Покушение на световой барьер

 

Комментарий редакции сайта. Приводимая ниже статья о возможностях сверхсветовых скоростей интересна тем, что она написана хоть и с точки зрения некритического отношения к теории относительности, но в то же время и без истерик, свойственных догматикам от науки. Характерны замечания сделанные в статье, что ни теория относительности, ни лично Эйнштейн, не отрицали возможности сверхсветовых скоростей.

Есть, конечно, у нижеприведенной статьи и недостатки, основной из которых – это то, что автор повторяет известное утверждение, что якобы сверхсветовые скорости противоречат принципу причинности, и значительная часть объема статьи посвящена обсуждению вопроса – что будет, если принцип причинности будет нарушаться. Но, думаем, что читатели, понимающие разницу между словами «после» и «вследствие», сумеют критически отнестись к этим рассуждениям.

 

За последние годы в научных и научно-популярных журналах, равно как и в журналах просто популярных, в газетах и даже в иллюстрированных еженедельниках довольно часто затрагивается вопрос о так называемых сверхсветовых скоростях. И не просто затрагивается, а нередко осве­щается, так сказать, в позитивном пла­не. С намеками, а то и утверждениями касательно возможности движения со скоростью, превышающей скорость све­та. Иногда речь идет о теоретических построениях, в которых фигурируют части­цы, движущиеся со сверхсветовой ско­ростью. В других случаях говорится уже не о гипотетических сверхсветовых объектах, а о реальностях — об астрофизических наблюдениях, в которых сверхсветовая ско­рость была просто-таки обнаружена, изме­рена у некоторых далеких космических тел. Все это, казалось бы, входит в противо­речие с одним из оснований теории относи­тельности, где утверждается, что физиче­ское тело не может двигаться быстрее, чем световая волна. Широкая публика уже до­вольно давно приучена к тому, что ско­рость света — примерно 300 000 километ­ров в секунду — есть некий непреодолимый предел скорости, в последнее время эта об­щепризнанная истина излагается даже в школьных учебниках. И посему упомина­ния о сверхсветовых скоростях, о том, что на пути увеличения скорости нет больше светового барьера, вызывают живой инте­рес у людей, так или иначе причастных к физике и даже совсем к ней непричастных. Кому-то кажется, что появление объектов, движущихся со сверхсветовой скоростью, возвращает нас к доброй старой классиче­ской  физике и  отменяет  наконец эту  безумную теорию относительности со всеми ее постулатами и парадоксами, понять ко­торые или хотя бы привыкнуть к которым так нечеловечески трудно. Кое-кто, напро­тив, полагает, что сверхсветовые движения еще больше усложнят нашу картину мира, откроют в ней новые, невидимые пока де­тали. А иногда из этого делается вывод, что вслед за реальностью сверхсветовых скоростей придется наконец признать и многое такое, что кажется пока чистой фантастикой. Скажем, объекты, свободно путешествующие во времени. Или антими­ры, существующие где-то рядом с нами. Или, на худой конец, инопланетян, мгно­венно покрывающих на своих сверхсветовых звездолетах огромные космические расстояния.

В редакционной почте «Науки и жизни» много писем, так или иначе связанных с последними публикациями по поводу сверх­световых движений. С такими, в частности, как сообщение о звездном объекте, ко­торый, возможно, движется со скоростью 330 тысяч километров в секунду, что на 10% больше скорости света с (ежене­дельник «За рубежом» № 26, июнь 1979 года, со ссылкой на американские инфор­мационные агентства). В некоторых пись­мах читатели высказывают свои соображе­ния о возможностях преодоления светово­го барьера, предлагают свои оригинальные, как им кажется, объяснения, оценки, прогнозы. Но чаще всего в читательских пись­мах вопросы и просьбы пояснить, проком­ментировать то или иное сообщение, про­мелькнувшее в печати, порекомендовать ли­тературу, где с проблемой можно было бы познакомиться подробней.

В поисках ответа на читательские пись­ма корреспондент журнала обратился к специалистам в области теории относитель­ности и с их помощью ознакомился с научными публикациями, затрагивающими проблему сверхсветовых движений. В частности, с работами конца шестидесятых — начала семидесятых годов, периода, когда в физике наблюдался огромный всплеск ин­тереса к возможности преодоления свето­вого барьера. К этому времени относится и выход в свет одного из традиционных «Эйнштейновских сборников» (издательст­во «Наука», Москва, 1974 год) с подбор­кой статей, проблематика которых четко от­ражена в самих названиях: «Частицы за световым барьером», «О возможности су­ществования частиц, движущихся быстрее света», «Причинность и сверхсветовые ча­стицы» и др.

Попытка по возможности простыми сло­вами изложить мнение специалистов о возможностях преодоления светового барьера вылилась в публикуемое ниже интервью, где на вопросы корреспондента ответы да­ет некий условный «Физик». Ответы эти синтезированы из бесед со многими людь­ми, из пересказа многих научных работ, но главным образом то, о чем говорит «Фи­зик», следует из детальной и анализирую­щей всю проблему в целом статьи доктора физико-математических наук профессора Д. А. Киржница и кандидата физико-мате­матических наук В. Н. Сазонова «Сверхсветовые движения и специальная теория относительности», опубликованной в на­званном выше «Эйнштейновском сборни­ке». А также из записанного корреспонден­том рассказа одного из авторов упомяну­той статьи — Д. А. Киржница — об эво­люции взглядов на проблему вплоть до са­мого последнего времени.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Многие наши чита­тели хотели бы узнать: почему конкретно какое-либо тело не может двигаться быст­рее света? В чем физическая сущность существования светового барьера?

ФИЗИК. А мне прежде всего хотелось бы сделать одно терминологическое уточнение: то, что мы называем световым барь­ером,— это не просто скорость света, а скорость света в вакууме, именно ее принято обозначать буквой с, полагая, что с» 300 000 км/с (см. Примечание № 1).

В реальной среде скорость света всегда меньше с (см. Примечание № 2). Например, в воздухе на 0,00026 процента, в воде —в 1,3 раза, в стекле — в 1,5 раза. И физиче­ские тела, в частности атомные частицы, могут двигаться быстрее, чем распростра­няется свет в какой-либо среде,— это одно из проявлений так называемого эффекта Вавилова-Черенкова (см. Примечание № 3). Вот числовая иллюстрация: свет распро­страняется в воде со скоростью 230 тыс. км/с,   а  электрон  может двигаться  в  ней со скоростью 250 тыс. км/с или 290 тыс. км/с, коротко говоря, с любой более высо­кой скоростью. Но ни в коем случае не большей, чем скорость света в вакууме с.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Поправка принята. И первый вопрос сейчас будет задан уже с ее учетом: из-за чего конкретно, из-за каких физических явлений скорость тела не мо­жет превысить скорость света в вакууме? Почему именно она оказалась выделенной из всех других скоростей?

ФИЗИК. Согласно теории относительно­сти, масса тела растет с увеличением его скорости. В то же время масса — это мера инерции тела, то есть величина, показыва­ющая, насколько сильно тело «сопротивля­ется» ускорению. Оказывается, что это «сопротивление» растет с увеличением скоро­сти настолько быстро, что при какой-то определенной величине скорости дальнейшее ускорение становится невозможным. Эта одинаковая для всех тел предельная ско­рость совпадает по величине со скоростью света в вакууме.

Скорость света выделена из всех других скоростей по той причине, что она, как показал еще в прошлом веке опыт Майкельсона, есть величина универсальная и не зависит от того, как движется наблюдатель, измеряющий эту скорость. Все остальные скорости изменяют свою величину при пе­реходе от одного наблюдателя к другому, движущемуся относительно первого. Но это изменение тем меньше, чем выше сама скорость. Наконец, при увеличении скоро­сти до световой ее величина уже остается неизменной для всех наблюдателей.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Если все дело в уве­личении начальной массы, то почему же тогда не могут преодолеть световой барь­ер частицы, не имеющие массы,— нейтрино?

ФИЗИК. Во-первых, еще не доказано, что у нейтрино начальная масса, или, выража­ясь точнее, масса покоя, равна нулю. Мо­жет оказаться, что она просто чрезвычайно мала, и тогда для нейтрино справедливы те же ограничения скорости, что и для любой другой частицы. Но если окажется, что у нейтрино масса покоя все же равна нулю, то это будет означать, что единственная возможная для нейтрино скорость — это скорость света в вакууме с. Не больше и не меньше. К такому выводу, в частности, можно прийти, если проанализировать из­вестную эйнштейновскую формулу Е = тс², которая с учетом поправки на скорость v движущегося тела выглядит так:

Если масса нейтрино т — 0, то числитель дроби равен нулю и знаменатель тоже дол­жен быть равен нулю, иначе получатся бес­смысленные значения энергии  Е. Но   этот знаменатель обращается в ноль только при v²/c² = 1, то есть при v = с. Так что нуле­вая масса нейтрино ничем нам не поможет.

Комментарий: возможен и третий вариант объяснения поведения нейтрино, а именно – как раз сверхсветовая скорость их движения. Подробнее – http://element114.narod.ru/edu8phys26.html и http://element114.narod.ru/edu8phys36.html

КОРРЕСПОНДЕНТ. Само понятие «све­товой барьер» появилось с теорией относи­тельности— именно она, как известно, на­кладывает запрет на сверхсветовую ско­рость. И в то же время теоретики обсуж­дают возможность сверхсветовых движе­ний, видимо, не без надежды на успех. Можно ли считать, что преодоление свето­вого барьера — теоретическое и тем более экспериментальное — должно ниспроверг­нуть теорию относительности? Или эта те­ория допускает все же какую-то возмож­ность движения физического тела со ско­ростью, превышающей скорость света в ва­кууме?

ФИЗИК. Вопреки pacпространенному мнению, теория относительности не ведет к абсолютному запрету сверхсветовых движений. Она  всего лишь связывает возможность таких движений с определенными свойствами массы. Обычно, когда говорят о невозможности сверхсветовых движений, то при этом неявно подразумевают, что масса тела характеризуется просто некото­рым числом (например, 10~²⁷ г для элек­трона, 10³³ г для Солнца). Отображаемая этим числом характеристика — масса связы­вает, в частности, кинетическую энергию движущегося тела со скоростью его дви­жения, Подобная характеристику существу­ет у всех известных нам до сих пор объек­тов— элементарных частиц, атомных ядер, атомов и молекул, окружающих нас пред­метов, небесных тел и, наконец, нас самих. И ни одному из этих тел действительно не может быть сообщена сверхсветовая ско­рость.

В самом деле, уже для того, чтобы до­вести скорость тела до величины, равной скорости света, то есть до v = с, нужно за­тратить бесконечно большую энергию. Это прямо следует из приведенной выше фор­мулы: если v = с, то v²/c²=1, знаменатель всей дроби обращается в ноль, и энергия Е оказывается бесконечной.

Ну, а по ту сторону светового барьера, то есть при v>c (скорость тела больше скоро­сти света), приведенная формула дает бес­смысленное мнимое значение для энергии £. Так как при v>c дробь v²/c² оказывается больше единицы, то разность 1—v²/c² становится отрицательной, а квадратный ко­рень из отрицательного числа есть число мнимое (см. Примечание № 4). При деле­нии нормальной, действительной величины тс² (числитель) на мнимую получится, со­гласно известным правилам, тоже мнимая величина. То есть энергия Е получится мни­мой. А мнимой энергии быть не может.

Предположим теперь, что существует объект с крайне необычными свойствами инерции, которые могут быть охарактери­зованы мнимым значением массы im (здесь, как обычно, буква «i» есть сим­вол мнимости). В этом случае все будет наоборот — при сверхсветовой скорости (мнимые числа и в числителе и в знамена­теле) энергия Е выразится нормальным, действительным числом, так как «мнимо­сти» (i = √—1) в числителе и знаменателе со­кратятся. А при  досветовой скорости (мни­мый числитель и действительный знаме­натель) результат, то есть энергия Е, ока­жется мнимым. Проще говоря, частицы с мнимой массой могут существовать только при скоростях v больших, чем скорость света с в вакууме. Такие придуманные тео­ретиками частицы с мнимой массой называ­ют «тахионами», от греческого слова «тахис» — быстрый. Для тахионов тоже су­ществует световой барьер, но, так сказать, барьер снизу—они не могут двигаться мед­леннее света. А быстрее — сколько угодно, вплоть до бесконечности.

В научной литературе, да и в популярной тоже, о тахионах особенно много писали несколько лет назад в связи с работами американского теоретика Джеральда Фейнберга. Так случилось, что именно эти работы вызвали своего рода «сверхсвето­вой бум», привлекли к проблеме обще­ственное внимание. Однако хронологически задолго до этого было опубликовано не­сколько серьезных теоретических исследо­ваний и раньше других, видимо, работа Д. И. Блохинцева (1950 г.). Задолго до публикаций Дж. Фейнберга (1967 г.) воз­можность сверхсветовых движений неза­висимо один от другого исследовали Я.П.Терлецкий (1966 г.), Д. А. Киржниц (1954 г.), С. Танака (1960 г.), X. Шмидт (1958 г

.) и другие теоретики. В работах большинства этих авторов уже были та­хионы — частицы с мнимой массой, движу­щиеся быстрее света.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Чуть раньше вы говорили о бессмысленности мнимых значений энергии Е, возникающих при пре­вышении скорости света. Именно появление мнимых физических величин, в частности мнимого значения энергии Е, оказалось препятствием для преодоления светового барьера. А сейчас в качестве возможного пути превышения скорости света вы сами вводите мнимую величину — мнимое значе­ние массы. Логично ли это?

ФИЗИК. Вполне логично. Потому что между такими величинами, как энергия и масса, есть существенная разница. Энер­гия — это непосредственно измеряемая на опыте величина, которой можно прямо по­ставить в соответствие показания некото­рых приборов. Между тем масса тела не может быть измерена непосредственно, она определяется лишь косвенным образом, на­пример, по искривлению траектории ча­стицы в данном силовом поле или по силе притяжения двух тел. Поэтому энергия не может описываться мнимыми величинами, в то время как масса может быть мнимой. При условии, разумеется, что соответству­ющие массе наблюдаемые величины, такие, например, как искривление траектории, опи­сываются действительными числами.

Можно добавить, что использование мни­мых величин для описания вполне реальных явлений — дело довольно частое. До­статочно сослаться на применение ком­плексных чисел и функций в электротехни­ке, гидродинамике и других областях. В частности, мнимой величиной выражается сопротивление конденсатора или катушки в цепи переменного тока (см. Примечание № 5).

КОРРЕСПОНДЕНТ. И все же людям, не имеющим специальной тренировки, довольно трудно представить себе такую си­туацию, в которой мера инерции тела — его масса — выражалась бы мнимой вели­чиной. Не предлагает ли теория каких-либо иных, менее жестоких путей для пре­одоления светового барьера? Нет ли воз­можности получить сверхсветовые движе­ния, не вводя мнимых значений массы?

ФИЗИК. Такая возможность имеется. И даже более того — она представляется наиболее реалистичной. Сейчас энергия дви­жущегося тела и его импульс определя­ются единым значением массы т. Но мож­но представить себе случай, когда энергия выражается через одно значение массы т_е, а импульс — через другое т_р. Выра­жаясь более общим образом, можно ска­зать, что в этом случае масса выражена не одним, а несколькими числами (в матема­тике такие величины называются тензора­ми). Действуя в согласии с теорией отно­сительности, можно тогда прийти к такому выражению для энергии тела:

Отсюда после несложных рассуждений можно сделать вывод: максимально возможная скорость тела по-прежнему будет ограничена величиной с; при т_е<т_р максимально достигаемая скорость будет мень­ше с; при m_e>m_p она окажется больше с.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Проблема преодо­ления светового барьера, как известно, обсуждалась еще во времена создания тео­рии относительности. Интересно, как от­носился к этой проблеме сам Эйн­штейн?

ФИЗИК. Насколько можно судить, он в принципе не отвергал возможности сверхсветовых движений. Так, еще в 1907 году, обсуждая в одной из своих работ те следствия, к которым привело бы сущест­вование сверхсветовых движений, созда­тель теории относительности писал: «Хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит, по-моему, в себе никаких противоречий, он все же настоль­ко противоречит всему характеру нашего опыта, что невозможность предположения v > с представляется в достаточной ме­ре доказанной». Таким образом, Эйнштейн не считал сверхсветовые движения логически несовместимыми с теорией относительности и отвергал их, ссылаясь на имеющийся опытный материал. Эта точка зрения не противоречит, в частности, возможностям получения сверхсветовых движений, которые мы связывали с новы­ми представлениями о массе. В тех же случаях, когда Эйнштейн решительно вы­сказывался против существования сверх­световых движений, речь шла, по сущест­ву, о телах с обычной массой.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Допустим, что най­дены условия, при которых сверхсветовые движения не противоречат теории относи­тельности. Предположим, например, что действительно_; обнаружены две различные характеристики инерционных  свойств тела, те самые т_е и т_p, о которых вы гово­рили. Но достаточно ли этого? Ведь не только законы теории относительности уп­равляют окружающим нас миром. Не нахо­дятся ли сверхсветовые движения в кон­фликте с какими-либо другими общими за­кономерностями?

ФИЗИК- Это, я думаю, центральный для всей проблемы сверхсветовых движений вопрос. Потому что известна закономер­ность, которой противоречил бы уже са­мый факт существования таких движений. Она носит название принципа причинно­сти и составляет вместе с теорией относи­тельности и квантовой теорией тот фунда­мент, на котором базируется современная теория строения вещества.

Принцип причинности в той форме, в ка­кой он используется в физике, налагает определенные ограничения на взаимное вли­яние событий, происходящих в разные моменты времени и в разных точках прост­ранства. Он запрещает какое бы то ни было влияние данного события на уже происшедшие события и может быть вы­ражен краткой формулой «будущее не влияет на прошлое». Весь наш повседнев­ный опыт, вся человеческая практика и, наконец, специально поставленные физиче­ские эксперименты свидетельствуют в пользу безусловной справедливости этого принципа. По крайней мере в той области явлений, которая уже подверглась иссле­дованию.

Чтобы понять связь принципа причин­ности со сверхсветовыми движениями, нужно иметь в виду, что, согласно теории относительности, промежуток времени между двумя событиями не есть величина абсолютная, а зависит от скорости движе­ния наблюдателя, измеряющего этот про­межуток времени. Именно с этим эффек­том связан, например, «парадокс близне­цов», позволяющий человеку, по крайней мере   в принципе,    приобщиться   к жизни своих далеких потомков (см. Примечание № 6).

Итак, временной интервал между двумя событиями зависит от скорости наблюдателя. Сам характер этой зависимости оп­ределяется тем, насколько данные события разнесены во времени и пространстве.

Начнем с независимых событий, напри­мер, с зажигания двух фонариков, владельцы которых ничего не знают друг о друге. Здесь имеются две возможности. Первая (рис. 1) состоит в том, что время t_аб между событиями А и Б больше того времени t_c, которое нужно световому лу­чу, чтобы пройти расстояние, разделяющее эти события. Пример: расстояние между фонариками 300 тыс. км, и один из них за­жигается через 2 сек. после другого. Ин­тервал времени между такими событиями хотя и меняется при изменении скорости наблюдателя (рис. 1 б отображает случай, когда скорость наблюдателя выше, чем в случае, показанном на рис. 1 а), однако никогда не меняет своего знака. А это значит, что для любого наблюдателя собы­тие Б происходит позже, чем событие А. Совсем другая ситуация может воз­никнуть, если время t_аб между события­ми меньше, чем время t_c прохождения све­тового луча от А к Б. Пример: расстоя­ние между фонариками 300 тыс. км, и один из них зажигается через 0,5 сек. пос­ле другого. В этом случае при изменении скорости наблюдателя изменение интерва­ла времени между событиями носит го­раздо более радикальный характер. Если, например, для одного из наблюдателей со­бытие А происходит раньше события Б (рис. 2а), то для другого наблюдателя, движущегося с достаточно высокой скоро­стью, наоборот, событие Б может ока­заться более ранним (рис. 26).

А теперь рассмотрим случай, когда со­бытия А и Б взаимосвязаны, конкретно, когда событие Б является следствием со­бытия А. Скажем, когда событие А — вы­стрел из спортивного пистолета, а собы­тие Б — появление дырки в мишени. Если скорость пули меньше скорости света, то есть если t_аб < t_C, то для любого наблю­дателя независимо от его скорости дырка в мишени появится после выстрела (рис. 1а). А вот если пуля движется со сверх­световой скоростью, если t_аб < t_C, то мо­гут быть наблюдатели, которые раньше фиксируют появление дырки, а потом уже выстрел (рис. 26). Для такого наблюдате­ля будущее (событие Б) будет влиять на прошлое (событие А), и отсюда можно сделать вывод, что движение физического тела — в данном случае пули — со сверх­световой скоростью влечет за собой нару­шение принципа причинности.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Поскольку речь идет о теоретических построениях, то нельзя как-то спасти принцип причинно­сти? Нельзя ли как-то изменить теорию сверхсветовых движений, чтобы этот прин­цип не нарушался?

ФИЗИК. В принципе можно. Но в по­добных теоретических построениях появляются другие сложности, иногда еще бо­лее неприятные, чем нарушение принци­па причинности. Во что обходятся подобные операции спасения, видно на следующем примере.

Чтобы уберечься от нарушения прин­ципа причинности, Дж. Фейнберг наделяет свои тахионы такими свойствами, что они меняют направление движения на противоположное при переходе от ситуации, ко­торая иллюстрируется рисунком 2а, к ситуации, отображенной на рисунке 26. Ины­ми словами, при изменении скорости наблюдателя тахионы могут менять не толь­ко величину скорости, но и ее направле­ние. Однако при этом возникают такие следствия, которые в сильнейшей степени подрывают доверие к теории Фейнберга. В частности, оказывается, что само число та­хионов зависит от того, как движется на­блюдатель. И имеется такой наблюдатель, для которого число тахионов вообще рав­но нулю.

Тем самым возникает противоречие с ле­жащим в основе теории относительности так называемым принципом относительно­сти, требующим полного равноправия всех наблюдателей. Уже даже по одной этой причине трудно признать теоретической удачей фейнберговские тахионы, о кото­рых в свое время в прессе писали как о реальности и обещали даже, что они вот-вот будут обнаружены.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Но если не удается спасти принцип причинности, то, значит, остается одно: чтобы признать возмож­ность сверхсветовых движений, необходи­мо смириться с возможностью его наруше­ния. Это, по-видимому, дорогая цена. Но может ли она вообще быть оплачена? Можно ли вообще представить себе ситуацию, в которой нарушается принцип при­чинности?

ФИЗИК. Чтобы разобраться в этом очень важном вопросе, допустим, что прин­цип «будущее не влияет на прошлое» на­рушен, и посмотрим, к каким следствиям это приведет. Здесь нужно различать след­ствия двух типов: следствия, которые при­водят лишь к изменению последовательно­сти событий и носят непривычный, но непротиворечивый характер, и следствия, приводящие к нарушению взаимной обусловленности событий и потому имеющие недопустимый характер.

Чтобы не вдаваться в пересказывание теоретических исследований, попробуем проиллюстрировать эти два возможных следствия, так сказать, житейскими при­мерами.

Представьте себе, что вы находитесь на лесной поляне в веселой компании, которая громко распевает песню. И что в по­исках тишины вы в какой-то момент ре­шили покинуть эту компанию, уйти с по­ляны. Точнее, бесшумно улететь неким фантастическим способом со сверхзвуковой (не путать звук со светом!) скоростью. При этом вы, естественно, будете догонять зву­ки песни и слышать их в обратном поряд­ке— сначала услышите последние спетые куплеты, а потом догоните уже улетевшее довольно далеко начало песни. И сама ме­лодия будет звучать «задом наперед», как с магнитофонной ленты, которая движется в обратную сторону. Ситуация вполне ре­альная, если отвлечься от технических де­талей.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Еще одну иллюст­рацию подобного изменения последовательности событий можно найти в фанта­стической повести Камила Фламмариона «Люмен». Автор наделил героя этой по­вести Люмена способностью двигаться бы­стрее света. Совершая сверхсветовой по­лет над полем битвы при Ватерлоо, Лю­мен видит все эпизоды этой битвы обра­щенными во времени: убитые встают и начинают сражаться. Ядра влетают в жерла орудий и т. п. Дело в том, что, перегоняя световые волны, герой повести сначала воспринимал те световые лучи, которые были испущены позднее, и лишь потом до­гонял лучи, испущенные в более ранние моменты времени.

Комментарий: зададим вопрос, который сведет на нет все выше- и нижеследующие рассуждения о принципе причинности. А что изменится, если герой данного произведения будет двигаться не быстрее скорости света в вакууме, а медленнее скорости света в вакууме, но быстрее скорости света в воздухе? Будет ли при этом нарушаться принцип причинности?

ФИЗИК. И в этой фантастической си­туации, между прочим, нет ни малейшего нарушения взаимной обусловленности со­бытий — просто для некоторого наблюда­теля вся цепочка причинно связанных друг с другом событий переворачивается во времени как целое. При этом принцип «будущее не влияет на прошлое» для это­го наблюдателя, конечно, нарушается, но все нарушение сводится к взаимной пере­становке слов «будущее» и «прошлое». Возможно даже, наблюдатель — в данном случае Люмен — постепенно сформулирует для себя, так сказать, обратные законы природы (например, «Всякое тело отталкивается от земли с силой прямо   пропорциональной его массе,..»), привыкнет к обрат­ному ходу событий и станет считать его нормальным.

Но возможны и совсем другие послед­ствия нарушения принципа причинности. Их прекрасно представил нам Рэй Бредбери в рассказе «И грянул гром» Герой этого рассказа отправился на машине вре­мени в далекое прошлое, чтобы поохотить­ся на доисторических животных. Нарушив соответствующие правила, он случайно раз­давил своим каблуком бабочку. Этот, ка­залось бы, совершенно незначительный факт привел, однако, к такой цепной ре­акции следствий, что, вернувшись в свою эпоху, герой увидел совсем не тот мир, ко­торый он оставил, отправляясь в путешест­вие.

Конечно, этот рассказ имеет для нас прежде всего нравственную ценность, призывая человека к ответственности за отда­ленные последствия своих поступков. Но сюжет рассказа очень поучителен и для тех, кто задумывается о возможности на­рушения принципа причинности. Допустим на минуту, что герой не ограничился унич­тожением бабочки, а совершил нечто по­серьезнее — например, застрелил на дуэли своего далекого предка. Спрашивается, от­куда же взялся тогда сам герой?

Здесь нарушение принципа причинности, как видите, предстало как вмешательство в последовательность причинно - следствен­ных связей. А это, конечно, даже в самых смелых теоретических построениях пред­ставить себе просто невозможно.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Сопоставив наши физико - литературные иллюстрации, нуж­но сделать вывод, что в само понятие «принцип причинности» может вкладывать­ся разный смысл. Рассматривая проблему сверхсветовых движений, нельзя, разумеет­ся, посягать на принцип причинности как на требование взаимной обусловленности событий. Но для того, чтобы представить себе преодоление светового барьера, доста­точно признать возможным нечто гораздо меньшее — нарушение временной последо­вательности событий. То есть ситуацию, которая иллюстрировалась сверхсветовым полетом Люмена. Можно ли при этом счи­тать, что теоретики теперь ликвидировали все препятствия и в своих теоретических моделях нашли место для частиц, движу­щихся со сверхсветовой скоростью?

ФИЗИК. Если бы такой вопрос был за­дан несколько лет назад, то немало, ви­димо, нашлось бы теоретиков, желающих ответить на него утвердительно. В то время нарушение принципа причинности, разуме­ется, в варианте без нарушения взаимной обусловленности событий, обсуждалось очень энергично. Причем не только физи­ками, но и философами. Более того, пред­принимались попытки экспериментально об­наружить нарушение принципа причинно­сти...

КОРРЕСПОНДЕНТ. Может быть это будет отклонением от нашей главной темы, но очень хотелось бы услышать несколько слов о таких экспериментах...

ФИЗИК. Проверка принципа причинно­сти стала важной частью программ рабо­ты на крупнейших ускорителях мира. В самом общем и упрощенном виде один из эффективных методов проверки выглядит так. Исходя из незыблемости принципа причинности выводят так называемые «дисперсионные соотношения», которые количественно характеризуют процесс рас­сеяния пи-мезонов при столкновении с протонами. Затем экспериментально исследу­ют такое рассеяние и сопоставляют полу­ченные и предсказанные теорией результа­ты. Если эти результаты совпадают, то, значит, первооснова расчетов (принцип при­чинности) верна. Если же окажется, что экспериментальный результат отличается от выведенных теоретически дисперсион­ных соотношений, то это будет свидетель­ствовать о нарушении принципа причин­ности. Эксперименты по проверке диспер­сионных соотношений проводятся на про­тонных ускорителях. Чем «мощнее» уско­ритель, тем для больших энергий частиц и, следовательно, для меньших расстояний может производиться эта проверка.

Имеющиеся к настоящему времени дан­ные позволяют заключить, что принцип при­чинности справедлив для тех явлений, для которых характерны расстояния большие 10^{-15 см (напомним, что размер атома со­ставляет около 10-8 см, размер атомного ядра — 10-12}— 10^{-13 см). Лет 5—10 назад многие физики верили, что на меньших рас­стояниях принцип причинности может на­рушаться и что такие нарушения будут об­наружены. Более того, оптимисты разраба­тывали теоретические модели реальных фи­зических процессов, где происходит нару­шение принципа причинности и есть нечто, движущееся со сверхсветовой скоростью.}

КОРРЕСПОНДЕНТ. Но это, видимо, от­носилось только к микромиру? К тем ничтожно малым пространствам, которые еще оставались непроверенными?

ФИЗИК. Не совсем так. Не исключалось, что сверхсветовые движения и тесно связанное с ними нарушение принципа при­чинности будут раньше обнаружены в макроскопических масштабах, чем в ми­кроскопических. Попробуем пояснить это на первый взгляд странное утверждение.

Давайте возьмем образец какого-либо вещества и мысленно сожмем его до столь высокой плотности, что среднее расстояние между частицами вещества станет сравни­мым с тем масштабом, который характе­рен для области возможного нарушения принципа причинности. Тогда это наруше­ние распространится на весь объем образ­ца, все вещество приобретет весьма не­обычные свойства. Радикально изменится, в частности, его уравнение состояний. Это уравнение показывает, как связаны для данного вещества его объем, давление и температура, как они меняется при изме­нении тех или   иных физических   условий.

Отсюда вытекает совершенно новая воз­можность проверки справедливости принципа причинности — на основе  наблюдений за объектами из сверхсжатого веще­ства и выяснения их уравнения состояний. Такого рода объекты вовсе не плод фанта­зии. На их роль могли бы претендовать не­бесные тела в состоянии гравитационного коллапса и, быть может, квазары. Если ве­щество этих объектов сжато до такой сте­пени, что в нём происходит нарушение принципа причинности, то это должно отра­зиться и в изменениях уравнения состоя­ний. А это в принципе может быть обнару­жено в астрофизических наблюдениях.

КОРРЕСПОНДЕНТ. А какие конкретно сверхсветовые движения представлялись реальными в сверхплотном веществе?

ФИЗИК. Разрабатывалась, в частности, теория звуковых волн, распространяющихся со сверхсветовой скоростью. Но обо всем этом мы сейчас рассказываем только в прошедшем времени. Потому, что за прошедшие несколько лет даже энтузиа­сты отказались от попыток ввести в физи­ку нарушение принципа причинности. А вместе с этим исчезла возможность найти в физике место и для сверхсветовых ско­ростей.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Что же случилось? Что произошло за эти годы?

ФИЗИК. Резко продвинулась вперед фи­зика микромира. Целый каскад ошеломляющих экспериментов приблизил нас к построению реалистичных кварковых моделей. Появилась теория, связавшая в еди­ное целое электромагнитные и слабые вза­имодействия. Были проведены тонкие эк­сперименты, подтверждающие справедли­вость этой теории...

КОРРЕСПОНДЕНТ. Но какое отноше­ние все это имеет к принципу причинно­сти?

ФИЗИК. Самое прямое. Когда исследо­валась возможность нарушения этого принципа, то имелись в виду не только сверх­световые скорости. С нарушением принци­па причинности в большой мере связыва­лись надежды на преодоление глубокого кризиса в ядерной физике. И нередко упо­миналось, что два из трех «китов», на ко­торых покоятся наши современные пред­ставления о строении вещества,—теория относительности и квантовая теория — возникли в результате радикального пере­смотра соответствующих классических представлений. И было бы естественно, если бы следующий шаг в этом направле­нии коснулся третьего «кита»— принципа причинности, формулировка которого но­сит сугубо классический характер.

КОРРЕСПОНДЕНТ. А в чем проявляет­ся этот классический характер? И чем он, так сказать, вас не устраивал?

ФИЗИК. Дело в том, что принцип при­чинности в его точной формулировке го­ворит об отсутствии обратного (во време­ни) влияния двух точечных, то есть со­средоточенных в некоторых точках прост­ранства и мгновенных событий. Между тем законы теории относительности и кванто­вой теории запрещают такого рода собы­тия:  любое событие должно быть «размазано» по некоторой, хотя и малой, но ко­нечной области пространства и времени. И поэтому главной движущей силой для пе­ресмотра принципа причинности было оп­ределенное физическое несоответствие меж­ду элементами того фундамента, на кото­ром покоится современная теория строе­ния вещества.

Но вот прошли годы, и успехи физиче­ских наук, в частности те, о которых говорилось чуть раньше, сделали реально­стью бескровную победу — физика суме­ла решить свои проблемы, не прибегая к столь радикальной мере, как пересмотр принципа причинности. Его справедли­вость сейчас не вызывает никаких сомне­ний. Во всяком случае, для расстояний значительно меньших, чем считалось рань­ше. Ну, а это, в свою очередь, означает, что движение со сверхсветовой скоростью невозможно.

КОРРЕСПОНДЕНТ. А как же тогда от­носиться к сообщениям о том, что сверх­световые скорости обнаружены у неко­торых астрофизических объектов?

ФИЗИК; К таким сообщениям можно относиться с доверием, имея, однако, в виду, что в них речь идет не о реальных движениях, а о «кажимостях», о которых в свое время уже писал журнал («Наука и жизнь» № 4, 1977 год). Пример такой кажимости: луч прожектора прочеркивает экран настолько быстро, что яркое пятно движется по экрану со сверхсветовой ско­ростью. При этом сами световые кванты не перемещаются по экрану, а эффект дви­жения пятна связан с тем, что на экран в каждый последующий момент времени по­падают новые кванты. Ясно, что никакое физическое тело здесь не движется быст­рее света и имеет место лишь сверхсвето­вая кажимость. А вот другой пример подобной кажимости, еще более наглядный: электронный коммутатор быстро переключает лампы световой рекламы, и опять яр­кое пятно на ней движется со сверхсвето­вой скоростью. Подобные кажимости мо­гут наблюдаться и в астрофизических объ­ектах, например, когда луч какого-либо вращающегося тела скользит по окружаю­щим его пылевым или газовым облакам.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Значит, все наши старания были напрасными. И, в частно­сти, напрасно мы старались внести пред­ставление об особых характеристиках мас­сы, которые позволили бы преодолеть све­товой барьер. Даже если бы мы нашли где-нибудь физическое тело с мнимой мас­сой или тело с двумя разными характери­стиками инертности, то оно все равно не пригодилось бы теоретикам из-за незыбле­мости принципа причинности.

ФИЗИК. Это верно лишь отчасти. Ча­стицы с «нестандартной», в частности с мнимой массой, нашли свое место в физи­ческих теориях. За такими частицами, кста­ти, так и закрепилось название «тахионы». И уже одно это говорит о том, что «ничто на Земле не проходит бесследно», что ис­следование проблемы  сверхсветовых    движений внесло свой вклад в разработку дру­гих областей физики. Однако нынешние та­хионы уже не претендуют на преодоление светового барьера, их основная профес­сия— это создание в физических процес­сах некоторых особых неустойчивостей. И как следствие этих неустойчивостей иног­да могут появляться очень интересные сверхсветовые кажимости. Такие, напри­мер, как обнаруженные несколько лет на­зад группой фиановских физиков перемеще­ния вспышки в рабочем теле лазера со скоростью в 8—10 раз большей, чем скорость света в вакууме. Для объяснения этой сложной кажимости как раз и при­шлось воспользоваться представлением о тахионах как о частицах с мнимой массой.  

Здесь хотелось бы высказать замеча­ние, с которого можно было, видимо, и начать популярный рассказ о проблеме сверхсветовых скоростей. Желая сделать проблему понятной для людей, не имею­щих специальной подготовки, многое в нашем рассказе пришлось излагать упро­щенно, а иногда очень упрощенно и даже слишком упрощенно. В действительности рисуемая современной теоретической физи­кой картина мира, маленький фрагмент которой мы пытались рассмотреть, чрез­вычайно сложна. Для ее понимания, так сказать в деталях, в подробностях, нужна не только специальная подготовка, но и бо­гатое воображение.

КОРРЕСПОНДЕНТ. Очень хотелось бы спросить еще об одной возможности преодоления светового барьера. Почему бы со сверхсветовой скоростью не двигаться самому свету? Можно ли представить се­бе световые или иные электромагнитные кванты, скорость которых более чем 300 тыс. км/сек, то есть больше, чем изме­ренная сегодня скорость света в вакууме?..

ФИЗИК. Представить себе такие кванты, может быть, и можно, но только зачем это нужно? Скорость света в вакууме есть фун­даментальная физическая постоянная, мы получили ее от природы без права на ка­кие-либо преобразования.

Можно лишь проверять ее, что, кстати говоря, и делается (см. Примечание № 7). В частности, проверяется, не была ли ве­личина с иной в далеком прошлом, не имеет ли она иных значений в иных звезд­ных мирах, Интересный факт подобной про­верки связан с открытыми недавно в Юж­ной Африке остатками природного ядер­ного (уранового) реактора.

КОРРЕСПОНДЕНТ. После того как рух­нула последняя надежда — надежда на сверхсветовой свет,—можно, наверное, под­вести итог нашего интервью одной корот­кой фразой: покушение на световой барьер не состоялось.

ФИЗИК. Во всяком случае, пока не со­стоялось.

Интервью провел и снабдил приме­чаниями Р. СВОРЕНЬ, специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь».

Автор комментариев – А.Буслаев

 

Примечание № 1. СКО­РОСТЬ СВЕТА В ВАКУУ­МЕ. Измерение скорости света в наземных условиях планировал еще Галилей, но впервые скорость света в вакууме триста лет назад получил Рёмер на основе астрономических наблюде­ний. Его результат был  с = 226   тыс. км/с. Используя остроумные оптико-ме­ханические приборы, Физо в 1849 году определил, что с = 313 274,304 км/с, а Корню в 1873 г. получил с= 298,4 ± 1 тыс. км/с. Уточне­нием скорости света с зани­мались многие известные физики, для этой цели ис­пользовались самые разные методы, в том числе оптико-электронные и радиотехнические («Наука и жизнь» № 5, 1973 г.). Значение с уточнялось довольно медленно. Так, с 1928 года по 1967 год произошло уточне­ние от с = 299 792,6 ± 0,25 км/с до 299 792,5 ± 0,1 км/с. По последним данным с = 299 792,4562± 0,0011 км/с.

Примечание № 2. СКО­РОСТЬ СВЕТА В РАЗ­ЛИЧНЫХ СРЕДАХ. Ско­рость света с* в той или иной среде зависит от ди­электрической проницаемо­сти е этой среды и ее магнитной проницаемости μ. Величина с* вычисляется довольно просто: с* = с/√(με). Нужно отметить, что само понятие «скорость све­та» практически применимо лишь к достаточно прозрач­ным веществам, где свет может пройти сколько-ни­будь заметное расстояние.

Примечание № 3. ЭФ­ФЕКТ ВАВИЛОВА—ЧЕ-РЕНКОВА. Сущность явле­ния, обнаруженного П. А. Черенковым в лаборатории С. И. Вавилова в 1934 году, состоит в том, что движе­ние  электронов  в  прозрачной среде со скоростью, превышающей скорость све­та в данной среде, сопро­вождается излучением све­товых волн. Эти световые волны движутся медленнее, чем породившие их электро­ны. Детальный анализ про­цесса выполнен И. Е. Таммом, И. М. Франком (1937 г.) и с квантовых по­зиций В. Л. Гинзбургом (1940).

Примечание № 4. МНИ­МОЕ ЧИСЛО. Если возве­сти в квадрат (или иную четную степень) отрица­тельное число, то обяза­тельно получится число положительное, так как (—1)Х  (—1) = +1. Иными сло­вами, отрицательное число при возведении в квадрат получиться не может. А зна­чит, не может получиться «нормальное» число в результате извлечения квад­ратного корня из отрица­тельного числа. Математи­ческую условность √—а на­зывают мнимым числом и отмечают знаком «i», кото­рый можно считать равным √—1. Таким образом, мни­мое  число  m можно записать как jm или т=√—1.

Примечание № 5. МНИ­МЫЕ ВЕЛИЧИНЫ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ. Электрическое сопротивление, обозначаемое обычно как R,— одна из важнейших характеристик электрической цепи и ее элементов. Оно определяет соотношение между током I и напряже­нием U (например, I = U/R или U==IR) и мощность, выделяемую в каком-либо элементе цепи (например, Р = I² • R). Кон­денсатор и катушка в цепи переменного тока тоже ха­рактеризуются сопротивле­нием, но сопротивлением особого рода. Емкостное сопротивление Xс конден­сатора и индуктивное со­противление Х_L катушки так же, как и R, определя­ют соотношение между то­ком и напряжением, но они совершенно бессмысленны для определения мощности. Потому что ни конденсатор, ни катушка мощности не потребляют из-за фазовых сдвигов между током и на­пряжением, которые они сами и создают. Из-за этих «ненормальностей» обе ве­личины — Хс и Х_L — выра­жаются мнимыми числами и именно в таком виде входят во все формулы, точно описывающие процессы в цепях переменного тока.

Примечание № 6. ПАРА­ДОКС БЛИЗНЕЦОВ. Это одно из самых удивитель­ных следствий теории отно­сительности связано с ее выводом о том, что увеличе­ние скорости объекта при­водит к растягиванию вре­мени, замедлению хода ча­сов. Можно представить се­бе такую ситуацию: один из двух братьев-близнецов со­вершает космическое путешествие с околосветовой скоростью и благодаря рас­тягиванию   своего  времени, вернувшись на Землю, ока­зывается моложе своего брата. Или, иными словами, близнец путешественник, по сути дела, попадает в буду­щее. Такая возможность станет вполне реальной, ес­ли удастся построить лета­тельные аппараты, на кото­рых можно будет двигаться со скоростью, достаточно близкой к скорости света.

Факт замедления времени был подтвержден в экспери­ментах с элементарными частицами: время жизни ча­стиц, двигавшихся с около­световой скоростью, оказа­лось значительно больше, чем таких же частиц в сос­тоянии   покоя.   Разница во времени жизни частиц в точности согласуется с рас­четами по формулам теории относительности.

Примечание № 7. ПРО­ВЕРКА ФИЗИЧЕСКИХ КОНСТАНТ. Теоретики энергично обсуждают воз­можность изменения так называемой постоянной тон­кой структуры, которая объединяет три фундамен­тальные физические посто­янные: заряд электрона е, постоянную Планка h и ско­рость света с. Для нынеш­него времени измерения в земных условиях дают зна­чение    постоянной  тонкой структуры α=e²/hc=1/137. Это значение подтверждается и астрофизическими наблюде­ниями. Ленинградский тео­ретик А.Шляхтер, анализи­руя исследования природно­го ядерного реактора, обна­руженного сравнительно не­давно в Африке (см. статью Ю. Петрова. «О природном реакторе Окло», журнал «Успехи физических наук», том 123, вып. 3), пришел к выводу, что постоянная тонкой структуры за по­следние 2 миллиарда лет практически не изменилась, во всяком случае, она не изменяется более чем на 10~¹³ процента за тысячу лет.