В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Американский математик Франк Типлер рассчитал, что теоретически такой трюк возможен. Пространство-время можно искривлять сильными гравитационными полями, и воображаемая машина времени Типлера представляет собой гигантский цилиндр, содержащий столько же материи, сколько находится в Солнце, заключенной в объем длиной 100 км и радиусом 10 км и плотной, как ядро атома. Делая два оборота каждую миллисекунду, цилиндр тянет за собой ткань пространства-времени. Поверхность цилиндра в таком случае вращается на скорости, равной половине скорости света. Такую штуку вряд ли построит у себя на заднем дворе даже самый безумный из всех безумных изобретателей, но суть состоит в том, что ее существование не вступает в противоречие ни с одним из известных нам законов физики. Во Вселенной даже существует объект, который обладает массой Солнца и плотностью атомного ядра и вращается со скоростью один оборот в 1,5 миллисекунды – всего в три раза медленнее, чем машина времени Типлера. Это так называемый «миллисекундный пульсар», открытый в 1982 году. Крайне маловероятно, что этот объект имеет цилиндрическую форму – такое сильное вращение точно расплющило его до формы блина. Но даже с учетом этого в его непосредственной близости должны быть заметны характерные искривления пространства-времени. «Настоящее» путешествие во времени, быть может, и не является невозможным – лишь крайне сложным и очень-очень маловероятным. Это только верхушка гигантского айсберга, однако она заставляет нормальность путешествий во времени на квантовом уровне казаться несколько более приемлемой. И квантовая теория, и теория относительности разрешают путешествия во времени разных типов. А все, что допустимо для обеих теорий, каким бы парадоксальным оно ни казалось, должно приниматься всерьез. Путешествия во времени – это, без сомнения, неотъемлемое и очень странное свойство мира частиц, где можно даже получить нечто из ничего, если, конечно, успеть.

Нечто из ничего

В 1935 году двадцативосьмилетний лектор по физике из университета Осаки Хидэки Юкава предложил объяснение того, как нейтроны и протоны могут удерживаться вместе внутри атомного ядра, несмотря на положительный заряд, который стремится разорвать ядро на части электрическими силами. Естественно, должно существовать другое, более сильное взаимодействие, которое при некоторых обстоятельствах может пересиливать электрическое. Электрическое взаимодействие переносится фотоном, поэтому это сильное ядерное взаимодействие, по рассуждениям Юкавы, также должно переноситься некой частицей. Свойства этой частицы, получившей название мезона, были предсказаны посредством применения квантовых законов к ядру. Как и фотон, мезон является бозоном, однако обладает единичным, а не нулевым спином. В отличие от фотонов, у мезонов очень короткое время жизни, из-за чего их можно наблюдать за пределами ядра лишь при особых условиях. В свое время семейство мезонов было обнаружено, хотя не совсем так, как предсказывал Юкава, но достаточно близко к его прогнозу, чтобы показать, что идея о том, что ядерные частицы обмениваются мезонами, переносящими сильное ядерное взаимодействие, работает таким же образом, как и обмен фотонами, переносящими электрическое взаимодействие. В 1949 году Юкава заслуженно получил Нобелевскую премию по физике.

Данное подтверждение того, что ядерные силы, как и электрические, можно представить исключительно в виде взаимодействия между частицами, является краеугольным камнем современного мира физики. Все силы сегодня рассматриваются как взаимодействие.

Рис. 9.9.

На диаграмме Фейнмана две частицы взаимодействуют посредством обмена третьей частицей. В этом конкретном случае перед нами могут быть два электрона, которые обмениваются фотоном и отталкиваются друг от друга.

Однако откуда появляются частицы, которые переносят взаимодействия? Они происходят из ниоткуда, появляясь из ничего в соответствии с принципом неопределенности.

Рис. 9.10. Старая идея о «действии на расстоянии» (слева) заменяется идеей о частицах – переносчиках силы.