Физика для абитуриента. Решение задач по физике.  Занимательная физика

 
Скорость света: исчерпаны ли парадоксы?

Не успела в восьмом номере журнала Знание-Сила появиться подборка сюжетов об экспериментах со скоростью света, а в десятом — статья о новой космологической карте, как в редакцию поступил материал, объединивший эти темы. Сомнения в постоянстве скорости света, с чем пытаются разобраться в опытах земных, неожиданно пересеклись с теоретическим поиском в епархии космологов. Новые дискуссии лишний раз подтвердили высказанный в публикации о карте Уилкинсона тезис о том, что космологам еще рано бросать работу.

Центральное положение теории относительности Эйнштейна (на которой покоится все здание современной физики и космологии) состоит в том, что скорость света в вакууме является предельной скоростью в нашем физическом мире, в нашей Вселенной. И вот эксперименты, как будто бы опровергающие эти утверждения. Где тут зарыта собака?

Каковы же эти эксперименты? Световой луч падает на зеркало, которое расщепляет его на два пучка. Они идут по параллельным путям, собираются на экране и взаимодействуют, так что на экране возникает система темных и светлых колец. Затем в одно “плечо” прибора (на одном из параллельных путей) ставится непрозрачный барьер, допускающий, однако, частичное проникновение света сквозь себя. Это явление называется “туннелированием”, или “туннельным эффектом” — световая частица словно бы проходит сквозь барьер по невидимому туннелю.

И что же оказывается? При введении в одно плечо прибора такого барьера прежняя картина на экране нарушается. Она становится такой, как будто луч, идущий сквозь барьер, движется быстрее, чем луч, идущий в вакууме. Вот вам и “свет, движущийся быстрее света”.

Эти эксперименты вызвали большой шум, особенно в ненаучных кругах. В кругах же научных эту шумиху оценили, как “много шума из ничего”. Почему?

А потому, что в действительности проходящий сквозь барьер поток света, или световой импульс представляет собой группу волн, или “волновой пакет”. У него есть пик, и вот он-то проходит сквозь барьер со “сверхсветовой скоростью”, — но теории относительности это нисколько не противоречит, потому что никакой информации — сигнала или взаимодействия — этот пик сам по себе не несет.

В самом деле, представьте, что вы передаете с помощью света какую-нибудь букву азбуки Морзе. Чтобы наблюдатель “за барьером” узнал, какая именно это буква, то есть принял осмысленный сигнал, нужно получить ВЕСЬ пакет, от его начала до конца, а не просто его пик. Скорость пика пакета, в сущности, не связана со скоростью волн, составляющих пакет, так же как скорость продвижения пробки, качающейся на проходящих под ней водяных волнах, не отражает скорость движения самих этих волн. Это понимали еще Эйнштейн и его современники. Один из создателей квантовой механики, Арнольд Зоммерфельд, говорил — и как раз по поводу таких экспериментов, — что ключевой вопрос в них состоит в том, чтобы определить, сколько времени занял приход СИГНАЛА, то есть волнового пакета в целом, ибо только это позволяет понять несомый им “смысл”. Как показывают расчеты, время распространения сигнала неизменно оказывается меньше скорости света в вакууме.

И все же проблема этим не исчерпана. Уже после того как улеглась первая шумиха, начался новый шум, причем на сей раз — в собственно научных кругах. Молодой португальский физик Жоао Магуехо выступил с утверждением, что “сверхсветовой свет” все-таки вполне возможен. У физиков не было оснований сомневаться в “верительных грамотах” Магуехо, потому что теорию относительности он изучил уже в возрасте 14 лет, его докторская диссертация, защищенная в Кембридже, была настолько глубокой, что ему дали стипендию, которой в прошлом были удостоены нобелевские лауреаты Дирак и Салам, а в мае 1996 года он получил престижную стипендию британского Королевского общества, позволяющую стипендиату в течение десяти лет работать над любой темой и в любом месте по собственному выбору (Магуехо выбрал Имперский колледж в Лондоне).

А кроме того, в отличие от предшественников, Магуехо не утверждал, будто “сверхсветовой свет” возможен в нынешней Вселенной. Его теория (точнее, гипотеза) состояла в том, что такой свет существовал в далеком прошлом, в самые ранние времена после Биг Бэнга. В этом плане теория Магуехо — одна из многих попыток объяснить некоторые трудности современной космологии с помощью допущения, что нынешние фундаментальные константы, вроде той же скорости света, на самом деле являются не вполне постоянными, а менялись в ходе развития Вселенной (а значит, могут снова измениться в дальнейшем). Такие теории разрабатываются сегодня многими физиками, которые по ряду причин не удовлетворены тем объяснением истории Вселенной, которое предлагает господствующая “инфляционная теория”.

Наблюдаемая нами сегодня Вселенная довольно однородна. Куда ни глянешь — везде галактики или их скопления, причем в разных направлениях картина распределения этих звездных островов примерно одинакова. Кроме того, нынешняя Вселенная является “плоской”. Теория инфляции, созданная американским физиком Аланом Гутом, объясняет однородность и плоскость Вселенной весьма дерзким образом. Гут постулировал, что в первые микро-микро- …-микросекунды после рождения, когда Вселенная была много меньше самой малой микрочастицы, она претерпела чудовищно быстрое раздувание (инфляцию), так что за те же доли секунды стала величиной с грейпфрут. Не буду утомлять цифрами, достаточно сказать, что скорость такого раздувания пространства должна была быть во много раз больше световой. Естественно, это раздувание “раскатало пространство Вселенной, как хозяйка раскатывает тесто на доске, — до плоского состояния. Что же касается однородности наблюдаемой Вселенной, то тут объяснение Гута посложнее.

Как бы ни был мал доинфляционный объем Вселенной, время его жизни было так мало, что свет — если он и тогда шел с нынешней скоростью — не успевал связать друг с другом все участки этого микрошарика. А поскольку взаимодействия, по Эйнштейну, не могут передаваться со скоростью, превышающей световую, то непосредственно взаимодействоватьдруг с другом могли лишь те участочки ранней Вселенной, расстояния между которыми не превышали расстояния, на которое успел со времени рождения пройти свет. Иными словами, это были все те участочки, которые лежали в пределах некой сферы, диаметр которой был как раз равен пути, пройденному светом с момента рождения Вселенной. Поверхность этой сферы была “горизонтом”, за который взаимодействия от данных участочков еще не могли передаться. Там, за “горизонтом”, находилась другая область, все участки которой были тоже связаны друг с другом физическими силами, но совершенно не были связаны с первой областью. Таких физически изолированных областей в шарике ранней Вселенной могло быть много. Главной их характеристикой было то, что в каждой области (внутри каждого горизонта”) взаимодействия уже успели выравнять все физические условия, но условия между разными областями могли быть существенно различными.

По Гуту, инфляция — стремительное и чудовищное раздувание пространства — привела к тому, что из каждой такой области образовалась своя “вселенная”. То, что мы называем нашей Вселенной, есть попросту одна раздутая область, и потому-то физические условия в ней везде однородны. Но где-то жутко далеко этот объем, эта наша Вселенная ограничена своим “горизонтом” (за прошедшие 14 миллиардов лет он успел отодвинуться еще дальше, чем был сразу после инфляции), а там, за ним, находится другая вселенная, другой, ограниченный своим “горизонтом” объем — результат раздутия другой области; а в другом направлении — еще одна, и так далее, до бесконечности.

Иными словами, “Большая вселенная”, родившаяся из Биг Бэнга в результате инфляции, напоминает мыльный пузырь, рассеченный внутри многочисленными перегородками, и в его разных областях (“за перегородками”) физические условия, константы и законы могут быть совершенно разными. В других вселенных может быть вообще пусто. Или там могут происходить какие-то разрушительные процессы, причем они вполне могут со временем вторгнуться, через перегородку “горизонта”, и в нашу Вселенную. Наше счастье лишь в том, что эта перегородка так далека от нас, что последствия такого “вторжения”, даже если оно уже происходит сейчас, проявятся в наблюдаемой нами части нашей Вселенной лишь миллиарды лет спустя. Мы ведь и “нашу вселенную” видим далеко не всю, а лишь ничтожно малый ее объем.

Инфляционная теория объясняет и многие другие особенности Вселенной (в частности, появление в ней звезд, галактик и скоплений галактик), но у нее есть один существенный изъян — она не объясняет, откуда взялось то силовое поле, которое породило инфляционное раздувание. Точнее, она предлагает некое объяснение, но многим физикам оно кажется не очень убедительным. Жоао Магуехо относится к их числу. Он хотел бы объяснить свойства нашей наблюдаемой части Вселенной, не прибегая к гипотезе инфляции. Поэтому он выдвигает гипотезу, что в ранней Вселенной (той, которую Гут называет доинфляционной) скорость света намного превышала нынешнюю. А тогда взаимодействия могли связать между собой не только участочки в одной какой-то области, а во всем шарике ранней Вселенной сразу. Никаких “горизонтов” не было — благодаря этим взаимодействиям Вселенная сразу расширялась как однородное целое. Наблюдаемая сегодня в нашей части Вселенной однородность — не случайная особенность нашей “области”, а отражение однородности всей “Большой вселенной”.

Как же произошло, что теперь скорость света не меняется и много меньше, чем в ранней Вселенной? Магуехо полагает, что по мере расширения и остывания вселенной скорость света спадала, а когда температура Вселенной достигла некоторого критического значения, произошел “фазовый переход” — что-то вроде превращения воды в лед: скорость света “замерзла” на нынешнем уровне. Объяснение наглядное, но непонятное. Более того — как показали расчеты, оно приводит автора к необходимости допустить, что в ранней Вселенной могли происходить нарушения закона сохранения энергии: энергия могла появляться из ничего и обращаться в ничто. Как ни странно, именно эти нарушения позволили Магуехо “объяснить”, как пространство Вселенной могло стать плоским: в момент “замерзания”, говорит он, вся избыточная энергия гравитации, которая могла искривить Вселенную, обратилась в ничто, и наше пространство “уплощилось”. Но объяснение, купленное ценой нарушения закона сохранения энергии, тревожит физиков не меньше, чем необъясненная загадка “инфляционного поля”, и потому большинство коллег не разделяют энтузиазма Магуехо и его единомышленников — Андреаса Альбрехта, Джона Барроу и других (тоже, кстати, крупных физиков).

Гипотеза, развитая Магуехо и Альбрехтом, — один из вариантов того, что сегодня называется в физике и космологии “теориями ПСС” (переменной скорости света). Шум, возникший вокруг именно этой гипотезы, связан не столько с ее какой-либо особой убедительностью, а скорее с энергичной саморекламой автора, который нравится журналистам своим почти детским хвастовством и резкими отзывами о коллегах: “идиоты”, “куча тупиц”, “сексуально неполноценные” — это лишь немногие из эпитетов, рассеянных в только что вышедшей, вызывающе-скандальной книге Магуехо “Быстрее скорости света, или История одной научной гипотезы” (больше всего в ней достается, понятно, Гуту).

Увлекают журналистов и некоторые далекие выводы из гипотезы Магуехо, размахом своим напоминающие фантастические романы. Магуехо, например, утверждает, что в некоторых областях Вселенной могли остаться участки, где скорость света почему-то сохранила первоначальную “сверхсветовую” величину, и будущие звездоплаватели, покрутившись немного в этих местах, якобы смогут совершить межгалактические перелетыза вполне обозримое время, а вернувшись на Землю, обнаружат, что там прошли не века или тысячелетия, а всего лишь недели или месяцы. Как не увлечься такими перспективами!

К сожалению, нужно сказать, что все исследования космоса, проведенные в последние годы, включая самые недавние — по составлению так называемой Карты Уилкинсона, в которой собрались все точнейшие данные о свойствах и истории Вселенной, — систематически и без исключений подтверждают справедливость инфляционной теории, делая сомнительными все варианты ПСС. Поэтому приходится заключить, что принцип максимальности скорости света, выдвинутый Эйнштейном почти 100 лет тому назад, пока что остается нерушимым. Похоже, что и Магуехо, при всей шумихе вокруг его персоны, — тоже не новый Эйнштейн. Что, конечно, не исключает необходимости внимательно присматриваться к новым идеям, даже самым радикальным. История науки далеко не закончилась на Альберте Эйнштейне и Алане Гуте.

Рафаил Нудельман


Занимательная физика.
Главная страница.
Вверх.

Rambler's Top100Rambler's Top100