№ 17/17

Время микромира

С помощью наружных наблюдений узнать, что в недрах черной дыры, нельзя: «горизонт» скрывает доступ к «сердцу тьмы», а приборы, даже если бы добрались к центру дыры, не могли бы передать собранную там информацию из-за того же «горизонта», который ничего не выпускает наружу. Воистину перед этим невидимым занавесом можно было бы написать вслед за Данте: «Оставь надежду, всяк сюда входящий!».

Если там, внутри таится сингулярность, то есть вся масса звезды, что схлопнулась в безразмерную точку, тогда плотность вещества в этой точке — бесконечна. Как мы уже знаем, свойства времени и пространства зависят от плотности вещества. Пространство искривляется возле мест с высокой плотностью, время возле них замедляет свой ход. А там, где эта плотность становится бесконечной, «радиус кривизны» пространства и «скорость хода» времени должны обратиться в нуль. Иными словами, пространство и время должны попросту исчезнуть. Следовательно, сингулярность — это предельная граница пространства и времени. Дальше продвинуться нельзя. Дальше просто нет ничего — ни пространства, ни времени, ни вещества.

Физики не зря не любят бесконечностей. Везде, где появляются бесконечности, появляются трудности: формулы теряют смысл, законы неприменимы, пространственно-временные описания невозможны. В данном случае затруднения имеют принципиальный характер. Согласно теории тяготения Эйнштейна, взрыв, в результате которого Вселенная родилась, произошел в точке, в которой была сконцентрирована вся масса будущей Вселенной, иными словами — во «вселенской сингулярности». В самое последнее время некоторые физики, пытаясь избегнуть этой трудности, предложили принципиально иной сценарий рождения Вселенной — без всякой сингулярности и Биг Бэнга, «просто» в результате периодических соударений нашего пространства-времени с параллельным ему.

Ситуация усугубляется тем, что, по некоторым теориям, наша Вселенная при наличии в ней достаточной массы должна пройти в будущем период наибольшего расширения и начать сжиматься под действием взаимного притяжения собственных масс. Этот процесс должен закончиться так называемым Большим Хрустом («Биг Кранч»), то есть коллапсом сжимающейся Вселенной в такую же сингулярность, из которой она когда-то родилась. Правда, некоторые физики считают, что такое сжатие, если оно наступит, не будет вполне симметрично расширению, но это уже частности — главное, что конечная сингулярность тоже будет границей, за которой пространство и время исчезнут. Как-то нехорошо это выглядит: материя с ее пространством и временем, рождающаяся «из ничего» и обращающаяся «в ничто». Нельзя ли все-таки обойтись без сингулярностей, но сохранить Биг Бэнг и все такое прочее? Иначе ведь придется и теорию тяготения отбросить…

В поисках выхода из этого затруднительного положения некоторые физики обратили внимание на противоречие, таящееся в изложенных выше рассуждениях. Речь идет об очень малых пространственных масштабах, а выводы делаются на основании «обычной» физики Ньютона — Эйнштейна. Между тем еще в начале ХХ века было открыто, что на малых расстояниях обычная физика уже не действует — здесь царят законы квантовой механики.

Не может ли быть, что пространство и время, как заряды, магнитные моменты и так далее, тоже квантованы, что существует какая-то наименьшая, уже неделимая дальше клеточка пространства (минимальное расстояние в природе) и какой-то наименьший, далее неделимый отрезок времени? Если бы дело обстояло так, то никакой коллапсар — ни самая тяжелая звезда, ни сама Вселенная — не мог бы схлопнуться в точку. Самое большее, они бы коллапсировали до размеров этого «кванта пространства».

И тогда в центре черной дыры (или же в начале Биг Бэнга и в конце Биг Кранча) фигурировала бы не сингулярность с ее неприятными бесконечностями, а хотя и крохотный, но все же конечных размеров комочек вещества.

Исходя из некоторых предположений и расчетов, физики оценили, что наименьшая (далее неделимая) длина, если такая существует, должна составлять 10-33 сантиметра. Этот «квант расстояния» получил название «планковской длины». В поперечнике атома умещается почти миллиард миллиардов миллиардов таких длин. Этим, в частности, объясняется, почему квантованность пространства, даже если она существует, не может быть замечена в масштабах макромира.

Далее, поскольку неделимое расстояние можно пройти только за неделимый отрезок времени — ведь если бы этот отрезок делился, скажем, надвое, то был бы момент, когда мы находились бы «посреди неделимого», что невозможно по определению, — то гипотеза о существовании «кванта расстояния» автоматически влечет за собой существование «кванта времени». Его величину легко подсчитать — это 10-43 секунды. Смысл его таков. Нельзя спрашивать, что было «раньше», то есть, скажем, что было через 10-44 секунды после Биг Бэнга, через 10-45 секунды и так далее, все ближе и ближе к самому Биг Бэнгу, такие вопросы бессмысленны, таких моментов времени в природе попросту не было.

Иными словами, свойства квантового мира таковы, что ограничивают возможность предельно точного знания о нем: точнее, чем до планковской длины и планковского отрезка времени, измерять расстояния и время в квантовом мире невозможно. Время и пространство в микромире не имеют четкости и определенности, они как бы «размазаны». В этой «квантовой пене» никакого определенного, единого для всех ее «пузырьков» направления времени нет, ибо там нет никакой последовательности событий, никакого «развития». И лишь в том случае, если в какой-то «квантовой клеточке» этой «пены» случайно произойдет Биг Бэнг, из которого родится Вселенная, то в ней начнутся изменения как в целом, — это и будет «рождение времени».

Кстати говоря, примерно так же, как случайное следствие хаотического «кипения» бесконечно существующей бесконечной «пены», описывает становление Вселенной одна из новейших космологических теорий, созданная Андреем Линде, — «теория хаотической инфляции». По Линде, процесс рождения вселенных в такой «пене» не только случаен и хаотичен — он бесконечен: одни вселенные, рождаясь, тут же коллапсируют, другие растут, оставаясь мертвыми, ибо законы в них таковы, что не допускают не только возникновения разумной жизни, но даже и образования более или менее крупных структур, третьи напоминают космических «зомби», потому что остаются лишенными времени и развития, а четвертые заполняются галактиками, звездами и планетами и становятся подобны нашей — но очень редко… Процесс-то ведь случаен.

Другой вариант обхода сингулярности предложил Стивен Хокинг. В его сценарии история времени (история вселенной) описывается следующим наглядным образом. Вообразим себе нижний край округлой чаши или сферы. Пусть ее самая нижняя точка, ее «южный полюс», будет точкой рождения вселенной. Пусть, начиная с этого момента, расширение вселенной будет изображаться как постепенное расширение окружности, расходящейся из этой точки по поверхности чаши (как постепенное расширение волны от упавшего камня по поверхности воды). Будем считать, что расстояние (по меридиану) от южного полюса до каждой следующей окружности будет представлять собой время, прошедшее от Биг Бэнга. Тогда длина самой окружности, проведенной на этом расстоянии от полюса, будет изображать размеры вселенной в этот момент времени.

По мере удаления от полюса эти окружности все более расширяются, пока не достигнут экватора. После этого они начнут уменьшаться в размерах и на северном полюсе окончательно сойдут на нет. Такая вселенная будет иметь нулевые размеры на обоих полюсах, но эти полюса не будут сингулярностями, потому что полюса сферы ничем особым не отличаются от любой другой ее точки. У этой вселенной (в отличие от вселенной, родившейся из сингулярности) нет «края», нет особой пространственно-временной точки, в которой нарушались бы все законы «обычной» физики. Но, как объясняет далее Хокинг, такое «гладкое» описание истории времени и вселенной требует (если мы хотим описать его математически) перехода от реального времени к времени «мнимому».

Это означает, что время в мире, описанном Хокингом, измеряется в секундах, помноженных на мнимую единицу, то есть на корень квадратный из -1. Только при таком измерении время становится полностью эквивалентным всем пространственным измерениям, само четырехмерное пространство-время приобретает вид четырехмерной сферы. В таком мире «мнимого времени» по мере приближения вселенной к одному из полюсов, на предельно малых, «планковских» расстояниях от полюсов, со временем происходят удивительные изменения: оно постепенно теряет обычные свойства длительности, и его протяженность начинает напоминать протяженность пространства.

Как пишет другой физик-теоретик, Пол Дэвис, «можно представить себе непрерывный переход, который начинается с «времени», не отличимого от пространства и лишь постепенно превращающегося в собственно «время»…». «Превращается» в данном случае как раз и означает «приобретает свойства». И поскольку теория Хокинга не знает никаких сингулярностей, никаких особых точек ни во времени, ни в пространстве, то время в ней рождается, минуя «миг рождения»: оно как бы «незаметно выплывает» из пространства, «стряхивая» с себя его свойства и обретая собственные, так что замечательная фраза Фэй Велдон: «Кому интересно, что было через полсекунды после Биг Бэнга? Интересно, что было за полсекунды до него», повисает в воздухе, так и не получив ответа.

Быть может, теория Хокинга — пустая математическая забава? Нет. По его (и некоторых других ученых) глубокому убеждению, не исключено, что с приближением к планковским масштабам пространства и времени наше реальное время как раз и превращается в мнимое, и тогда сингулярности и впрямь исчезают из истории нашей Вселенной. В таком случае, заключает Хокинг, «то, что мы называем мнимым временем, может оказаться истинным временем, а то, что мы называем временем «реальным», окажется просто понятием придуманным, чтобы описать то, на что похожа в нашем представлении Вселенная».

В конце предыдущей главки мы говорили о трех возможных видах времени в микромире — при наличии сингулярностей, при их отсутствии и о времени, пронизанном некими «туннелями». Теперь мы увидели, чем различаются эти варианты. В отсутствии сингулярностей время может рождаться из «квантовой пены», как в сценарии Уилера — Линде, или же оно может быть — на микроуровне — «мнимым» и в таком случае рождаться из пространства, как в теории Хокинга. Если же внутри черных дыр все же сидят сингулярности и сам Биг Бэнг поэтому тоже начался с сингулярности, то время не может родиться иначе, как «из ничего». И наконец, в случае времени, пронизанного туннелями, возникает самая фантастическая возможность — возможность путешествовать в прошлое или будущее.

Рафаил Нудельман

Глубины познания

  • Краеугольные камни преткновения
    Эйнштейн не во всем был прав, но вполне правдоподобно звучит его предупреждение: «Над тем, кто в стране искателей истины попытается изображать начальство, посмеются боги». Так что не стоит приказывать природе, каким понятиям и законам ей следует подчиняться.
  • Священная книга археологов — Библия
    Вот уже полтора столетия историки и лингвисты собирают отдельные факты, из которых складывается мозаика подлинных событий, скрытых за пышной декорацией библейских мистерий и мираклей.
  • Новые горизонты или ошибка Эйнштейна?
    Как шутят физики, в любой проблеме есть три стадии понимания: сначала все непонятно, на следующей стадии все кажется кристально ясным, а затем снова возникают вопросы и проблема выглядит даже более темной и загадочной, чем вначале.
  • Чернить теорию относительности вновь стало модно
    Не понимая теории относительности, ее критики улавливают лишь одно: что она резко противоречит их житейскому опыту, их здравому смыслу
  • Мне поклонился цветок
    Кто сказал, что растения молчат, как камни? Что им неведомы чувства и равнодушна жизнь? Беззвучная тишина, наполняющая поле или сад, разрывается от неслышной нам болтовни. Нити бесед, что ведутся под тенистыми кронами или на зеленом ковре, нам еще предстоит распутать, привлекая самые современные приборы.
  • Рука подвела…
    Порой сдается, что очарование неразгаданных тайн истории связано еще с тем, что они не поддаются окончательной разгадке.
  • Встреча с Протеем
    Читателю начинает надоедать эта «живопись словом»; он спрашивает себя: «Так где же прячутся эти таинственные протеи? Что за элементы внутри меня могут принимать то одно обличье, то другое?
  • Протеомика. Лидер науки XXI века
    Наконец-то удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди биологического мусора затеряны отдельные «слова», то бишь гены. Теперь многие специалисты заняты «биогерменевтикой» — они истолковывают добытую запись, отыскивая среди непонятицы знаков все новые гены.
  • Стволовые клетки — путь к вечной молодости?
    Стволовые клетки сегодня находятся в центре внимания медицины. Они способны делиться и превращаться в нейрон, клетку крови, сердца, печени, любого другого органа. Стоит научиться ими управлять — и откроются перспективы лечения многих тяжелых заболеваний.
  • Белые братья черных курильщиков
    Белых пятен на Земле почти не осталось. Едва ли не последнее крупное открытие географы совершили около четверти века назад на дне Океана, когда посреди подводных хребтов обнаружили особые гидротермальные источники — черные курильщики.
  • «Нано…»
    Главным научным прорывом 2001 года, по мнению редакции журнала «Сайенс», стала … наноэлектроника! (Барабанный гром, бурные аплодисменты, на поле научных чудес выносят первый приз.)
  • А теперь —о «баккиболлзах»
    Большое волнение физиков вызвало сообщение об открытии сверхпроводимости у весьма простого химического соединения — диборида магния.
  • E.coli + хомячок = ?
    Забавное сообщение сделали ученые Калифорнийского университета о том, что им удалось поймать бактерию Е.coli «ин флагранти», или, как говорилось в старину, «на горячем» — когда она совокуплялась с клеткой млекопитающего
  • «Роковые яйца» в широкой продаже
    Очевидно, что уже несколько десятилетий две важнейшие потребности человека — пища и здоровье — удовлетворяются с применением высоких технологий.
  • Паутина из молока
    По мнению канадских ученых из биотехнологической фирмы «Нексия», в скором будущем из молока можно будет получать… искусственную паутину.
  • Жажда цельности
    У мировосприятия всегда, даже в сугубо, казалось бы, рационалистическом его варианте и в сугубо «рационалистические» эпохи, были отчетливые подтексты не только этические, но и эстетические — собственно, эти последние даже первичнее.
  • Сила полной Луны
    В силу полной луны многие люди верят поныне. То и дело мы слышим рассказы о том, как, повинуясь зловещим ночным лучам, со своих постелей поднимаются шеренги лунатиков, неверными шагами взбираются на чердаки, встают на подоконники, вскарабкиваются на крыши.
  • Коварное слово «Я»
    Творчество поэтов-самоубийц отличается частотой употребления личного местоимения первого лица и другими лингвистическими особенностями — таковы выводы американских психологов. Они основаны на результатах компьютерного анализа нескольких сотен текстов.
  • Ждать у моря погоды
    Так повелось считать, что Океан — это нечто неизменное, неторопливое, сонное. Мерно катятся волны, изредка вспыливая штормом. Одна и та же картина повторяется изо дня в день. Что изменится за какой-то десяток лет? Океан «тяжел на подъем».
  • Парад гипотез
    Французский физик Жан Шарон полагает, что за «черными дырами», этими безднами, разверстыми в пространстве, открывается иной мир, зеркально симметричный нашему. Элементарные частицы, населяющие этот мир, свободно движутся вверх и вниз по течению времени, а вот в пространстве они неподвижны.
  • Управление поведением и сознанием человека
    Трудно и долго движемся мы к познанию того, что всегда рядом. И тем сильнее притягивает к себе предмет. Очень точно и ярко высказался по этому поводу русский физиолог Иван Павлов: «В сущности, интересует нас только одно — наше психическое содержание».
  • Тайны нашего сознания
    Мы знаем, что в традиционном обществе, у славян, в частности, существовали знахари и колдуны — они действительно были почти в каждой деревне. Если говорить о народах Сибири, то там их место занимали шаманы.
  • Человек-волк
    Тайный союз индивидуализма не приемлет. Здесь требуется полное подчинение, слияние с коллективом. Для того и надеваются маски, капюшоны, доспехи ниндзя, колпаки ку-клукс-клана — чтобы добиться не столько невидимости и метаморфоза, сколько обезличивания.
  • Почему люди верят в Бога?
    Вопрос этот может показаться равно наивным, бессмысленным и безответным. Действительно, до недавнего времени большинство ученых, занимающихся социальными науками и изучением процессов познания, его игнорировали.
  • От умножителей атомов до медицинских нанороботов
    В недавнем эксперименте группы американских ученых число атомов в пучке, проходящем через установку, было увеличено примерно в тридцать раз. Нарушение закона сохранения вещества? Ни в коем случае. Все по закону. Вспомним, что поток света тоже можно «умножать», — именно это делается в лазере. А как работает «умножитель атомов»?
  • Теплый трон Будды
    Легенда гласит, что юный царевич Гаутама Шакьямуни — его мы чтим теперь под именем Будды (от санскритского корня «будх» — будить, пробуждаться) — уже в детстве был отмечен благодатью. Там, где он ступал, вырастал цветок лотоса. Поэтому любой буддийский храм украшен этими цветами и их резными изображениями.
  • Медвежий угол Европы
    В этнографии принято игнорировать расовые признаки народа. Важны самоназвание, язык, вышивка, но не лицо. Расовые признаки, мол, перемешиваются как угодно, а культура остается. Но бывает и наоборот: цивилизация стирает культурное своеобразие местного населения, а особенности внешности сохраняются.
  • Вернер Гейзенберг и атомная бомба: новые споры
    Материалы, недавно опубликованные фондом Нильса Бора, снова всколыхнули общественность: они в очередной раз возвращают к спору о том, каково было истинное участие Вернера Гейзенберга в попытке создания «нацистской атомной бомбы» во время Второй мировой войны.
  • Может быть, Атлантида — это Европа?
    Подумать только, более десяти тысяч книг повествуют об Атлантиде, острове, который впервые описал греческий философ Платон в своих диалогах «Критий» и «Тимей».
  • Как птицы научились летать
    Американский эколог Джеймс Кэри из Калифорнийского университета выступил с утверждением, что ранними предшественниками птиц были рептилии, которые создавали и охраняли свои гнезда на земле, как нынешние крокодилы.
  • Новый взгляд на известный сюжет.
    Атомное ядро, как мы теперь знаем, тоже имеет внутреннюю структуру, ибо состоит из частиц, именуемых протонами и нейтронами, эти частицы в свою очередь состоят из кварков и т.д.
  • Что бы это значило?
    Обнаружено весьма любопытное и пока еще непонятное по значению явление: некоторые бактерии способны производить такие же белковые волокна, как те, которые у людей вызывают болезнь Альцхаймера.
  • Темная сторона Вселенной
    За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды и галактики, они — песчинки, брошенные в океан тьмы. И облик этого океана стал проясняться только теперь.
  • Слепой Гомер? Откуда вы это взяли?
    Могут ли слепцы создавать великие литературные произведения, поражающие читателя особо зоркой наблюдательностью и изощренной многоцветностью художественной палитры?
  • Азия — родина зверей?
    Кайнозой стал эпохой млекопитающих. После вымирания крупных рептилий, случившегося 67 миллионов лет назад, ничто не мешало млекопитающим расселяться повсюду. К концу палеоцена этот класс животных был представлен во всем разнообразии.
  • И снова: о наследовании приобретенных признаков
    «История биологии не знает более выразительного примера многовекового обсуждения проблемы, чем дискуссия о наследовании или о ненаследовании приобретенных признаков»
  • Земля стала Луной!
    Четыре миллиарда лет назад Земля еще формировалась. Минуло всего 600 миллионов лет с тех пор, как она возникла из протопланетного облака. Уже образовались массивное ядро из железа и никеля, легкая оболочка из силикатов…
  • Наше место– Местный Пузырь
    Где-то там, в глубинах космоса, происходит множество событий, но эти новости из глубинки, увы, приходят к нам с опозданием. И то сказать — где мы выбрали жить?! Чуть не на самой периферии своей галактики (Млечный Путь), в одном из ее спиральных рукавов и на расстоянии 25 тысяч световых лет от центра нашей галактики.
  • Архитектура жизни, или Структура нас
    Тенсегрити — многокомпонентные системы — механически устойчивы не потому, что каждый из компонентов прочен, а потому, что все они в совокупности, в системе находятся в состоянии устойчивого равновесия, что дает большую устойчивость к стрессу извне.
  • Увидеть новую реальность?!
    Ряд Фибоначчи - назван так по имени итальянского математика Леонардо из Пизы, более известного как Фибоначчи (сын Боначчо). Его ряд — это дискретный числовой шлейф «Sectio Aurea» («золотого сечения» — в наименовании Леонардо да Винчи).
  • Вначале было … пальцеслово
    Каким был предок языка, «великого и могучего», мы не знаем. Но воссоздать его облик можно попробовать — если применить к человеку принципы этологии, науки об эволюции и экологическом значении поведения.
  • Код жизни, глава третья
    Эта история началась с сообщения о полной расшифровке последовательности ДНК на 22-й хромосоме человека, продолжилась сообщением о расшифровке 21-й хромосомы. Недавно вслед за 22-й и 21-й полностью расшифрована еще одна, 20-я хромосома человека.
  • Потрясающе!
    Эта работа потрясает воображение своей филигранностью, но не меньше она потрясает и тем, какие тончайшие секреты матушки-природы вскрыли ученые. Речь идет о механизме, с помощью которого вирус проникает в поражаемую им клетку.
  • Путеводитель по времени: знакомство
    Теперь мы можем задуматься над еще более интересной загадкой: а как воспринимают время не разные участки, а разные мозги? Одинаково или по-разному? От чего это зависит?
  • «Россия — родина слонов»? Нет — мамонтов
    На самом деле, есть России, чем гордиться, — мамонтами. Недаром издавна бивни подземных чудовищ так ценились во многих странах, а западные научные общества тратят колоссальные средства на то, чтобы вывезти в неразмороженном виде туши найденных в Сибири гигантов в свои лаборатории.
  • Может быть, это карта?
    «Фирменным знаком» крито-микенской цивилизации был лабиринт. И частенько он принимал формы спирали. Но почему?
  • Время мегамира
    Да, по сегодняшним представлениям у времени есть начало. Это начало — Биг Бэнг, то гигантское событие, с которого началась история нашей Вселенной, тот момент, когда она «родилась».
  • Время черных дыр
    Всякая достаточно тяжелая звезда, израсходовав все запасы внутреннего термоядерного топлива, обязательно рухнет («коллапсирует») внутрь самой себя, сбросив часть своего вещества в космос и собрав всю оставшуюся массу в очень небольшом объеме.
  • Стрела времени
    Известный физик Илья Пригожин утверждает, что все развитие Вселенной, от Биг Бэнга и далее, как раз и есть не что иное, как процесс эволюционного усложнения, поскольку «первичный атом», то есть прошлое Вселенной, был ее самым простым, хаотически однородным состоянием.
  • Мир без времени
    Мы рождаемся с ощущением времени, хотя в отличие от света, звука, запаха и так далее до сих пор не знаем, существуют ли у нас какие-то особые «органы восприятия времени» и какие именно нейронные сети в нашем мозгу заведуют этим восприятием, а может, и создают само это ощущение.
  • Зарождение жизни на фоне космической бомбежки
    Жутковатую, но захватывающую картину развернули перед нами недавно два американских исследователя, Дэйвид Кринг из Аризонского университета и Барбара Коэн из Гавайского, в статье, опубликованной в «Журнале геофизических исследований. — Планеты».
  • Тайная власть лазера
    В наши дни лазер может читать, писать, резать, лечить, измерять. Он сваривает кровеносные капилляры, которые не разглядит ваш глаз, так же элегантно, как толстые металлические панели. Угнездившись в DVD-плейере, он показывает кино, а скользнув по компьютерному диску, считывает целые библиотеки файлов.
  • Прямая речь о неведомом, несказанном…
    Так неужели то, что было темой фантазий и мифов, — ясновидение, вещие сны, вечная повторяемость событий, Творец, застывший по ту сторону мира, где все разыгрывается по придуманным им законам, — может стать объектом научного познания?
  • Верен ли закон Ньютона?
    Этот закон и легенду о том, как упавшее с дерева яблоко подсказало его Ньютону, мы знаем со школьной скамьи. Но вот, как это ни удивительно, оказывается, что точно проверен этот закон лишь для больших расстояний, а как ведет себя всемирное тяготение в областях меньше миллиметра сегодня не знает никто.