Физика времени

Опыт физики XX века учит, что нет никакого времени «самого по себе». Нет времени, которое существовало бы без связи с тем, что происходит в физическом мире. Время всегда и везде выступает не «вообще», а конкретно — в каждом данном физическом явлении оно свое. Это именно то время, которое длится в ходе данного явления в данном месте пространства. Время несет на себе важнейшие черты этого явления и само служит важнейшей его чертой.

Атом времени?

Фотоны, кванты света, рождаются благодаря излучению атомов и в разнообразных иных процессах, например при ускоренном движении электронов. Энергия фотонов оказывается при этом, естественно, различной. Существуют, или по крайней мере в принципе могут существовать, фотоны любых энергий — от очень больших до сколь угодно близких к нулю. Об очень больших энергиях говорить не будем (такие фотоны быстро исчезают, рождая другие частицы). Сейчас для нас интереснее всего то, что для энергии фотона нет нижней границы.

Но можно ли сказать то же самое и обо всех других физических величинах в мире частиц и квантов? Конечно, нет. Существуют физические величины, которые никогда не могут иметь значения, меньшие некоторого. Таков, например, электрический заряд. Если он имеется у какого-то тела или частицы, то его значение никогда не меньше (по модулю) некоторого предельно малого. Нижним пределом электрического заряда служит элементарный заряд, равный (по модулю) заряду электрона. И вообще: величина заряда всегда составляет целое число этих элементарных зарядов.

Электрический заряд не допускает, таким образом, беспредельного дробления. Разделить заряд электрона на части уже нельзя*). Тем же свойством обладают и некоторые другие величины. Например, момент импульса, если он отличен от нуля, не может быть меньше половины постоянной Планка. Свободный электрон обладает как раз таким минимальным моментом — он связан с его собственным вращением (спином), подобным вращению волчка вокруг своей оси. Момент любого тела или частицы равен целому числу этих минимальных моментов.

_{*) Единственное исключение — кварки, частицы, которые никогда не наблюдались в свободном состоянии, по отдельности; но и у них заряд не может быть сколь угодно малым — он не меньше (по модулю) 1/3 элементарного заряда.}

А каковы в этом смысле свойства времени? Могут ли его отрезки принимать в различных физических явлениях сколь угодно малые значения? Или время состоит из отдельных кратких мгновений, которые не допускают уже дальнейшего дробления? В первом случае время было бы подобно энергии — для его отрезков не существовало бы нижнего предела. Во втором случае оно было бы похоже на электрический заряд и каждый его отрезок состоял бы из целого числа «элементарных мгновений» — атомов времени.

Физика — наука экспериментальная, и выбор между этими двумя возможностями может сделать только эксперимент. Что же известно сейчас об этом? Эксперименты указывают на то, что никаких свойств атомарности время не обнаруживает. Это проверено вплоть до длительностей порядка 10^-27 секунд, о которых мы упоминали в самом начале главы 12. Для таких экспериментов недостаточно иметь атомные часы. Это эксперименты в области микромира и часами здесь служат сами микрочастицы (плюс приборы для регистрации частиц).

Об атомарности времени говорили и спорили еще мудрецы древности (см. главу 2). Что же касается атомарности пространства, то этот вопрос, может быть, и не имеет столь давней истории, но зато его живо обсуждали в последние десятилетия в связи с рядом острых проблем физики. В разные годы выдвигали гипотезы о некоторой минимальной или фундаментальной длине. До этой длины дробление пространственных масштабов, отрезков длины, может идти, как обычно, но на этой длине возникает нечто существенно новое. Либо деление далее вообще становится невозможным, либо начиная с этой длины и далее, к еще более мелким отрезкам, свойства пространства каким-то образом резко меняются.

В качестве фундаментальной длины предлагались по тем или иным соображениям величины 10^-13, 10^-15, 10^-18, 10^-35 метра. Судя по тому, что говорит сегодня эксперимент, первые три величины не могут уже претендовать на роль фундаментальной длины. Если такая длина и существует, то эту роль могла бы, возможно, играть наименьшая из приведенных величин. Она представляет собой числовое значение выражения, составленного из трех важнейших физических констант: скорости света в пустоте, гравитационной постоянной Ньютона и квантовой постоянной Планка. Не исключено, что и в самом деле это какое-то особое, выделенное значение длины, означающее принципиальную ограниченность тех представлений о пространстве, которые можно составить на основании современной физической науки.