Физика времени

В этом нашем примере мы рассматривали большой маховик с точки зрения квантовой теории, применяя к нему понятия и соотношения из области микромира. А можно ли так вообще поступать? Можно ли переносить понятия и соотношения, установленные в микромире, на тела «обычных» размеров? Квантовая теория применима к телам любых размеров — от электрона до галактики и всей Вселенной. Ее закономерности имеют всеобщий, универсальный характер. Это проявляется в том, что для «обычных» тел квантовая теория, как оказывается, приводит к тем же результатам, что и «обычная» физика, классическая механика. И в нашем примере квантовое рассмотрение с учетом соотношения неопределенностей дало, по сути дела, старый классический результат: столь ничтожное несохранение энергии за счет квантовых эффектов означает фактически сохранение энергии в масштабе «обычных» физических явлений. А новое здесь — это указание на точность, с которой закон сохранения энергии справедлив в данном масштабе явлений. Для мира «обычных» тел эта точность исключительно велика, и потому закон сохранения энергии в нашем непосредственном окружении столь незыблем и строг.

ГЛАВА 13 ВОЛНЫ ВРЕМЕНИ

Две великие физические теории нашего века, общая теория относительности и квантовая теория, с самого их возникновения искали точки соприкосновения друг с другом. Одна из этих теорий подходит к физическому миру со стороны  самых больших его масштабов, а другая — со стороны самых малых. Построение единой физической картины мира требует их объединения, синтеза. Эта задача — одна из самых значительных в физической науке наших дней. Пока что она решена еще далеко не полностью. Тем не менее одно замечательное достижение на стыке двух теорий уже имеется. Это квантовая картина гравитационных волн, волн пространства-времени.

Мы расскажем здесь о волнах и квантах тяготения, об их роли в наших представлениях о времени. Мы обсудим затем некоторые общие идеи об особенных свойствах времени в явлениях квантовой природы, развивающихся в микромире и во всей Вселенной.

Тяготение и волны

О гравитационных волнах с полной уверенностью говорилось уже в первые годы развития общей теории относительности. Эйнштейн доказал, что из этой теории следует их возможность и даже необходимость.

Гравитационные волны — это волнообразные колебания пространства-времени. Они придают ему дополнительную, бегущую волнами искривленность. Эти волны распространяются по четырехмерному миру, подобно тому как упругие звуковые колебания распространяются в воздухе. Еще ближе сходство с электромагнитными волнами: и те и другие в действительности не требуют для своего распространения никакой среды. Электромагнитные волны могут распространяться и в пустоте. А для гравитационных волн «средой» служит само пространство-время: это как бы рябь, бегущая по пространству-времени.

И электромагнитные, и гравитационные волны распространяются с предельной скоростью — со скоростью света. Электромагнитные волны порождаются движением электрических зарядов. А гравитационные волны возникают от перемещения тяготеющих масс. При таких перемещениях изменяется сила тяготения, искривляющая пространство-время. Это изменение и передается, переносится гравитационными волнами — они «отрываются» от движущихся масс и расходятся по четырехмерному миру, как круги на воде от брошенного камня.

Конечно, сравнение гравитационных волн с известными нам волновыми явлениями нельзя понимать слишком буквально. Подобие заходит не так уж далеко. Это волны, как и другие волны в природе, но у них немало особенного, того что есть только у них. В самом деле — это распространяющиеся колебания пространства-времени.

Гравитационные волны пока не удается наблюдать и регистрировать в эксперименте. Очень трудно или даже просто невозможно создать сколько-нибудь ощутимые колебания пространства-времени с помощью лабораторных установок, приводя в движение какие-то, даже пусть и очень массивные, тела. Экспериментаторы надеются прежде всего на гравитационные волны космического происхождения. В последние 10—15 лет для этого строят специальные приемные устройства — гравитационные антенны. Это системы достаточно массивных тел, которые должны испытывать определенного рода деформацию, когда на них падает гравитационная волна. Деформации — исключительно слабые — измеряются датчиками, укрепленными на этих телах. Наиболее чувствительную установку такого рода построили недавно физики Московского университета. Имеются интересные проекты гравитационных антенн совсем особого рода, использующие космические корабли, находящиеся в свободном полете, или даже естественные астрономические тела. Гравитационной антенной может служить,  например, система Земля—Луна, если научиться измерять очень слабые изменения в движении этих двух тел.