Рассказывая об особенностях «многомирового» Мироздания, Хокинг подчеркивал, что в нашем Мире мы привыкли видеть астрономические источники света — солнце и звезды — столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни. В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подбирается к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.
Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее 5 миллиардов лет.
Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов привлекли внимание Хокинга к вопросам баланса энергии в многовременном мире. Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты компенсируют друг друга — вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.
Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены так, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправно. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния, однако каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни это не так. Реальное время течет только в одном направлении.
Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии, и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т-конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.
Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из «квантовых лекций» Хокинга становится ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. При этом чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая. Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. А как же быть со временем?
В рамках классической физики электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, может обладать любой энергией, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.
Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала и определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.
Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.
Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже на смесь прыжков кенгуру на батуте и движения шахматной фигуры коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном Мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.
В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами не некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается.
Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.
В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление: фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.
Глава 11. Ячейки пространства-времени
В природе могут быть вселенные, содержащие всего несколько частиц. Эти вселенные так малы, что невозможно заметить их присоединения к нашему закоулку. Но присоединившись, они изменят видимые значения величин, таких как электрический заряд частиц. Следовательно, мы не можем предсказать, каково будет видимое значение этих величин, так как не знаем, сколько вселенных ожидают своей очереди снаружи. Возможен взрыв рождаемости вселенных. Однако, в отличие от людей, у них, похоже, не будет ограничивающих факторов, таких как пропитание и место под солнцем. Младенцы-вселенные существуют в своем собственном царстве. Это напоминает вопрос, сколько ангелов может танцевать на кончике иглы.
С. Хокинг. Черные дыры и новорожденные вселенные
В начале нашего века Хокинг принял деятельное участие в развитии еще одной теории на базе новых моделей квантовой гравитации, дающей парадоксальную картину природы пространства и времени на сверхмикроскопическом уровне. Эта необычная теория со странным названием «петлевая квантовая гравитация» (ПКГ) представляет нам пространство и время, состоящие из дискретных частей. Расчеты, выполненные Хокингом и другими известными физиками-теоретиками, представили простую и красивую картину, которая помогла объяснить многие загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву. Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что, хотя и в отдаленном будущем, ее предсказания можно будет проверить экспериментально, и ученые смогут обнаружить атомы пространства и времени, если они действительно существуют. В ПКГ речь идет о структуре пространства-времени в самых малых масштабах площади или объема. Представьте себе некую область, обозначенную границей, которая может быть задана материальным объектом или непосредственно геометрией пространства-времени. Что происходит, когда мы измеряем объем описанной области? Если геометрия пространства непрерывна, то размеры и объем рассматриваемой области могут бить любыми. Но если геометрия как бы «гранулирована», то мы получим целочисленные значения, и будет существовать некоторый минимальный объем.
В теории ПКГ на субэлементарном масштабе пространство оказывается не непрерывным, а состоящим из дискретных элементов, мельчайших единиц пространства, подобных открытым столетие назад квантам энергии. Объем такой минимальной единицы грубо задается кубом планковской длины (~10–35 м), введенной Планком.
Мы уже знаем, что на микроскопическом уровне частицам нельзя одновременно приписать определенные координаты и скорости, энергию и время ее изменения, все микрообъекты подобны пятнам масла на квантовых волнах вероятности. В квантовом мире нет «пустого» пространства в обыденном смысле. То, что обычно воспринимается нами как пустота, лишенная атомов и молекул, например, очень удаленные участки космоса без звезд, газа и пыли, ученые называют физическим вакуумом, кипящим морем особых виртуальных частиц и неисчерпаемым океаном энергии.
Опыт убеждает нас в том, что многие элементарные частицы похожи на маленькие безостановочно вращающиеся волчки, которым подчиняются микропроцессы, разрешают передачу лишь дискретных порций энергии, поэтому вращательное движение внутри частиц тоже происходит не с любыми, а только лишь с некоторыми дискретными угловыми моментами. Их называют спинами частиц, и они могут принимать целые и полуцелые значения. Частицы с целыми спинами называются бозонами, а с полуцелыми — фермионами, по именам индийского теоретика С. Бозе и итальянского физика Э. Ферми, которые первыми стали изучать специфические особенности этих двух видов частиц.
К бозонам принадлежат глюоны, частица света фотон, квант гравитационного поля гравитон, многие типы мезонов. В отряд фермионов входят кварки, электрон, нейтрино, протон с нейтроном и большинство других тяжелых частиц. Нетрудно заметить, что эти классы частиц играют совершенно различную роль в строении вещества. Фермионы составляют основу вещества, а бозоны — кванты связывающих их калибровочных полей. Свойства бозонов и фермионов настолько различны, что физики долгое время были уверены в том, что это — принципиально различные частички материи. Первые подозрения в скрытом родстве бозонов и фермионов возникли у теоретиков. Уж очень сходным был математический аппарат, описывающий эти два типа частиц! Да и вообще, если за единицу измерения взять спин, равный половине, то у бозонов будут четные целые спины, у фермионов — нечетные целые. Принципиальной разницы нет. Но почему же тогда природа разделила их непроницаемой стеной? Ведь на фоне разнообразных взаимопревращений частиц, столь характерных для микромира, фермионы всегда остаются фермионами, а бозоны — бозонами! В чем тут дело?