нибудь экспериментальные указания на возможность существования тахионов и можно ли надеяться такие указания получить вообще?

Барашенков: Пока таких указаний, к сожалению, получить не удалось. Но, может быть, это объясняется тем, что в подобных экспериментах не учитывались какие-то пока неизвестные нам свойства сверхсветовых частиц. Интересна попытка обнаружить тахионы по так называемому черепковскому излучению. Теория утверждает, что при движении в вакууме тахионы должны излучать электромагнитные волны. Впрочем, если это и так, то измерить подобное излучение будет весьма нелегко!..

Автор: Чем можно объяснить всевозрастающий интерес к проблеме сверхсветовых скоростей?

Барашенков: Во-первых, эта проблема увлекательна сама по себе. Само предположение о существовании частиц, которые могут двигаться только со скоростями, превосходящими скорость света, не может не поражать воображение и не сулить новые, весьма интересные возможности. А, во-вторых, уровень специальных физических знаний, необходимых для исследований в этой области, сравнительно невысок, что позволяет включиться в эту работу большому числу физиков.

Автор: А если взглянуть на проблему, о которой идет речь, с чисто физической точки зрения?

Барашенков: Дело в том, что предположение о существовании тахионов, как на первый взгляд ни покажется странным, не противоречит специальной теории относительности. Более того, делает эту теорию даже значительно симметричнее и внутренне согласованнее, обобщая ее на мир, лежащий за световым барьером! Иными словами, я хочу сказать, что гипотеза тахионов может быть верной или неверной, но она очень естественно вписывается в специальную теорию относительности, создавая цельную, замкнутую картину. Физический смысл подобного положения вещей, по-видимому, объясняется тем, что в мире сверхсветовых движений перестает действовать такой фундаментальный закон, как второй закон термодинамики, согласно которому при любых тепловых, термодинамических процессах должно происходить рассеяние, обесценение энергии, накопление так называемой энтропии. Между тем есть основания предполагать, что однонаправленность времени все же непосредственно связана именно с процессом накопления энтропии. С другой стороны, известно, что при определенных условиях может происходить уменьшение энтропии в некоторых областях. И хотя оно происходит за счет обязательного ее увеличения «в каких-то других областях, но все же происходит! Это обстоятельство заставляет предположить, что однонаправленность времени не является универсальным свойством происходящих в природе процессов. Тем более в области сверхсветовых движений, где второй закон термодинамики не работает!

Разумеется, справедливость гипотезы тахионов может доказать только эксперимент, но сама естественность обобщения производит сильное впечатление!

Автор: Но, как известно, одно из основных положений специальной теории относительности – все-таки говорит о предельном характере скорости света. Нет ли тут противоречия с предположением о существовании сверхсветовых частиц?

Барашенков: Как я уже сказал, идея тахионов не противоречит специальной теории относительности. Это связано с тем, что запрет сверхсветовых скоростей не есть следствие, вытекающее из теории относительности, а лишь одна из аксиом, положенных в ее основание, в ее фундамент. Таким образом, теория относительности в принципе никак не может запретить сверхсветовые процессы. Согласно основному предположению, если тахионы действительно существуют, они «обитают» за сверхсветовым барьером и не вступают ни в какие взаимодействия с «досветовыми» частицами нашего мира. Таким образом, речь идет о своеобразном обобщении специальной теории относительности на гипотетические физические явления, протекающие по другую сторону сверхсветового порога. Мир тахионов нигде не пересекается с миром досветовых скоростей. Эти миры, видимо, между собой никак не взаимодействуют.

Автор: Все же возникает ощущение, что гипотеза сверхсветовых частиц является чем-то вроде физической бессмыслицы.

Барашенков: Все дело в том, что именно называть, или точнее считать, «физически бессмысленным». Соотношение или процесс, которые неосуществимы в круге привычных для нас явлений, могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически же бессмысленными можно считать лишь такие теоретические выводы, которые вступают в явное противоречие с тем или иным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза же тахионов, как я уже подчеркивал, в подобные противоречия не вступает!

Автор: А что можно сказать о частицах, которые движутся точно со световыми скоростями?

Барашенков: В настоящее время физикам известны два типа частиц, между которыми нет перехода – «досветовые» и «световые», то есть частицы, движущиеся с досветовыми скоростями (протоны, нейтроны, электроны и т.п.) и со световыми скоростями (фотоны и нейтрино). Если бы оказалось, что тахионы действительно существуют, то, как уже здесь говорилось, они составили бы третий тип частиц. Частица, принадлежащая к одному из этих типов, не может перейти в частицу другого типа ни при каких известных нам взаимодействиях. Я подчеркиваю: ни при каких известных нам… На очень глубоком, еще не изученном современной физикой, уровне это, может быть, и не так.