Так называют частицы, скорость которых превышает скорость света в вакууме. Сразу оговоримся, что речь идет о гипотетических частицах: экспериментальные попытки обнаружить такие частицы не увепчались успехом. Но уже само предположение об их существовапии кажется парадоксальным: в основе СТО лежит ограниченность скорости передачи сигнала, причем пределом является как раз скорость с. Конечно, на скорость «вообще» никаких ограничепий нет (см. § 8.1), но передача сигнала - это распространение энергии и импульса. Движение частиц, к которым мы привыкли, безусловно может служить сигналом. Кроме того, для обычных частиц, обладающих конечной массой покоя, с существованием которых мы освоились, скорость света просто недостижима. Из релятивистского уравнения движения для таких частиц вытекает, что скорость света может быть достигнута лишь эа бесконечно большое время (не говоря уже о том, что для достижения ими скорости света требуется бесконечно большая энергия). Таким образом, вопрос о сверхсветовой ркорости частиц нашего обычного мира отпадает сразу.
Можно допустить, однако, существование особой группы частиц, переход из которой к обычным частицам или обратно невозмолсеп. Эти частицы могли бы порождаться в каких-то ядерных превращениях сразу со сверхсветовыми скоростями. Предположение о возникновении тахионов навеяно картиной порождения фотонов: фотоны сразу порождаются со световой скоростью,
а вовсе не возникают «динамически» при ускорении обычных частиц.
В точности так же, как и в § 3.5, можно показать, что если в одной ИСО скорость частицы больше с, то это справедливо и в любой другой ИСО. Следовательно, обычные частицы (фотоны) и тахионы образуют независимые группы частиц в том смысле, что переходы из одной группы в другую за счет ускорения частиц невозможны и что переход от одной ИСО к другой оставляет частицу в той же самой группе, в какой она находилась и в исходной ИСО.
Допустим существование таких частиц и рассмотрим кинематические следствия этого предположения.
Итак, полагаем, что скорость тахиона (определяемая обычным образом) больше с, т. е. . Тогда для интервала между двумя событиями - положениями тахиона в двух точках пространства в два момента времени - мы, как обычно, получим (одномерное движение вдоль оси
Для тахиона (в отличие от обычных частиц) т. е. интервал пространственноподобный; мы видели в § 3.4, что в этом случае понятия «позже» и «раньше» для двух событий уже не являются абсолютными. Следовательно, существуют такие системы отсчета, где тахион движется в одном направлении, и такие, где он движется в противоположном. Можно найти условие, налагаемое на скорость тахиона, для того чтобы в какой-то системе К его движение было «обратным». В системе К для тахиона
Мы считаем (для любой Интервал времени будет отличаться знаком от (что означает изменение последовательности событий во времени), если Отсюда находится искомое условие ясно, что Различия в описании движения тахиона в системах ясно видны на рис. 8.7, а. Линии одновременности в К параллельны оси , проводя их все дальше и дальше по положительной оси мы отмечаем положение тахиона все правее и правее - тахион движется вправо. Линии одновременности в К параллельны оси х. Если проводить эти линии так, чтобы они пересекали ось все дальше и дальше по положительному направлению оси мы находим тахион все левее и левее - тахион движется влево.
Этот же результат можпо изложить и еще драматичнее (рис. 8.7, б). Пусть в системе К из точки О вышел тахион, который пришел в мировую точку Р. В системе К, как это видно на рисунке, тахион был «испущен» в момент («раньше») и прибыл
в точку Р в моменг т. е. «позже». На той же диаграмме проведены пространственная и временная оси системы К (линии одновременности в К параллельны оси Из рисунка видно, что тахион в системе К раньше был в точке Р (в момент ), затем он двигался к точке 0, где и был поглощен (в момент ). Таким образом, только за счет выбора системы отсчета можно получить движение тахиона в обратном направлении в пространстве и обнаружить в одной системе отсчета поглощение тахиона вместо испускания.
Рис. 8.7. а) Движение тахион, рассматриваемого в двух ИСО. В системе К тахион движется вправо, в К - влево. Жирная линия - мировая линия тахиона, б) Обращение порядка событий во времени для движущегося тахиона.
Отметим попутно курьезную картину наблюдения «светящегося тахиона», т. е. тахиона, испускающего свет. Из рис. 8.8 видно, что наблюдатель, покоящийся в системе К, «увидит» два тахиона, уходящие в двух противоположных направлениях.
Вернемся теперь к обращению последовательности событий во времени, в частности обмену местами «испускания» и «поглощения». Такая ситуация на первый взгляд противоречит обычным представлениям о взаимоотношениях причины и следствия. Действительно, пусть известно, что в О находится источник тахионов. Источник - это «причина» возникновения тахиона. Движение тахиона к Р - это «следствие» порождения тахиона. Но наблюдение в системе К показывает, что тахион идет из Р и поглощается в О. Как это ни непривычно, нужно все же признать, что наблюдаемая последовательность не противоречит причинно-следственным взаимоотношениям, если четко сформулировать, что мы понимаем под такими взаимоотношениями. Можно рассуждать, например, так.
Будем считать, что А есть причина, следствие, если повторение события А в моменты времени выбранные произвольно, неизменно приводит к наступлению события В в момент времени Здесь - существенны контролируемые повторения события А и их корреляция с событием В. В этом смысле причинно-следственные связи не зависят от того, какое событие наступает «раньше» и какое «позже».
Рис. 8.8. Наблюдаемая картина движения светящейся частицы движущейся со сверхсветовой скоростью.
Последовательность событий во времени не входит в определение причинно-следственной связи и не может служить для установления различия между причиной и следствием.
В нашем примере в системе К контролируемым событием является поглощение тахиона. Этому контролируемому поглощению всегда будет предшествовать движение тахиона от Р к О. Мы должны будем признать поглощение причиной, а движение тахиона - следствием. Приведенное определение причины - следствия не соответствует обычному утверждению о том, что «абсолютный смысл нопятия «раньше» и «позже»... является необходимым условием для того, чтобы имели смысл понятия причины и следствия». Конечно, если «причина» и «следствие» происходят в одной точке (в данной ИСО), то причина должна быть рапьше следствия. Но тогда заведомо интервал между событиями времениподобный и в любой ИСО следствие окажется «позже» причины. С тахионами такого быть не может. Все «события» с тахионами происходят, с нашей точки зрепия, в разных точках. Обмен последовательностями событий не страшен.
Итак, изменение временной последовательности событий не нарушает обычных представлений о причинно-временной связи. Но есть условие, которое должно быть выполнено безусловно. Оно состоит в том, что из настоящего нельзя воздействовать на прошлое. Сигнал, посланный из данной точки пространства, не может оказаться в ней до того, как был послан.
Если тахионы могли бы служить сигналами, то, как это видно из схемы на рис. 8.9, можно было бы с их помощью послать сигнал так, чтобы другой сигнал, вызванный первым, вернулся бы и точку посылки первого сигнала (причиппо-следственный цикл) до того, как первый сигнал был испущен. На рис. 8.9 изображены мировые линии двух тел I и II, находившихся первопачалыю в состоянии покоя, затем двигавшихся равномерно и прямолинейно с одинаковыми скоростями и затем вновь находящихся в покое. Мировые точки А и А лежат на линии одновременности, совпадающей для обоих тел, находящихся в движении. Мировые точки С к С лежат на линии одновременности, совпадающей для обоих тел, находящихся в покое. На рисунке изображены также мировые линии двух сверхсветовых сигналов и . Послав сигнал а затем (после получения сигнала ) другой сигнал мы примем сигнал в точке раньше, чем был послан сигнал из А.
Рис. 8.9. Замкнутый причинно-следственный цикл с участием сверхсветовых сигналов. Линии I, 11 - мировые линии диух систсм отсчета. Из точки А посылается первый сверхсветовой сигнал - линия одновременности). Из системы II (точка С) посылается обратный сверхсветовой сигнал который приходит к системе I (точка раньше, чем был послан первый сигнал (точка А). Линии одновременности и мировые линии сверхсветовых сигналов проведены в соответствии с рис. 2.6, б.
Таким образом, мы получили пример замкнутого причинно-следственного цикла, когда налицо возможпость воздействия на прошлое. Конечно, этот результат относится к любому сверхсветовому сигналу, но в применении к тахионам это означает, что сами тахионы (в отличие от обычных частиц) уже не могут служить сигналами.
Если допустить возможность существования тахионов и соблюдение требований причинно-следственного цикла, то как раз возможность обращения последовательности событий во времени для тахионов позволяет избавиться от возражений, связанных уже с «динамическими» свойствами этих частиц. Если считать основные соотношения СТО справедливыми для тахионов, то из формул преобразования для скорости и энергии частицы
(см. гл. 3, 5)
следует, что в тех самых системах отсчета, в которых последовательность событий для тахиона меняет свой порядок (и в которых меняется знак скорости, что связано с тем, что разного знака), энергия тахиона становится отрицательной. Отрицательная энергия тахиона недопустима потому, что ее наличие означало бы возможность неограниченного получения энергии. Действительно, совместное порождение двух тахионов - одного с отрицательной, а другого с положительной энергией - не требовало бы затраты эпергии, а полученный тахион с положительной энергией мог бы совершать полезную работу.
Но мы уже видели (см. рис. 8.8), что если в системе отсчета К наблюдается испускание тахиона, который затем поглощается, то в системе К, в которой скорость тахиона удовлетворяет условию этот же процесс может быть описан как поглощенно тахиона, движущегося в обратном направлении, причем энергия тахиона будет уже положительной. Это обстоятельство позволяет обойти трудность, связанную с появлением отрицательных энергий.
И, наконец, несколько замечаний, касающихся импульса и энергии тахионов. Из СТО вытекает (см. гл. 5), если ограничиться одномерным случаем что
Если построить график мы получим гиперболу, причем, как мы видели (§ 5.5),
Если частица ускоряется, то на плоскости она движется по гиперболе (8.11). Наклон касательпой всегда меньше с, независимо от того, как повышается энергия частицы - за счет ли ускорения частицы или за счет перехода к другой системе отсчета. Поскольку энергия частицы положительна, то нижняя ветвь гиперболы не рассматривается. Обратим также внимание на то, что асимптоты гиперболы, уравнением которых будет , соответствуют фотонам. Если считать, что к тахионам применимы основные формулы релятивистской механики (см. гл. 5), то становятся мнимыми величинами, поскольку так что где Можно получить действительные значения импульса и энергии, если считать за массу величину Однако чем мнимая масса лучше мнимых энергии и импульса? Но дело в том, что
Это мнимая собственная масса тахиона, а системы отсчета, где тахион покоился бы, не существует (система отсчета состоит из обычных частиц, и ее скорость всегда меньше с). Поэтому собственная масса тахиона ненаблюдаема и ее можпо считать какой угодно.
Но тогда на плоскости нам следует рассмотреть еще две гиперболы, соответствующие мнимой собственной массе Таким образом, на плоскости нужно рассматривать три гиперболы (рис. 8.10). Наклон касательной к этим гиперболам всюду больше с. Конечно, множитель входит не только в выражения для импульса и энергии - он входит в определения длины через собственную длину и интервалов времени через собственное время. Но мы легко можем отказаться от «собственных» величин, считая их ненаблюдаемыми.
Рис. 8.10. Тахионы в обычные частицы, изображаемые на плоскости
Отсылая читателя подробностями к литературе подведем некоторые итоги.
За последпее время были сделаны попытки - оставаясь в рамках СТО - выяснить свойства частиц, скорость которых превышает с. С точки зрепия СТО скорости, которые не соответствует реальному физическому распространению чего бы то ни было, могут быть любыми. Обычные частицы всегда движутся со скоростью меньше с; любой «сигпал» имеет скорость меньше с. Следовательно, сам тахион не может служить сигналом, т. е. его взаимодействие с нашим миром крайне ограничено. Не исключено, что можно допустить взаимодействие тахионов с нашим миром лишь через обмен электромагнитными сигналами.
Если исходить из принципа «все, что не запрещепо, имеет право на существование», следует допуститьвозможность существования тахионов. Прямого теоретического запрета тахионов пока нет. Тем не менее представляется маловероятпым, что такие частицы действительно существуют. Последпее слово остается за экспериментом.
§ 8.4. Парадокс часов. Этот парадокс - если только здесь есть на самом деле парадокс - появляется из-за иеодпократно обсуждавшегося различия в отсчетах промежутков времени между событиями в различных ИСО. Напомним коротко нужные для дальнейшего результаты.
Пусть тело покоится в системе К и по часам, движущимся вместе с ним и системой К, были отмечены два события в точке х в моменты времени и Промежуток - это промежуток собственного времени, и его естественно обозначать через . Эти же самые два события наблюдатели из К отметят в двух точках системы К двумя часами, зафиксирован эти события в моменты и Промежуток времени между теми же двумя событиями окажется равным Мы знаем, что
т. е. промежуток собственного времени между событиями меньше, чем промежуток между теми те событиями, отсчитанный по часам системы, относительно которой тело движется (ср. § 3.3).
В формуле (8.13) явная асимметрия в отсчетах времени. Казалось бы, можно рассуждать так. Поскольку все часы в К синхронизованы, отсчитапное разными часами в К, может быть приравнено отсчету промежутка времени по одним часам из К. Тогда окажется, что тождественные часы в двух ИСО К и К идут по-разному. Но ведь СТО опирается на полную симметрию инерциальных систем! И она действительно есть! Просто в наших рассуждениях упущена важная деталь. Поскольку одновременность относительна, часы, синхронизованные в одной системе, вовсе не синхронизованы с точки зрения другой. Синхронизация часов относительна! Величина вовсе не интервал собственного времени для часов из К. Сделаем соответствующий подсчет.
Пусть часы III покоятся в начале системы К, движущейся со скоростью V относительно К. Синхропизованпые в системе К и покоящиеся в этой системе часы I находятся в точке а часы II - в точке
Переменная координата часов III в системе К равна Таким образом, координатами часов I, II, III в системе К будут
Из формулы преобразований Лоренца можно получить зависимость координаты х в системе К от времени V в этой системе и координаты х в К, а именно:
Так мы найдем что касается то очевидно, что Следовательно,
Как обычно, мы считаем, что можно сравнивать показания часов из двух систем, когда они находятся в одпом месте. Тогда реально можпо провести следующие сопоставления. Во-первых, можно сравнить показания часов III с показаниями часов I, когда они проходят мимо друг друга; мы обозначим соответствующие показания часов через во-вторых, можпо сравнить показания часов III и II, когда часы III пройдут мимо часов обозначим эти показания через (рис. 8.11). Когда часы III совпадают с I, то и те и другие часы находятся в точке поэтому согласно (8.17) мы найдем значения моментов времени и а именно: . В то же самое время из (8.16) получаем . Показания - это показания двухразных часов, синхронизованных в системе К.
Рис. 8.11. Объяснение полной симметрии двух ицерциалыгых систем отсчета по отношению к «замедлению» времени. В любой системе отсчета промежуток собственного времени между двумя событиями окажется меньше, чем промежуток времени между теми же двумн событиями, отсчитанный по двум часам любой другой ИСО.
Согласно синхронизации в этой системе, когда часы II показывали момент то и часы I показывали тот же момент Разность - это время, протекшее в системе отсчета К, за которое показание часов III изменилось на . С точки зрения системы К ход часов III определяется соотношением
как это и должно быть, поскольку - промежуток собственного времени. Так как то движущиеся часы, наблюдаемые из системы К, отстают. Все это нам известно. Теперь мы переходим к решающему шагу: нужно сравнить ход часов так, как он представляется с точки зрения системы К. Чтобы судить о ходе часов, нужно проследить за ходом одних
часов, скажем часов II. Но для этих часов есть только одно непосредственное показание: когда они были напротив часов III, то часы III показывали а часы II показывали Другое показание часов II нужно вычислить (ср. § 2.4). Мы найдем, где находились и что показывали часы II, когда напротив часов III были часы I. На все поставленные вопросы мы будем отвечать уже с точки зрения системы К. Когда часы III были напротив I, они показывали время Часы II находились от часов I на расстоянии Но когда часы I были напротив III, то их координаты Поэтому это координата часов II в тот момент, когда совпадают часы I и III. Но теперь уже нетрудно пайти показание часов II в этот же момент времени. В формулу
мы подставим значения (Величина в силу синхронизации часов в К совпадет с показанием часов из К, находящихся в точке так что ) В результате подстановки получим показапие часов II:
Если бы часы I и II были синхронизованы, они показывали бы одно и то же время. Но они синхронизованы только в К, но не в К. Мы видим, что с точки зрения К у часов системы К наблюдается рассинхронизация, набегает разность показаний
увеличивающаяся с удалением часов друг от друга. Этот результат мы уже получили в § 2.4. Так как в системе К расстояние то показание часов II будет Составляя разность отмеченного времени и вычисленного получим
или, согласно (8.20),
А это и означает, что наблюдатель в системе К обнаружит, что движущиеся относительно него часы отстают. Тем самым полное равноправие систем доказано.
Этот результат подтверждает полное равноправие двух рассмотренных инерциальных систем: если в двух ИСО идут двое
тождественных часов, то промежутки собственного времени, отсчитываемые этими часами, одинаковы. Разумеется, иначе быть и не может, поскольку одним из первых принципов СТО является принцип относительности: если бы тождественные часы по-разному шли в двух ИСО, то это был бы физический способ отличать эти системы.
Хотя это разъяснение необходимо было сделать, но парадокс часов состоит, конечно, не в этом. Допустим, мы сравнили показания двух часов: одних - из системы К, а других - из К. Часы, естественно, немедленно разойдутся после сравнения и будут уходить все дальше и дальше друг от друга. Но если все же одни из них как-то вернуть в ту же точку, где находятся другие часы, и снова сопоставить их показания - что мы обнаружим тогда? Вот ответ на этот вопрос и называется парадоксом часов. Ответ этот совсем не прост, и читателю следует набраться терпения.
Рис. 8.12. Мировые линии двух часов I и II. Мировая линия соответствует часам I, покоящимся в К. Часы II сначала равномерно движутся от часов I (линия затем, изменив в точне Т скорость на равную, но противоположно направленную, снова сближаются с часами I. В точке они оказываются рядом друг с другом, и можно еще раз сравнить их показания (первое сравнение происходило в точке О). Сопоставление показаний часов как раз и есть то, что называют парадоксом часов. На врезке: мировая линия одних часов, возвращающихся в точку
Прежде всего заметим, что все формулы СТО относятся к величинам, рассматриваемым в рамках инерциальных систем отсчета. Все измерения времени, которые производятся в СТО, осуществляются часами, неподвижными в той или ипой ИСО. Сравнив одпажды двое часов, мы уже не можем снова свести их в одной точке пространства, не выводя их из той системы отсчета, где они покоились при первом сравнении. Действительно, если движение прямолинейное, нужпо сначала затормозить одни часы, а затем сообщить им скорость той же величины, но в обратном направлении. Тогда часы, направление движения которых мы изменили, через некоторое время окажутся в одном месте с теми часами, с которыми производилось сравнение. Все это хорошо видно на диаграмме Минковского, где изображены мировые липии двух часов - (рис. 8.12).
Очень удобпо рассмотреть «парадокс часов» методом -коэффициента (§ 3.7). Мы воспользуемся пространственно-временной диаграммой рис. 8.12. Здесь изображены мировые линии трех часов: одних находящихся в начале К (линия других (II), покоящихся в начале К (линия , наконец, то можно найти промежуток времени между приемом светового сигнала часами I (точка Е) и встречей часов I и III в точке Мы видели в § 3.7, что при изменении знака относительной скорости двух систем отсчета коэффициент к меняется на Следовательно, промежуток времени, который изображается на рис. 8.12 отрезком равен Из симметрии использованного мысленного эксперимента ясно, что Обозначая величину этого промежутка времепи через мы получим, что промежуток времени, отсчитанный часами I между встречей часов I с часами II и часами III, равен
Но суммарное время, отсчитанное двумя наблюдателями (часами II и III), равно . Это значение всегда меньше, чем (8.22), потому что из неравенства немедленно следует, что
Это рассуждение имеет то несомненное достоинство, что все отсчеты времепи производятся часами, покоящимися в инерциальных системах отсчета. Итак, более короткий промежуток времени между событиями получается при измерении его двумя инерциальными наблюдателями по сравпению с промежутком времени, намеренным одним наблюдателем. Обратим внимание на то, что здесь, в отличие от того случая, когда сравнивался промежуток времени, отсчитанный по одним часам, с промежутком времени между теми же событиями по двум часам другой ИСО, сравниваются промежутки времени, отсчитанпые часами трех ИСО.
Итак использование двух часов (II и III) привело нас к выводу о различном отсчете промежутков времени. Предлагают иногда использовать в системах отсчета К и К" одни и те же часы: в точке Т часы II просто передаются в систему и появляется
возможность изморить интересующий нас промежуток времени одними часами. Это предложение заслуживает того, чтобы на нем остановиться. Хотя мы измерим промежуток времени между событиями О и двумя часами (I и II), эти часы в предлагаемом варианте отпюдь не равноправны. Когда часы II передаются из они испытывают ускорение и оказываются уже в неинерциальпой системе. Их мировая линия уже кривая (см. врезку на рис. 8.12). Но инерциальпое движение отнюдь не эквивалентно неинерциальному. Вполне возможно, что часы, все время двигавшиеся по инерции, отсчитывают больший промежуток времени, чем часы, участвовавшие в неинерциалыюм движении. Здесь никакого противоречия нет; к этому выводу приводит и теория тяготения Эйнштейна.
Мы уже говорили о том (см. § 3.3), что в принципе всякое ускорение оказывает влияние на ход часов. В принципе «правильно идущие» часы находятся в инерциальных системах отсчета. Пусть мировая линия частицы искривлена (а это означает, что частица испытывает ускорение). В любой момент времени движения с ускорением можно найти инерциального наблюдателя, движущегося по касательной к траектории истинного движения с мгновенпой скоростью фактического движения. Часы, движущиеся с ускорением, идут «правильно», если их ход в точности совпадает с ходом часов той же конструкции, по движущихся указанным образом вместе с инерциальпым наблюдателем.
В каком месте мировой линии возникает различие в показаниях сшнерциальных» и «неинерциальных» часов? Из принципа относительности вытекает, что часы одинаковой конструкции идут во всех ИСО одинаковым образом. Отсюда ясно, что различие в показаниях двух часов, оказавшихся в одной и той же точке пространства, обусловлено ускорением часов, т. е. искривленной частью мировой линии. Нередко выдвигают возражение, состоящее в том, что искривленную часть мировой линии можно сделать сколь угодно малой, т. е. обеспечить ускорение в течение весьма короткого времени. А набегающая разность показаний может быть очень большой. Не забудем, однако, что ускорение за малый промежуток времени означает появление колоссальных сил, а изменение релятивистской скорости на обратную связано со значительным ускорением. Кроме того, отличие длипы искривленной мировой линии от длины прямой мировой липии, соединяющей те же точки, определяется не длиной ее искривленной части, а тем, что она искривлена в целом. Это утверждение прекрасно иллюстрируется рис. 8.13: хотя путь II из города А в город Л «практически все время прямой», он, безусловно, длиннее, чем путь из А в В но прямой линии I. Если ускорение не влияет на ход часов, то длина мировой липии частицы определяет промежуток собственного времени.
Короче пути Ну хотя путь II отличается от прямого лишь на небольшом участке. Различие в длинах обусловлено не столько тем, что есть криволинейный участок» а тем, что весь путь II в целом не прямой.
Этот переход и обусловливает значительную разницу в ноказапиях часов I и III. Если в качестве двух тождественных часов взять два тождественных живых организма, мы придем уже к «парадоксу близнецов».
Но переход к живым организмам влечет за собой ряд осложнений, и мы отошлем читателя к литературе .
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 і.) 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». 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 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.
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.
Возможно ли путешествие во времени? И как технически осуществить отправку сообщений в прошлое? Как поговорить с собой будущим? Эти вопросы долгое время служили предметом самых жарких дебатов и самых страстных поисков в учёной среде.
«Время - это измерение, но в данном смысле оно настолько необычно, что мы можем себе позволить лишь движение вперёд, по течению, - так долго, насколько возможно наше существование во Вселенной. Мы пытаемся найти путь в прошлое, но, делая это, мы будем влиять на очень важную часть нашей физической Вселенной, которая называется причинной связью. Если мы хотим путешествовать обратно во времени, мы должны найти способ предотвратить нарушение причинной связи», - говорит Чарльз Лиу, профессор астрофизики из городского университета Нью-Йоркского колледжа Стейтен-айленда.
Свободное перемещение в пространственно-временном континууме - это тема достаточно спорная по причине отсутствия достаточной доказательной базы. Никаких фактов, на которые можно было бы опереться. Ни единой зацепки. Тем не менее, тема очень достойная и требующая нестандартных решений. А что, если вместо поисков пути путешествия в прошлое или будущее заняться чем-то более реалистичным - межвременным общением, например?
Доктор Джон Крамер, почётный профессор физики Вашингтонского университета, считает, что в решении этого глобального вопроса мы должны научиться искусству маленьких, детских шагов. Если мы ещё не научились сами перемещаться во времени, то почему бы не начать с более простых вещей. Ведь вместо людей мы можем послать сообщение. В данный момент профессор трудится над возможностью получить текстовое послание за миллисекунду до того, как оно было отправлено. Он проводит своё исследование в лабораториях университета, используя лазерные лучи. Крамер очень надеется однажды свести концы с концами в предположении Эйнштейна о «призрачном дальнодействии» (мгновенном нелокальном коллапсе волновой функции), выбравшись, наконец, из логического лабиринта взаимной подмены понятий динамического и кинематического принципов относительности. С этой благородной целью он пытается расщеплять фотоны при помощи ряда полупроводниковых нанокристаллов - чтобы продемонстрировать: квантовая нелокальность вполне пригодна для общения между временами.
«Необходимо признать, что мы можем отправить и получить одно и то же письмо одновременно», - утверждает теперь уже знакомый нам авторитетный ядерный физик Крамер, имевший дело даже с большим адронным коллайдером в Швейцарии.
Для тех, кто никогда не изучал физику в высшей школе, попытаемся объяснить это более простыми и понятными словами. Если вы возьмёте пару фотонов, созданных в одно и то же время, и попытаетесь изменить один из них, это приведёт к соответствующему мгновенному изменению второго. Даже если их разделяет расстояние, равное галактике. Это значит, что можно общаться со скоростью, превышающей скорость света, и отправлять свои послания на немыслимые расстояния.
Конечно же, это не согласуется с основным постулатом теории относительности, гласящим, что никакое взаимодействие не может осуществляться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Именно по этой причине Эйнштейн и назвал подобное запутывание «призрачным дальнодействием».
Не покорившееся даже Эйнштейну и кажущееся чем-то неправдоподобным, такое взаимодействие теоретически возможно. Физики называют его «нелокальной квантовой коммуникацией».
«Вы сможете общаться с другими планетами в режиме реального времени», - говорит Джон Крамер. - «Надеть виртуальный шлем и погонять на своём багги по далёким дюнам Марса».
Другими словами, это дало бы мировым космическим агентствам возможность связаться с их летательными аппаратами в режиме реального времени. К сожалению, из-за недостаточного финансирования судьба проекта в данное время висит на волоске. Но учёный не унывает.
«Сначала нам нужно будет разработать способ наиболее эффективного обнаружения необходимых для эксперимента фотонов», - говорит он. - «иначе не могут быть сделаны никакие дальнейшие измерения».
Опираясь на знаменитую «теорию струн» (ультрамикроскопических волокон, тончайших одномерных объектов, которые могут совершать бесконечное множество резонансных колебаний и, объединяясь, создавать микрочастицы в десяти измерениях), теория бозоновых струн говорит об элементарной частице, не имеющей массы, которая называется тахионом и может передвигаться быстрее света. Только вот существуют ли тахионы в реальности? И позволят ли они перемещать сообщения в пространстве и времени? Никто этого пока не знает. Присутствие тахиона в этой теории свидетельствует лишь о её нестабильности. Эта неустойчивость в теории струн объясняется суперсимметрией, которая, в свою очередь, приводит к появлению теории суперструны - гипотетической космической структуры, которая удерживает в себе первичное вещество Вселенной.
Визуализация тахиона
Тахионы пока что лишь выявляют несостоятельность традиционных математических расчётов. Считается, что данный вопрос по зубам только физикам, которые твердят одно: то, что тахионы никто никогда не видел, вовсе не значит, что их нет. Возможно, не родились ещё учёные, способные создать необходимые инструменты. Ведь от этого зависит львиная доля успеха.
И если тахион существует, тогда теоретически было бы возможно посылать сообщения со сверхсветовой скоростью. Эти частицы с лёгкостью могли бы путешествовать в прошлое и оставлять там свои следы. Во избежание данной проблемы (ведь путешествие во времени может разрушить все существующие законы физического мира!) в далёком 1967 году американский физик-теоретик Джеральд Фейнберг представил свой принцип реинтерпретации: тахион, путешествующий в прошлое, в антимире - логическом следствии будущей теории петлевой квантовой гравитации - является тахионом, совершающим путешествие в будущее. Другими словами, каким бы странным это ни казалось, отправление и получение тахиона - это одно и то же действие, совмещающее две стороны одной медали.
«Больше нет другого способа объяснить разность, которая могла бы сделать реальным отправление и получение подобных сообщений», - написали Эндрю Циммерман Джонс и Дэниэл Роббинс в своей книге «Теория струн для чайников».
Если Крамеру удастся сделать первый шаг, то второй может оказаться поистине судьбоносным в истории человечества. «Мне немного страшно оттого, что последствия могут быть непредсказуемы», - говорит профессор.