 |
Возрожденный эфир. Фейнман обращает время вспять
|
|
|
|
Возрожденный эфир
После Эйнштейна и до Дирака вакуум рассматривался как пустое пространство. Эйнштейн показал, что движение по отношению к абсолютному пространству необнаружимо, так что нет смысла и говорить о строении того, чего нет. Казалось, эфир тихо умер и пропал из лексикона физиков. Вакуум – это отсутствие чего бы то ни было; как число нуль, он не существует. Затем Дирак объявил, что вакуум до отказа набит электронами с отрицательной энергией. Получалось, что в нем не только присутствуют какие‑ то составные части; он к тому же обладает бесконечным отрицательным зарядом и бесконечной же отрицательной энергией.
Несмотря на обнаружившуюся вдруг структуру вакуума, измерить движение сквозь него по‑ прежнему было невозможно. Теория Дирака была выстроена в рамках математического аппарата, связанного с теорией относительности Эйнштейна, и движение по отношению к заполненному до отказа морю электронов с отрицательной энергией оказывалось необнаружимым. В определенном смысле возродился старый добрый эфир. Более того, возможно, именно это бесконечное море обеспечивало среду, колебания которой обусловливали распространение света. Электромагнитные волны были аналогичны океанским, только двигались не по воде, а по бесконечному морю электронов с отрицательной энергией.
На курсе электромагнетизма в Колумбийском университете меня учили, что эфира не существует, что была доказана ненужность и бессмысленность этой концепции, после чего ученые от нее отказались. Но позже, в аспирантуре Калифорнийского университета в Беркли мой профессор Эйвинд Вихман (тот самый, кто предложил использовать в эксперименте Фридмана− Клаузера кальций) отмечал с улыбкой, что эфир никогда и никуда не уходил из физики; его просто переименовали. Сегодня мы называем его вакуумом.
|
|
|
Если почитать про вакуум в учебнике физики для аспирантов, выяснится, что это гораздо более сложная штука, чем эфир Максвелла. Вакуум лоренц‑ инвариантен, а это означает, что, двигаясь сквозь него, заметить его невозможно; вакуумного «ветра» не существует. Вакуум содержит энергию. Он может быть поляризован, то есть реагирует на электрическое поле разделением своих «виртуальных» зарядов. Поляризацию можно выявить и измерить, посмотрев на энергетические уровни в атоме водорода (посредством явления, известного как лэмбовский сдвиг[231]); можно также зарегистрировать ее непосредственно по силе, с которой вакуум воздействует на металлические пластины (эффект Казимира[232]). В настоящее время считается, что вакуум постоянно порождает вещество и антивещество, которые почти мгновенно аннигилируют – за исключением случая, когда все это происходит вблизи черной дыры. Эта особенность приобрела существенное значение в теории излучения черной дыры Стивена Хокинга (излучение Хокинга), представляющей собой эвристическое объяснение излучения. Согласно этой теории, сильное гравитационное поле вблизи поверхности Шварцшильда разделяет возникающие там фоновые пары частиц и античастиц прежде, чем они успеют аннигилировать; одну из частиц пары оно всасывает внутрь черной дыры, вторую излучает в бесконечность.
Современная концепция вакуума рассматривает его как материальный объект. Он не движется (по крайней мере, обнаружить это невозможно), но может расширяться, и это весьма важно для понимания Большого взрыва. Вакуум содержит постоянное поле Хиггса; оно заполняет все пространство целиком и отвечает за придание частицам их массы. Он содержит также темную энергию, ответственную за ускорение расширения Вселенной. В общем, вакуум устроен намного сложнее, чем придуманный Максвеллом набор колес и шестеренок.
|
|
|
Фейнман обращает время вспять
На то, чтобы вырасти из идеи Дирака о бесконечном море и отказаться от нее, потребовалось 17 лет. Возможно, это могло произойти и раньше, но вмешалась ужасная война и отвлекла героя обратного времени – Ричарда Фейнмана. Он участвовал в реализации Манхэттенского проекта, наблюдал взрыв первой атомной бомбы, а затем вернулся к занятиям фундаментальной физикой в Принстоне, где читал лекции перед умнейшими людьми и демонстрировал им, что излучение не показывает асимметрии времени. Фейнман был великим энциклопедистом и ученым, сумевшим осветить буквально каждую проблему физики, о которой когда‑ либо задумывался. А задумывался он о многих аспектах, от электромагнетизма до физики элементарных частиц, сверхпроводимости и статистической физики.
В уравнениях Дирака – мало того, во всех уравнениях квантовой физики – слагаемое, связанное с энергией, всегда содержит также и время и выглядит как произведение Et. Позитроны Дирака имели это слагаемое со знаком минус: − Et. (Такая комбинация возникла вследствие работы Эмми Нётер, о которой мы говорили в главе 3. ) Дирак интерпретировал знак минус как символ присутствия отрицательной энергии. Фейнман же предположил, что уравнения вместо этого могут указывать на положительную энергию в сочетании с отрицательным временем. Время, движущееся вспять, возможно, звучит нелепо, но задумайтесь сами: правда ли это более нелепо, чем бесконечное море электронов с отрицательной энергией?
Фейнман не был первым, рассмотревшим обратное время, но именно он превратил его в подробно разработанную теорию. Он предположил, что на самом деле позитрон – это электрон, движущийся назад во времени. Такое определение сразу же объясняло, почему он обладает той же массой, что и электрон; это и есть электрон, и он обладает положительной энергией. На самом деле электроны здесь сохранили свой отрицательный заряд; просто движение назад во времени придавало бы им иллюзию положительного электрического заряда. Бесконечного моря отрицательной энергии больше не требовалось; отрицательный знак перекочевал от энергии к времени.
|
|
|
Фейнман разработал совершенно новый подход к квантовой физике, и в первую очередь физике полей – тех самых силовых линий, которые выходят из зарядов и магнитов. Фейнман нашел систему уравнений, которые можно было бы использовать для расчета всех квантовых процессов в электромагнетизме, – а затем вдруг понял кое‑ что еще более поразительное. Каждое из его уравнений можно было изобразить в виде простой диаграммы. И оказалось, что можно, получив новую вычислительную задачу, не разбираться в сложных уравнениях, а нарисовать вместо этого все диаграммы, которые только придут на ум в рамках сформулированных Фейнманом правил, а затем, пользуясь еще одним набором правил, записать соответствующие уравнения – и получить ответ, то есть квантово‑ физическую амплитуду вероятности будущего процесса (обычно это столкновение частиц). Результат оказался необычайно простым и эффектным, и Фейнман даже предположил, что диаграммы здесь, возможно, более фундаментальны, чем их описание.
Предложенный Фейнманом подход сделал квантовую физику такой интуитивно понятной, что сегодня большинство ученых мыслят в терминах этих диаграмм Фейнмана. Предположим, к примеру, что мы хотим знать, как поведут себя электрон и позитрон, если столкнутся друг с другом в пространстве.
Эту простую диаграмму можно было бы назвать диаграммой «аннигиляции», поскольку позитрон и электрон здесь исчезают, превращаясь в фотон, который затем вновь распадается на электрон и позитрон. В фейнмановском подходе эта диаграмма соответствует конкретному уравнению, которое позволяет определить амплитуду рассеяния; кроме того, из него можно рассчитать вероятность рассеяния.
Но по сформулированным Фейнманом правилам, основанным на уравнениях, в диаграмму придется добавить еще одну амплитуду. Полученную схему можно назвать диаграммой обмена. Электрон и позитрон так же входят слева и уходят направо. Но здесь уходят те же самые частицы, которые и вошли в начале процесса. Рассеяние происходит оттого, что позитрон и электрон обмениваются фотоном. Обмен фотоном заставляет электрон и позитрон изменить траектории; он обеспечивает эквивалент силы, или взаимодействия, между ними. Обратите внимание, что здесь ликвидирована вся концепция силы; электрон отклоняется от своего пути не из‑ за действия силы, а потому, что поглощает фотон. На диаграммах фотон скрыт от наблюдения, он появляется лишь на время и называется виртуальным фотоном [233]. Поскольку срок его жизни невелик, к нему не предъявляется даже требование отсутствия массы; в теории Фейнмана виртуальные фотоны, как правило, имеют массу покоя.
|
|
|
Чтобы вычислить полную амплитуду – величину, отражающую полную вероятность рассеяния, следует сложить амплитуды для обеих диаграмм. Это кажется разумным, если особенно не задумываться. На одной диаграмме первоначальный электрон исчезает, а справа возникает, рождается заново другой электрон. На другой диаграмме входит и уходит один и тот же электрон. Тем не менее два эти процесса протекают одновременно. Физика не может сказать, тот же самый этот исходящий электрон или новый. Мало того, на самом деле он оказывается одновременно и тем, и другим. Эти частицы по‑ настоящему идентичны и неразличимы. Повторим: исходящий электрон – одновременно тот, что вошел в картинку, и другой, рожденный заново. Такой вот получается кот Шрёдингера! Вероятность этого процесса определяется через амплитуды обеих диаграмм; амплитуды складываются, а их сумма затем возводится в квадрат.
Помните совет Фейнмана: не думайте, как такое может быть, или сойдете с ума.
А теперь давайте вернемся к обратному ходу времени. В новом фейнмановском подходе к позитронам первая диаграмма полностью эквивалентна (то есть дает ту же амплитуду вероятности) второй диаграмме. Но произошли небольшие изменения. То, что раньше рассматривалось как позитрон, теперь стало электроном, движущимся назад во времени.
Диаграммы Фейнмана – ключевой элемент нынешних квантовых вычислений, каждый день ими пользуются тысячи людей. Существуют компьютерные программы для оценки амплитуд вероятности сложных фейнмановских диаграмм (к примеру, тех, где происходит обмен двумя или более фотонами). На этих схемах антивещество представлено как обычное вещество, движущееся назад во времени. Более того, частицы, двигаясь назад во времени, несут с собой информацию о будущем. Они несут с собой импульс и энергию будущих частиц, которые появляются на правой стороне диаграмм. Фейнман утверждал, что на новый подход его вдохновило исследование излучения – работа, которую он представлял перед Эйнштейном и другими великими умами и которая показала, что классическое излучение движется как вперед, так и назад во времени.
|
|
|
Фейнмановское обратное время, хотя и противоречит нашему ощущению реальности, тем самым порождая тревогу, в принципе, не создает никаких проблем с физикой, потому что в уравнениях направление хода времени не нужно и никак не используется.
Хокинг в своей «Краткой истории времени»[234] тоже ссылается на фейнмановскую парадигму обратного времени, но не готов принять ее как путешествие назад во времени. Он утверждает (без объяснений), что, по его убеждению, подобное движение назад во времени возможно только в микроскопическом, но не в большом человеческом мире.
Могут ли оказаться все электроны на самом деле позитронами, движущимися назад во времени? Или, может быть, мы сделаны из позитронов, а электроны в наших телах – на самом деле позитроны, движущиеся назад во времени? Да, все эти предположения не только возможны, но и стали составной частью современной теории – или, как утверждают некоторые, одного из вариантов интерпретации современной теории.
Кто же прав – Дирак или Фейнман? Что такое позитроны – пузырьки в бесконечном море или электроны, движущиеся назад во времени? Физики в большинстве своем предпочитают фейнмановскую картину. Кажется, она лучше отвечает критерию бритвы Оккама – принципа, согласно которому из всех возможных объяснений некоторого явления всегда принимать следует простейшее. Однако не существует эмпирического способа продемонстрировать всем желающим, что обратное движение во времени действительно имеет место, а бесконечное море частиц с отрицательной энергией не соответствует действительности. Кроме того, безусловно, возможен и третий вариант: обе теории ошибочны. Диаграммы Фейнмана целиком выводятся из квантовой теории поля, и мы, возможно, просто слишком далеко заходим в своих интерпретациях, воспринимая их буквально, а не в качестве мнемонических правил для запоминания фейнмановских уравнений. Но, возможно, и нет.
|
|
|
