Физика времени

А время и в самом деле не обязано быть всегда и везде однородным. Как мы знаем, на его темп влияют физические условия, которые, вообще говоря, различны и в разных местах пространства, и в разные моменты времени. Это способно создавать неравноправность, неэквивалентность различных моментов, а с ними, следовательно, и неоднородность самого времени.

Обратимся к космологии. Начальная сингулярность, о которой мы говорили в главе 11, представляет собой особый, резко выделенный момент времени. Это естественный «нуль времени», и никак нельзя сказать, что другие моменты времени с ним равноправны. Но в неоднородном времени нет сохранения энергии — она просто не обязана сохраняться. Поэтому и начало космологического расширения, самый его старт, совсем не обязательно подчиняется закону сохранения энергии. То же относится и к сингулярности в будущем, если она допускается в конце процесса сжатия, способного сменить наблюдаемое сейчас расширение. «Уход» в эту конечную сингулярность тоже не обязан происходить с сохранением энергии.

Конечно, космологические сингулярности и иные возможные случаи неоднородности времени находятся очень далеко от «обычной» физики, от нашего непосредственного окружения. И вряд ли стоит специально предупреждать кого-либо, что общая теория относительности не отменяет запрета на вечный двигатель, который действовал бы в «обычных» условиях.

Итак, закон сохранения энергии поколеблен. Он лишился своей абсолютной универсальности. Но нужно помнить, что он покоился на концепции абсолютного однородного времени. А для нее, как мы хорошо теперь понимаем, нет никаких оснований.

Выше мы упомянули о хаосе, который воцарился бы в нашей жизни, не будь закона сохранения энергии. В жизни Вселенной закона нет. Законы природы не обязаны быть одинаковыми во все времена. Но это не означает всеобщего хаоса в мире. Ведь эти законы изменяются не произвольно: существуют «законы изменения законов природы». Общая теория относительности дает этому замечательный пример.

И тем не менее крушение закона сохранения энергии оставляет равнодушными далеко не всех; примириться с этим не просто. Некоторые теоретики переживают этот факт столь остро, что даже решаются на возврат к абсолютному времени или, вернее, к абсолютному пространству-времени, как в специальной теории относительности. При таком подходе общая теория относительности заменяется другой теорией, в которой вместо искривленного пространства-времени вводится поле тяготения, существующее в неискривленном абсолютном пространстве-времени специальной теории относительности. В идейном плане это, конечно, шаг назад по сравнению с обшей теорией относительности. Но и, так сказать, в практическом смысле преимущества подобного подхода не очень ясны. Здесь еще спорить и спорить...

Кванты, волны, частицы

Общая теория относительности царит в той области физики, которая имеет дело с самыми большими телами природы и со всей Вселенной. В другой, противоположной ей по масштабам облает фундаментальных исследований, в физике микромира, господствует другая великая физическая теория XX века — квантовая теория. Она открыла новую, неожиданную грань взаимоотношений между временем и энергией. Это один из самых замечательных ее успехов, создавших основу для дальнейших достижений физики, а вслед за ними и техники наших дней.

Квантовая теория зародилась в 20-е годы, чуть позже теории относительности. Она возникла из стремления понять устройство атома, осмыслить законы его излучения. И прежде всего тот факт, что атомы излучают энергию не непрерывно, а отдельными порциями, квантами.

Другой не менее важный факт касается собственного поведения квантов света, излучаемых атомами. В своем движении, а также и при взаимодействии с другими атомами и частицами они проявляют два, казалось бы, несовместимых свойства. Они ведут себя, в зависимости от конкретных условий, то как электромагнитные волны, то как особые частицы. Стоит заметить, что тем самым получил разрешение давний спор в физике между теми, кто считал свет волнами (Гюйгенс), и теми, кто рассматривал его как поток частиц, корпускул света (Ньютон). Можно, оказывается, увидеть в свете и то и другое — он обладает свойствами и волн, и частиц. Кванты света получили специальное название фотонов.

Единство волновых и корпускулярных свойств обнаруживают не только фотоны, но также электроны, протоны, нейтроны — все частицы микромира и все физические поля. Каждой из частиц соответствуют свои особые волны, волновые поля, не сводящиеся к электромагнитным. А всем физическим волновым полям соответствуют свои частицы.