Согласно основному предположению, если тахионы действительно существуют, то они "обитают" за сверхсветовым барьером и не вступают ни в какое взаимодействие с "до-световыми" частицами нашего мира. Таким образом, речь идет о своеобразном распространении специальной теории относительности на гипотетические физические явления, протекающие по ту сторону сверхсветового порога. Мир тахионов, если он действительно существует, нигде не пересекается с миром досвето-вых скоростей. Эти миры, видимо, между собой не взаимодействуют.
В настоящее время физикам известны два типа частиц, между которыми не существует перехода, - "досветовые" и "световые", то есть частицы, движущиеся с досветовыми скоростями (протоны, нейтроны, электроны и т. п.) и со световыми скоростями (фотоны и нейтрино). Если бы оказалось, что тахионы действительно существуют, они составили бы третий тип частиц. Частица, принадлежащая к одному из этих типов, не может перейти в частицу другого типа ни при каких известных нам взаимодействиях. Я подчеркиваю: ни при каких известных нам взаимодействиях. На очень глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может быть и не так.
И все же возникает ощущение, что гипотеза сверхсветовых скоростей является чем-то вроде физической бессмыслицы?
Все дело в том, что вообще называть "физически бессмысленным". Соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие теоретические выводы, которые вступают в противоречие с тем или иным известным фундаментальным законом природы в той области, где этот закон достаточно хорошо проверен. Гипотеза же тахионов, как мы видели, в подобные противоречия не вступает.
Но в таком случае при сверхсветовых сигналах должна нарушаться причинность: следствия могут опережать свои причины.
Да, действительно. Хотя гипотеза о сверхсветовых сигналах формально и не вступает в противоречие со специальной теорией относительности, предположение о существовании сверхсветовых частиц ставит ряд проблем принципиального характера. И главная из них связана с нашими современными представлениями о причинности.
Дело в том, что, согласно специальной теории относительности, два события А и В, происходящие в одной системе отсчета (скажем, на платформе железнодорожной станции), с точки зрения другой системы отсчета, движущейся относительно первой с некоторой скоростью (например, из окна подходящего к станции поезда), будут располагаться во времени несколько иначе.
В теории относительности вычислить, как меняется промежуток времени между двумя событиями при переходе от одной системы отсчета к другой, можно с помощью особых математических формул, которые носят название "преобразований Лоренца". Чем быстрее движется поезд, тем короче будет этот промежуток. Но хотя по мере приближения к скорости света промежуток между А и В будет становиться все короче и короче, последовательность событий останется одинаковой и для наблюдателя на платформе, и для пассажира поезда.
А если бы скорость поезда превосходила скорость света, то с помощью преобразований Лоренца мы обнаружили бы, что в этом случае промежуток времени между событиями А и В для наблюдателя в поезде сделался отрицательным. Другими словами, в этой системе отсчета события А и В меняются местами во времени - следствие возникает раньше причины. Предположение о существовании сверхсветовых частиц ведет к выводу, что в природе существуют процессы с неопределенным направлением развития, и можно выбрать такую систему отсчета, в которой причины и следствия поменяются своими местами.
Но в таком случае с помощью тахионного пучка можно было бы, так сказать, проникнуть в минувшее?
Да, можно было бы, скажем, создать телефон, направленный в прошлое. Или, например, выстрелить сейчас таким пучком и застрелить самого себя вчера, в 11 часов утра... Таким образом, возникают парадоксы. Кстати, если рассматривать область, где существуют только сверхсветовые взаимодействия, то в этой области никаких парадоксов нет. Они возникают лишь в тех случаях, когда сверхсветовые сигналы соседствуют с досветовы-ми. И если в подобной ситуации для микропроцессов нарушений причинности еще можно избежать, то для обычных макроскопических процессов они возникают с неизбежностью.
На языке современной физики это означает, что, допуская существование тахионов, мы приходим к нарушению принципа причинности - одного из фундаментальных положений современной науки. Наиболее общая его формулировка дана известным советским физиком академиком Н. Н. Боголюбовым: "Любое событие, происходящее в физической системе, может оказать влияние на эволюцию этой системы лишь в будущем и не может оказывать влияние на поведение системы в прошлом". В обычных условиях принцип причинности никогда не нарушается, по крайней мере нам такие случаи неизвестны.
Очевидно, можно сказать, что для процессов, протекающих со сверхсветовыми скоростями, противопоставление прошлого и будущего приобретает условный, относительный смысл?
Именно так... В процессах со сверхсветовыми сигналами временной порядок событий - какое из них происходит раньше, а какое позже - зависит от выбора системы координат. А направление потока информации, которое составляет основу причинно-следственной связи, при замене одной системы координат другой не меняется. Именно поэтому и происходит нарушение причинности. Кстати, при этом нарушается не только причинность. Для макроскопических явлений обратный во времени поток информации означает также нарушение такого фундаментального закона сохранения, как второй закон термодинамики - закон, запрещающий переход тепла от более холодных тел к более нагретым.
Вы не могли бы для наглядности привести пример какого-либо физического процесса, в котором при наличии сверхсветовых сигналов происходит нарушение причинности?
Представим себе, что в точке А расположен источник тахионов, в точке В - их приемник, а между ними находится щель, изменяя ширину которой мы можем менять интенсивность тахионного пучка, или, как говорят физики, его модулировать. Но так как тахионы движутся со сверхсветовой скоростью, то можно подобрать другую такую систему координат, в которой процесс будет протекать в обратном направлении, то есть тахионный пучок будет исходить из точки В. При этом он окажется модулированным еще до подхода к щели. Получается парадоксальная ситуация: щель как бы знает, как именно ей надо колебаться. В промежутке между точкой В и щелью факт модуляции тахионного пучка будет восприниматься как самопроизвольное, беспричинное, необъяснимое явление.
Существуют ли в таком случае какие-либо подходы к решению проблемы сверхсветовых частиц?
Некоторые зарубежные физики предлагают пересмотреть само понятие причинности - считать, что причина не обязательно должна опережать следствие, что это всего лишь некоторая связь, корреляция событий. Логически построить подобную схему, может быть, и можно, но такой подход противоречит физическому эксперименту. Во всяком случае, до расстояний 10-15 сантиметра никаких нарушений причинности в обычном понимании обнаружить не удалось. К тому же подход, о котором идет речь, неудовлетворителен и с методологической точки зрения: он отбрасывает самое главное - генетическую связь между событиями, то принципиальное обстоятельство, что одно событие порождает другое. В реальных физических процессах и экспериментах мы всегда предсказываем будущее по прошлому, а не наоборот.
Другое направление связано с попыткой пересмотреть специальную теорию относительности. Быть может, парадоксы возникают потому, говорят сторонники подобной точки зрения, что мы пытаемся применять соотношения этой теории за границами их применимости? В принципе подобная точка зрения неуязвима, ибо любая физическая теория имеет определенные границы применимости. Однако с практической точки зрения подобный подход ничего не дает. Если пойти по такому пути, то придется "выкинуть" всю современную физику.
Еще одна возможность состоит в признании того, что в природе существует некая "выделенная система координат" (выделенное не важно чем), в которой отсутствуют нарушения причинности. В такой системе специальная теория относительности заведомо неверна, и ее соотношения соблюдаются не обязательно. В принципе в природе подобная система отсчета, возможно, существует - это система, связанная с реликтовым излучением, возникшим на ранней стадии расширения Вселенной. Это единственный известный нам источник излучения во Вселенной, обладающий столь высокой изотропией и однородностью. Не исключено, что именно с этим обстоятельством могут быть связаны некоторые отклонения от теории относительности. В этом направлении, между прочим, открываются определенные возможности экспериментального поиска тахионов.
И все же наиболее интересный путь состоит в том, чтобы проанализировать сущность нарушений причинности, с которыми мы сталкиваемся при попытках ввести сверхсветовые сигналы, и попытаться выяснить, что они в действительности означают.
А как обстоит дело с экспериментальной точки зрения? Есть ли какие-либо экспериментальные указания на возможность существования тахионов и можно ли надеяться такие указания получить вообще?
Пока таких доказательств получить не удалось. Но, может быть, дело в том, что в подобных экспериментах не учитывались какие-то неизвестные нам пока свойства тахионов.
Одна из интересных возможностей - попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенкозскому излучению. Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны. Впрочем, если это и так, измерить подобное излучение будет весьма нелегко.
В последние годы много пишется и говорится о взаимосвязи между микропроцессами и явлениями космического порядка. Каково космологическое значение теории элементарных частиц в ее современном состоянии?
Взаимосвязь микро- и макропроцессов - одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи ее явлений.
Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология, а где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся чрезвычайно высокой плотностью, а иногда и очень малыми размерами (вспомним об упоминавшихся выше микроскопических черных дырах с массой около 108 тонн). Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является построение квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.
Чем, на ваш взгляд, поучительна теория элементарных частиц и история ее развития?
Эта область физики поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, кварки были изобретены, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории то и дело возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика как наука никогда не исчерпаема.
Какие философские проблемы связаны с современной теорией элементарных, частиц?
Помимо выяснения сущности явления элементарности, о чем уже говорилось, одна из основных проблем, имеющих важное философское значение, состоит в выяснении того, что представляет собой пространство - время в физическом смысле. Еще одна важная проблема - обобщение существующего понятия причинности, которое в ряде случаев может оказаться недостаточным. Необходимо также понять, что означает несохранение направления времени при К-распадах.
Есть и еще ряд проблем методологического характера, так или иначе связанных с изучением элементарных частиц. Что значит - хорошая теория? Что значит - объяснить? Что значит - единая теория? Что предпочтительнее система уравнений или модель? И ряд других...
Существуют ли гравитационные волны!
На вопросы отвечает
доктор физико-математических наук
В. Б. Брагинский
Что дает основание для вывода о существовании гравитационных волн?
Вывод о возможности существования волн тяготения (гравитационных волн) - одно из следствий общей теории относительности Эйнштейна. До сих пор каких-либо оснований сомневаться в справедливости этой теории у нас не было. Целый ряд предсказанных ею космических и физических явлений, в том числе такой фундаментальный факт, как расширение Вселенной, получили наблюдательные и экспериментальные подтверждения. Поэтому мы вправе ожидать, что оправдаются и другие ее предсказания, в частности и относительно существования гравитационных волн.
Всем хорошо знакомы электромагнитные волны. Они образуются в тех случаях, когда возникают возмущения электрического или магнитного полей. Эти возмущения отрываются от источника и распространяются в пространстве со скоростью, равной скорости света. Аналогичное явление в принципе должно происходить и при возмущениях поля тяготения, гравитационного поля...
Всякое ли возмущение поля тяготения приводит к возникновению гравитационных волн?
Нет, как показал Эйнштейн, только при определенных условиях возмущение гравитационного поля может оторваться от источника и начать самостоятельную жизнь. В космосе их могут, например, порождать двойные звезды (две звезды, обращающиеся вокруг общего центра масс) или столкновения двух звезд. По-видимому, гравитационные волны могут возникать и при вспышках сверхновых звезд, а также при гравитационном коллапсе - в момент образования "черных дыр".
Какое научное значение имело бы открытие гравитационных волн?
Прежде всего, тем самым получила бы добавочное подтверждение общая теория относительности Эйнштейна. К тому же гравитационные волны от внеземных источников, если они будут обнаружены, могут стать чрезвычайно важным каналом для поступления астрофизической информации. В частности, с их помощью можно будет получать интереснейшие данные о гравитационном коллапсе звезд, о рассеянии материи космическими объектами, о динамике многих других космических процессов.
Они также способны принести уникальные сведения буквально о самых первых мгновениях расширения Вселенной.
Вы сказали: "Если удастся обнаружить". Как это следует понимать?
Все дело в том, что заключение о существовании гравитационных волн не является однозначным выводом из общей теории относительности. На пути от уравнений этой теории к интересующему нас выводу делаются различные допущения физического порядка. При этом одни ученые считают, что подобные допущения вполне оправданны, а другие разделяют прямо противоположную точку зрения. Лично я придерживаюсь того мнения, что гравитационные волны существуют. Но, разумеется, окончательным судьей в этом споре может быть только эксперимент.
В свое время в печати появлялись сообщения о том, что американскому физику Веберу удалось зарегистрировать гравитационные волны. Что бы вы могли сказать по этому поводу?
Вебер сконструировал специальные антенны для обнаружения всплесков гравитационных волн от внеземных источников. Чтобы исключить влияние каких-либо иных физических процессов, например сейсмических толчков, две установки были разнесены на 1000 километров одна от другой. Учитывались только те воздействия, которые фиксировались одновременно обоими детекторами. И уже в первых сериях наблюдений был зарегистрирован ряд таких совпадений. Сообщения об этом произвели настоящую сенсацию, в ряде стран стали спешно создаваться аналогичные устройства для повторения подобных наблюдений. Эта своеобразная "гонка", продолжавшаяся около двух с половиной лет, закончилась, однако, ничем. Никому результатов Ве-бера повторить ни разу не удалось. Видимо, он все-таки ошибся. Хочу, впрочем, подчеркнуть, что ошибка эта отнюдь не относится к категории тривиальных. Ведь речь идет о длительных, многомесячных измерениях весьма малой физической величины, измерениях, которые к тому же требуют абсолютной гарантии от каких бы то ни было помех.
В таком случае возникает естественный вопрос: что же регистрировали в действительности приборы Вебера?