Для чего Ничего?

Эта тема, волнующая умы философов и ученых около двух с половиной тысячелетий, получила исключительно плодотворное развитие в уходящем веке. Природа, как выяснилось, терпит пустоту, но как! Мистические черты вакуума, всеобъемлющего бездонного Ничего, неожиданно начали материализоваться. Словно в «Черном квадрате» Малевича пристальный взгляд исследователя нащупал сперва некие образы, а затем обнаружил недоступные неискушенному взору, но наполненные жизнью и энергией структуры. Из разряда бесплотных категорий вакуум переместился в стан физически изучаемых объектов. Более того, идея его практического использования, а именно получения из него энергии, со страниц фантастических произведений постепенно перекочевала в научные издания. Что стоит за этим?

Мы не раз обсуждали проблемы вакуума, посвящали ему материалы и в недавней рубрике «Предчувствие „большого слома“», подводящей научные итоги XX столетия. Однако неисчерпанность связанных с ним сюжетов побуждает вновь возвращаться к теме.

В том числе потому, что, как и в предлагаемых сегодня вашему вниманию статьях, по отношению к вакууму рождается невольная оппозиция.

Доберется ли до разгадок его тайн нынешняя наука, развивая изнутри собственные представления, производя своеобразную «зачистку» уже освоенной территории? Или ей потребуется встряска, устраиваемая не скованными современной научной парадигмой исследователями? Ответы на эти вопросы не столь однозначны, как может показаться.

Во всяком случае, история науки не содержит категоричных «да» или «нет». Но об этом — в самом конце «Темы номера».

 

Владимир Барашенков, Эдвард Капусцик

У шестого знака после запятой…

В последние десятилетия физика стремительно раздвигала границы доступного нам мира. Огромные оптические и радиотелескопы позволили рассмотреть фантастически далекие объекты, свет которых идет к нам миллиарды лет, мощные ускорители вбивают свои «микроснаряды» глубоко внутрь атомных ядер, зондируя области, в миллиард раз меньшие, чем размеры атомов. Вместе с тем продвижение вдаль и вглубь становится все более трудным и очень дорогим. Экспериментальные установки стоят теперь миллиарды долларов, на их строительство уходят годы.

В то же время в давно пройденных областях, если внимательно присмотреться, можно обнаружить удивительные вещи. Часть их была просто пропущена в стремительном беге физики, а другие становятся видимыми благодаря новым, более точным способам наблюдений. Наиболее впечатляющие достижения последних лет получены как раз в, казалось бы, давно «пропаханных» областях, лежащих далеко от переднего фронта микро- и космофизики. Не зря говорят, что новые открытия часто прячутся возле последнего измеренного, «шестого» знака после запятой! О нескольких таких открытиях, сделанных в «глубоком тылу» физической науки, мы и расскажем.

Загадки скрещенных токов

В конце прошлого века молодой американский студент-физик Эдвин Холл сделал открытие, вписавшее его имя в учебники физики. Он проводил простой, «студенческий» опыт — изучал распространение тока в тонкой металлической пластинке, помещенной между полюсами сильного электромагнита. Студенты всех университетов проходят лабораторную практику, где на простых примерах их обучают мастерству эксперимента. Так было и в этот раз. Скромный студент и предполагать не мог, что его простенький опыт породит целую лавину исследований, часть которых будет отмечена самой почетной научной наградой — Нобелевской премией.

Прибор, с которым работал Холл, состоял из двух крест-накрест расположенных электрических цепей — так перевязывают ленточкой коробки с конфетами. Цепи различались тем, что одна из них содержала электрическую батарею и ток от нее проходил вдоль пластинки, другая, поперечная, не имела источников тока и просто соединяла края пластины.

Как и следовало ожидать, в случае, когда электромагнит был выключен, приборы фиксировали течение тока лишь вдоль пластины — в цепи с батареей — и его отсутствие в «пустой» поперечной цепи. Ничего удивительного. Однако, как только включался электромагнит, в поперечной цепи как бы из ничего, сам по себе возникал электрический ток. Это было интересно, но никакого чуда тут не было — объяснение нашлось довольно быстро. На движущиеся в продольной цепи электроны действует хорошо известная еще из школьного учебника сила Лоренца, отклоняющая электроны в поперечном направлении, что и порождало небольшой ток в поперечной цепи — все элементарно просто.

Более полувека, полузабытое, это явление оставалось в тылу физической науки. Откопали его в архивах специалисты по микроэлектронике. Сначала выяснилось, что если грубые измерительные приборы времен Холла заменить на современные, то открытое им явление можно использовать для подсчета числа заряженных частиц, движение которых порождает электрический ток, а это очень важно для конструкторов малошумящих транзисторов и других высокочувствительных микроэлектронных устройств, работающих с очень слабыми токами и магнитными полями. Эффект Холла стали тщательно изучать, не жалея усилий на повышение точности. Третий, четвертый, пятый десятичный знак на шкалах измерительных приборов… И вот тут стали проявляться удивительные, на первый взгляд просто невероятные явления.

Первый поразительный результат был получен двадцать лет назад, в конце семидесятых годов, в опытах с полупроводниковыми цепями в сильном магнитном поле при очень низких температурах, всего на несколько градусов отстоящих от «абсолютного нуля» -273 градуса по Цельсию, когда вещество промерзает настолько, что прекращаются, застывают все молекулярные движения. Так вот, если при обычных температурах, близких к комнатной, электрическое сопротивление в цепи с «холловским током» плавно нарастает при увеличении магнитного поля, то вблизи температурного нуля оно почему-то изменяется скачками — как будто гладкая дорожка, по которой движутся частицы тока, вдруг сменяется изрытой глубокими ухабами мостовой. Плавные кривые, которые выписывали самописцы приборов, сменяются прерывисто «лестницей», высота ступеней которой была равна некоторой постоянной, деленной на целые числа n = 1, 2, 3 и так далее.

И что еще удивительнее — на каждой ступени сопротивление в продольной цепи тока падает до нуля, то есть для продольного тока вещество становится сверхпроводником — электроны катятся без всякого сопротивления, а вот на стыках, при переходе от одной ступени к другой, сопротивление резко подскакивает и сверхпроводимость мгновенно исчезает. Все это выглядело какой-то путаницей — как говорится, все смешалось в доме Облонских!

Чем объяснить столь странное поведение скрещенных токов? Почему они ведут себя совершенно по-разному? Электродинамика оказалась бессильной перец этой загадкой… Мы привыкли к тому, что загадочные явления встречаются в сложнейших экспериментах с элементарными частицами или глубоко в космосе, когда дело касается черных дыр, взрывающихся галактик и других поражающих наше воображение объектов, а тут — всего лишь опыты с сопротивлением и токами. Вдоль и поперек исхоженная область и — на тебе!

Заквантовый этаж мироздания?

Впрочем, нечто подобное уже случалось — на рубеже XIX и XX веков, когда открытие скачкообразных атомных явлений взорвало стройное, казавшееся близким к завершению здание физической теории. А ведь тогда все началось тоже в глубоком тылу — с попыток объяснить излучение нагретого тела, что было важно для измерения температуры металлургических печей. Не стоим ли мы теперь на пороге какого-то еще более глубокого этажа природы? Не стоит забывать, что современная физика построена на фундаменте гипотезы об особой глубинной, всепроникающей среде, которую называют физическим вакуумом, но пока совершенно не понимают его сущности.

Мысль о том, что в эффекте Холла мы соприкасаемся с вакуумным этажом природы, подсказывают и результаты квантовых расчетов, которые, несмотря на все усилия физиков, дают лишь частичное и весьма приближенное объяснение наблюдаемым явлениям — подобно тому, как неквантовая физика ценой дополнительных гипотез когда-то тоже объясняла некоторые атомные закономерности.

Многое говорит о том, что в полупроводниках холловские токи текут по очень тонкому слою на границе двух разнородных материалов, входящих в состав полупроводника. Он-то и отвечает за их аномальное, скачкообразное поведение. Для перемещающихся по этому слою электронов одно из трех пространственных измерений (толщина слоя) сжимается почти до нуля, и, как это всегда бывает на малых расстояниях, тут в игру вступают квантовые законы.

Опыт Холла с пластинкой и перпендикулярным магнитным полем

Сплошная кривая — электрическое сопротивление в поперечной цепи.

Пунктир — сопротивление в продольной цепи, содержащей электрическую батарею

Два электромагнитных импульса бегут по путям равной длины Тот, что преодолевает поглощающий «барьер», проходит путь быстрее

На этих расстояниях радиус кривизны в силу появляющихся теперь квантовых законов принимает лишь некоторые вполне определенные, дискретные значения — как радиусы электронных орбит в атомах. На каждой из них квантовые законы (так называемый принцип Паули) разрешают находиться только ограниченному числу электронов. Лишним приходится занять следующую, более широкую траекторию, если, конечно, электромагнитное поле достаточно сильное, чтобы их удержать там. Наблюдаемое в опытах ступенчатое изменение электрического сопротивления холловскому току как раз и соответствует набору таких орбит-траекторий.

Если продолжить аналогию с орбитами атомов, то можно представить себе, что, подобно атомарным электронам, переносчики тока в опытах с низкотемпературным эффектом Холла движутся по круговым траекториям, не теряя энергии, то есть вещество становится для них сверхпроводником. Потери на нагревание вещества с резким возрастанием электрического сопротивления происходят лишь при тех значениях магнитного поля, которые соответствуют узким промежуточным интервалам. Это как раз и есть те дорожные ухабы, о которых говорилось выше. Ступенчатое сопротивление токи встречают лишь в поперечной цепи, где их траектории смещаются усилиями внешнего поля, а в продольном направлении напряжение включенной батареи, как ветер, гонит петли круговых токов по цепи.

У читателя, возможно, возникло уже немало «как» и «почему». К сожалению, пока для них нет полного ответа. Возможно, его удастся найти где-нибудь в квантовой теории — там еще много потаенных уголков, куда не заглядывали физики, — но скорее всего для этого потребуется новая теория внутривакуумных процессов. О том, что это так, говорят и другие удивительные результаты опытов с токами Холла.

Дробные заряды?

Еще один сюрприз ожидал физиков при дальнейшем понижении температуры и использовании еще более сильных магнитных полей. Как говорилось, лестница сопротивлений холловскому току определяется набором целых чисел — ее низкие ступени соответствуют широким орбитам с большим числом планет-электронов, удерживаемых не очень сильным магнитным полем. Самая высокая ступенька согласуется с самой сжатой круговой траекторией с одним электроном. И это — все, более высоких ступеней быть не должно. Дальнейшее увеличение магнитного поля лишь расширяет ступеньку, превращает ее в длинную площадку. Если верна описанная в предыдущем разделе модель, ничего другого и быть не может.

Можно представить себе удивление физиков, когда за самой высокой и широкой ступенькой вдруг обнаружилась еще одна, отвечающая дробному числу 1/3! Неужели наконец-то удалось обнаружить присутствие в веществе дробно-заряженных кварков, за которыми уже несколько десятилетий охотятся во всех странах?!

Однако от этого взволновавшего всех физиков вывода (благодаря Интернету новости теперь распространяются мгновенно) вскоре пришлось отказаться. Дальнейшие эксперименты обнаружили между целочисленными ступеньками множество дробных, соответствующих не только кварковому заряду 1/3, но и другим комбинациям целых чисел: 2/5, 3/7, 7/5 и так далее. Трудно предполагать, что в природе существует так много неизвестных нам ранее и ничем не проявлявших себя элементарных частиц.

Объяснение, правда, опять неполное, использующее ряд гипотез, удалось получить путем усложнения картины двумерных токов. Квантовые законы действительно разбрасывают электроны по разным траекториям, не позволяя им собраться вместе и сконденсироваться, подобно молекулам воды, в «электронную жидкость». Такой запрет распространяется на все частицы с полуцелыми значениями спинов — на электроны и позитроны, протоны и нейтроны, нейтрино и тому подобное. Вместе с тем частицы с целочисленными спинами могут конденсироваться в жидкость. Например, атомы водорода, в которых полуцелые спины протона и электрона, складываясь, образуют целочисленный спин, равный нулю или единице. Электронный газ внутри вещества тоже может образовать жидкий конденсат, если электроны объединятся в пары — так происходит при низких температурах, когда образуется текущая без сопротивления жидкость «слипшихся» электронных пар и мы имеем дело со сверхпроводимостью.

Почему природа наложила столь строгое ограничение на частицы с полуцелым спином — это пока остается для нас загадкой. Но как бы там ни было, сегодня это — твердо установленный экспериментальный факт.

Так вот, квантовые расчеты убеждают в том, что при определенных условиях электроны способны образовать еще несколько типов сверхтекучих жидкостей. Это может происходить в магнитных полях при низких температурах, когда частица с целочисленным спином возникает благодаря объединению электрона с несколькими квантами магнитного поля.

В таких жидкостях могут возникать и распространяться волны — подобно тому, как в обычных жидкостях возбуждаются и бегут волны звука. С точки зрения квантовой механики, свет, звук и вообще любое волновое движение — это поток квантов, минимальных порций энергии, во многих отношениях ведущих себя как частицы. Это относится и к волнам в электрон-магнитных жидкостях. Замечательной особенностью их квантов является то, что те ведут себя как частицы с дробными электрическими зарядами. Они-то и проявляются в опытах со скрещенными токами.

Значение открытия нового вида материи — квантовых жидкостей различных типов — выходит далеко за рамки эффекта Холла. Это только одно из их проявлений. К тому же квантовую жидкость лишь приближенно можно «оторвать» от «жидкостей» многообразных виртуальных конгломератов, из которых состоит вакуум. Влияние связей с вакуумными жидкостями должно проявиться в более тонких «холловских эффектах». Не зря в решении Нобелевского комитета о присуждении премии за исследования эффекта Холла подчеркивается, что их результаты открывают пути для принципиально новых физических концепций.

Непустая пустота

И вправду, в природе, пожалуй, нет ничего более таинственного и противоречивого, чем вакуум. Мы уже давно отказались от мысли, что это — всего лишь абсолютная, ничего не содержащая пустота. Наоборот, и теория, и опыт убеждают нас в том, что вакуум — одна из разновидностей материи, пульсирующая подобно живой ткани, со сложнейшим метаболизмом глубинных процессов и огромными запасами скрытой в его недрах энергии. И вместе с тем — материя неощутимая, внешне неизменная, не оказывающая никакого сопротивления движению тел — бесплотное ничто! Можно думать, что именно тут, в свойствах вакуума, таятся ответы на вопрос, почему наш мир таков, каким мы его видим, — с известной нам, а не какой-то иной скоростью света, с наблюдаемыми значениями зарядов и масс частиц.

Гипотеза о том, что вакуум представляет собой нечто вроде квантовой жидкости — сверхтекучей, несжимаемой, как все известные нам ее типы, и потому не мешающей движению погруженных в нее тел, — имеет немало сторонников. Не исключено, что вызывающие наше удивление дробнозаряженные кварки — всего лишь кванты вакуумных волн, и весь наш мир — всего только сложное, многоэтажное возбуждение его вакуумной первоосновы? Вспомним описанный в знаменитом романе С. Лема океан Солярис. Он вскипал и лепил из своей пены сложные объекты. Вполне возможно, что наш мир — тоже что-то вроде заполняющего все пространство кипящего и застывающего в различных формах океана вакуумной пены и жилкисти.

Несмотря на фантастичность подобной картины, в ней много разумного. В свойствах конденсированных сред — жидкостей и твердых тел — действительно прослеживается много общего со свойствами вакуумной среды. Например, под действием электромагнитны]; сил вакуум поляризуется — изменяется вдоль направления поля. Это сказывается на свойствах атомов и проявляется в опытах. Гипотеза о существовании вакуумных частиц хигссонов, нужных для того, чтобы свести концы с концами в физике элементарных частиц, пришла из теории сверхпроводимости… И, наверное, совсем не случайно, что математический аппарат, используемый для описания связанных с вакуумом процессов, удивительно похож на тот, что применяется для расчетов свойств диэлектриков и металлов. А ведь, как это доказывает история физической науки, уравнения часто «видят» то, что еше долго остается скрытым от глаз их создателей.

Нужно сказать, что идея построить мир из невидимого «вакуумного вещества» не нова. Первым ее высказал английский физик Поль Дирак. Он предложил считать пространство целиком заполненным электронами, а дырки в этой отрицательно заряженной среде рассматривать как положительно заряженные частицы. Такая картина, дополненная отрицательно заряженными антипротонами, положительными протонами и другими обнаруженными в опытах частицами, была нужна ему для интерпретации выведенного им уравнения и долгое время использовалась физиками. Однако она слишком упрощена и не учитывает взаимодействий вакуумных частиц. Образно говоря, это — картина «мертвой» среды, состоящей из отдельных несвязанных между собой «бусинок».

Интересную гипотезу о свойствах вакуумной среды высказал недавно американский физик Винтерберг. Обычно считается, что нерелятивистская физика — механика Ньютона, закон Кулона и так далее — является частным случаем более «глубокой», релятивистской, когда скорости тел много меньше скорости света. Винтерберг заметил, что в некоторых случаях, наоборот, более глубокими могут быть нерелятивисгские законы, приобретающие релятивистский вид, когда взаимодействующих частиц становится так много, что их уже можно рассматривать как непрерывную среду. Например, атомы и молекулы, из которых состоят окружающие нас твердые тела и жидкости, движутся медленно, а вот возникающая в результате их коллективных взаимодействий звуковая волна описывается уравнением, имеющим в точности такую же релятивистскую форму, как для световых волн. Согласно гипотезе Винтерберга, таким же образом и в вакуумной среде, состоящей из каких-то еще неизвестных нам медленно движущихся частиц, возникают волны «вакуумного звука» — света.

Твердые тела и жидкости бывают разными, поэтому и скорость звука в них разная, в то время как вакуум везде одинаков — и это объясняет загадку, почему скорость света всегда одна и та же и больше всех других. Из расчетов Винтерберга также следует, что при определенных условиях элементарные частицы можно рассматривать как «обертоны» вакуумных волн. Правда, его теория еще весьма несовершенна и содержит множество дополнительных предложений. Пока это только одна из моделей, подсказывающих, как может быть устроен фундамент нашего мира.

Опыт создания самых «крутых» теорий последнего столетия — квантовой механики, общей и специальной теории относительности — говорит о том, что для рождения свежих идей весьма полезно покопаться возле «шестого знака» уже известных истин.

Несмотря на их принципиальную важность, в специальной физической литературе почти нет работ по теории вакуума Профессионалы-физики отдают себе отчет в том, что для этого нужны какие-то принципиально новые идеи. Вместе с тем это излюбленная тема любителей физики, эксплуатирующих противоречивые, «взятые с потолка» гипотезы, которые никак нельзя назвать размышлениями возле шестого знака после запятой…

Быстрый и медленный свет

Распространение электромагнитных волн, казалось бы, заурядная и тоже вдоль и поперек изученная область. Однако и тут, если быть внимательным, удается найти удивительные явления, чреватые важными последствиями.

Эксперименты говорят о том, что скорость света в вакууме — 300 тысяч километров в секунду — самая большая из всех встречающихся в природе. Многочисленные попытки построить теорию со сверхсветовыми скоростями неизменно приводили к противоречиям — временной порядок событий, связанных сверхсветовым сигналом, зависит от того, как на эти события посмотреть. Например, если наблюдатель, стоящий рядом с охотником, фиксирует сначала выстрел и затем его результат — падающую со столба ворону, то пассажиры проезжающего мимо автобуса увидят все в обратном порядке — сначала гибель вороны и только потом услышат выстрел. Сверхсветовой пулей можно выстрелить в прошлое и убить самого себя еще в колыбели… Все это убеждает нас в невозможности передавать энергию со сверхсветовой скоростью. Тем более удивительны результаты опытов, выполненных водной американской и трех европейских лабораториях.

Электромагнитные сигналы передавались двумя путями — один сигнал (контрольный) непосредственно от источника к детектору, а на пути второго устанавливался поглотитель. Длина путей была в точности одинаковой. Оказалось, что часть сигнала, которая смогла пробиться сквозь поглотитель, всякий раз приходит к детектору с опережением. Ее скорость внутри поглотителя значительно превосходила световую. В экспериментах немецких физиков различие достигало почти полтора миллиона километров в секунду — скорость сигнала была в 4,7 раз больше скорости света в вакууме!

В чем тут дело, остается неясным. Споры вокруг «сверхбыстрого света» продолжаются уже несколько лет.

А недавно был обнаружен «сверхмедленный свет». О том, что в веществе свет движется медленнее, чем в пустоте, написано в любом учебнике физики. Многократно перерассеиваясь на атомах, он замедляется! Чем больше коэффициент преломления, тем замедление заметнее. В некоторых веществах скорость света уменьшается в несколько раз.

А можно ли замедлить свет до скорости пешехода? Казалось бы — нет, поскольку с увеличением рассеяния резко возрастает поглощение света и вещество с большим показателем преломления становится непрозрачным И, тем не менее, недавно группе американских физиков удалось замедлить свет до 17 метров в секунду, то есть до скорости велосипедиста, и есть возможность затормозить бег световых импульсов еще в несколько раз.

Природа оказалась неисчерпаемой не только вширь, но и вглубь, и за последним измеренным знаком нас ждет еще много удивительного…

Вещество — из света

В лаборатории Стэнфордского университета на знаменитом ускорителе удалось получить вещество из свет? го бишь буквально из ничего. Действовать наоборот, то есть превращать вещество в энергию, ученые наловчились еще в тридцатые годы, сумев расщепить атом. В наши дни эта операция стала рутинной процедурой на АЭС. Теперь же в эксперименте, проведенном в Калифорнии, физики в лабораторных условиях сумели смоделировать принципы, по которым протекал Большой взрыв. Для этого они придумали изощренную схему соударения частиц. Благодаря ей энергия нарастала лавинообразно.

Вот как протекал эксперимент. Лазер мощностью 1000 миллиардов ватт направил световой луч на участок площадью всего в одну миллиардную долю квадратного сантиметра. Импульс длился лишь триллионную долю секунды. Плотность энергии была такова, что в этот миг ее хватило бы на то, чтобы покрыть потребность в электроэнергии на всей территории Северной Америки. И вот этот мощный лазерный луч столкнулся с электронным лучом, летевшим почти со световой скоростью, — его генерировал ускоритель.

С чем сравнить их столкновение? Представьте себе: шарик для игры в настольный теннис вдруг попадает в грузовик, мчащийся на него. Итак, удар, катаклизм, катастрофа. Испущенный лазером фотон тут же превратился в высоко заряженный гамма-квант. При следующем соударении с лазерными фотонами эта частица получила новый энергетический импульс и породила электрон-позитронную пару, то есть превратилась в вещество. Оно родилось из света, а значит — буквально из ничего.

Когда пустота поигрывает предметами

Вакуум — воплощенная пустота — буквально пронизан жизнью, он «бурлит». В нем рождаются и исчезают виртуальные частицы. Никто не может их уловить, зарегистрировать их появление. Даже при температуре, равной абсолютному нулю, когда прекращается всякое тепловое излучение, пустое пространство все еще заполнено квантовыми флуктуациями — так называемым нулевым излучением.

Долгое время виртуальные частицы были неуловимы для наблюдения, оставаясь лишь предметом теоретических штудий. Правда, еще в 1948 году нидерландские физики Хендрик Казимир, получивший позднее Нобелевскую премию, и Дик Полдер предложили схему эксперимента, который мог бы выявить присутствие этих частиц.

Итак, если в вакууме расположить параллельно друг другу два зеркала, сведя расстояние между ними к крохотной доле миллиметра, то возникнет слабая электромагнитная сила, которая будет слегка притягивать их. Причиной этого эффекта может быть лишь «бурление» вакуума.

Согласно принципу дополнительности, сформулированному Нильсом Бором, элементарные частицы одновременно имеют и волновую природу. Поэтому в зазоре, разделяющем оба зеркала, могут появляться лишь фотоны, чья длина волны кратна величине зазора. Все остальные фотоны оттуда исчезают. Наоборот, с наружной стороны зеркал могут возникать фотоны с любой длиной волны. Значит, там гораздо больше виртуальных частиц. За счет их избытка начинает действовать небольшая сила, которая и прижимает зеркала друг к другу, «поигрывает ими».

Лишь к концу XX века в Лос-Аламосской лаборатории сумели точнейшим образом подтвердить «эффект Казимира». Правда, пришлось изменить саму схему эксперимента. Было очень трудно расположить параллельно два зеркала, расстояние между которыми не превышало тысячной доли миллиметра. Поэтому их заменили на шар и пластину изготовленные из кварца и покрытые позолотой. С помощью крутильных весов измерялась индуцированная электромагнитная сила, действовавшая между шаром и пластиной. Когда эти предметы разделяло расстояние всего в 0,75 микрометра, величина возникавшей силы равнялась примерно миллиардной доле ньютона, причем погрешность измерения достигала всего пяти процентов.

 

Кип Торн

Тайные тропы Вселенной

Американский физик Кип Торн задался вопросом: а нельзя ли по пространственно-временным туннелям проникать в отдаленные районы космического пространства или даже в другие вселенные? Благодаря им, «червоточинам» мироздания, можно перехитрить законы природы и миновать барьер световой скорости. Разумеется, чтобы пуститься в межзвездный полет, надо выполнить ряд условий, иначе экспедиция не удастся. Торн сформулировал их так.

— Во-первых, не всякая «червоточина» годится для путешествий. Вы же не рискнете переходить реку по тонкому льду и не отправитесь в горы, коша ожидают схода лавин. Вот и космический туннель должен быть стабильным объектом. Что станет со звездолетом, если туннель неожиданно сомкнется?

— Путешествие сквозь подобный туннель не должно длиться более года.

— Туннель должен пребывать в допустимом времени и пространстве. Он не может поглощать бесконечно большие количества материи и энергии.

Путешествие во времени с помощью «червоточины»

— Гравитационные силы следует свести к минимуму.

Кип Торн и его помощник Майкл Моррис нашли простое и элегантное решение уравнений Эйнштейна. Оно описывает «песочные часы» с двумя сплющенными чашами и узким коридором, соединяющим их. Позднее американский ученый Мэтт Виссер и другие исследователи показали, что во Вселенной могли бы существовать «червоточины» иного рода. К примеру, модель Виссера представляет собой угловатую катушку (разумеется, четырехмерную) с прямоугольным коридором: космические корабли могли бы передвигаться по нему гораздо увереннее, чем по туннелю, связывающему две половинки песочных часов.

Все сказанное звучит довольно сумасбродно даже для прожженных фантазеров от науки. «„Червоточины“ — это спекулятивная физика, — подчеркивает Виссер. — Нет никаких конкретных признаков того, что они существуют. Однако само понятие „червоточина“ расширяет пределы привычной нам науки, не требуя пересмотра ее принципов или создания новых фундаментальных теорий». И это обнадеживает некоторых ученых.

Сам Виссер рекомендует заниматься «физикой червоточин» наиболее увлеченным наукой студентам, дабы они могли поупражняться с математическим аппаратом теории относительности. В любом случае «червоточины» дают специалистам великолепный шанс испытать пределы применения теории Эйнштейна.

Машины времени полетят сквозь изъяны пространства?

«Цивилизация, достигшая бесконечно высокого уровня развития, могла бы превратить „червоточину“ в настоящую машину времени» — рассуждает американский физик Кип Торн.

Вот пример: путешествуя по галактике, космонавт наткнулся на небольшую «червоточину». На входе в нее он оставляет своего напарника (для вящего эффекта скажем, что это его брат-близнец). Теперь, взяв на буксир другой конец «червоточины», он унесется прочь почти со световой скоростью. Через некоторое время он остановится и повернет назад, туда, где его брат ожидает окончания эксперимента. И тут выяснится, что пока наш герой маневрировап в космосе (это заняло совсем немного времени!), его брат изнемог от ожидания. Для него прошло, быть может, несколько десятилетий! Наш же герой ничуть даже не состарился.

С. Хоукинг

«Червоточина» по К. Торну: «песочные часы»

Подобный мысленный эксперимент основан на «парадоксе близнецов», придуманном Эйнштейном. Согласно ему, если один из братьев остается на Земле, а другой, усевшись в космический корабль, уносится с огромной скоростью прочь, то время для него течет медленнее, чем для того, кто остался ждать. Благодаря «червоточине» этот парадокс к общей радости разрешается. Состарившемуся братцу достаточно потерпеть, пока его единокровный родственник не примчится назад и не привезет с собой другой конец «червоточины». Теперь, стоит юркнуть туда, можно попасть в свое прошлое. Миновав этот туннель, обретаешь давно исчезнувший мир и самого себя, только молодого, такого, каким ты был в ту пору, когда твой брат отправился в путешествие.

Есть лишь одно ограничение. Путешествуя в прошлое подобным образом, можно добраться лишь до того момента, когда эту «червоточину» впервые использовали как машину времени. Проникнуть куда-нибудь дальше и стать очевидцем «времен очаковских и покоренья Крыма» нельзя. Зато в другую сторону дорога открыта: омоложенный брат-близнец, заглянув в неподвижный люк этого космического туннеля, мог бы катапультироваться в будушее.

«Смеем надеяться, что когда-нибудь, при соответствующем развитии науки и техники, людям удастся построить машину времени, — обмолвился как-то знаменитый английский физик Стивен Хоукинг, выступая с лекцией в Кембриджском университете. — Но если это так, почему до сих пор никто никогда не прилетал к нам из будущего, дабы поведать, как там идут дела? Быть может, на то есть свои разумные причины; и пока мы находимся на нашей нынешней, примитивной стадии развития, тайна путешествия во времени должна быть скрыта от нас».

 

Александр Семенов

Норы в пространстве и энергия из ничего…

В Льюисовском исследовательском центре американского космического агентства НАСА неподалеку от международного аэропорта города Кливленда работает инженер Марк Миллис. Ничего выдающегося в своей жизни он еще не совершил, поэтому офис делит с двумя своими коллегами. Самое интересное — это его хобби: изготовление моделей летательных аппаратов из подручных средств. Причем влекут его не прошлые и настоящие самолеты, а фантастические «птицы» будущего. Над его рабочим столом покачивается космический корабль пришельцев из XXXI века, сделанный из чайных ложечек, скрепок и кое-какой рождественской мишуры. А вот космолет для путешествия на Марс в 2060 году изготовлен из йогуртовых баночек.

До 1996 года творениями Миллиса интересовались только издатели американского журнала по моделированию. Но тогда руководство НАСА поручило ему разработать программу поисков совершенно новых методов космического ускорения. Цель ее — перейти к межзвездным перелетам. Страничка Миллиса в Интернете открывается интригующим заголовком: «Нуль транспортировка… Когда?»

И эти слова — не пустые фантазии модельера-любителя. Уже есть физики-теоретики, вплотную занимающиеся подобными проблемами. Мигель Апькубиерре недавно опубликовал статью, где показал, что искривление пространства и путешествие через него со скоростью выше скорости света вполне возможно в рамках современной общей теории относительности. А Кип Торн из Калифорнийского технологического института давно разрабатывает идею туннелей или норок сквозь пространство-время. Параллельно во многих лабораториях по всему миру идут исследования свойств вакуума и обдумываются пути извлечения из него энергии.

Три года назад Миллис собрал всех поклонников подобных фантазий на первый семинар новых методов ускорения. Четырнадцать уважаемых американских физиков и инженеров подготовили для него свои доклады. Среди них были известные теоретики Аркадий Хейфец и Раймонд Чао и популярные журналисты и фантасты Роберт Форвард и Фрэнк Типлер. Лоуренс Краус и Питер Миллиони из Лос-Аламоса резко возражали против нечеткости целей семинара и требовали ограничить его тематику более конкретными задачами, но так или иначе первый шаг был сделан. Годом позже в городе Хантсвилле штата Алабама прошел второй семинар на тему «Физика для третьего тысячелетия», и в нем уже приняли участие около сотни энтузиастов.

Пусть противники подобных фантастических идей протестуют, но приятно сознавать, что есть еще среди рода человеческого горячие головы, рвущиеся к другим звездам. Давно пора этой тематике перекочевывать со страниц фантастических сборников в рабочие журналы лабораторий. Проблема особенно обострилась в последние годы, когда поразительные космические успехи НАСА (благодаря телескопу Хаббла и космическим зондам к Юпитеру и Марсу) невероятно расширили наши знания о Вселенной.

Чем больше мы узнаем о наших ближайших соседях, тем более удивительные картины нам открываются. Похоже, что вторая по близости к Солнцу звезда Барнарда имеет собственную планетарную систему — как минимум две планеты размером с пол-Юпитера. При этом по космическим масштабам звезда совсем рядышком с нами — всего-навсего шесть световых лет. Ну а по земным?..

Если построить космический корабль, в пятьдесят раз более быстроходный, чем самый быстрый из тех, что бороздили космические просторы (семидесяти тысяч километров в час достиг американский зонд «Вояджер», покидая Солнечную систему), то до звезды Барнарда он долетит за две с лишним тысячи лет. Долго…

Вопросы, которые задавал Саган

В своей книге «Черные дыры и искривление времени» блестящий физик-теоретик Кип Торн вспоминает вопросы, которые они обсуждали с астрономом Карлом Саганом, когда тот писал новеллу «Контакт» о путешествии к созвездию Веги. Саган тогда любил рассуждать на тему, какие вещи законы физики позволяют делать бесконечно развитой цивилизации, а какие запрещают? Под «бесконечно развитой» имеется в виду цивилизация, для которой достижимы любые количества энергии и любые изобретения.

Вообще-то ученые не любят обсуждать подобные темы, боясь показаться смешными своим коллегам. Но втайне многие с удовольствием размышляют о них. Именно также, доклады и бывают представлены на семинарах Миллиса. То, чему категорически закрыт доступ на страницы научных журналов и отчетов, здесь выплескивается безудержной игрой фантазии.

Пятьдесят лет назад в лаборатории Белла был изобретен транзистор. Благодаря этому крошечному всемогущему устройству мы сегодня говорим по сотовым телефонам и носим в портфелях компьютеры, которые должны были бы занимать дома и даже целые кварталы. Миллис с коллегами пытаются устроить такую же революцию в методах ускорения. Вот три цели, сформулированные ими в надежде добраться до звезд.

Первая — найти способ летать и не тащить с собой огромное количество горючего. Это означает, что необходимо открыть принципиально новые пути движения, возможно, манипулируя самим пространством-временем. Вторая — двигаться с максимальной скоростью, то есть со скоростью света или даже выше. Третья — отыскать новые методы выработки энергии, чтобы достичь мощностей, способных решить две первые задачи. Все три пункта выглядят абсолютно нереальными, причем второй — наиболее нереальным из всех трех.

Вперед и вверх сквозь законы

Триста тысяч километров в секунду — весь прошедший век скорость света была Святым Граалем космических кораблей научной фантастики. Можно было достичь любых высот социального устройства и технической мысли, но не скорости света, Это категорически запрещает теория Эйнштейна Великий теоретик понял в начале века, что скорость света всегда и везде постоянна. И как только мы начинаем приближаться к ней, время начинает замедляться, а пространство — менять свои свойства. Можно считать подобный запрет несправедливостью, но если мы кладем теорию Эйнштейна в основу нашего мировоззрения, от него никуда не деться. Это закон, общий для всей Вселенной; даже в самых дальних ее уголках, доступных нашему взору, он выполняется.

Подтверждаются и предсказания Эйнштейна о том, что с ростом скорости тела увеличивается его масса. Это проверено на ускорителях элементарных частиц. Итак, если предположить, что вам удалось достигнуть скорости света, то ваше время остановится, а масса станет бесконечной.

Но так было бы в том случае, если бы существовала только специальная теория относительности Эйнштейна. Однако он создал еше и общую теорию относительности, которая описывает саму геометрию пространства-времени. Не так давно теоретики обнаружили, что в этом самом пространстве-времени могут возникать некие норки или дырки, через которые вполне может пробраться небольшой космический корабль.

До сих пор наука изучала, как искривляется пространство-время вблизи больших масс, — это, так сказать, пассивная позиция. А Миллис с коллегами — сторонники активности, они планируют искривлять пространство-время по своему желанию. Например, доклад Мигеля Алькубиерре на семинаре был озаглавлен так: «Искривление пространства и сверхбыстрые путешествия с точки зрения общей теории относительности». Кстати, в хорошо известном американском сериале «Star Trek», когда искривитель пространства принимал значение «8», скорость космического корабля превышала скорость света в тысячу раз.

Алькубиерре решил тщательно изучить вопрос: разрешает ли общая теория относительности движение со сверхсветовыми скоростями в принципе? В его статье космический корабль передвигается, сжимая пространство перед собой и расширяя его позади.

Второй способ движения — через дыры в пространстве-времени. Давно было известно, что подобные флуктуации могут возникать на очень короткое время. А вот Кип Торн и Майкл Моррис показали, что подобные туннели можно поддерживать открытыми довольно долгое время. Это делается при помощи покрытия поверхности туннеля неким экзотическим материалом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, схлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса К сожалению, пока нет даже намека на то, что представляет собой это вещество с отрицательной энергией.

Астроном из американского университета в Сент-Луисе Мэтт Виссер считает, что размеры подобных туннелей на двадцать пять порядков меньше размера атома, поэтому через них в принципе ничего нельзя будет переслать. По его расчетам, для создания дыры диаметром в метр необходима отрицательная масса Юпитера. И эту массу надо будет ровным слоем размазать по туннелю, тогда лишь удастся удержать его от схлопывания.

Таким образом, принципиальная возможность есть, но до ее реализации бесконечно далеко. Лоуренс Краус назвал подобный метод перемещения «наиболее неэффективным способом путешествовать» как раз из-за невероятно дорогой платы. А теоретик Хал Путхоф считает, что надо лишь найти бесконечный источник энергии: по его мнению, таким неисчерпаемым ресурсом должен стать вакуум.

Давно известно, что космический вакуум полон квантовых флуктуаций, виртуальных частиц, рождающихся на короткие мгновения и тут же уходящих в небытие. Ричард Фейнман называл их «нулевые колебания» и как-то подметил, что в одной чашке вакуума содержится достаточно энергии, чтобы вскипятить все земные океаны.

Так вот, основатель и директор Института перспективных исследований в американском городе Остин Хал Путхоф полагает, что это именно так: «Я уверен, что следующий, XXI век будет эпохой вакуумной энергии». Мало того, по прикидкам Путхофа, вакуум ответствен за такое явление, как инерция. Если это так, то на инерцию можно воздействовать и даже использовать ее в своих целях.

Одно из наиболее ярких проявлений нулевых квантовых колебаний вакуума — это эффект Казимира, предсказанный в 1948 году голландским физиком. По его расчетам оказалось, что между очень гладкими и близко сдвинутыми пластинами давление рождающихся пар виртуальных частиц чуть меньше, чем снаружи, по той причине, что некоторые из пар просто не могут родиться внутри — им не хватает места. Разница эта столь микроскопическая, что измерить ее удалось лишь в 1996 году французу Стиву Ламоро. «Нью-Йорк таймс» сообщила об открытии в статье с эффектным заголовком: «Физики подтвердили, что в „ничто“ есть энергия».

Таким образом, дебаты на тему «Есть или нет энергия в вакууме» прекратились после веского экспериментального аргумента. Вопрос теперь в том, сколько ее там и как извлечь ее оттуда? Путхоф считает, что очень много, а известный астрофизик Лоуренс Краус думает, что ничтожно мало. Аргументы последнего очень просты: если в вакууме бездна энергии, то, по теории Эйнштейна, она эквивалентна массе, а масса должна искривлять пространство. Значит, пространство вокруг нас должно быть искривлено так, что мы не увидели бы собственного носа. Путхоф возражает, что далеко не любая энергия искривляет пространство.

В общем, споры не утихают, а энтузиасты тем временем еженедельно присылают Путхофу проекты изобретений, тем или иным способом извлекающих энергию из вакуума. Огромную часть своего времени он тратит на тщательную проверку этих проектов. Пока ни один не выдержал его критики. Интересно, что занимается поисками не только любители, но и известные ученые. Даже знаменитый писатель-фантаст Артур Кларк вложил пятьдесят тысяч долларов в работу над изобретением подобного прибора и надеется со дня на день получить результат.

Изгибы мысли

Новая работа Марка Миллиса включает в себя несколько аспектов. Он собирает семинары, координирует направления исследований, но кроме того, ему приходится постоянно убеждать окружающих, что все его коллеги — люди нормальные. Перед обращением к экспертам-двигателестроителям Миллис долго собирался с духом, готовясь выслушивать смех и укоры, но неожиданно встретил понимание и готовность к сотрудничеству. Только физики продолжают упорно не принимать тематику работы группы Миллиса всерьез. Лидер оппозиции — Лоуренс Краус, глава физического факультета Западного университета. Его главный аргумент состоит в том, что пока все расчеты дают совершенно безумные значения энергии, необходимые для малейшего искривления пространства, — в десятки миллиардов раз больше массы видимой Вселенной По его мнению, можно проводить семинары на эту тему, но не более.

«Искривление пространства — это дело не следующего века, не двадцать второго и скорее всего не двадцать третьего. Миллис неплохой инженер, в голову ему пришла хорошая идея. Ее обсудили, просчитали и поняли, что практическая реализация пока абсолютно нереальна. Смысла разрабатывать ее дальше нет. Нельзя забывать и о других, гораздо более реалистичных разработках: ядерные электрические движители, плазменные, лазерные проекты космических парусников — все это тоже заслуживает внимания, и, по-моему, гораздо больше, чем фантазии Миллиса, — говорит Краус. — Планы создания космических парусников требуют, чтобы размеры паруса были не менее четверти площади штата Техас. Неощутимое давление Солнца будет разгонять такой корабль до огромной скорости. Звучит совершенно фантастично, но гораздо более реально, чем искривление пространства. На мой взгляд, сегодня нет никаких реальных возможностей для межзвездных перелетов. Надо быть морально готовым к тому, что такие путешествия будут длиться очень и очень долго, и тем не менее отправляться в них. Когда Христофор Колумб плыл на поиски Индии, он не представлял, когда вернется…»

Что общего у физики и бейсбола?

Несколько лет назад у молодых жителей Нью-Йорка появился забавный лозунг: «Любой момент — это прекрасный момент». Так же и в науке. Никто не знает, что ждет нас в самом ближайшем будущем — скучные будни или открытие транзистора. В этом плане по непредсказуемости науку можно сравнить с бейсболом, где развитие игры полностью зависит от того, куда отскочит мяч. Конечно, когда ставишь вопросы типа сагановских, нельзя ждать на них немедленных ответов, но то, что они будят активность научной мысли, несомненно.

В то же время наука зиждется на консенсусе. Любая статья может быть принята к публикации в научном журнале только после одобрения несколькими рецензентами. Через jto сито разумности невероятно трудно бывает прорваться революционным открытиям. Тем не менее некоторым счастливчикам это удается сделать. Раймонд Чао из университета в Беркли (Калифорния) недавно поставил эксперимент, в котором одиночные фотоны достигали скорости, в 1,7 раза превышающей скорость света. Явление это называется квантовым туннелированием, оно давно было предсказано, а Чао наблюдал его одним из первых. К сожалению (а может, и к счастью), использовать это явление для того, чтобы пересылать информацию быстрее света, не удастся, поскольку невозможно управлять туннелированием — это случайный процесс.

Чао согласен с Краусом, что программа НАСА по новым методам ускорения преждевременна и оторвана от реальной действительности, но по сверхсветовым скоростям их мнения расходятся: Чао считает, что ни на что нельзя вешать ярлык «невозможно». Эрнест Резерфорд, к примеру, считал совершенно невозможным извлечение энергии из атомного ядра.

Миллис же с вежливым вниманием слушает диспуты о своей тематике и продолжает активно работать. По его мнению, в данный момент есть три главные задачи. Попытаться повторить эксперимент Чао с электронами, чтобы научиться туннелировать уже материю на сверхсветовых скоростях. Попытаться создать, хоть и микроскопический, туннель через пространство в лаборатории. Попытаться извлечь энергию из вакуума. Или же получить весомое доказательство того, что все это невозможно.

«Найдется не много желающих тратить свои время, силы, средства, карьеру на исследование таких безнадежных задач. Надо быть большим энтузиастом и обладать полностью непредвзятым мнением. К счастью, такие люди пока еще есть» — говорит Миллис с печальной улыбкой.

Пожелаем же ему успеха, потому что все самое интересное в науке делают те, кто не верит в невозможное.

 

По материалам журнала «Wired»

Можно ли отнести к тем, кто «не верит в невозможное», Макса Планка, ровно сто лет назад введшего в научный обиход понятие «квант»? (А «физический вакуум» и родился впоследствии в недрах квантовой механики). До конца жизни, будучи уже нобелевским лауреатом, он мучился своей «изменой» традициям классической физики, в рамках которой был воспитан, и даже признавал свою гипотезу «актом отчаяния».

Это было платой за преодоление научного противоречия. Однако не каждому ученому по силам внести ее за появление необычной идеи, и отнюдь не всем — оценить свежую мысль по существу и по достоинству.

Как пример приводят мнение А. Эйнштейна о работе Луи де Бройля, дошедшего до идеи о том, что всем формам материи должны быть присуши и корпускулярные, и волновые свойства. Вот слова Эйнштейна из письма М. Борну: «Прочти ее. Хотя и кажется, что писал ее сумасшедший, написана она солидно».

А вот как писал о подобных ситуациях член-корреспондент РАН Д. А. Киржниц, выступивший, кстати, 20 лет назад на страницах «Знание — сила» с новыми представлениями о вакууме: «Несомненно, что в формировании научной атмосферы особая роль принадлежит крупным и авторитетным ученым. Никто, конечно, не пытается отнять у них право иметь свое мнение о реальности научной программы, верить или не верить в ее осуществимость. Однако, чем выше потенциальная важность программы и чем крупнее имя ученого, тем большую моральную ответственность он должен чувствовать (и тем большую щепетильность проявлять) при высказывании своего мнения. Слава богу, наши учителя оставили нам достаточно примеров подлинно интеллигентного отношения к новым идеям…».

Что же ждет идею о возможности извлечения энергии из вакуума? Несомненно, одно — ей предстоит нелегкая судьба. Но как хотелось бы надеяться, что мы приблизимся к ее реализации хотя бы в предстоящем веке…