Концепции современного естествознания

цом «ручейков времени». Это означает, что в космологической сингулярности время тоже распадается на кванты и, возможно, сам вопрос: «Что было до того?» – теряет смысл.

Здесь у исследователей пока еще очень много неясностей.

Мы хотим еще раз подчеркнуть, что теории о природе космологической сингулярности, в том числе и о свойствах времени в сингулярности,

впринципе проверяются наблюдениями и физическими экспериментами и, таким образом, проблема истоков времени является объектом физического и астрофизического исследования, а не абстрактными рассуждениями и пустыми домыслами.

Наконец, несколько слов о будущем Вселенной. Если средняя плотность вещества в ней меньше 10–29 г/см3, то силы тяготения никогда не остановят расширения и Вселенной предстоит расширяться вечно.

Но если средняя плотность больше критической, то в будущем (очень далеком) расширение сменится сжатием и все вещество вновь сожмется в сингулярность. Это будет конец течения времени нашей Вселенной. Означает ли эго конец времени вообще? Как мы уже подчеркивали, так говорить неправильно. Время и пространство приобретают в сингулярности совсем другие свойства. Они могут быть квантовыми, могут иметь сложное топологическое строение, скажем, быть замкнутыми сами на себя, подобно сферам или тороидам, и так далее. Мы не можем здесь пояснить это детальнее не только потому, что это очень сложно (это действительно так), но и потому, что специалисты сами еще не очень хорошо знают, что все это может означать.

Мы хотели подчеркнуть, что наглядные интуитивные представления о времени, как о неизменной длительности всего сущего, правильны только

вопределенных условиях. Когда же мы переходим к быстрым движениям, сильным гравитационным полям, сложным квантовым процессам и т.д., должны быть существенно изменены и сами наши представления о времени. Свойства времени, какими бы фантастическими они ни казались, успешно исследуются наукой. Самые удивительные открытия, несомненно, еще впереди.

4.12.Физический вакуум Шипова. Понятие пространства и времени

Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной.

Н. Бор

Почти каждому человеку известно, что пространство невозможно без времени, а время без пространства. Ещё Вернадский на языке науки чётко обосновал пространственно-временное единство (континуум). В 1885 го-

181

ду, более чем за двадцать лет да появления работ по теории относительности он написал, что и время и пространство в природе отдельно не встречаются, они нераздельны. Мы не знаем ни одного явления, которое не занимало части пространства и времени. Только для логического удобства мы иногда представляем их отдельно друг от друга. В действительности ни пространства, ни времени в отдельности мы нигде не можем наблюдать.

Вернадский прекрасно сознавал, что ключ к пониманию глубинных закономерностей Космоса содержится в правильном понимании сути этих фундаментальных общенаучных понятий: они неотделимы друг от друга и представляют единый пространственно-временной континуум. Кроме того, Вернадский настаивал на различении между реальным пространством, изученным в естествознании, и идеальным геометрическим пространством.

Проблема неразрывности пространства и времени конструктивно исследовалась также М.М. Бахтиным и А.А. Ухтомским на материале биологии и психологии. В философском плане все они исходили из идеи всеединства бесконечной и вечной Вселенной [22].

В физике время принимается за некоторую самостоятельную реальность хотя бы потому, что в соответствующих формулах оно обозначается особым символом. К тому же в обыденной жизни и научной практике мы беспрестанно пользуемся разного рода часами – одним из самых привычных и распространенных приборов для измерения времени. Между тем практически всё, что в нашем представлении традиционно связывается с течением времени, на самом деле выражается исключительно при помощи пространственных характеристик, а единицы измерения времени имеют изначально пространственный смысл. Так, секунда обыкновенное геометрическое понятие (соответствующая часть градуса). На часовом циферблате ей соответствует пространственный промежуток, пробегаемый секундной стрелкой. Час – это либо набор таких пространственных секунд, либо же часть другого пространственного понятия: скажем пути, пройденного каким-либо предметом при полном обороте Земли вокруг собственной оси или расстояния, преодоленного планетой в её движении вокруг Солнца.

Значительную роль в формировании субъективных представлений о течении времени играет объективно-реальное чередование дня и ночи (света и тьмы). Субъективность в восприятии данного чередования выражается во мнении, что день (свет) как самостоятельная реальность периодически сменяется ночью (тьмой), такой же самостоятельной, независимой от чего бы то ни было реальностью, что в совокупности и обуславливает течение времени. При этом игнорируется непреложный факт, что

182

смена дня и ночи – результат пространственного движения Земли относительно Солнца.

Интересной позиции относительно времени придерживается теоретиккосмолог Козырев. Он считает, что время является самостоятельной материальной субстанцией, лежащей в основе мироздания и обуславливающей все остальные физические закономерности. По Козыреву, главный недостаток теоретической механики и физики заключается в чрезвычайно упрощённом представлении о времени. Для точных наук время имеет только геометрическое свойство. Однако у времени имеются уникальные свойства, не учитываемые канонической физикой – такие, например, как направленность его течения и плотность. А если эти свойства реальны, то они должны проявляться в воздействии времени на ход событий в материальных системах. Значит, возможно и воздействие одного процесса на ход другого через время. Эти возможности дополняют хорошо знакомую картину воздействия одного тела на другое через пространство с помощью силовых полей. Но время не движется в пространстве, а проявляется сразу во всей Вселенной. Физические свойства времени могут оказаться ключом в понимании многих загадок природы. Например, несомненная связь тяготения с временем означает, что изменение физических свойств времени может привести к изменению сил тяготения между телами. Оказывается временем также можно и управлять. Необходимо только различать, с одной стороны, события, то есть определенные временные соотношения, а с другой стороны, длительность существования материальных элементов таких отношений, на которую они совсем не обязательно оказывают непосредственное влияние. Взять, к примеру, простую химическую реакцию: её протекание во времени обусловлено конкретными законами природы, в свою очередь, связанными с химической формой движения материи. Можно повлиять на время протекания этой реакции, например ввести соответствующий катализатор и тогда химическая реакция ускорится, но ускорение данного временного события не повлияет на другие, внешние по отношению к нему события. Согласно одной из теорий также можно замедлить, достаточно развить околосветовую скорость и время замедлит свой бег. Подтверждением этого является «парадокс близнецов» – одно из следствий теории относительности. Например, один из братьев-близнецов остается на Земле, а другой отправляется в путешествие на корабле, развивающем околосветовую скорость. Вернувшись, через два года обратно на Землю, космонавт обнаружит, что родной братодногодок, стал старше его на 48 лет. Замедляет бег время и у тел со значительной массой. Сегодня известно, что на Солнце оно течёт значительно медленнее, чем на Земле, ведь там тяготение намного больше.

Но если время – это текучее пространство, то что же такое само про-

183

странство? Пространство, означающее реальную протяженность материальных предметов, процессов или событий – всегда связано с определёнными границами занимаемого объёма.

Начиная с мгновенной единичной флуктуации физического вакуума и до галактической системы – материальные объекты занимают определенный объем. Такую материальную объемность можно рассматривать несколькими способами; во-первых, как саму по себе, образованную длиной, шириной и высотой определенного тела; во-вторых, с точки зрения реальной объемности окружающей среды (в этом смысле любой предмет как бы вкраплен в бесконечную материю); в-третьих, как отношение с другими материальными объектами, Понятно, что все названные аспекты реальной пространственности существуют во времени, и такое единство с временной длительностью обеспечивает всё разнообразие различных форм движения материи и их взаимосвязь.

Человек как живое существо и материальное тело обладает конкретными пространственными характеристиками и, кроме того, находится в материальной среде: как правило, в воздушной, но она может быть водной (для пловца) или космической (для космонавта). Во всех этих случаях объем человеческого тела как бы вкраплен в другой материальный объем, и первый оказывается внутренним по отношению ко второму.

Первоначально, на заре формирования пространственно-временных абстракций, пространство, собственно, и не означало ничего иного, кроме протяженности, как и время не означало ничего кроме длительности. Ни то, ни другое не могло означать ничего иного по той простой причине, что понятие временности возникло на той же основе восприятий и ощущений реальной длительности конкретных процессов и событий. В дальнейшем с возникновением теоретического знания, в особенности в результате развития геометрии, механики, астрономии, философии, содержание понятий пространства и времени значительно расширилось. Пространство стало абсолютным, бесконечным, трехмерным, независимым от природы вещей. О нём стали больше говорить, как о характеристике геометрических и механических объектов. Аналогичным путем шло развитие категории времени. Однако в большинстве случаев пространство и время оставались твёрдым оплотом мировоззрения, опирающегося на принцип монистического Всеединства.

Позиция философии по вопросу пространства и времени проста и понятна; она позволяет, исходя из реальной протяженности и длительности, присущей всем без исключения объектам природной и социальной действительности, установить: каким именно образом различные отношения протяженно-длительных вещей и процессов приводят к появлению разнообразных пространственных и временных характеристик, такие как на-

184

правление, расположение, расстояние, интервал и более общих – координация, субординация, последовательность.

4.13. Проблема сверхсветовых скоростей в современной науке

Пытливость человеческого ума, потребность раздвинуть границы нашего знания окружающего мира – вот первооснова творчества.

В.А. Энгельгарт

Новые идеи надо поддерживать. Немногие имеют такую смелость.

К.Э. Циолковский

Скорость света c или фундаментальная скорость относится к числу мировых физических констант или постоянных. К этим постоянным принадлежат и такие величины, как гравитационная постоянная G, элементарный электрический заряд e, постоянная Планка h, постоянная тонкой структуры α и некоторые другие.

Когда говорят о скорости света или скорости распространения электромагнитных волн с, то подразумевают скорость распространения в вакууме. В других физических средах эта скорость имеет иные значения, меньше с.

По результатам современных измерений величина с = 2,999792 · 1010

см/с = 2,999792 · 108 м/с.

Вряде научных и технических расчетов, округляя, принимают вели-

чину с = 3 · 1010 см/с = 3 · 108 м/с = 300000 км/с.

Внауке ХХ века после создания А. Эйнштейном (1879 – 1955) теории относительности считалось твердо установленным, что скорость света с является верхним пределом скоростей всевозможных движений в пространстве нашей Вселенной: ни одно физическое тело и ни одна элементарная частица, имеющая конечную, т.е. не равную нулю массу покоя, не может достигнуть скорости с и тем более – превысить ее. И только фотоны – кванты энергии электромагнитного поля и, может быть, нейтрино дсказуемость граничит со случайностью – ведь мы, как правило, не зято под сомнение и является предметом особых исследований) движутся всегда со скоростью с. По последним данным предполагается наличие у электронных нейтрино и антинейтрино энергии покоя порядка Е0 = 10 – 30 эВ

исоответствующей массы покоя m0 = Е0 .

с2

Вместе с тем в последние годы неоднократно высказывались предположения и выдвигались гипотезы о возможности существования таких фундаментальных частиц и даже некоторых космических объектов, кото-

185

рые двигаются со сверхсветовыми скоростями. Эти предположения и гипотезы вызывали оживленные дискуссии среди ученых различных профилей – от специалистов в области физики фундаментальных частиц до астрофизиков и космологов.

Почему вопросы, относящиеся к скорости света c о возможности или невозможности существования физических объектов, движущихся со скоростью, превышающей с, имеют большое научное значение и вызывают значительный интерес и острую полемику?

Чтобы ответить на это, необходимо полнее и глубже разобраться в природе фундаментальной скорости c.

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом посредством механизма электрического и магнитного полей, создаваемых ими.

Таким образом, скорость c является скоростью передачи в пространстве электромагнитных взаимодействий.

Скорость c является скоростью передачи в пространстве и гравитационных взаимодействий.

Электромагнитные и гравитационные волны несут с собой энергию соответствующих полей. Скорость c является скоростью передачи в пространстве электромагнитной и гравитационной энергии, с – это предельная скорость для передачи вообще любой энергии.

И, наконец скорость c и передача информации? Передача любой информации требует использования определенного физического сигнала, т.е. реализации какого-то физического процесса, воздействия, передаваемого в пространстве от одного физического объекта к другому, от источника информации к ее приемнику. Средством для реализации такого сигнала может служить перемещающееся в пространстве физическое тело, элементарная частица, звуковой, оптический, электромагнитный сигналы.

Скорость c является предельной скоростью для передачи информации любым способом.

Скорость c обладает еще одним замечательным свойством: она – инвариантна, т.е. является величиной, не зависящей от того, в какой системе отсчета она измеряется.

Таковы многофункциональные свойства скорости света или фундаментальной скорости с.

Теперь возникает вопрос: почему же скорость считается максимальной, предельной скоростью для всех указанных перемещений в простран-

лежит сегодня в основе современной физики, ядерной энергетики и дру-

186

гих областей науки. Укажем лишь на то, что передача в пространстве некоторой энергии связана и с передачей соответствующей массы: перемещающиеся в пространстве физическое тело, элементарная частица, любой физический сигнал несут с собой энергию и эквивалентную ей массу.

Теория относительности установила, что масса движущегося со скоростью υ в данной системе отсчета физического объекта

где m0 – масса покоя, т.е. значение величины m при υ = 0.

В соответствии с формулой (1) полная энергия Е такого объекта соста-

Рассмотрение зависимостей (4.2., 4.3.) приводит к выводу, что при υ→с величины m и E стремятся к бесконечно большим значениям. Это означает, что ни одно физическое тело, фундаментальную частицу невозможно «разогнать» до скорости, равной c, так как при этом масса тела или частицы принимает бесконечно большое значение, и для этого потребуется подведение бесконечно большой энергии. Однако существуют частицы с нулевыми массами покоя – фотоны, возможно и нейтрино, которые и рождаются движущимися со скоростью с. как видно из формул (4.2., 4.3.), они могут обладать при этом конечными значениями массы и энергии; здесь их масса покоя m0 = 0.

При скорости υ > с подкоренное выражение формул (4.2., 4.3.) становится отрицательным, следовательно, знаменатель и все выражение в целом принимают мнимые значения. Величины массы и энергии физического объекта теряют при этом реальный физический смысл. Отсюда и следует непреложный вывод о невозможности существования физических объектов, движущихся со сверхсветовыми скоростями. Казалось бы, специальная теория относительности (СТО) накладывает окончательный запрет на движения со сверхсветовыми скоростями.

Однако этот вопрос решается не так просто. Запрет на движения со сверхсветовыми скоростями, как считают некоторые ученые лежит вне СТО и обусловлен таким общенаучным фундаментальным принципом, как принцип причинности. Но прямого запрета на сверхсветовые скорости в СТО действительно не существует, или, точнее говоря, он может быть обойден.

187

Если допустить, что существуют физические сигналы, распространяющиеся со сверхсветовой скоростью, их можно было бы использовать для передачи информации и тем самым реализовать причинноследственную связь между событиями, лежащими в неконтролируемой области пространства-времени. Но такая связь между этими событиями невозможна, следовательно – невозможно существование сверхсветовых сигналов.

Однако вопрос о разделении событий на причины и следствия и о характере связей между прошлым и будущим не во всех ситуациях решается однозначно. Представим себе электрическую цепь, состоящую из индуктивности L и емкости С – колебательного контура, в котором проис-

ходят незатухающие гармонические колебания с частотой w0 = LCI . Что

является причиной и что следствием в этом процессе?

С одной стороны, можно утверждать, что причиной является наличие электрического напряжения или накопленного заряда на обкладках конденсатора (энергии электрического поля), а следствием

– ток в цепи. Но, с другой стороны, можно утверждать и противоположное: причиной является наличие тока в цепи (энергии магнитного

поля, накопление заряда (напряжения) на емкости. Оба утверждения очевидно адекватны. Решение вопроса зависит от выбора начального момента отсчета времени: момента, совпадающего с максимумом напряжения на емкости или момента, совпадающего с максимумом тока в цепи.

Аналогичными свойствами очевидно обладают все колебательные системы, не имеющие диссипативных (рассеивающих энергию) элементов.

Все высказанные соображения в целом не позволяют сделать окончательного заключения о невозможности существования физических сигналов, распространяющихся в пространстве со сверхсветовой скоростью.

Очевидно, что здесь как и во многих других случаях, спор может быть решен опытом. Вопрос может быть поставлен так: наблюдаемы ли процессы, которые могут трактоваться как сверхсветовые перемещения, зарегистрированы ли частицы, движущиеся со скоростью, большей световой скорости?

Рассмотрим, к примеру, движение светового пятна на экране от луча вращающегося прожектора. Представим себе прожектор, освещающий

188

экран, удаленный от него на расстояние R. Пусть прожектор вращается с угловой скоростью w. При этом световое пятно от луча прожектора будет перемещаться по экрану со скоростью v = wR. Можно так подобрать величины угловой скорости w вращения прожектора и расстояния R экрана, что скорость перемещения v пятна по экрану может превысить величину с. Физически реален ли этот процесс? Да, вполне. Значит, казалось бы, удалось простейшим способом осуществить перемещение со сверхсветовой скоростью? Но что перемещается при этом из одного места положения светового пятна – «зайчика» в другое место? Что передается из одного места в другое? Говоря прямо: ничего. Не происходит передачи – ни энергии, ни массы, ни информации. Световые кванты – фотоны в луче прожектора движутся все с той же скоростью c и при вращении прожектора падают на поверхность экрана в новые точки. И мы видим эти новые точки попадания фотонов в экран. У нас создается кажущаяся картина, что эти точки «бегут» по поверхности экрана.

Иллюстрируем эту ситуацию более изящным и впечатляющим примером, взятым из области современной астрофизики. В достаточно удаленном от Солнечной системы районе нашей Галактики находится интересный астрономический объект – Крабовидная туманность, в центре которой расположен так называемый пульсар NP-0531, испускающий радиоимпульсы с периодом 0,033 с. По существующим представлениям вся эта структура в целом является остатком чрезвычайно мощного взрыва звезды – образования Сверхновой. Сам пульсар представляет собой нейтронную звезду, комок вещества огромной плотности, имеющий диаметр примерно в 105 раз меньший диаметра звезды, из которой произошло его образование, с чрезвычайно сильным магнитным полем на поверхности (индукция этого поля может достигать значений порядка В = 1012Гс = 108Вб/м2) и вращающийся с большой скоростью. Вся совокупность этих экстремальных физических условий и обусловливает получение коротких радиоимпульсов.

Попытаемся оценить скорость v, с которой «зайчик», пятно от радиолуча этого пульсара, бежит по поверхности нашей планеты.

Особый всплеск интереса к проблеме сверхсветовых скоростей проявился в связи с гипотезой о существовании частиц, движущихся всегда со скоростями, большими скорости света с. Эту гипотезу связывают с именами Д. Фейнберга и Э. Сударшана, которые в 1967 г. предложили установившийся теперь термин для наименования таких частиц – тахиноны

[24].

А как же обстоит дело в этой гипотезе с запретом на сверхсветовые скорости реальных частиц и физических сигналов? Выше уже отмечалось, что такого запрета непосредственно из положений СТО не вытекает или,

189

точнее говоря, он может быть обойден. Согласно релятивистской динамики для массы, энергии и обратимся также к импульсу (количеству движения) частицы ρ:

Для того чтобы избежать мнимых значений этих величин при скорости движения υ > с, т.е. сохранить за ними физическую реальность, надо сделать предположение, что масса покоя такой частицы m0 представляет собой мнимую величину: m0 = iµ, где i = −1 ; µ – какой-то вещественный коэффициент. На первый взгляд такое предположение, мягко говоря, может показаться странным. Не попадаем ли мы при этом, как говорится в старой русской пословице, из огня, да в полымя? Частица с мнимой массой! Однако, если вдуматься в эту идею, то может быть, и есть основания

сней согласиться. Ведь речь идет о массе покоя. Существуют же частицы

снулевой массой покоя.

Если учитывать, что гипотетические тахионы или другие физические объекты, обладающие мнимой массой покоя m0 = iµ ни в одной системе отсчета в нашем реальном физическом мире не могут находиться в покое и всегда движутся со скоростью υ, большей с, то наличие у них мнимой массы покоя не делает их существование какой-то химерой.

Уравнения для массы m, энергии Е, импульса ρ сохраняют свою ковариантность, т.е. не изменяют свою форму после нашего «перехода» через световой барьер. Только теперь их удобнее переписать так, чтобы избавиться от мнимых величин в числителе и знаменателе:

Аналогично

190