Три закона термодинамики и симметрия

Но все вышесказанное рождает и более глубокий вопрос: а почему, собственно, должны работать эти непогрешимые законы термодинамики? Эта загадка занимала ученых с того самого момента, когда эти законы были впервые сформулированы. Не исключено, что, зная ответ на этот вопрос, мы могли бы отыскать в законах термодинамики лазейки и сделать новые потрясающие открытия и изобретения, способные перевернуть мир.

В старших классах школы я испытал настоящее потрясение, когда узнал наконец истинную причину сохранения энергии. Оказывается, один из фундаментальных принципов физики (открытый математиком Эмми Нётер в 1918 г.) гласит: если система обладает симметрией, в ней обязательно действует какой-нибудь закон сохранения. Из предположения о том, что законы Вселенной не меняются со временем, следует поразительный результат: энергия в системе должна сохраняться. (Далее, если законы природы остаются неизменными, в каком бы направлении вы ни двигались, то сохраняется не только энергия, но и импульс в любом направлении. А если законы природы остаются неизменными при вращении, то сохраняется еще и угловой момент.)

Это буквально ошеломило меня. Я вдруг понял, что, анализируя звездный свет, дошедший до нас от далеких галактик с самой окраины видимой Вселенной, мы убеждаемся, что спектр этого света ничем не отличается от спектров, которые можно обнаружить на Земле. В свете, рожденном за миллиарды лет до появления и Земли, и Солнца, мы наблюдаем те же неоспоримые спектральные «отпечатки» водорода, гелия, углерода, неона и т. п., которые видим сегодня и на Земле. Другими словами, основные законы физики не изменились за миллиарды лет и одинаковы по всей Вселенной, до самых ее границ.

Я понял, что теорема Нётер означает как минимум, что энергия, вероятно, будет сохраняться если не вечно, то не один миллиард лет. Насколько нам в данный момент известно, ни один из фундаментальных законов физики со временем не изменялся, и потому закон сохранения энергии работает.

Теорема Нётер имеет для современной физики величайшее значение. Какую бы новую теорию ни придумали физики и о чем бы ни шла в ней речь — о происхождении Вселенной, о взаимодействиях кварков и элементарных частиц, об антивеществе, — мы обязательно начинаем с рассмотрения симметрии, которой подчиняется система. Вообще говоря, в настоящее время симметрия считается ведущим фундаментальным принципом в разработке любой теории. В прошлом на симметрию смотрели как на побочный результат теории — приятно, но не имеет большого значения. Сегодня мы понимаем, что симметрия — очень существенная и даже определяющая черта любой теории. Разрабатывая что-то новое, мы, физики, начинаем с симметрии, а затем уже выстраиваем вокруг нее теорию.

(Печально, но Эмми Нётер, как до нее Больцману, приходилось сражаться за признание не на жизнь, а на смерть. Ни один из ведущих институтов не готов был принять на постоянную работу женщину-математика. Наставник Нётер, великий математик Давид Гильберт, разъяренный очередной неудачной попыткой устроить Нётер на преподавательскую должность, воскликнул: «В конце концов, мы кто, университет или общество любителей бани?»)

В связи с этим возникает тревожный вопрос. Если энергия сохраняется только потому, что законы физики не меняются со временем, то не может ли быть, что в каких-нибудь необычных, редких обстоятельствах эта симметрия все-таки нарушается? Если в неожиданных и экзотических местах симметрия наших законов действительно нарушается, то и закон сохранения энергии в космических масштабах может нарушаться.

Подобная ситуация может возникнуть, в частности, если законы физики изменяются во времени или с расстоянием. (В романе Азимова «Сами боги» симметрия нарушается из-за пространственной дыры, соединившей нашу Вселенную с параллельной вселенной. В окрестностях этой дыры законы физики изменяются — и возникает возможность нарушения законов термодинамики. Точно также, если существуют пространственные дыры, т. е. кротовые норы, может нарушаться и закон сохранения энергии.)

Кроме того, в настоящее время горячо обсуждается вопрос, может ли энергия появляться из ничего; этот момент тоже может оказаться удобной лазейкой.

Энергия из вакуума?

Вот мучительный вопрос: можно ли извлечь энергию из пустоты? Физики лишь недавно поняли, что на самом деле «пустота» вакуума вовсе не пуста, в ней кипит неиссякаемая активность.

Одним из активных сторонников и пропагандистов этой идеи^[32] был эксцентричный гений XX в. Никола Тесла — достойный соперник Томаса Эдисона. Кроме того, он был одним из сторонников «энергии из пустоты», т.е. идеи о том, что вакуум может содержать в себе неимоверные количества энергии. Если это правда, то вакуум станет олицетворением «бесплатного сыра» — «волшебным горшочком», способным извлекать энергию в любых количествах буквально ниоткуда. Вакуум, который раньше считали пустым и лишенным всякого вещества, окажется бездонным кладезем энергии.

Тесла родился в маленьком городке на территории нынешней Сербии и в 1884 г. прибыл в Соединенные Штаты без единого цента в кармане. Вскоре он стал помощником Томаса Эдисона — помощником настолько блестящим, что превратился в соперника. Противостояние этих двух знаменитостей историки окрестили «войной токов». Эдисон считал, что мир можно электрифицировать при помощи машин постоянного тока, тогда как Тесла первым ввел переменный ток и успешно продемонстрировал, что его методы гораздо эффективнее методов Эдисона и допускают меньшие потери при передаче электричества на большее расстояние. Сегодня почти вся планета снабжается электричеством на базе патентов Теслы, а не Эдисона.

Всего у Теслы насчитывается больше 700 изобретений и патентов, некоторые из которых являются важнейшими историческими вехами современного электричества. Историки считают вполне вероятным, что Тесла придумал радио раньше, чем это сделал Гульельмо Маркони, официально признанный изобретателем радио, и работал с рентгеновскими лучами еще до их официального открытия Вильгельмом Рентгеном. (И Маркони, и Рентген позже были удостоены Нобелевской премии за изобретения, которые Тесла, вероятно, сделал на несколько лет раньше.)

Тесла также считал, что можно извлекать из вакуума энергию в неограниченных количествах, но, к сожалению, не привел в своих записках доказательства этого утверждения. На первый взгляд кажется, что «энергия пустоты» (или энергия, которая содержится в вакууме) нарушает первый закон термодинамики. Нет никаких сомнений в том, что энергия вакуума нарушает законы ньютоновой механики, но недавно вопрос о ней вновь возник на научном горизонте, но уже с совершенно нового направления.

Проанализировав данные со спутников, которые в настоящее время находятся на орбите, в частности со спутника WMAP, ученые пришли к поразительному выводу: не меньше 73% Вселенной состоит из темной энергии — энергии чистого вакуума. Это означает, что вакуум, разделяющий галактики, является одновременно величайшим резервуаром энергии Вселенной. (Эта темная энергия настолько колоссальна, что отталкивает галактики прочь друг от друга и может со временем разорвать Вселенную на части.)

Темная энергия наполняет всю Вселенную, все ее уголки, в том числе наши дома — и наши тела тоже. Количество темной энергии в космосе поистине астрономично и превосходит энергию всех звезд и галактик, вместе взятых. Можно также рассчитать количество темной энергии на Земле; окажется, что ее очень немного—слишком мало, чтобы подпитывать вечный двигатель. Тесла был прав: темная энергия существует; тем не менее в отношении количества такой энергии на Земле он ошибался.

А может быть, нет?

Один из самых неприятных пробелов в современной физике состоит в том, что никто не может теоретически рассчитать то количество темной энергии, которое мы измеряем при помощи спутников. Если проводить расчет с позиций современной атомарной физики, то полученное число разойдется с экспериментальным результатом на 120 порядков! Это единица со 120 нулями! Без сомнения, это самое значительное расхождение между теорией и экспериментом за всю историю физики.

Суть в том, что никто не знает, как посчитать «энергию пустоты». Это один из важнейших вопросов физики (ведь со временем ответ на него определит судьбу Вселенной!), но пока мы не представляем, как можно рассчитать количество этой энергии. Ни одна из теорий не объясняет темной энергии, хотя экспериментальные доказательства ее существования очевидны.

Итак, в вакууме действительно заключена энергия, как и подозревал Тесла. Но плотность этой энергии, скорее всего, слишком мала, чтобы ее можно было извлекать и использовать. В огромных межгалактических пространствах полно темной энергии, а вот на Земле ее умещается только чуть-чуть. Но самое неприятное, что никто не знает, откуда взялась эта энергия и как можно рассчитать ее количество.

Я убежден, что закон сохранения энергии обусловлен глубинными космологическими причинами. Любое нарушение этого закона непременно означало бы серьезные сдвиги в наших представлениях об эволюции Вселенной. И загадка темной энергии заставляет физиков предпринимать новые и новые попытки решить этот вопрос.

Поскольку создание настоящего вечного двигателя может потребовать пересмотра фундаментальных законов физики на космологическом уровне, я склонен отнести вечный двигатель к III классу невозможности; это означает, на мой взгляд, что либо такой двигатель действительно невозможен, либо нам придется полностью пересмотреть наши представления о фундаментальной физике в космологическом масштабе — только в этом случае такая машина может получить право на существование. Что же касается темной энергии, то она остается одной из величайших незаконченных глав современной науки.

Предвидение будущего

Парадокс - это истина, вставшая на голову ради привлечения внимания.

Николас Фаллетта

Существует ли такая вещь, как ясновидение, или предвидение будущего? Эта древнейшая концепция присутствует в каждой религии; можно вспомнить оракулов Греции и Рима и ветхозаветных пророков. Но обратим внимание: в подобных сюжетах дар предвидения часто становится проклятием. В греческой мифологии есть миф о Кассандре, дочери царя Трои, которая своей красотой привлекла внимание солнечного бога Аполлона. Чтобы завоевать приглянувшуюся ему девушку, Аполлон даровал ей способность видеть будущее. Но Кассандра отвергла ухаживания Аполлона, и тот в припадке ярости исказил свой дар: теперь Кассандра могла видеть будущее, но ни один человек ей не верил. Кассандра предупреждала троянцев об уготованной им участи, но никто ее не слушал. Она предупреждала, что троянский конь —ловушка, она предсказала смерть Агамемнона и даже собственную гибель, но люди Трои, вместо того чтобы послушать совета, объявили ее сумасшедшей и заперли в башне. Нострадамус в XVI в. и позже Эдгар Кейс тоже утверждали, что могут приподнимать завесу времени. Можно нередко услышать, что их предсказания сбылись (речь идет, в частности, о предсказании Второй мировой войны, убийства президента Кеннеди и падения коммунизма), но путаная аллегорическая форма, в которую многие ясновидцы облекали свои предсказания, допускает самые разные, в том числе противоречащие друг другу, интерпретации. Катрены Нострадамуса, к примеру, изложены в такой общей форме, что каждый может прочитать в них все что угодно [что постоянно и происходит). В одном из четверостиший сказано:

Ревет огонь из центра мира, сотрясающий землю, Земля вокруг нового города трепещет. Двое великих будут воевать долго и бесплодно. Нимфа источников заставит новую реку покраснеть.

Кое-кто утверждал, что этот катрен может служить доказательством того, что Нострадамус знал о разрушении башен-близнецов торгового центра в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г. Но на протяжении столетий по этим же словам делались десятки иных интерпретаций. Ведь образы настолько неопределенны, что их можно понимать как угодно.

Предвидение будущего, кроме всего прочего, является любимым инструментом драматургов, описывающих обреченных королей и падение империй. В «Макбете» Шекспира пророчество служит центром сюжета и фокусом честолюбивых устремлений Макбета — ведь три ведьмы предсказывают ему возвышение и трон короля Шотландии. Предсказание ведьм еще сильнее разжигает его болезненное тщеславие, и он начинает кровавую и жуткую кампанию, уничтожает врагов, убивает невинных детей и жену своего соперника Макдуфа.

Совершив множество ужасных преступлений и захватив трон, Макбет узнает от тех же ведьм, что никто не сможет победить его в сражении, «пока не двинется наперерез на Дунсинанский холм Бирнамскийлес»; кроме того, ему сообщают, что он «защищен судьбой от всех, кто женщиной рожден». Пророчество успокаивает Макбета, потому что лес не способен двигаться, а все люди рождаются от женщин. Но в конце концов все сбывается — Бирнамский лес сходит с места, когда воины Макдуфа берут в руки ветви деревьев и скрытно подходят к лагерю Макбета; кроме того, оказывается, что сам Макдуф был не рожден, а вырезан из чрева матери.

Итак, прошлые пророчества слишком неопределенны, чтобы их можно было достоверно проверить; но есть один класс предсказаний, оценить которые совсем несложно,, — это предсказания Судного дня и Конца света. В Библии, в книге «Откровение» последние дни Земли описаны в красочных подробностях; явление антихриста и окончательное Второе пришествие Христа сопровождаются хаосом и разрушением. Христианские мыслители всегда, с момента появления этих текстов, пытались предсказать точную дату описываемых событий.

Одно из самых знаменитых предсказаний Судного дня было сделано астрологами на 20 февраля 1524 г. на основании положения планет (Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна) на небесной сфере; было предсказано, что мир погибнет в великом потопе. Европу захлестнула массовая паника. В Англии 20 000 человек в отчаянии покинули свои дома. Вокруг церкви Св. Варфоломея была возведена крепость, набитая припасами, пищей и водой на два месяца. По всей Германии и Франции люди принялись лихорадочно строить большие ковчеги, которые могли бы уцелеть во время потопа. Граф фон Игтлехайм, к примеру, выстроил в преддверии этого судьбоносного события громадный трехъярусный ковчег. Но в назначенный день с неба всего лишь покапал легкий дождик. Настроение толпы резко изменилась; вместо страха людей охватил гнев. Те, кто успел распродать все имущество и полностью сломал свою жизнь, почувствовали себя обманутыми. Разъяренные толпы начали громить все вокруг. Графа забили камнями, а в давке погибло несколько сот человек.

Разумеется, пророчества жаждут не одни только христиане. В 1648 г. Саббатай Цви, сын богатого еврея из турецкой Смирны, объявил себя мессией и предсказал, что мир погибнет в 1666 г. Цви был красив, харизматичен и хорошо знал мистические тексты Каббалы; ему удалось быстро собрать группу фанатичных последователей, которые распространили эту новость по всей Европе. Весной 1666 г. евреи таких отдаленных мест, как Франция, Голландия, Германия и Венгрия, начали складывать вещи и собираться на зов своего мессии. Но чуть позже в том же году Цви был арестован и брошен в темницу в цепях по приказу константинопольского великого визиря. Оказавшись перед лицом смертельной опасности, он театрально сбросил свои еврейские одежды, надел турецкий тюрбан и обратился в исламскую веру. Десятки тысяч его преданных сторонников покинули секту, испытав страшное разочарование.

Предсказания всевозможных пророков и сегодня оказывают влияние на людей, меняя жизни десятков миллионов людей по всему миру. К примеру, в США некий Уильям Миллер объявил, что Судный день наступит 3 апреля 1843 г. Весть об этом пророчестве разошлась по стране; совпавшее с ним случайное событие — впечатляющий метеорный дождь 1833 г., один из мощнейших в истории, — также очень усилило впечатление от миллеровского пророчества.

К 1843 г. Армагеддона ожидали уже десятки тысяч преданных последователей Миллера; они даже получили название миллеритов. Когда год исполнения пророчества начался, а затем и закончился, а Конца света так и не случилось, движение миллеритов раскололось на несколько больших групп. Последователей у Миллера было так много, что каждая из этих групп и сегодня заметна в религиозной жизни и обладает немалым влиянием. Одна из больших групп миллеритского движения в 1863 г. провела реорганизацию и изменила название; теперь она называется Церковью адвентистов седьмого дня и имеет в своих рядах около 14 млн окрещенных. Главным в учении адвентистов является скорое и неминуемое Второе пришествие Христа.

Еще один осколок движения миллеритов позже стал ориентироваться на труды Чарльза Тейза Расселла, отодвинувшего дату Страшного суда на 1874 г. Когда и эта дата миновала, Расселл пересмотрел свое пророчество — основывалось оно на изучении египетских пирамид — и еще раз перенес дату, на этот раз на 1914 г. Позже эта группа получила название Свидетелей Иеговы; в настоящее время в ней состоит более 6 млн человек.

Другие сегменты миллеритского движения также продолжали пророчествовать — и каждый раз раскалывались, после того как очередное предсказание не сбывалось. Одна из небольших групп бывших миллеритов, отколовшаяся от Адвентистов седьмого дня в 1930-х гг., получила название Ветвь Давидова. Небольшая община этой секты в Вако, штат Техас, подпала под влияние молодого харизматичного проповедника по имени Дэвид Кореш, который с большим напором и гипнотической силой рассуждал о Конце света. Эта секта прекратила свое существование в 1993 г. в трагическом столкновении с ФБР; когда ревущий огненный ад поглотил поселок, заживо сгорели 76 членов секты, в том числе 27 детей и сам Кореш.

Можем ли мы видеть будущее?

Можно ли доказать при помощи строгих научных экспериментов, что некоторые люди способны видеть будущее? В главе 12 мы видели, что путешествия во времени в принципе не противоречат законам природы, но доступны лишь высокоразвитым цивилизациям III типа. Но может быть, предвидение доступно нам и сегодня на Земле?

Сложные и тщательно организованные тесты, проведенные в Центре Райна, вроде бы дают основания полагать, что некоторые люди действительно могут предвидеть будущее; а именно могут называть карты раньше, чем они будут открыты. Но многочисленные повторные эксперименты показали, что эффект этот очень слаб и часто вообще исчезает, если результат пытаются повторить другие исследователи.

На самом деле предвидение будущего трудно примирить с современной наукой, потому что в этом случае нарушается причинно-следственная связь, или закон причины и следствия. Причина должна предшествовать следствию, а не наоборот. Причинно-следственная связь встроена во все законы физики, которые удалось обнаружить до сих пор, и от ее нарушения рухнет все здание современной физики. Ньютонова механика прочно базируется на законе о причинно-следственных связях, а законы Ньютона настолько всеобъемлющи, что, зная точные координаты и скорости всех молекул во Вселенной, можно было бы рассчитать и будущее движение этих атомов. Таким образом, будущее можно рассчитать. В принципе ньютонова механика утверждает, что, имея в своем распоряжении достаточно мощный компьютер, можно вычислить все будущие события. По Ньютону, Вселенная похожа на гигантские часы, которые Бог завел в начале времен и которые с тех пор идут по Его законам. В теории Ньютона нет места предвидению.

Назад во времени

Однако если рассмотреть теорию Максвелла, сценарий окажется гораздо более сложным. При решении максвелловых уравнений для света мы получаем не одно, а два решения: не только «запаздывающую» волну, которая представляет собой обычное движение света из одной точки в другую, но еще и «опережающую» волну, которая представляет собой луч света, уходящий назад во времени. Это продвинутое решение выходит из будущего и приходит в прошлое!

В течение сотни лет любой инженер, встречая это «опережающее» решение, уходящее назад во времени, просто отбрасывал его как чисто математическую диковинку. Поскольку обычные волны Максвелла чрезвычайно точно предсказывали поведение радиоволн всех диапазонов, практики отбрасывали опережающее решение как ненужное и забывали о нем. Обычная волна была так хороша, красива и успешна, что инженеры просто игнорировали ее безобразную сестру-близнеца: от добра добра не ищут.

Но физикам опережающая волна все эти сто лет не давала спокойно спать. Уравнения Максвелла — один из столпов современности, поэтому к любому их решению следует отнестись очень серьезно, даже если для этого потребуется принять существование волн из будущего. Полностью игнорировать их было совершенно невозможно. Почему природа дала нам такое странное, причудливое решение — да еще на самом базовом уровне? Что это — жестокая шутка, или в этом есть какой-то глубокий смысл?

Интерес к опережающим волнам проявили и мистики; появились даже рассуждения о том, что это могут оказаться послания из будущего. Может быть, если как-нибудь обуздать эти волны, мы могли бы посылать сообщения в прошлое и сообщать предыдущим поколениям о грядущих событиях. К примеру, можно было бы посоветовать нашим прадедушкам и прабабушкам в 1929 г. продать все акции, не дожидаясь Черного четверга. Конечно, опережающие волны не позволили бы нам лично посещать прошлое — это все же не машина времени, — зато помогли бы организовать отправку в прошлое писем и сообщений с предупреждениями о ключевых событиях, которые еще не произошли.

Опережающие волны оставались загадкой, пока за их изучение не взялся Ричард Фейнман, которого всегда занимала идея вернуться в прошлое. После участия в Манхэттенском проекте, где была создана первая атомная бомба, Фейнман покинул Лос-Аламос и уехал в Принстонскии университет работать под началом Джона Уилера. Анализируя первые работы Дирака по электрону, Фейнман обнаружил нечто очень странное. Если изменить направление времени в уравнении Дирака на обратное и одновременно изменить знак заряда электрона, то уравнение останется прежним. Другими словами, у Фейнмана получилось, что электрон, движущийся назад во времени, — это то же самое, что позитрон, который движется вперед во времени! В обычных обстоятельствах зрелый, сложившийся физик мог бы отбросить эту интерпретацию, посчитав ее просто фокусом, математической уловкой, не имеющей ни значения, ни физического смысла. Вообще, на первый взгляд кажется, что движение назад во времени лишено всякого смысла, но уравнения Дирака в этом отношении совершенно ясны. Другими словами, Фейнману удалось обнаружить причину, по которой природа разрешает существование этих обратных во времени решений: они представляют движение антиматерии. Будь Фейнман более опытным физиком, он, вполне возможно, выбросил бы это решение в корзину. Но будучи всего лишь выпускником, он решил пойти на поводу собственного любопытства и исследовать вопрос дальше.

Продолжая копаться в этом загадочном решении, молодой Фейнман заметил нечто еще более странное. Обычно если электрон и позитрон сталкиваются, они оба аннигилируют с одновременным образованием гамма-кванта. Он нарисовал схему происходящего на листе: два объекта сталкиваются и исчезают, а вместо них возникает всплеск энергии.

С другой стороны, если изменить заряд позитрона на противоположный, он превратится в обычный электрон, движущийся назад во времени. Тогда описанную диаграмму можно будет нарисовать заново — только ось времени окажется направлена в другую сторону. Вообще, все выглядит так, как будто электрон двигался вперед во времени, а затем неожиданно решил изменить направление. Он резко развернулся во времени и направился обратно, высвободив в момент разворота некоторое количество энергии. Другими словами, получилось, что это один и тот же электрон, а процесс аннигиляции электрона и позитрона — это просто момент разворота его во времени!

Таким образом, Фейнману удалось раскрыть тайну антивещества: это обычное вещество, движущееся назад во времени.

Простое наблюдение сразу же объяснило тот загадочный факт, что у каждой частицы непременно есть партнер-античастица: это потому, что все частицы способны двигаться назад во времени и при этом притворяться антивеществом. (Такая интерпретация эквивалентна уже упоминавшемуся «морю Дирака», но она проще, и на сегодняшний день именно она является общепринятой.)

Теперь представим, что у нас есть кусок антивещества, и мы сталкиваем его с обычным веществом, порождая сильнейший взрыв. В этот момент аннигилируют между собой триллионы электронов и триллионы позитронов. Но если мы поменяем направление стрелочки для позитрона и превратим его таким образом в электрон, движущийся назад во времени, то получится, что весь наш взрыв — это один и тот же электрон, который выписывает зигзаги и мечется вперед-назад во времени триллионы раз подряд.

Из всего этого можно было сделать и еще один любопытный вывод: в нашем куске вещества должен быть всего один электрон. Один и тот же электрон носился вперед и назад, выписывая во времени бесконечные зигзаги. Каждый раз, разворачиваясь во времени, он превращался в позитрон; но стоило ему развернуться обратно во времени, как он снова оборачивался обычным электроном.

(Общаясь со своим научным руководителем Джоном Уилером, Фейнман рассуждал, что во Вселенной, возможно, вообще всего один электрон, который носится туда-сюда во времени. Представьте себе, что из хаоса Большого взрыва родился один-единственный электрон. Когда-нибудь, через несколько триллионов лет, этот электрон доживет до катастрофы и гибели Вселенной; тогда он развернется и направится назад, к Большому взрыву, где еще раз поменяет направление движения во времени. Можно предположить, что этот электрон постоянно путешествует туда-сюда, от Большого взрыва до Судного дня. А наша Вселенная двадцать первого века—это просто временной срез путешествий этого электрона; мы видим одновременно триллионы электронов и позитронов, т.е. видимую Вселенную. Конечно, эта теория может показаться странной, но она объяснила бы один любопытный факт квантовой теории: почему все электроны одинаковы. В физике невозможно различить электроны. Невозможно считать один из электронов зеленым, а другому, скажем, дать имя Джонни. У электронов нет индивидуальности. Невозможно «пометить» электрон, как ученые иногда помечают диких животных, чтобы их проще было отслеживать и изучать. Может быть, причина как раз в том, что во всей Вселенной есть один-единственный электрон, который просто носится туда-сюда во времени.)

Но если антивещество представляет собой обычное вещество, движущееся назад во времени, то нельзя ли с его помощью послать сообщение в прошлое? Может быть, можно послать сегодняшний номер Wall Street Journal в прошлое самому себе и как следует нажиться на биржевых спекуляциях?

Ответ очень прост: нет, нельзя.

Если мы рассматриваем антивещество как еще одну экзотическую форму вещества, а затем проводим с ним эксперименты, то в этом нет никакого нарушения причинно-следственной связи. Причина и следствие остаются на месте. Но если мы меняем направление оси времени для позитрона и отправляем его в прошлое, то это ничего не значит; мы всего лишь выполняем некую математическую операцию. Физика остается прежней, и в реальности ничего не меняется. Все экспериментальные результаты остаются на месте. Именно поэтому мы имеем полное право считать, что электрон бегает туда-обратно во времени. Но каждый раз, когда он движется в обратном направлении, он просто заполняет собой прошлое. Так что, похоже, для существования последовательной квантовой теории действительно необходимы опережающие решения из будущего, но по большому счету они не нарушают принципа причинности. (На самом деле все наоборот: если бы не было этих странных опережающих волн, принцип причинности в квантовой теории нарушался бы. Фейнман показал, что если мы введем в теорию понятия опережающих и запаздывающих волн, то те величины, которые могли бы вызвать нарушение причинности, очень аккуратно сократятся. Таким образом, антивещество необходимо для сохранения причинности. Без антивещества причинность может рухнуть.)

Фейнман продолжал копаться в этой безумной идее и добился-таки, чтобы она расцвела и превратилась в полную квантовую теорию электрона. Его детище, квантовую электродинамику, удалось экспериментально проверить до десятого знака после запятой, что делает ее одной из самых точных теорий всех времен. В 1965 г. она принесла Фейнману и его коллегам Джулиану Швингеру и Синъитиро Томонаге (Sin-Itiro Tomonaga) Нобелевскую премию.

(В своей нобелевской лекции Фейнман сказал, что в юности влюбился без памяти в эти самые продвинутые волны из будущего — точно так же, как мог бы влюбиться в хорошенькую девушку. Сегодня эта хорошенькая девушка выросла, стала взрослой женщиной и обзавелась множеством детей. Среди этих детей — и его теория квантовой электродинамики.)

Тахионы из будущего

Помимо «опережающих» волн из будущего (которые снова и снова доказывают свою полезность в квантовой теории), в квантовой теории существует еще одна необычная концепция, которая представляется столь же безумной, но, возможно, не столь полезной. Это гипотеза о тахионах, которые регулярно появляются в сериале «Звездный путь». Каждый раз, когда сценаристам «Звездного пути» требуется какой-нибудь новый вид энергии для некой магической операции, они привлекают тахионы.

Тахионы живут в странном мире, где все движется быстрее света. Теряя энергию, тахионы начинают двигаться быстрее — что, естественно, противоречит здравому смыслу. Мало того, тахион, полностью лишившийся энергии, движется с бесконечной скоростью. И наоборот, приобретая энергию, тахионы замедляются, пока не достигнут скорости света.

Особенно странными тахионы делает тот факт, что они обладают мнимой массой. (Говоря «мнимой», мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или i.) Если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них m на im, произойдет чудо. Скорость частиц внезапно станет больше скорости света.

Из-за этого возникают странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. По идее эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. Возникает замкнутый круг, и тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость!

(Тахионы отличаются и от антивещества, и от отрицательного вещества. Антивещество обладает положительной энергией, движется медленнее света и может быть получено в наших ускорителях частиц. Согласно теории, антивещество подчиняется закону тяготения и, как положено, падает вниз. Антивещество соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени. Отрицательное вещество обладает отрицательной энергией и тоже движется медленнее света, но под воздействием тяготения падает вверх, т. е. прочь от притягивающего тела из обычного вещества. Отрицательное вещество в лаборатории еще никто не видел. В теории в больших количествах оно может служить топливом для машины времени. Тахионы движутся быстрее света и обладают мнимой массой; как они ведут себя под воздействием силы тяжести, неясно. Их пока тоже не удалось получить в лаборатории.)

Тахионы, конечно, частицы очень странные, но физики серьезно их изучают; можно назвать, например, покойного Джеральда Фейнберга из Колумбийского университета и Джорджа Сударшана из Университета Техаса в Остине. Проблема в том, что никто никогда не видел тахиона в лаборатории. Надежным экспериментальным свидетельством существования тахионов было бы нарушение причинности. Фейнберг даже предлагал физикам исследовать лазерный луч до включения лазера. Если тахионы существуют, то не исключено, что свет лазерного луча можно обнаружить даже раньше, чем аппарат будет включен.

В научной фантастике тахионы регулярно используются как средство отправки сообщения в прошлое, предкам. Но из физики явления совершенно непонятно, возможно ли такое хотя бы теоретически. Фейнберг, к примеру, считал, что эмиссия тахионов, движущихся во времени вперед, точно соответствует поглощению тахионов с отрицательной энергией, движущихся во времени назад (аналогично положению с антивеществом), поэтому никакого нарушения причинности не происходит.

Если оставить фантастику в стороне, то в настоящий момент физики считают, что тахионы, возможно, существовали в момент Большого взрыва, нарушая причинность, но теперь их больше не существует. Более того, очень может быть, что тахионы сыграли существенную роль в том, что Вселенная вообще взорвалась. В этом смысле они играют важную роль в некоторых теориях Большого взрыва.

У тахионов есть еще одно забавное свойство. При введении в любую теорию они дестабилизируют «вакуум», т. е. самое низкоэнергетическое состояние системы. Если в системе присутствуют тахионы, значит, она находится в состоянии «ложного вакуума», а следовательно, нестабильна и будет разрушаться до состояния истинного вакуума.

Представьте себе плотину, которая удерживает воду в озере. Это и есть «ложный вакуум». Хотя плотина представляется вполне надежной, существует состояние с еще более низкой энергией. И если в плотине появляется трещина, вода начинает стремительно вытекать из озера и стекать на уровень моря — тогда-то система и достигает состояния истинного вакуума.

Точно так же считается, что Вселенная до Большого взрыва существовала в состоянии ложного вакуума, где были тахионы. Но их присутствие означало, что это не самое низкоэнергетическое состояние системы, а потому система нестабильна. Затем в ткани пространства-времени появилась крошечная «прореха», представляющая истинный вакуум. Прореха начала увеличиваться, появился пузырь. Вне пузыря тахионы по-прежнему существовали, но внутри их не было. С ростом пузыря появилась та Вселенная, которую мы знаем, — Вселенная без тахионов. Это и был Большой взрыв.

Одна из теорий, которую космологи воспринимают очень серьезно, состоит в том, что первоначальный процесс инфляции начал один-единственный тахион, известный как «инфлятон». Как мы уже упоминали, теория инфляционной Вселенной утверждает, что она возникла как крошечный пузырек пространства-времени, переживший сверхбыстрый период расширения (инфляции). Физики считают, что первоначально Вселенная существовала в состоянии ложного вакуума, где инфляционным полем был тахион. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и образовались крошечные пузырьки. Внутри одного из этих пузырьков инфляционное поле оказалось в состоянии истинного вакуума. Этот пузырек начал стремительно раздуваться, пока не превратился в нашу Вселенную. Внутри нашего пузыря-вселенной инфляция исчезла, поэтому ее и не удается зарегистрировать в нашей Вселенной. Получается, что тахионы представляют собой причудливое квантовое состояние, в котором объекты движутся быстрее света и, быть может, даже нарушается причинность. Но тахионы давно исчезли, дав при этом, возможно, жизнь самой Вселенной.

Наверное, все это похоже на досужие рассуждения, которые невозможно проверить. Но первый эксперимент по проверке теории ложного вакуума начинается в 2008 г. с пуском в Швейцарии, в окрестностях Женевы, Большого адронного коллайдера. Одна из основных задач БАК — обнаружение бозонов Хиггса, последней до сих пор не найденной частицы Стандартной модели, последней детали научной головоломки. (Частица Хиггса так важна и так неуловима, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей-богом».)

Физики считают, что бозон Хиггса начал свое существование как тахион. В ложном вакууме ни одна из субатомных частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и Вселенная перешла в новое состояние, к новому вакуу