Физика времени

Фундаментальной длине, если она существует, должен отвечать и определенный предельный промежуток времени. Если остановиться на четвертом из приведенных выше значений для длины, то соответствующий промежуток времени составит 10^-43 секунд. Его получают просто делением этой длины на скорость света.

Не окажется ли эта исключительно малая длительность атомом времени? Если да, то это означало бы, что время течет не плавно и непрерывно, а отдельными одинаковыми «толчками», как кровь в артерии. Конечно, в обычных условиях, да и в условиях микромира эти толчки времени неразличимы из-за немыслимо малой их длительности.

Скажем еще раз, что судьей здесь может быть только эксперимент. Но сейчас не видно никаких путей проверки в реальном эксперименте атомарности времени. Она могла бы проявиться в экспериментах с микрочастицами, но для этого требуются частицы невообразимо больших энергий. Чтобы составить представление об этих энергиях, нужно снова обратиться к соотношению неопределенностей. Добиться необходимой точности измерения времени, сократить неопределенность его значения до 10^-43 секунд можно лишь при энергии микрочастицы порядка 10⁹ джоулей. Но даже на самых мощных ускорителях элементарных частиц — существующих и строящихся — можно получить в лучшем случае лишь миллиардную долю этой энергии. Уже сейчас ускорители оставили далеко позади по своим размерам (и стоимости) все остальные инструменты экспериментальной физики. Но ускоритель, способный довести энергию частиц до 10⁹ джоулей, не удастся построить никогда. Для этого просто недостаточно энергетических ресурсов, которыми мы располагаем на Земле.

Не перестает ли физика быть наукой экспериментальной?

Время в самом начале

К счастью, грандиозный эксперимент со сверхвысокими энергиями произвела для нас сама природа. Это космологическое расширение. Изучая Вселенную, самую большую физическую систему, мы можем, по-видимому, узнать о том, как протекают физические явления в очень малых временных и пространственных масштабах. Ведь сама Вселенная была когда-то всего лишь... точкой.

Мы рассказывали в главе 10 о космологической теории Фридмана, которая предсказала общую нестационарность Вселенной. Эта теория описывает нынешнее состояние космологического расширения, восстанавливает для нас прошлое Вселенной, указывает направление ее развития в будущем. Самый удивительный из выводов космологии касается ранней истории Вселенной. В далеком прошлом все вещество Вселенной было сжато до исключительно высоких плотностей. С помощью теории Фридмана можно, мысленно двигаясь назад по времени, проследить состояния все больших и больших плотностей. И зайдя достаточно далеко в прошлое, приблизительно на 15—18 миллиардов лет, мы обнаруживаем, что плотность достигает неограниченно большого, бесконечного значения. Бесконечной плотности соответствует объем, равный нулю. Значит, в этот момент вся Вселенная была сжата в точку. Это состояние космологической сингулярности.

Но можно ли применять теорию Фридмана непосредственно вблизи сингулярности и в ней самой? Ведь эта теория, как и общая теория относительности, из которой она исходит, не учитывает законов квантовой физики. Квантовые эффекты и в самом деле слишком малы, и ими вполне можно пренебречь, когда рассматривается современное разбегание галактик. Они пренебрежимы и для прошлого Вселенной — во все 15 или 18 миллиардов лет, но кроме самых первых мгновений расширения мира. В эти начальные моменты развитие Вселенной управлялось квантовыми законами.

В самом начале расширения увеличение расстояний между частицами космологической среды происходило очень быстро. Это сейчас расстояния между галактиками удваиваются за 15—18 миллиардов лет. А тогда удвоение расстояний происходило за неизмеримо меньшие времена. Собственно, и сейчас и в прошлом удвоение расстояний требует времени, сравнимого с текущим возрастом Вселенной — то есть с временем, протекшим от исходной сингулярности до данной эпохи. Так что расстояния, да и вообще все физические условия в расширяющемся мире, изменяются тем быстрее, чем ближе данный момент времени к сингулярности. Говоря математически, время, характеризующее темп расширения, стремится к нулю при приближении к сингулярности.

Выходит, что вблизи сингулярности счет времени идет уже не на астрономические единицы, а на кратчайшие мгновения, характерные для микромира. Отсюда и важность квантовых эффектов, их ведущая роль в самом начале расширения.