В великих тайнах Биг Бэнга и дальнейшей судьбы Вселенной, наверное, многое прояснится после того, как будет создана теория, объясняющая величину мировых постоянных — скорости света, заряда, электрона и других. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какие есть. Науку же не. удовлетворяет такое положение вещей. Она должна перейти на следующий, более глубокий уровень. Хотя, честно говоря, пока у нее нет никаких идей, как совершить этот переход.
Различие пространственно-временных, масштабов на двух полюсах нашего мира — внутри элементарных частиц и в космосе — как мы убедились, огромно: более 40 порядков. Чудовищно различны и материальные объекты квазары и гигантские звездные скопления, с одной стороны; и почти мгновенно распадающиеся частицы-резонансы или практически точечные кварки — с другой. И при всем этом многообразии свойства самого пространства-времени остаются удивительно постоянными. Как в космосе, так и в микромире мы описываем их теми же самыми непрерывными координатами.
Но некоторые важные различия все же имеются.
В конце 50-х годов работавшие в США китайские физики Ли, Янг и By сделали сенсационное открытие. Оказалось, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым.
Из нашей повседневной практики мы хорошо знаем о зеркальной симметрии — симметрии правого и левого. Между нашим пространством и зазеркальем нет принципиальных различий, и когда мы смотрим на себя в зеркало, мы совершенно уверены в том, что изображение полностью соответствует оригиналу. В микромире все иначе. Как это ни странно, но часть объектов и событий там просто не имеет зеркального отражения. Например, в природе нет частицы, которая была бы зеркальным отражением нейтрино. Другими словами, в микромире не у каждого «правого» есть «левое».
В 1964 г., был открыт еще более удивительный факт. Два молодых американских физика, Вэл Фитч и Джеймс Кронин, изучали нарушение зеркальной симметрии в распадах К-мезонов — короткоживущих частиц, которые можно получить с помощью мощного ускорителя. Распады фотографировались и тщательно измерялись. Ничего неожиданного не было замечено — опыт протекал так, как и предсказывала теория, и его материалы после обработки были сданы в архив. Однако спустя полгода физикам пришла в голову «сумасшедшая» мысль: а что если в микромире нельзя противопоставлять не только правое левому, но и будущее прошлому? В классической механике Ньютона для каждого процесса можно найти точно такой же, но протекающий в обратном порядке — так сказать, зеркально отраженный во времени. Если в обычном, прямом процессе человек вошел в комнату, то в обратном он, пятясь, выйдет из нее. И так для любого явления. А вот как будет в микромире?
Экспериментальный материал был заново пересмотрен, и среди двух десятков тысяч фотографий Фитч и Кронин, к своему удивлению и радости, обнаружили около нескольких десятков с реакциями, которые никак не должны были бы происходить в мире, зеркально симметричном по отношению к прошлому и будущему. Симметричная теория такие реакции запрещала строго-настрого.
Эти результаты произвели огромное впечатление на физиков. Они показали, что при определенных условиях в природе могут нарушаться, казалось бы, самые фундаментальные свойства пространства и времени, что эти свойства не абсолютны, а относительны: в макромире одни, а в микромире могут быть совсем другие.
Есть еще один пункт, где можно ожидать существенного различия пространственно-временных свойств микро- и макромира. Это причинность.
Осенью 1956 г. в американском городе Сиэтле, на берегу Тихого океана, проходил Международный конгресс по теоретической физике. Это была одна из первых конференций, на которой после многих лет холодной войны, разделявшей Восток и Запад, встретились советские и американские ученые. Подводились итоги развития квантовой физики. Доклад следовал за докладом. Огромные доски, сплошь исписанные формулами, и (тогда это было еще новинкой) слайды с графиками и формулами, проецируемые на большой белый экран. Респектабельная академическая обстановка, лишь изредка нарушается веселым оживлением в зале, когда кто-либо из гостей-иностранцев смешно ошибался в английском языке.
«Температура» дискуссий резко поднялась после доклада академика Н. Н. Боголюбова. В докладе доказывалась теорема, позволяющая экспериментально проверить, не нарушается ли в микромире свойство причинности.
Причинность — это обусловленность одного явления другими. У философов есть более точные определения, но суть именно в этом — в такой связи событий, когда одно из них (причина) порождает другое (следствие).
Каждый из нас по собственному опыту знает, что беспричинных событий не бывает — в мире все взаимосвязано. Французский астроном, физик и математик Лаплас считал даже, что если бы в какой-то момент были точно известны движения всех тел и действующие между ними силы, то последующая судьба мира была бы определена однозначно, и можно было бы предсказать все — вплоть до направления полета маленькой мушки и траектории падения желтого листа с дерева. Однако число действующих в природе связей неисчерпаемо, они пересекаются так прихотливо, что возникает случайность, и исход явления начинает зависеть от множества второстепенных факторов. И тем не менее, терпеливо распутывая сложную сеть этих факторов, можно все более точно предсказать связанные с ними события.
Каждая физическая теория имеет свое понимание причинности — условий, при которых взаимодействие передается от одной пространственной точки к другой без помех во временном порядке событий. В механике Ньютона эти условия совсем не такие, как в квантовой теории. Чем совершеннее теория, тем точнее и детальнее определяется в ней причинность. Ясно, что это зависит и от того, какими свойствами теория наделяет пространство и время. Например, в теориях с обычным пространством-временем взаимодействия распространяются не так, как в общей теории относительности с ее искривленным пространством-временем, где могут быть даже самозамыкающиеся цепи событий, когда происходит возврат к исходному состоянию и вся история повторяется заново.
Первым такие цепи в теории относительности обнаружил австрийский математик и логик Курт Гёдель. Они напоминают ленту Мёбиуса. Возьмите полоску бумаги и склейте ее в кольцо так, чтобы верхняя сторона листа на одном конце соединилась на другом с его нижней стороной. Получится односторонняя поверхность: в каждой заданной точке у ленты две стороны — верхняя и нижняя, но их можно соединить непрерывной кривой. Так и со временем: у каждого момента есть две стороны — прошлое и будущее, и последнее можно соединить с первым непрерывной траекторией, двигаясь всегда при этом из прошлого в будущее. Существуют такие искривленные пространства (во всяком случае в математике), где это удается сделать. Хотя это пока только теоретический результат, но, может быть, где-нибудь в мире — в очень сильных гравитационных полях или внутри элементарных частиц — существуют такие удивительные кольца времени.
Причинность — один из самых сокровенных моментов любой физической теории. Недаром физики так много внимания уделяют этому вопросу. А изучая причинность, мы вместе с тем изучаем и свойства пространства-времени. Связь здесь самая прямая.
Так вот, теорема Боголюбова устанавливала соотношения между вероятностями различных процессов взаимодействия элементарных частиц, которые верны лишь в том случае, если выполняется причинность и нет никаких беспричинных явлений. Другими словами, новая теория позволяла проверить, насколько пригодна для описания микрочастиц современная формулировка причинности. Если бы обнаружились отклонения, это было бы указанием на какие-то новые свойства пространства и времени.
Изучением микропричинности ученые занимались и ранее. Однако для этого использовались приближенные модели, и в случае несогласия с опытом всегда можно было сказать, что это связано с несовершенством модели. Боголюбову впервые удалось вывести теорему из самых общих постулатов физики. Поэтому-то она так и взволновала участников конгресса в Сиэтле.
После конгресса советские физики побывали в нескольких институтах США, в том числе в знаменитом Институте высших исследований в Принстоне, под Нью-Йорком, где до конца своих дней работал Эйнштейн. И в каждом институте организовывался многолюдный семинар, где теоретики снова и снова возвращались к теореме о причинности, стараясь обнаружить какие-либо изъяны в доказательстве.
Опыты по проверке теоремы были выполнены сразу в нескольких советских и американских лабораториях. Никаких изъянов! По крайней мере до расстояний, которые в несколько сот раз меньше размеров протона.
Свойства пространства и времени оказываются необычайно устойчивыми. Но насколько глубоко простирается эта устойчивость? По мнению некоторых ученых, от теоремы следует ожидать отклонений на расстояниях, в десятки тысяч раз меньших, чем радиус протона,— там, где теряется зеркальная симметрия прошлого и будущего и где, возможно, существуют микрочастицы, движущиеся быстрее света. А если таких частиц все-таки нет, то могут быть какие-то другие явления, связанные с «перепутыванием» прошлого и будущего, которые тоже приведут к нарушению привычной для нас причинности. Но заглянуть в эту таинственную область мы пока не в состоянии.
Еще более радикальных изменений в свойствах пространства и времени можно ожидать в глубинных, ультрамалых областях. Физики, изучающие и разрабатывающие «теорию суперобъединения», все чаще высказывают мысль, что там не только пространство, но и время становится многомерным. Но все это пока одни предположения, а факты говорят о том, что пространство-время микромира в принципе такое же, как и в макромире. Чем же объяснить такую устойчивость?
Размышляя об этом, некоторые ученые пришли к мысли, что, может быть, пространства и времени в микромире... вообще нет. И наблюдаемая устойчивость связана с тем, что они — излишний, по существу, ни на что не влияющий элемент теории, который мы по привычке принесли из области макроскопических явлений. В физике подобные «разоблачения» случались уже не раз — проводились более точные эксперименты, и старые, незыблемые до того представления оказывались ненужными. Так было и с теплородом, и с флогистоном, и с эфиром, и со многими другими мифическими вещами. Может, и с пространством-временем произойдет то же самое? О них с уверенностью можно говорить в макромире, а в субатомных масштабах их просто нет, как нет там температуры или цвета! Бессмысленно ведь говорить о температуре и цвете одной или двух элементарных частиц; лишь когда частицы образуют макроскопическое тело, цвет и температура возникают как некий усредненный эффект — результат большого числа взаимодействий. Может, пространство-время тоже представляет собой нечто такое, что возникает лишь на определенной ступени сложности?