Физика времени

А что могло бы означать планковское значение времени 10^-45 секунд? Мы уже говорили о нем как об одном из кандидатов на роль «атома времени». В духе космологических соображений ее нужно, вероятно, понимать как квантовую неопределенность в моменте начала расширения. Этот мельчайший отрезок времени должен тогда рассматриваться как нерасчленимый — внутри него нельзя выделить какие-то отдельные моменты, которым соответствовали бы те или иные «промежуточные» состояния Вселенной. Пусть это и не универсальный «атом времени», но это квантовая мера точности, с которой мы можем судить о времени в начальной Вселенной.

Начального нуля времени нет, нет и нуля размера. Вселенная начиналась как квантовая система, и квантовые неопределенности составляли самое существо ее исходных физических свойств. Так квантовая теория толкует смысл космологической сингулярности.

Из вакуума...

Соображения, которые мы только что изложили, не кажутся еще, пожалуй, слишком дерзкими. Гораздо дальше заходят рассуждения о самом происхождении мира. Квантовым свойствам времени (и пространства) в таких рассуждениях отводится ключевая роль. Другая исходная идея — представление о физическом вакууме.

Все физические тела погружены в вакуум, который, как стало теперь ясно, не назовешь просто пустотой. Под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни частиц, ни полей. Это состояние наименьшей возможной энергии. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения. В нем происходят, например, особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля. Но это не то поле, которое хорошо известно нам по разнообразным проявлениям; это не оно, а его, так сказать, «вакуумные корни». Эти колебания не вырываются из вакуума и не могут распространяться. Но они отчетливо проявляются в физическом эксперименте. (В частности, они влияют на взаимодействие между ядром и электронами в атоме и тем самым немного сдвигают линии в спектре излучения атома.)

Такого рода квантовые колебания есть не только у электромагнитного поля, но вообще у всех физических полей. Имеются и вакуумные колебания поля тяготения — «вакуумные корни» гравитационных волн. В эксперименте их не наблюдали, но они, несомненно, должны существовать: гравитационные волны и в этом смысле ничуть не хуже электромагнитных. Вакуумные колебания не могут распространяться, но в каждом данном месте они постоянно и нерегулярно колеблют уровень тяготения. А из-за этого, согласно обшей теории относительности, непрерывные изменения претерпевают и геометрические свойства пространства-времени. Они испытывают постоянное «дрожание». По этой причине, например, отношение длины окружности к радиусу колеблется около 2π — значения, которое оно имеет в евклидовой геометрии. Ясно, конечно, что эти колебания неуловимо малы, когда мы имеем дело с «обычными» длинами. Но чем меньше масштаб, тем эти «дрожания» геометрии заметнее. И в микромире они должны быть существенны.

То же относится и к времени. Идеально чувствительные часы, испытывая воздействие вакуумных колебаний тяготения, должны непрерывно и хаотично менять темп хода. Это означает, что и само время течет не вполне плавно. Его поток постоянно и нерегулярно колеблется, то ускоряя, то замедляя свое движение, и это происходит по-разному в разных местах и в разные моменты.

Державинское сравнение времени с рекой можно было бы продолжить и сказать, что течение в реке времен не спокойное и гладкое. По ней бегут волны; и, кроме того, река времен всегда бурлит. В обычном масштабе секунд, часов, дней это, конечно, совершенно неощутимо, но во временных масштабах микромира такое бурление времени составляет одну из важнейших его черт.

Помимо колебания полей в вакууме постоянно происходят и другие события. В нем все время рождаются и тут же исчезают частицы и античастицы. Они возникали парами: электрон с позитроном, протон с антипротоном... Вообще все возможные частицы, каждая в паре со своей античастицей, живут в вакууме своей особой беспокойной жизнью. Но они тоже — как и вакуумные колебания — не могут сами собой вырваться из него и начать независимое существование. Но если сталкиваются, скажем, два протона достаточно высокой энергии, то эти вакуумные пары частиц могут освободиться из вакуума. Тогда рождается целый «сноп» частиц, которые потом в вакууме не исчезают и живут уже независимо от него.

Все эти явления в вакууме имеют квантовую природу. Самопроизвольное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц «из ничего» возможно только потому, что закон сохранения энергии выполняется в природе не строго, а с точностью до квантовой неопределенности. Рождаясь, частицы берут у вакуума энергию взаймы. Но они обязаны вернуть ее через положенный срок, и потому они снова исчезают, превращаясь в «ничто». Чем больше заимствованная энергия, тем короче жизнь вакуумной пары. Эти процессы в микромире уже давно и подробно изучает физика элементарных частиц, причем не только теоретически, но и экспериментально.