Физика времени

Не сохраняется, но...

В следующей главе мы снова вернемся к взаимоотношениям между временем и энергией в микромире. А сейчас зададимся таким вопросом: нельзя ли построить квантовый вечный двигатель? Закон сохранения энергии поколеблен: так почему бы не черпать энергию из ничего? Ответ должен разочаровать.

Построить машину «обычных» размеров, которой мы могли бы пользоваться как даровым источником энергии, никогда не удастся. При переходе от масштабов микромира к уровню машин и механизмов все становится на свои места. Для них квантовые эффекты несохранения энергии ничтожны, исчезающе малы.

Сделаем подсчеты на каком-нибудь простом примере. Пусть, скажем, имеется машина с маховиком, который мог бы вращаться и снабжать нас своей энергией через приводные ремни. Допустим, масса маховика 10 килограммов, его диаметр 0,5 метра и вращается он с частотой 1 оборот в секунду. Маховик обладает кинетической энергией, равной приблизительно 1 джоулю. (Такую оценку легко получить по обшей формуле, согласно которой кинетическая энергия есть половина произведения массы на квадрат скорости. Масса нам известна, а в качестве характерной скорости можно взять линейную скорость вращения какой-то средней точки на диске маховика. Для нахождения порядка величины такой приближенной оценки вполне достаточно.)

В этом нашем примере мы рассматривали большой маховик с точки зрения квантовой теории, применяя к нему понятия и соотношения из области микромира. А можно ли так вообще поступать? Можно ли переносить понятия и соотношения, установленные в микромире, на тела «обычных» размеров? Квантовая теория применима к телам любых размеров — от электрона до галактики и всей Вселенной. Ее закономерности имеют всеобщий, универсальный характер. Это проявляется в том, что для «обычных» тел квантовая теория, как оказывается, приводит к тем же результатам, что и «обычная» физика, классическая механика. И в нашем примере квантовое рассмотрение с учетом соотношения неопределенностей дало, по сути дела, старый классический результат: столь ничтожное несохранение энергии за счет квантовых эффектов означает фактически сохранение энергии в масштабе «обычных» физических явлений. А новое здесь — это указание на точность, с которой закон сохранения энергии справедлив в данном масштабе явлений. Для мира «обычных» тел эта точность исключительно велика, и потому закон сохранения энергии в нашем непосредственном окружении столь незыблем и строг.

ГЛАВА 13

ВОЛНЫ ВРЕМЕНИ

Две великие физические теории нашего века, общая теория относительности и квантовая теория, с самого их возникновения искали точки соприкосновения друг с другом. Одна из этих теорий подходит к физическому миру со стороны  самых больших его масштабов, а другая — со стороны самых малых. Построение единой физической картины мира требует их объединения, синтеза. Эта задача — одна из самых значительных в физической науке наших дней. Пока что она решена еще далеко не полностью. Тем не менее одно замечательное достижение на стыке двух теорий уже имеется. Это квантовая картина гравитационных волн, волн пространства-времени.

Мы расскажем здесь о волнах и квантах тяготения, об их роли в наших представлениях о времени. Мы обсудим затем некоторые общие идеи об особенных свойствах времени в явлениях квантовой природы, развивающихся в микромире и во всей Вселенной.

Тяготение и волны

О гравитационных волнах с полной уверенностью говорилось уже в первые годы развития общей теории относительности. Эйнштейн доказал, что из этой теории следует их возможность и даже необходимость.

Гравитационные волны — это волнообразные колебания пространства-времени. Они придают ему дополнительную, бегущую волнами искривленность. Эти волны распространяются по четырехмерному миру, подобно тому как упругие звуковые колебания распространяются в воздухе. Еще ближе сходство с электромагнитными волнами: и те и другие в действительности не требуют для своего распространения никакой среды. Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте. А для гравитационных волн «средой» служит само пространство-время: это как бы рябь, бегущая по пространству-времени.

И электромагнитные, и гравитационные волны распространяются с предельной скоростью — со скоростью света. Электромагнитные волны порождаются движением электрических зарядов. А гравитационные волны возникают от перемещения тяготеющих масс. При таких перемещениях изменяется сила тяготения, искривляющая пространство-время. Это изменение и передается, переносится гравитационными волнами — они «отрываются» от движущихся масс и расходятся по четырехмерному миру, как круги на воде от брошенного камня.

Конечно, сравнение гравитационных волн с известными нам волновыми явлениями нельзя понимать слишком буквально. Подобие заходит не так уж далеко. Это волны, как и другие волны в природе, но у них немало особенного, того что есть только у них. В самом деле — это распространяющиеся колебания пространства-времени.

Гравитационные волны пока не удается наблюдать и регистрировать в эксперименте. Очень трудно или даже просто невозможно создать сколько-нибудь ощутимые колебания пространства-времени с помощью лабораторных установок, приводя в движение какие-то, даже пусть и очень массивные, тела. Экспериментаторы надеются прежде всего на гравитационные волны космического происхождения. В последние 10—15 лет для этого строят специальные приемные устройства — гравитационные антенны. Это системы достаточно массивных тел, которые должны испытывать определенного рода деформацию, когда на них падает гравитационная волна. Деформации — исключительно слабые — измеряются датчиками, укрепленными на этих телах. Наиболее чувствительную установку такого рода построили недавно физики Московского университета. Имеются интересные проекты гравитационных антенн совсем особого рода, использующие космические корабли, находящиеся в свободном полете, или даже естественные астрономические тела. Гравитационной антенной может служить,  например, система Земля—Луна, если научиться измерять очень слабые изменения в движении этих двух тел.

Что же касается источников гравитационных волн, то ими могут служить мощные космические взрывы, сопровождающиеся перемещением значительных масс. Их могут излучать и просто двойные звездные системы - связанные пары звезд, каждая из которых вращается вокруг общего центра масс системы. Особенно энергично должны излучать тесные пары очень плотных звезд. Например, две нейтронные звезды*), образующие пару с размером всего в десяток-другой километров. В этом случае орбитальное движение масс, очевидно, должно быть очень быстрым. А потому велика и интенсивность излучения гравитационных волн.

*) О нейтронных звездах мы уже упоминали, когда говорили в главе 3 о пульсарах — вращающихся нейтронных звездах.

Одна из двойных систем такого рода ведет себя, судя по наблюдениям, именно так, как если бы она действительно интенсивно излучала гравитационные волны. Об этом судят по характеру орбитальных движений звезд в паре. Так как на излучение гравитационных волн тратится часть энергии орбитального момента движения, меняется и сам вид орбит — они скручиваются спиралью. Такое скручивание орбит, правда, довольно медленное, и было замечено у этой системы. Если наблюдения подтвердятся (а пока что имеются только предварительные данные), можно будет говорить об экспериментальном открытии гравитационных волн.

Конечно, такое открытие кажется все же несколько косвенным. Лучше всею было бы уловить их на гравитационных антеннах. Можно надеяться, что это и в самом деле произойдет в недалеком будущем.

Подумаем теперь не о реальном, а о некотором мысленном эксперименте. Как вели бы себя часы, оказавшиеся в поле гравитационной волны? Можно сказать, что на них действует переменное, периодически меняющееся поле тяготения. Согласно общему закону (см. главу 8), это заставляло бы часы периодически замедлять свой ход, когда на них накатывались бы один за другим «валы» — максимумы тяготения в волне*). Сам ход часов оказался бы при этом волнообразным — мы зарегистрировали бы таким образом волны времени.