Нарушение обратимости времени

Рассматривая вопрос о сейчас , мы скоро войдем в царство квантовой физики, которая стала другой теоретической революцией XX века (в дополнение к теории относительности). Некоторые концепции квантовой физики так же будоражат наше сознание, как и наиболее волнующие аспекты теории относительности, или даже более того. Это концепция о путешествии частиц назад во времени (антивещество) и таинственное явление под названием квантовое измерение , которое, судя по всему, обладает собственной «стрелой». Но прежде чем перейти к затронутым вопросам, хочу коснуться квантового явления, имеющего непосредственное отношение к стреле времени . Открытое в 2012 году, оно получило название нарушение обращения времени , или нарушение Т-симметрии (Т – time, время).

Нарушение обращения времени подразумевает, что картина взаимодействий между частицами может быть одинаково представлена как движущаяся вперед или движущаяся назад. В субатомный мир элементарных частиц встроено направление времени, никак не связанное с энтропией. Открытие нарушения Т-симметрии было далекоидущей целью физики (я не буду использовать затасканную метафору с поисками святого Грааля [168]), которая смогла быть достигнута с большим трудом в результате проведения очень сложных экспериментов. Нарушение Т-симметрии подозревали уже давно. Когда же были проведены наблюдения за различиями в поведении частиц и античастиц, ученые восприняли это как указание на то, что нарушения Т-симметрии станут реальностью.

В 1960 годах в качестве докторанта я изучал взаимодействие частиц вместе с Филом Даубером, который только что поступил на работу в группу, возглавляемую Луисом Альваресом, в лаборатории Лоуренса университета Беркли. Я был очень взволнован, когда одна из частиц под названием каскадный гиперон (кси-гиперон) , которую мы изучали, показала признаки нарушения Т-симметрии в процессе распада! Поскольку такое открытие могло стать очень важным, Фил тщательно проверял все данные, придумывал самые невероятные тесты, стремясь не допустить возможных системных искажений и всеми силами стараясь опровергнуть свое открытие.

В конце концов он сказал, что ему удалось снизить количество стандартных отклонений при исследовании нарушения Т-симметрии всего до двух. То есть у него есть «только» 95 % на то, чтобы быть правым, и 5 % – на ошибку. Фил объяснил, что такое соотношение не годится для важного открытия. У исследователя остается 5 % шансов на то, что его доклад будет содержать полную чепуху. Я был ошарашен, думая иначе: 95 % вероятности того, что такое важное открытие – истинно, уже очень большая вероятность. Однако это не так, терпеливо объяснял мне Даубер. Все работающие с физикой частиц, по его словам, должны руководствоваться высокими стандартами. В докладе о работе мы с Филом указали, что параметр, обозначающий наличие нарушения Т-симметрии , имел всего лишь два стандартных отклонения от нуля – а это означало, что он практически равен нулю. Мы сделали вывод об отсутствии нарушения Т-симметрии . Ярких заголовков газет не случилось.

Представьте мое разочарование. Я подключился к проекту, сулившему одно из важнейших открытий всех времен, о котором мои потомки могли бы читать в книгах по истории. И у меня было 95 % шансов на то, что я прав! Однако Фил не был уверен в том, что 95 %-ная вероятность успеха – это достаточно много.

Спустя десятилетия я вернулся к этому вопросу. Со временем появились более точные приборы для измерения Т-симметрии в отношении каскадного гиперона. И что интересно, окончательный результат действительно оказался нулевым, хотя и с гораздо меньшей вероятностью ошибки. Фил оказался совершенно прав в следовании строгим научным стандартам, а я вынес из этой истории очень важный урок насчет научных открытий.

Что же пошло не так? Как получилось, что находка, дававшая 95 %-ную вероятность того, что она верна, оказалась ошибкой? Да просто в то время мы изучали множество физических явлений. Наблюдали распад различных частиц, следили за их взаимодействием, за изменениями массы и ожидаемой симметрией. В научном отчете мы упоминали о примерно 20 полученных результатах. Если каждый из них имел 5 %-ную вероятность ошибки, мы должны были ожидать, что один из них – вообще неверный. Единственный путь к отсутствию серьезных ошибок – следование высоким научным стандартам.

Сейчас, вспоминая работу в группе Альвареса, понимаю, что мне очень повезло: я взаимодействовал с удивительным коллективом, в который входили одни из лучших физиков мира. В 1960−1970-х годах они были на переднем рубеже физики частиц и почти каждый месяц сообщали об открытиях. Вполне может быть, что количество важных достижений, о которых они известили человечество, превысило число подобных в любой другой группе ученых в мире. Тем не менее не могу припомнить ни одного примера, чтобы обнародованное ими научное открытие было впоследствии признано ошибкой. Это удивительно. Добиться этого можно было, только соблюдая строжайшие стандарты.

В 2012 году коллектив ученых из Центра линейного ускорителя Стэнфордского университета опубликовал результаты исследования двух разных реакций, имеющих отношение к распаду редкой частицы под названием В-мезон . Эти частицы существуют в нескольких формах, в том числе и таких:

(нейтральный В -мезон с черточкой) и В_ (В -мезон «минус»). Ученые изучали две реакции: одну, в которой

превращается в В_ , и вторую – с обратным процессом. Это процессы с обращенным временем: если вы смотрите фильм, показывающий один процесс, то это может быть и фильм, показывающий другой процесс в обратном времени. Однако в ходе изучения реакций группа наблюдала нарушения симметрии, которые составили 14 стандартных отклонений. Согласно теории статистики, такой результат давал вероятность ошибки в соотношении всего лишь 1:1044. Это один шанс на 100 тредециллионов[169]. Такой ничтожный шанс на ошибку, наверное, удовлетворил бы даже Фила Даубера.

Это открытие не было случайным. Изучению реакций В-мезонов предшествовало наблюдение за очень своеобразным поведением связанных с ними каонов[170]. Исследователи хотели в этих взаимодействиях увидеть нарушения обращения времени. Сегодня мы можем ясно сказать то, о чем в 2012 году могли только догадываться: обращение времени вовсе не полная симметрия законов квантовой физики. Время, движущееся вперед, отлично от времени, идущего назад.

Это очень важное соображение в изучении природы времени. Но может ли оно каким-то образом сыграть роль в определении направления движения времени, его течения и значения сейчас ? Думаю, нет. Нарушение инверсии времени невелико по эффекту. Используя метафору, можно сказать, что принцип инвариантности времени нарушен, но это не тяжкое преступление. Ситуацию можно приравнять к штрафу за неправильную парковку, а не к серьезному уголовному наказанию. Доказательством нарушения Т-симметрии сегодня можно назвать только особый вид радиоактивности (распад В-мезонов ), который можно наблюдать лишь в экзотических лабораториях физики высоких энергий. Как может такое локальное и трудно наблюдаемое явление сыграть какую-то роль в определении направления времени?

Эти утверждения подводят меня к мысли, что нарушение обращения времени не особенно важно в повседневной жизни. Однако это не означает, что оно не было значимым на ранних этапах существования Вселенной, когда все пространство было заполнено плотным перегретым бульоном из частиц, в том числе (в очень ранней Вселенной) множества каонов и В-мезонов .

На самом деле существуют серьезные аргументы в пользу того, что нарушение симметрии вещества и антивещества, тесно связанных между собой, и послужило условием для создания Вселенной, которую мы знаем сегодня. Андрей Сахаров[171], нобелевский лауреат (за критику советского правительства) и один из авторов водородной бомбы, в 1967 году отмечал, что нарушение симметрии вещество-антивещество (называемое СР -симметрией) могло привести к небольшому преобладанию вещества над антивеществом в первые моменты возникновения Вселенной, в объемах примерно одной части на 10 миллионов. Однако впоследствии, по мере остывания Вселенной, все антивещество вступило в аннигиляцию с веществом, превратившись в фотоны. Из-за небольшого преобладания вещества при аннигиляции образовались его небольшие остатки в виде того вещества , которое сейчас наполняет Вселенную. Звезды, планеты и люди – все это сделано из небольшого количества вещества , оставшегося после великой аннигиляции. Нарушение СР -симметрии было небольшим и преимущество вещества – совсем незначительным. Да здравствует победа!

Наблюдение нарушения обращения времени важно и с еще одной точки зрения: оно было предсказано на основе базовых положений квантовой теории, в которой выражается абстрактной СРТ -теоремой. То, что эта абстрактная теорема предсказала необычное явление и была подтверждена, стало еще одной демонстрацией того, что квантовая теория имеет прочное основание.

Квантовая стрела

Асимметрия времени может таиться в таком таинственном аспекте квантовой физики, который известен как квантовое измерение . Этот процесс оказывает влияние на квантовые состояния в будущем, но не прошлом. В нескольких последующих главах об этом будет рассказано подробнее. Главным недостатком при задействовании теории измерений оказывается то, что она очень сложна для понимания. Именно поэтому объяснения, построенные на ее основе, не могут быть подлинными, а таят надежду, что две тайны (время и измерение) могут быть соединены. Тем не менее квантовая стрела заслуживает самого серьезного внимания.

Космологическая стрела

Эддингтон предложил энтропийную стрелу потому, что увеличение энтропии представлялось ему единственным законом физики, в котором имелось направление времени. Оставался вопрос: почему энтропия увеличивается? Ответ был найден в Большом взрыве, великом открытии, объясняющем то, что наша нынешняя Вселенная не умерла. Большой взрыв позволил Вселенной всегда быть молодой, а следовательно, до сих пор оставаться неразупорядоченной. Расширение пространства создало много места для дополнительного роста энтропии.

Однако с принятием теории Большого взрыва необходимо посмотреть на проблему стрелы времени по-новому. Энтропийный механизм работает не очень удовлетворительно. Тогда нужен ли он? Если мы представляем Вселенную в качестве пространства-времени, почему она должна расширяться только в смысле пространства? Почему и не во времени тоже? На самом деле это и происходит: каждую секунду мы прибавляем новую секунду ко времени. Возможно, о течении времени более точно следует размышлять как о создании нового времени. Представлять себе не трехмерный Большой взрыв, а четырехмерный, с постоянным безостановочным созданием пространства и времени.

В главе 11 я предлагал представить, что вам дано полное знание Вселенной, почти равное Божественному, в том числе о двух моментах, по поводу которых все интересуются, какой из них был первым. Как бы вы ответили? Тогда я посоветовал высчитать энтропию двух моментальных снимков, сделанных в эти моменты. Первым был тот, энтропия которого меньше. Но вы можете также оценить и размеры Вселенной. Момент, который произошел в меньшей по размеру Вселенной, – первый.

Чтобы хорошенько в этом разобраться, нам нужно окунуться в другое великое и революционное открытие XX века. В то, которое во многом еще более, чем теория относительности, приводит в замешательство и противоречит здравому смыслу.

Часть III

«Жуткая» физика

Глава 17