Следующая весьма примечательная выписка, сделанная 28 мая 1983 года из книги А. И. Вейника «Термодинамика», повествует о фундаментальной основе мира – симметрии. Идея симметрии мира, по словам автора, автоматически приводит к идее частиц-античастиц. И опять же, этот взгляд хорошо ложился на представление о частице как осцилляторе. Подобная мысль легко просматривалась у меня несколько раньше.
«Если быть последовательным до конца, то из вывода о невозможности перейти через абсолютный нуль потенциала и из его пятого дополнительного постулата можно с необходимостью прийти к заключению о существовании симметрии мира, а, следовательно, и о возможности существования антимиров. Кроме того, придётся сделать ряд практических выводов, которые поддаются непосредственной экспериментальной проверке.
Прежде всего речь идёт о процессах аннигиляции. Если аннигилируют полностью положительный и полностью отрицательный микроансамбли, то вследствие невозможности перехода через нуль потенциала вновь возникшие частицы и античастицы также должны располагаться по обе стороны относительно нулевой линии. В простейшем случае, когда возникают два фотона, один из них должен быть положительным, а другой – отрицательным. Этот вывод о необходимости существования фотона и антифотона может быть проверен на практике.
Если предположить существование только одного типа фотонов – положительных, то тем самым наносится сокрушительный удар по идее о симметричной картине мира, ибо фотон представляет собой совокупность большого числа весьма распространённых микрозарядов. Несоблюдение симметрии для этих зарядов делает всю картину мира несимметричной.
Эта мысль приводит к очень жестокой общей картине мира: все формы движения с неизбежностью должны превратиться в термическую и в ней найти свою смерть (такой вывод Клаузиуса о характере эволюции Вселенной получил в науке наименование тепловой смерти мира).
Если мир абсолютно симметричен, тогда он должен обладать некоторыми иными свойствами. В частности, в нём должны наблюдаться процессы аннигиляции фотонов, а также другие процессы, восстанавливающие активность различных форм движения (напомним, что в настоящее время известны процессы образования пар частиц электрон-позитрон из фотонов). Например, благодаря симметрии мира абсолютный нуль потенциала должен служить как бы потенциальной ямой, в которую скатываются заряды и антизаряды по обе стороны от нуля. Их сближение должно сопровождаться аннигиляцией и последующей новой эволюцией возникших частиц и античастиц. При наличии симметрии вполне определённый смысл приобретает идея о физическом вакууме. Физический вакуум представляет собой совокупность бесчисленного множества зарядов, находящихся в состоянии покоя при нулевых значениях потенциала. Возбуждение на данном участке приводит к симметричному расслоению вакуума на плюс – и минус – движение: появляются одновременно положительные и отрицательные потенциалы, приводящие в действие соответствующие положительные и отрицательные заряды».
Далее мне бы хотелось процитировать обширную выписку, сделанную в первой половине лета 1983 года. Точная дата не установлена. Книга Пола Девиса «Пространство и время в современной картине вселенной» помогла мне окончательно утвердиться в «двухмерном» периоде и проложить пути в «трёхмерный».
Возможно, имя американского физика-теоретика Джона Арчибальда Уилера я встречал и раньше, но оно тогда не особо меня заинтересовало. Но встретив имя Уилера в книге Девиса, оно стало для меня ключевым. Именно благодаря Джону Уилеру, в ноябре 1983 года я вышел на английского математика девятнадцатого века Вильяма Клиффорда, с которого, собственно, и началась вся история с понятиями о кривизне пространства. А выйдя на Клиффорда, то есть, вернувшись к истокам, я и сделал то главное открытие, которое сегодня именую «дыханием» вакуума.
Выписки из книги П. Девиса «Пространство и время в современной картине вселенной».
«Асимметрия во времени и волновое движение.
До сих пор мы обсуждали лишь термодинамическое обоснование асимметрии во времени (горение спички). Существуют, однако, другие важные асимметричные процессы, как будто бы непосредственно не имеющие отношения к термодинамике, хотя объяснение их асимметрии и может быть связано с термодинамической асимметрией на более фундаментальном уровне.
Один из привычных примеров нетермодинамической асимметрии во времени даёт нам брошенный в пруд камень. Возникающее при этом возмущение сводится к системе круговых волн, которые распространяются в разные стороны от места падения камня вплоть до берегов пруда. Обращённая во времени картина, когда круговые возмущения согласованно (когерентно) возбуждаются у берегов пруда и сходятся в общий центр, исчезая там (? – Б. Г.), кажется, никогда не наблюдается, по крайней мере, не возникает сама собой.
Подобную асимметрию волнового движения мы можем обнаружить во многих разделах физики. Например, возьмём распространение радиоволн…
Описанный тип волнового движения, при котором возмущения распространяются во все стороны от источника, физики называют запаздывающим волновым движением, потому что возмущение достигает удалённых точек только спустя некоторое время, необходимое для распространения этого возмущения через пространство. Обращённая во времени картина, когда возмущения сначала проходят через удалённую точку, а потом сходятся в месте расположения источника, называется опережающим волновым движением. Загадка состоит в том, что сами законы распространения волн не делают различия между опережающими и запаздывающими волнами.
Например, уравнения электродинамики Максвелла дают как «опережающие», так и «запаздывающие» волновые решения. «Опережающие» решения можно отбросить, заявив, что условия в пространстве на большом удалении исключают возможность возбуждения сходящегося волнового возмущения. Но почему? Физики так и не смогли прийти к единому ответу на этот вопрос.
Обратимся сначала к случаю, когда, казалось бы, можно найти ясный ответ, – примеру с прудом; здесь рассматриваемая система обладает конечными размерами. Рассуждая, как и в случае больцмановской модели газа, предположим теперь, что речь идёт о модели пруда, изолированного от термодинамических воздействий типа вязкости, которая приводит к затуханию волн, и других влияний, усложняющих задачу. В такой идеализированной системе будут присутствовать все типы волн, включая – достаточное время спустя – также сходящиеся, или опережающие волны. Но почти всё время поверхностные возмущения будут хаотичными и беспорядочными – условие «высокой энтропии», – что мы могли бы назвать в целом равновесным состоянием пруда.
Итак, мы пришли к непосредственному аналогу больцмановской системы, в которой рано или поздно реализуются все типы молекулярных движений, но хаотическое равновесное состояние господствует почти всегда. Вероятно, такая тесная аналогия между двумя этими системами неудивительна. Квантовая теория учит, что в движении атомов сочетаются волновые и корпускулярные аспекты.
Изолированный пруд ведёт себя симметрично во времени, как и изолированный ящик с газом. Однако реальный пруд не изолирован. Бросая в него камень, мы создаём ветвящуюся структуру, подобно тому, как это было, когда мы опускали кубик льда в стакан с кипящей водой. Если камень брошен случайным образом, запаздывающее волновое движение будет реализовываться с несравненно большей вероятностью, чем опережающее, ибо почти наверняка любые имеющиеся в пруду возмущения, начавшись с общего хаотического движения, не сложатся сами собой так, чтобы заметная флуктуация возникла именно в тот момент, когда был брошен камень.
К сожалению, подобные рассуждения теряют силу при бесконечных размерах системы. Если раскрыть ящик с газом в пустой бесконечной Вселенной, то газ, расширившись, навсегда уйдёт из ящика. Радиоволна, распространяющаяся в неограниченном пространстве и не встречающая «берегов пруда», тоже никогда не вернётся назад. Такая неограниченная диссипация волн и частиц – ещё один тип необратимой временной асимметрии, требующей иного объяснения. Это объяснение, очевидно, не может основываться на локальных рассмотрениях. Здесь требуется объяснить, почему условия в удалённых областях Вселенной таковы, что никогда не возникают сходящиеся радиоволны и собирающиеся вместе скопления атомов. Возможность такого необычного явления, как приход сигналов «обратно» от границ Вселенной, читателю может показаться попросту нелепостью, а попытка строго объяснить, почему она не реализуется, – пустым упражнением ума, которое представляет чисто академический интерес. Мы увидим, однако, что те ограничения, которые исключают подобные странные явления, могут существенно сузить класс возможных миров, пригодных в качестве модели реального мира. Более того, некоторые модельные вселенные, которые могли бы быть похожи на нашу Вселенную, в принципе допускают возникновение время от времени таких странных феноменов. (…)
Поглотитель в будущем.
В 1945 году Джон Уилер и Ричард Фейнман – два выдающихся американских физика-теоретика послевоенных лет – предложили новое изящное и простое объяснение того факта, что электромагнитные волны распространяются только во внешний мир, во Вселенную, или, выражаясь более образно, что радиосигналы движутся во времени вперёд, а не назад. Любопытно, что теория Уилера-Фейнмана основывается не непосредственно на асимметрии во времени, а скорее на структуре заряженных элементарных частиц. Целью этих авторов было устранить казавшиеся непреодолимыми математические трудности, которые в течение десятилетий служили помехой для описания взаимодействий заряженных частиц с электромагнитным полем. Нужно, однако, признать, что хотя эта новая теория добилась определённых успехов, все попытки построить её квантовомеханический вариант как будто с неизбежностью порождают вновь те же математические трудности. Поэтому первоначальное восхищение теорией несколько ослабло, а доводы в её пользу уже не выглядели столь убедительными.
И всё же остроумная идея Уилера-Фейнмана оказалась привлекательной как основа для построения всевозможных догадок относительно временной асимметрии и космологии, особенно среди самих космологов. (…)
Вспомним, что Максвелл был первым, кто объединил известные тогда законы электричества и магнетизма в одну теорию электромагнитного поля, из которой вытекало существование электромагнитных волн. Источником, порождающим эти волны, является электрический ток, вызываемый, как теперь известно, движением электрически заряженных частиц, например, электронов. Чтобы заряженная частица могла генерировать электромагнитные волны, она должна двигаться ускоренно. Окружающее частицу электромагнитное поле реагирует на изменение движения частицы, и возникающее при этом возмущение распространяется в виде волн. Эти волны несут энергию, следовательно, можно сказать, что ускоренная частица излучает (испускает излучение). Но излучаемая энергия должна откуда-то браться – это происходит, видимо, за счёт энергии частицы, ускоренное движение которой поэтому должно замедляться. Торможение частицы происходит под действием некой силы, которую называют силой радиационного трения. Эта сила фактически крайне мала. Область физики, рассматривающая взаимодействие между электромагнитными полями и движущимися заряженными частицами, называется электродинамикой.
Так как законы электродинамики, основанной на теории Максвелла, полностью симметричны во времени, они допускают и обратные процессы, т. е. такие, при которых электромагнитные волны падают на ускоренную заряженную частицу и в результате этого поглощаются. Такое явление также хорошо известно. Проблема здесь заключается не в корректности предположения о временной обратимости законов электродинамики, а в следующем: произвольным способом ускоренная частица, видимо, обусловливает излучение запаздывающих волн, движущихся упорядоченно и распространяющихся «вовне» из окрестностей частицы. Но она «не обусловливает» обратного процесса, при котором волны, распространяясь «вовнутрь» со всех направлений из удалённых областей Вселенной, падают на частицу упорядоченным же образом и здесь поглощаются. Короче говоря, излучаются упорядоченные (когерентные) волны, а поглощаются лишь неупорядоченные. Этот факт, в частности, можно выразить так: ускорение заряженной частицы приводит к излучению ею её волн в будущее, но не в прошлое. (…)
Уилер и Фейнман не внесли изменений в основу теории Максвелла, но обнаружили более глубокую (возможную) причину того, что излучение может быть направлено лишь в будущее, не ограничившись просто замечанием, что Вселенная «сделана так, а не иначе». Они проанализировали, что могло бы получиться, если бы ускоренная частица излучала в равной мере как в будущее, так и в прошлое. Конечно, посылка сигналов в прошлое приводит ко всякого рода парадоксам вроде того, что мы уже упоминали в связи с тахионами.
Ясно, что такое поведение отдельно взятой заряженной частицы в корне противоречит опыту. Тем не менее Уилер и Фейнман предположили, что могло бы существовать такое коллективное движение множества одинаковых частиц, волны от которых, взятые вместе, оказались бы имеющими привычную и приемлемую чисто запаздывающую (направленную в будущее, т. е. расходящуюся) структуру, даже если бы каждая из них по отдельности была бы симметрична во времени.
Как это может получиться? Механизмом, лежащим в основе такого явления, может быть хорошо известный эффект интерференции. Его лучше всего продемонстрировать на примере волн на поверхности воды. Бросьте на спокойную поверхность пруда два камня, так чтобы они упали недалеко друг от друга. Волновые фронты, созданные каждым камнем, будут распространяться не независимо, а проинтерферируют друг с другом, в результате чего получится перекрещивающаяся сеть отдельных гребней и впадин. Там, где гребни и впадины разных волновых фронтов совпадают, они усиливают друг друга, но если гребень одного фронта укладывается на впадину другого, они компенсируются, и поверхность воды в этом месте практически остаётся спокойной.
Аналогичным образом выглядит интерференционная картина для световых волн. Если отражающая поверхность покрыта, например, тонкой нефтяной плёнкой, то на ней появляются окрашенные области: причина этого заключается в компенсации при интерференции волн одних длин (цветов) падающего на поверхность света и усилении волн других длин.
Уилер и Фейнман пришли к следующему замечательному выводу. Если предположить, что одиночная заряженная частица, приведённая в движение в пустом пространстве, симметрично испускает волны – половину как опережающие (в прошлое) и половину как запаздывающие (в будущее), – то, будучи помещённой в непрозрачный ящик, эта частица станет излучать чисто запаздывающие волны (в будущее). Но достаточно открыть ящик, и вновь появятся опережающие волны.
Дело в том, что внутри ящика происходит следующее. Волны, излучаемые ускоренной частицей, распространяются во все стороны, пока не попадают на внутреннюю поверхность ящика, где они приводят в движение заряженные электроны атомов материала, из которого сделан ящик. Запаздывающая волна достигает поверхности ящика через некоторое время после того, как она ушла от частицы, опережающая же волна доходит до поверхности ящика прежде, чем частица начала даже двигаться! Итак, парадоксальным образом электроны ящика начинают колебаться заранее, т. е. до того, как заряженная частица совершила соответствующее движение. Возможность такой «преждевременной» реакции стенок ящика, вероятно, покажется читателю несколько странной, поскольку, как учит нас опыт, причина всегда предшествует следствию. Однако в физике разница между причиной и следствием в действительности не играет роли – существенно лишь взаимодействие. Здесь вполне допустимо, чтобы причина и следствие либо поменялись местами, либо чтобы причина следовала во времени за следствием, если при этом не возникает противоречий.
Колебания электронов материала ящика (как до так и после движения первоначальной заряженной частицы) также будет вызывать волны; согласно предположению Уилера и Фейнмана, и эти волны будут излучаться как в прошлое, так и в будущее. Поэтому первоначальная частица, движущаяся в ящике, оказывается связанной со сложной системой опережающих и запаздывающих волн, испускаемых его стенками. Все эти волны будут чрезвычайно сложным образом интерферировать друг с другом. Существенной особенностью работы Уилера и Фейнмана было то, что они с помощью простых расчётов показали, что если ящик совершенно непрозрачный, то опережающие волны от стенок ящика в точности компенсируют опережающие волны от первоначальной частицы (источника). Более того, они усиливают запаздывающие волны от частицы до их полной мощности. Воздействие ответных волн от ящика на все заряженные частицы сводится к компенсации всех движений, предшествующих началу движения частицы-источника, в результате чего величина силы радиационного трения, действующей на частицу-источник, оказывается точно соответствующей передаче энергии от одной частицы к стенкам ящика. Поэтому для существа, обитающего внутри ящика, электродинамическое поведение системы будет полностью соответствовать нашему повседневному опыту. Если, однако, ящик не абсолютно непрозрачный, парадоксальные опережающие эффекты там всё-таки сохраняются.
Проиллюстрировав, таким образом, как в результате реакции со стороны ящика из волн, симметричных во времени, образуются чисто запаздывающие волны, Уилер и Фейнман объяснили, где именно заложена асимметрия во времени. В конце концов, если предположить, что изолированная система ведёт себя симметрично во времени, то в равной мере можно было бы воспользоваться обратной картиной распространения волн и получить чисто опережающее излучение источника. Следовательно, ключ к асимметрии лежит в механизме поглощения. Если ящик непрозрачен, то волны, падающие на его внутреннюю поверхность, должны поглощаться, что практически означает, что их энергия преобразуется в теплоту. Колеблющиеся электроны сталкиваются с атомами стенок и приводят их в тепловое движение. Выделяемая теплота затем сквозь стенки рассеивается вовне, согласно второму началу термодинамики. Чтобы возник обратный процесс генерации опережающих волн, большое число атомов ящика должно сталкиваться между собой совершенно определённым образом, так как они должны были бы передавать электронам энергию своего теплового движения строго в нужное время, чтобы те в свою очередь коллективно излучали когерентные волны на частицу-источник. Но в соответствии с принципами, изложенными в гл. 3, такая ситуация хотя и не исключена абсолютно, но крайне маловероятна.
Используя механизм реакции поглотителя, Уилер и Фейнман смогли, таким образом, возложить ответственность за возникновение временной асимметрии электромагнитного излучения непосредственно на термодинамику. Чтобы разобраться в этом более основательно, необходимо заметить, что если ящик совершенно непрозрачен и излучение совсем не проходит из него в окружающее пространство, то взаимодействие полей внутри ящика можно заменить прямым взаимодействием на расстоянии между заряженными частицами. Такое прямое действие частицы на частицу имеет не мгновенный характер, типичный для теории тяготения Ньютона, но происходит с запаздыванием, соответствующим распространению сигналов со скоростью света. Более того, это действие, распространяющееся во времени как вперёд, так и назад. Как мы убедились, такой принцип воздействия, хотя и несколько необычный на первый взгляд, внутри непрозрачного ящика не отличим от принципа, следующего из теории Максвелла, которая исходит из распространения возмущений электромагнитного поля. Однако преимущество описания процессов в электродинамике лишь с помощью взаимодействующих частиц состоит в том, что оно сводит асимметрию во времени к временной асимметрии при движении множества частиц, т.е. к асимметрии в термодинамике, где она представляется нам достаточно понятной. Согласно такому подходу, более нет необходимости объяснять временную асимметрию электромагнитного поля, поскольку это поле при подобном рассмотрении вообще исключается. Естественно, что теорию поглотителя Уилера и Фейнмана можно принимать всерьёз только в том случае, если допустить, что реальный мир ведёт себя как внутренность полностью непрозрачного ящика, иначе нам пришлось бы сталкиваться с неприятными опережающими эффектами («причинность задом наперёд»). Вселенная вблизи нашей Галактики определённо не непрозрачна. В действительности свет может путешествовать много сотен миллионов лет, не встретив заметного количества вещества. Поглотится ли в своё время всё излучение, зависит скорее от состояния Вселенной в далёком будущем. Сторонники теории поглотителя поэтому считают, что конец Вселенной будет довольно определённым, так что в известном смысле локальное поведение электромагнитного излучения позволяет нам заглянуть в будущее и предсказать, что произойдёт с Вселенной. Простой расчёт показывает, что в таком случае, если исходить из космологической модели Фридмана, Вселенную ожидает коллапс».
По прочтении книги Девиса, я сделал такую запись. Привожу её дословно.
«Из теории поглотителя Уилера-Фейнмана вытекает, что каждый атом является поглотителем, но, по-видимому, в той же мере он является и излучателем. Это предположение – нелишнее доказательство осциллирующей природы атома, где, по аналогии с атмосферными перепадами давления, происходит периодическая смена в пространстве атома областей «повышенного» и «пониженного» давлений. В центре атома: момент сжатия соответствует области «высокого давления»; момент расширения – области «низкого давления». Колебания пространства атома в ядре, вызванные разностью перепадов давления, обусловливают возникновение запаздывающей волны, которая распространяется в виде сферической волны равномерно во все стороны. В этот момент атом является излучателем. В момент времени, когда область «повышенного давления» в центре атома сменяется областью «пониженного давления», атом становится поглотителем, ибо излучение соседних атомов (если атомы образуют тело) и излучение вселенных стремятся моментально заполнить неоднородность пространства, тем самым создавая вновь область «повышенного давления». Такова в общих чертах природа осциллирующего атома. (Здесь ключ к пониманию гравитации)».
И вот когда моё сознание было во власти образов расходящихся и сходящихся волн, со мной произошел интересный случай.
В доме, где я тогда жил, прошел слух, что до следующего дня «выключат воду». Вечером я наполнил водой большую кастрюлю и поставил на кухонный стол. И поставил так удачно, что лучи заходящего солнца падали под углом на поверхность воды и отражались яркой полоской света на близь расположенной стене. Пока кастрюля или стол не сотрясались – полоска света была ровной. Но стоило сотрясти стол или кастрюлю ударом – полоска света превращалась в пляшущие синусоиды с максимумом амплитуды в центре. Это было потрясающее зрелище! То, о чём я постоянно думал, вдруг явилось мне в таком занятном виде. «Вот же мой осциллирующий атом!» – воскликнул я. Синусоиды были правильными, гармоничными. Сотрясение стенки кастрюли вызывало круговую опережающую волну, которая устремлялась к центру водной поверхности, образуя максимум амплитуды. Максимум опускался и гнал запаздывающую волну в обратном направлении. Достигнув стенки кастрюли, волна отражалась и шла обратно к центру. И так несколько раз до полного затухания колебаний. Если бы, подумал я, вода не обладала такой вязкостью, колебания здесь могли бы идти очень долго, при идеальных условиях – бесконечно.
На этом неожиданном примере я убедился, что при определённых условиях (чрезвычайных, граничащих с невероятным) в материальной среде может существовать локальное осциллирующее образование, которое справедливо отождествить с простейшим атомом, протоном. Но условия!.. Ведь каждый атом – не кастрюля, наполненная водой!