Петли времени на квантовых стрингах

 

Кинофильм «Назад в будущее»

В этом американском блокбастере можно встретить самые разные временные парадоксы. Все они строятся по схеме «петель времени», когда путешественник во времени переносится в прошлое и меняет его синхронно с соответствующим изменением настоящего, возвращаясь затем в исходную историческую точку. Аналогично, переносясь в будущее, он контролирует дозу воздействия на настоящее для формирования грядущего.

 

Белая дыра – гипотетический выход из подпространственной червоточины

Выдающийся отечественный астрофизик и космолог, исследователь черных дыр и «конструктор» Т‑агрегатов на их основе академик Игорь Дмитриевич Новиков полагает, что одним из компонентов внепространственного перехода может быть «античерная» белая дыра, генерирующая материю.

 

МНОГОВРЕМЕНЬЕ

 

Остается главный вопрос: если временные парадоксы могут быть успешно разрешены, сами по себе путешествия во времени возможны или нет? Тот же Стивен Хокинг говорит по этому поводу следующее: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является тот факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего». Но сторонники теории Мультивселенной отвечают на это так: «Путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться „толпы визитеров“». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами – только не с нами, а с нашими копиями.

Почему в нашем мире не два, не три, а только одно время?

Почему оно одномерно?

У пространства три измерения – длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно – длительность?

Может, такое только в нашем участке бесконечно разнообразной Вселенной, а в других как‑то иначе?

Интересно, как выглядят многомерные миры?

А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем – родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время?

Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям и что при этом произойдет?

Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что будет сравнимо с космологическим коллапсом – Большим «хлопком» или Большим «разрывом», ожидающим, по некоторым сценариям, нашу Вселенную?

Чем больше мы с вами узнаём про удивительное четвертое измерение в нашей реальности, тем больше возникает вопросов и тем сложнее они становятся. Правда, время – настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит нас в новую реальность совершенно фантастических и трудновообразимых явлений.

Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии это самая общая характеристика любых происходящих вокруг нас изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математика время – всего лишь параметр, нумерующий последовательности следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос – почему все последовательности многообразных событий определяются только одной укладывающейся на линию величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными или объема с тремя?

Можно было начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений – было четыре мировых оси – три пространственных, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира?

Прежде всего, сколько должно быть дополнительных временных осей?

Однозначно ответить на этот вопрос очень трудно, ведь никаких ограничений на число пространственных и временных «сторон света» формально не существует. Замечательный ученый – академик Андрей Дмитриевич Сахаров, развивая теорию с бесконечным числом временных переменных, различающихся по виду их проявления в материальном мире, в одной из своих статей писал, что природа настолько многообразна, что в принципе позволяет существовать, например, мирам с одной или двумя пространственными и несколькими временными переменными. Конечно, все эти миры будут сильно различаться по своим свойствам – в одних могут существовать устойчивые атомы и образовываться сложные молекулы – основа жизни, в других будет своеобразная мешанина из элементарных частиц или какие‑либо еще неизвестные нам формы материи и ее организации…

Есть и более глубокие соображения, основанные на изучении явлений в ультрамалых областях, где частицы, по‑видимому, могут перемещаться быстрее света и противопоставление пространства и времени утрачивает смысл – в зависимости от точки зрения пространство может стать временем, а время приобрести свойства пространства.

Единственный мысленный зонд, который может проникнуть в подобную фантастическую реальность, – это сложнейшие математические формулы. Только с их помощью можно нарисовать картины новой Вселенной. Если писатели и художники‑фантасты путешествует по мнимым мирам с помощью своего воображения, то математики и физики‑теоретики используют для этого интеллектуальные приемы на основе математических законов и физических принципов. Конечно, мы не будем продираться сквозь частокол математических символов и воспользуемся уже готовыми результатами, стараясь понять их с помощью нестрогих, но зато наглядных аналогий.

Ученые столетиями исследуют различные свойства окружающей нас материальной реальности, все дальше отодвигая границы Метагалактики. Вообще говоря, за все время научных исследований из всех окружающих нас предметов, включая сотни новых элементарных частиц, физикам не попался ни один, у которого бы наблюдались признаки дополнительных временных измерений. Можно предположить, что вектор времени, с которым в чудовищных процессах Большого взрыва родился ограниченный участок Вселенной, раздувшийся затем в окружающий нас мир, с высокой степенью точности одинаков у всех заполняющих его материальных тел. Объекты с иным ходом времени могут залететь к нам лишь с далеких окраин Метагалактики.

Размеры только что родившейся в квантовой неоднородности Вселенной были невообразимо малы – порядка элементарной частицы или даже еще меньше. Естественно, что ее отдельные участки вначале интенсивно взаимодействовали между собой и их вещество бурно перемешивалось. Следовательно, и время, во всей нашей Вселенной сформировавшись как процесс в самом начале, далее течет везде одинаково. Если это так, то объекты с отличными временными векторами могут рождаться лишь в процессах, протекающих внутри нашего мира.

Итак, какое же впечатление произведет на нас многомерный мир, существуй он в реальности? Вначале он должен показаться похожим на наш четырехмерный. Однако, внимательно приглядевшись, мы бы заметили, что некоторые тела движутся непривычно быстро, почти мгновенно перемещаясь в пространстве. Зная расстояние между точками и определив время движения по земному хронометру, мы бы обнаружили, что скорость некоторых тел превосходит световую. Это настораживает, поскольку физики уже давно установили, что сверхсветовые тела, существуй они действительно в природе, можно было бы заставить двигаться вспять по времени – из настоящего в прошлое. Направление их движения зависит от точки зрения наблюдателя. Неподвижный наблюдатель увидит, что сверхсветовые осколки взорвавшегося снаряда, как им и положено, разлетаются в стороны и, замедлившись, падают на землю. А движущиеся увидят все в обратном порядке: лежавшие на земле осколки поднимаются в воздух, летят навстречу друг другу и собираются в целый снаряд, который стремительно втягивается в ствол орудия! Картина явно абсурдная, тут нарушено одно из основных свойств материального мира – причинно‑следственная связь, а попросту говоря – причина и следствие поменялись местами.

С похожим эффектом мы уже встречались в теории относительности, там ход времени зависит от того, по каким часам его измерять. Со сверхсветовыми иллюзиями мы иногда встречаемся и в повседневной жизни. Например, скорость, с которой скользит по стене отраженное зеркалом пятно света, может принимать любые значения, стремящиеся к бесконечности, но ни энергия, ни вещество при этом не перемещаются и никаких нарушений причинности не происходит. Еще один пример – неоновая реклама, в которой буквы вспыхивают независимо одна от другой и нам кажется, что каждая из них зажигает следующую. Неоновый сигнал также может бежать с любой скоростью, ограничиваемой только техническими возможностями электрической цепи.

Итак, для того чтобы выяснить, многовременная ли у нас Вселенная, нужно искать где‑нибудь в космосе или в микромире среди элементарных частиц объекты, скорость которых выглядит как сверхсветовая. И такие объекты, оказывается, давно уже известны астрономам! Некоторые светящиеся тела на звездном небе и вправду движутся быстрее света. В том, что это так, сегодня нет никаких сомнений – это не ошибка наблюдений, а твердо установленный факт. Вот только экспериментальная информация о свойствах этих тел пока еще невелика, и все их удается объяснить оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени.

Можно, конечно, с успехом использовать для этого и гипотезу многовременного мира, однако, пока в науке работают известные законы, не следует вводить новых гипотез – иначе наука превращается в научную фантастику.

Вообще говоря, тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение – в момент пересечения его и нашей траектории. Чуть раньше оно было еще в нашем прошлом, мгновение спустя оно окажется в нашем будущем. Если тело обладает необходимым устройством, то, находясь в прошлом, оно может послать нам радиограмму или просигналить световым зайчиком о своем прибытии – и, в частности, сообщить нам время и координаты точки пересечения траекторий, чтобы не вынырнуть из прошлого внутри какого‑либо другого материального тела, ведь тогда может произойти настоящая космическая катастрофа.

Правда, так будет, если наше временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве – это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где‑то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из временного далеко мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас, в глубинах космоса…

В нашем мире мы привыкли видеть астрономические источники света – Солнце и звезды – столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни.

В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подойдет к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.

Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее пяти миллиардов лет.

Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов, прежде всего, привлекают внимание к вопросам баланса энергии в многовременном мире.

Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты будут компенсировать друг друга – вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.

Например, в абсолютно пустом пространстве, из вакуума, могут родиться две частицы с противоположно направленными по отношению друг к другу векторами энергии и общим балансом, равным нулю. Это может происходить в каждой точке бесконечного пространства – физики называют подобные явления распадом вакуума. Для внешнего наблюдателя такие процессы выглядели бы как неудержимый мгновенный взрыв пустоты с выделением бесконечно большого количества вещества.

Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены таким образом, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправны. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния. Но однако же каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни время течет только в одном направлении.

Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии – и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т‑конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.

Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из предыдущих глав ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая.

Физики‑теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. Ну а как же быть со временем?

Многовременье

Многие времена в одном мире легко представить на примере полета звена фантастических самолетов. Пусть одно время определяет высоту полета, второе – скорость, третье – взаимное расстояние, а четвертое – количество топлива.

 

Туманность «Песочные часы»

Песчинки часов чем‑то напоминают кванты времени, они так же неделимо отсчитывают его отрезки, и так же неопределенен момент времени, пока песчинка находится «в полете».===

 

ПЛАНКОВСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

 

Давайте вспомним, какой энергией может обладать электрон, обращающийся вокруг атомного ядра. В рамках классической физики – любой, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.

Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала; и она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.

Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, – кубу длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем‑то похоже одновременно на прыжки кенгуру на батуте и движение шахматного коня. Частицы и поля – не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами на некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно‑фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается. Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга и представляют собой единое пространство‑время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство‑время чем‑то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление, а именно:

фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Очень интересно ведет себя на уровне ячеистого пространства время, будучи также дискретной величиной. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка», совершенно непредставимой по своей малости величине, описываемой дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».

Тут надо в очередной раз вспомнить вариант соотношения неопределенности Гейзенберга для энергии и времени: ΔEΔt ~ ħ. Оно показывает, что на сверхмалых промежутках времени Δt возможно самопроизвольное изменение энергии микрочастицы ΔE. Подобные квантовые флуктуации энергии могут порождать виртуальные (возможные) частицы. В квантовой теории поля считается, что виртуальные частицы принципиально прямо не наблюдаемы. Это очень странное качество частиц, но в принципе ожидаемое, поскольку оно логически вытекает из исходного принципа неопределенности – квантовые объекты невозможно наблюдать непосредственно, нужен некий агент – посредник, изменяющий их состояние. Тем не менее в квантовой электродинамике все процессы взаимодействия предполагают наличие виртуальных частиц.

Какова же возможная природа виртуальных частиц? Тут есть несколько вариантов ответов. Можно предположить, что они являются новым видом физической реальности, открытым в квантовой теории поля, или же считать их некоторыми абстрактными объектами, не имеющими реальных аналогов и лишь приближенно моделирующими механизмы взаимодействия элементарных частиц.

А можно вообще перейти на самые общие категории пространства и времени, сопоставив виртуальные частицы и некую «потенциальную реальность пространственной локализации», существующую лишь в возможности выйти за границы времени жизни. Это время жизни виртуальной частицы, подобно энергии и пространству, будет уже не квантуемо, а хроноквантуемо, включая в себя целое количество элементарных «атомов времени» – хроноквантов. Тогда само по себе превращение виртуальных частиц в реальных опытах можно рассматривать как косвенное подтверждение «движения» виртуального объекта по шкале времени. Получается, что за гранью сверхмалого скрывается еще один тип бытия – реально‑временное «там» и пространственно‑потенциальное «здесь». Нечто подобное описывал при воображаемом путешествии в бездну провала застывшей звезды – коллапсара видный российский астрофизик и блестящий популяризатор науки академик Игорь Дмитриевич Новиков.

Мы еще встретимся с квантовой космологией мира Минковского, заключающего в себе «зерно» хроноквантовой реальности, а пока заметим, что еще Бор в своем принципе дополнительности предполагал, что любому процессу и явлению присущи взаимодополняющие противоположности – «возможность» и «действительность», переходящие друг в друга. Рассмотрим пример поступления абитуриента в университет. Действительно, возможность поступления в вуз определяется желанием, упорством и трудолюбием, а также конкурсом аттестатов и стажем трудовой деятельности по выбранной специальности, следовательно, она заложена в самой действительности развития ситуации.

 

АТОМЫ ПРОСТРАНСТВА‑ВРЕМЕНИ

 

Вообще говоря, в некоторых областях стандартных теорий и в большинстве неустоявшихся инноваций довольно часто встречаются не только «принципиально ненаблюдаемые» объекты в виде виртуальных частиц и тех же кварков, но и всяческие сингулярности, бесконечности, расходимости. В последнее время здесь появился еще целый класс «принципиально квантово нелокальных систем и объектов», причем эта квантовая нелокальность материальных тел распространяется даже не на Метагалактику, а на весь сущий мир, захватывая еще и иррациональную область индивидуального сознания. Тут необходимо отметить и серьезную проблему квантовой теории поля, связанную с возникновением при теоретических расчетах «духов» – состояний микрообъектов с отрицательной вероятностью. Вообще говоря, вероятность событий может быть любым числом от нуля до единицы. Для невозможного события вероятность равна нулю, а для полностью достоверного – единице («стопроцентная вероятность»). В чем же может состоять физический смысл отрицательной вероятности? Этот вопрос в немалой степени занимает внимание теоретиков.

В свое время Эйнштейн писал:

«Однако мы должны помнить, что та идеализация, которая состоит в утверждении, что в природе действительно существуют неизменяемые масштабы, может потом оказаться либо совсем неприменимой, либо оправдываемой только по отношению к некоторым определенным явлениям природы. Общая теория относительности уже доказала неприменимость этого понятия ко всем областям, размеры которых не могут считаться малыми с точки зрения астрономии. Быть может, теория квантов будет в состоянии показать неприменимость этого понятия на расстояниях порядка размеров атомов. И то и другое считал возможным Риман».

Мысли Эйнштейна дополняют рассуждения патриарха отечественной космологии Абрама Леонидовича Зельманова о том, что сверхбольшое и сверхмалое может смыкаться в своей природе. А поскольку сверхпространство, в котором, собственно говоря, и происходит расширение нашей Вселенной, вполне может быть неметрическим, то и в инфрамикромире планковских масштабов метрические отношения могут неузнаваемо измениться или даже совсем исчезнуть. Профессор Зельманов указывал, что существование эталонов длины и времени связано с миром атомов и молекул, где длина соизмерима с периодом кристаллической решетки, а длительность – с колебаниями молекул и атомов. Но переход к планковским масштабам аналогичен сравнению Метагалактики с атомом! Естественно, что при этом все метрические эталоны могут потерять свой смысл вместе с самими понятиями длины и времени. Собственно говоря, метрические отношения на данном уровне реальности могут иметь просто иной качественный характер, например содержать своеобразные атомы пространства – планкионы, или максимоны, и времени – хрононы, или хронокванты. Существуют ли они на самом деле? Пока мы еще очень далеки от исследования таких глубин материи, но принципиальная возможность здесь существует, и связана она с новыми поколениями ускорителей элементарных частиц. Однако и здесь потребуются иные экспериментальные методики, иначе для насыщения энергией подобных опытов не хватит всех планетарных ресурсов!

Еще в середине прошлого столетия создатель новой квантовой физики Бом писал: «Кванты, связывающие объект и окружающую его среду, образуют неисчезающее звено, которое в любой момент зависит в равной мере от обеих частей». Чем‑то это перекликается с еще более давней позицией Гейзенберга, считавшего, что физическое пространство и время носят сугубо макроскопический характер и отсутствуют в «фундаменте» материи.

Ну а теперь вспомним, что, рассуждая о возможных проявлениях ячеистой структуры пространства‑времени, мы забыли о самом главном событии в истории Мироздания – его рождении в пучинах Большого взрыва. Элементарная логика подсказывает, что если атомы пространства и времени существуют, то они должны были проявиться в самом начале эволюции Вселенной. Именно тогда и должна была возникнуть космологическая стрела времени, управляющая течением всех процессов и явлений нашего мира.