Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 46

*) Считаем, что часы закреплены в данном месте и волна не приводит их в движение.

Поэт Державин писал:

Если время — река, то в духе этой метафоры можно сказать, что гравитационные волны — это волны на реке времени.

Гравитон

Еще в ЗО-е годы советский физик М. П. Бронштейн смело применил к описанию гравитационных волн квантовую теорию. Он исходил из сходства гравитационных волн с электромагнитными волнами, со светом. Двойственная, корпускулярно-волновая природа света была уже установлена. Не могут ли и гравитационные волны обладать такой же двойственностью и обнаруживать как волновые, так и корпускулярные свойства?

Это предположение полностью соответствует духу квантовой теории. И его действительно удалось доказать теоретически. Бронштейн изучал волны не слишком большой амплитуды, в которых колебания искривленности пространства-времени остаются слабыми. Оказалось, что при подходящих условиях гравитационные волны действительно могут вести себя как поток частиц, квантов этих волн. Кванты гравитационных волн получили название гравитонов.

Гравитоны очень похожи на фотоны. Как и фотоны, они движутся всегда и везде со скоростью света. Их масса связана с движением: масса покоя, то есть та масса, которой частица обладает в покое, у них отсутствует.

Различие же между гравитоном и фотоном проявляется, прежде всего, в их взаимодействии с другими частицами. Фотон взаимодействует только с электрически заряженными частицами. Гравитон же взаимодействует, так сказать, со всем и вся без исключения — он представитель всемирного тяготения.

Но вернемся к сходству с фотоном — это сейчас для нас особенно важно. И вот что здесь замечательно: гравитон, как и фотон, обладает энергией. Ее легко оценить. Согласно теории, она равна постоянной Планка, деленной на период волны. Неслучайно, конечно, связь между периодом и энергией имеет тот же вид, что и соотношение неопределенностей «время-энергия»: там тоже энергия (ее неопределенность) получается делением постоянной Планка на время (его неопределенность).

В какой же тесный узел связаны здесь время, пространство, энергия и квантовые эффекты! Выходит, что волны пространства-времени сами обладают энергией. Кстати, для слабых гравитационных волн их энергия, то есть энергия поля тяготения, вычисляется вполне однозначным образом, что, как мы упоминали, сделать в общем случае не удается. Эта энергия может оказаться собранной в сгустки — гравитоны, которые по всем признакам ничуть не хуже других микрочастиц.

Гравитон — первый плодотворный результат будущего синтеза двух великих теорий. В нем отражается нечто очень значительное, может быть, самое что ни на есть фундаментальное в физическом мире.

Время среди квантов

Пример гравитационных волн и гравитона приводит нас к важному заключению. Он подсказывает, что теория относительности — специальная и общая — еще не все говорит нам о свойствах времени (и пространства). Существование кванта гравитационных волн означает, что есть у времени такие свойства, которые могут быть изучены и поняты только на основе квантовых представлений. Конечно, об этих новых, «квантовых» свойствах времени мы сможем со всей полнотой судить лишь тогда, когда будет окончательно достигнут тот синтез теорий, о котором мы уже упоминали. Пока что нужно стремиться по крайней мере к постановке вопросов — тех главных вопросов о времени квантовых явлений, на которые мы хотели бы получить ответ.

В мире «обычных» тел о каждом «обычном» промежутке времени можно точно сказать, что вот тогда-то он начался, длился столько-то секунд или часов и тогда-то закончился. Такой промежуток мы можем измерить с помощью часов — если захотим, то весь целиком, а можем измерить и по частям. Эти части могут быть очень малыми, но и каждую из них мы могли бы в свою очередь разделить на еще более мелкие части и любую из этих мелких частей тоже измерить по отдельности.

Классическая механика подразумевает, что процесс деления промежутков времени можно продолжать неограниченно: время считается непрерывным и непрерывно делимым во всех своих физических проявлениях. Измерение любого промежутка можно вести, в принципе, до сколь угодно малых его долей. Практически, конечно, такое дробление времени зависит от точности часов, которыми мы располагаем. Если часы имеют точность не свыше секунды, то измерить с их помощью промежуток, равный 0,1 секунды, не удастся. Потребуются более совершенные часы. Точность атомных часов, о которых мы говорили в главе 3, гораздо выше; она колоссальна, но все же не беспредельна, а вполне четко ограничена.

Теория относительности — специальная и общая — заимствует из классической физики представление о непрерывном и беспредельно делимом времени. Многое другое в понимании времени она резко меняет, но это его свойство сохраняет без всяких оговорок.

Обратимся снова к излучению энергии атомом. Квантовая теория говорит нам, что рождение кванта происходит единым актом. Она, однако, утверждает, что момент времени, в который этот акт совершился, остается фиксированным неточно: здесь, как и в других квантовых явлениях, имеется неустранимая неопределенность. Неопределенность во времени оценивается по соотношению неопределенностей «время-энергия». В качестве неопределенности энергии нужно в данном случае взять энергию излученного кванта: энергия кванта — это и есть точность, с которой определена энергия излучающего атома в акте излучения.

В квантовом явлении излучения мы не можем указать точного начала этого акта во времени. Не можем проследить шаг за шагом, как развивается акт излучения от начала к концу. Не можем точно сказать, когда он завершится. Время, за которое происходит это явление, выступает перед нами как нерасчленимый отрезок. У нас нет способа разглядеть, различить в нем отдельные моменты и сказать, какие из них были раньше, а какие позже. Мы вообще не можем разделить его на какие-либо отдельные части.

И эта неделимость принципиальна — она никак не связана с несовершенством измерительных приборов. Она лежит в природе вещей. Она составляет существо физического проявления времени в квантовых процессах.

Но каково время микромира само по себе — безотносительно к каким-либо явлениям, до явлений и вне их?

Этот вопрос вряд ли правильно поставлен. Ведь мы не можем ничего узнать о времени (да и вообще о физическом мире), так сказать, непосредственно. Мы судим о времени исключительно на основании наблюдений и физических экспериментов, на основании измерений. Приборами для наблюдений, экспериментов и измерений времени в микромире служат нам сами атомы, элементарные частицы, а также и установки, с помощью которых частицы регистрируются. Это и есть наши единственные часы для микромира. Мы ничего не узнаем о времени сверх того, что скажут нам эти часы. И если, согласно их показаниям, в данном физическом явлении данный отрезок времени предстает перед нами неделимым, то, значит, так оно и есть — отрезок неделим. Он неделим точно в том же смысле, в каком неделим квант энергии. Квантовая природа времени та же, что и квантовая природа энергии. Недаром они выступают «на равных» в квантовом соотношении неопределенностей.

Опыт физики XX века учит, что нет никакого времени «самого по себе». Нет времени, которое существовало бы без связи с тем, что происходит в физическом мире. Время всегда и везде выступает не «вообще», а конкретно — в каждом данном физическом явлении оно свое. Это именно то время, которое длится в ходе данного явления в данном месте пространства. Время несет на себе важнейшие черты этого явления и само служит важнейшей его чертой.