«Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более теплому».
Утверждение, вроде бы, самоочевидное: всем доводилось наблюдать, как, скажем, выключенный утюг постепенно становится все более холодным, но никто не видел, чтобы он вдруг стал нагреваться, забирая тепло из окружающего пространства. И все-таки против постулата Клазиуса в свое время выступали многие известные ученые – Тимирязев, Столетов, Вернадский… Даже Циолковский назвал такое суждение антинаучным, поскольку из постулата Клазиуса вытекала неизбежность тепловой смерти Вселенной.
Если все тела самопроизвольно охлаждаются, гласила она, то в конце концов со временем все звезды по Вселенной погаснут. Значит, наступит, что называется, конец света?
Сто с лишним лет назад два великих ума того времени – Гельмгольц и Кельвин – казалось бы, решили загадку. Звезды – это огромные сгустки газа. Сжимаясь под действием гравитации, они нагреваются до миллионов градусов и обогревают Вселенную. Но… расчет показал, что при такой схеме работы наше Солнце должно было израсходовать всю свою энергию задолго до того, как на нашей планете проявились бы первые проблески жизни.
Затем наступила очередь другой точки зрения: звезды стали считать сначала ядерными, а потом и термоядерными реакторами. Но и здесь не все гладко: эксперименты и расчеты показывают, что температура внутри Солнца гораздо меньше той, что требуется для поддержания термоядерной реакции.
Таким образом, получается, что недостающую энергию звезды берут из окружающего пространства. Однако само по себе пространство не может быть источником энергии – оно для этого достаточно пассивно. Но, с другой стороны, пространство неотделимо от времени: помните мы с вами говорили о существовании пространства-времени?..
Но тогда что же представляет собой само время? Не является ли оно своеобразным вечным двигателем Вселенной? Как говорил главный герой романа М. Анчарова «Самшитовый лес» изобретатель Сапожников, если в поток времени поставить вертушку, она закрутится.
Но что это за поток? Справедлив ли для него закон сохранения энергии? И откуда он эту самую энергию берет?.. Вот сколько вопросов, и все они требуют обстоятельных ответов.
Закон сохранения энергии был выведен в XVII веке в результате многочисленных экспериментов с различными движущимися телами. К середине XIX века этот закон был распространен не только на чисто механические движения, но и на другие виды процессов, в частности тепловые. Не случайно в термодинамике этот закон называют первым началом, подчеркивая тем самым его важность.
Но второй закон термодинамики, тот самый постулат Клазиуса, о котором мы говорили, гласит, что тепло (энергия) из системы куда-то все время утекает. Куда? Во что оно переходит? Точного ответа на эти вопросы пока нет. Но это вовсе не значит, что закон сохранения энергии во Вселенной нарушается.
Возьмем хотя бы такую аналогию. Вы видите у человека на руке часы, которые не надо заводить. Что, в них работает вечный двигатель? Вовсе нет. Хитроумный механизм использует либо механическую энергию движений самого человека, либо разность температур между его телом и окружающей средой, либо энергию естественного и искусственного света…
Так и с потоком времени. Если мы не знаем, откуда он берется и куда уходит, это вовсе не значит, что мы можем говорить о нарушении основных законов природы. Так считал Козырев, так считают сегодня многие ученые. И надо сказать, жизнь с каждым годом позволяет им все более утвердиться на этой точке зрения.
В свое время тот же Козырев обратил внимание на двойные звезды. Эти образования могут состоять из звезд разных классов, но, объединившись в пару, они обретают удивительно схожие черты – одинаковую яркость, спектральный тип и т. д. Возникает впечатление, что главная звезда воздействует на свой спутник и постепенно передает ему нечто, изменяющее его облик. Но что именно? Межзвездные расстояния достаточно велики, чтобы исключить влияние обычных силовых полей. На таких расстояниях работают только силы гравитации и… время. Силы гравитации удерживают небесные тела в одной системе, а время, может статься, помогает им обмениваться энергией.
Свою догадку Козырев пробовал проверить на ближайшей к, нам небесной паре: Земля – Луна. Так он пришел к гипотезе о лунном вулканизме, впоследствии получившем подтверждение на практике. Потом его внимание привлекли «черные дыры». Ведь их тоже можно считать в некотором роде сверхплотными звездами – коллапсарами с огромным полем тяготения. Туда, в эти «дыры», скорее всего, и утекает энергия из нашей Вселенной. Но безвозвратно ли она утекает?


Стрела времени

То, что на сегодняшний день нам известно о строении Вселенной, позволяет считать, что ее энергия утекает не безвозвратно. Рано или поздно процесс поглощения вещества «черными дырами» может прекратиться, и тогда начнется обратный процесс – выход энергии и вещества наружу. Быть может, начиная с этого момента, и время потечет вспять?
Правда, весь предыдущий опыт человечества пока говорит о том, что большинство событий и явлений, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, не обладают обратимостью: человек может только стареть, разбитая чашка никогда уже не станет целой, молоко, разлившееся из опрокинутой бутылки, никогда не соберется в нее вновь…
Однако многие явления обладают обратимостью: автомобиль может проехать сначала в одну сторону, а потом вернуться, день сменяется ночью, а потом снова приходит день, все молекулы участвуют в беспорядочном броуновском движении… Откуда возникает необратимость, если законы движения обратимы?
Вопрос непростой. О нем не случайно говорят как о парадоксе обратимости. Споров вокруг него было немало, пока Л. Больцман все-таки не нашел решение проблемы. Вот ход его рассуждений.
Капля сиропа, расплывшаяся в воде, может снова собраться. Тепло может перейти обратно к тому из брусков, который раньше был более горячим. Газы, выпущенные из двух баллонов в общий сосуд, могут когда-либо снова разделиться… Все эти процессы в принципе возможны хотя бы потому, что из свойств механического движения молекул следует, что возможны как перемешивание газов, так и обратный ему процесс. Ведь атомы и молекулы движутся хаотично, а раз имеется обратимость в движениях отдельных атомов, значит возможно и обратимое поведение всего их сообщества. Категорического запрета на это нет. А то, что мы не наблюдаем их в повседневной жизни, говорит лишь о том, что обратные явления по сравнению с прямыми происходят очень и очень редко. Может случиться так, что за всю историю Вселенной нам не доведется их наблюдать, но это вовсе не значит, что они не могут происходить вообще.
Эту идею впоследствии поддержал уже известный нам Н. А. Козырев. Он предположил: что все известные законы движения – лишь некоторая приближенная форма точных законов, которые еще предстоит открыть. И если в приближенных законах соблюдается обратимость, то точные законы будут обладать обратимостью, хотя, вполне возможно, она и будет выражена достаточно слабо.
Косвенным подтверждением этих высказываний можно, пожалуй, считать открытие не столь давно одной не совсем обычной элементарной частицы. Речь идет о нейтральном К-мезоне. Эта нестабильная, распадающаяся частица «различает» прошлое и будущее; два направления времени для нее не симметричны.
Тогда поручается, что направление времени связано с направлением большей части процессов во Вселенной? Именно такую догадку выдвинул в свое время английский физик Артур Эддингтон. Он высказал предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, и назвал это явление «стрела времени». В тот момент, когда расширение сменится сжатием, может повернуться в другую сторону и «стрела времени».
Так это или не так, еще предстоит разобраться нашим потомкам. А для этого нужно понять, из чего же именно состоит поток времени.


Фотон… Гравитон… Хронотон?

В настоящее время мы как-то уже привыкли к тому, что все окружающие нас излучения можно разделить на составляющие их частицы. К примеру, всем сегодня известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов. Причем никто даже особо не удивляется тому, что фотону свойствен Дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, в других – как электромагнитная волна.
Более того, если мы как следует углубимся в дебри современной квантовой физики, то в конце концов обнаружим, что микрочастица по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и не другим. Она только похожа на волну или на частицу в том или ином эксперименте. Если в какой-то ситуации микрочастица похожа на «обычную частицу», то для нее большую определенность приобретает ее положение в пространстве. Если же она в данном конкретном случае более походит на волну, то и большее значение приобретает ее импульс. И физики пользуются в каждом конкретном случае тем или иным определением.
Однако они, эти определения, вообще говоря, введены 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 спокойно 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 быть с гравитацией и временем?
Этот вопрос тоже в немалой степени занимает внимание теоретиков. О возможности существования гравитационных волн говорилось уже в первые годы развития общей теории относительности. А. Эйнштейн доказал, что из его теории следует возможность и даже необходимость существования таких волн.
Гравитационные волны – это волнообразные колебания пространства-времени, придающие ему дополнительную, бегущую волнами, как «барашки» по морю, искривленность. Теоретики полагают, что эти волны распространяются в четырехмерном пространстве-времени примерно так же, как в воздухе распространяются упругие акустические колебания или электромагнитные волны.
Гравитационные волны, как и электромагнитные, распространяются с предельной скоростью – 300 тыс. км/с. Однако при этом непонятно, почему гравитационные возмущения распространяются намного быстрее световых. Возможно, для их распространения используются более короткие; внепространственные каналы типа «червоточин»?
Точного ответа на этот и другие подобные вопросы пока нет. Даже сами гравитационные волны пока не удается наблюдать или экспериментально зарегистрировать. Опытные установки, построенные в нескольких точках земного шара, пока не дали результатов, которые бы можно было однозначно интерпретировать как доказательство существования гравитационных волн.
И тем не менее теоретики отважно продолжают свои изыскания. К примеру, еще в 30-е годы советский физик М. П. Бронштейн применил к описанию гравитационных волн математический аппарат квантовой теории микромира. Он предположил, что гравитационные волны должны быть если не тождественны, то по крайней мере родственны электромагнитным колебаниям, свету.
И что же, теория показывает, что при некоторых условиях гравитационные волны вполне могут вести себя как потоки неких частиц, квантов этих волн. По аналогии с фотонами и электронами, эти частицы получили название гравитонов.
Гравитоны, с одной стороны, очень похожи на фотоны, полагают теоретики. Как и частицы света, они всегда должны двигаться с максимальной скоростью. Их масса должна быть связана с движением – масса покоя, как таковая, отсутствует.
С другой стороны, между этими частицами должны быть и определенные отличия. Фотон взаимодействует только с электрическими заряженными частицами, гравитон же со всеми – он представитель всемирного тяготения.
Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они на самом деле? Точно этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые бы смогли фиксировать эти частицы. Единственное, на что мы пока можем положиться, – на опыт всей физики. А он, этот опыт, учит: нет никакого времени, которое бы существовало «само по себе». Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающем нас мире. А значит, вполне вероятно, что на него должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хронотонов. Или хрононов?!. Точного названия для этих частиц пока нет, и их еще никому, как мы говорили, не удалось обнаружить. Хотя об атомарности, квантованности времени спорили еще мудрецы древности.
Однако физика – наука точная. Она не может существовать на одних предположениях. И если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о машинах, это время преобразующих по нашему желанию, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать не только кванты тяготения, но и кванты времени. Мерилом истины может быть только Эксперимент. Но возможен ли он в нашем конкретном случае? Теоретики, а тем более экспериментаторы пока не могут ответить на этот вопрос однозначно. Дело в том, что некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 109 джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, – могут обеспечить едва ли миллиардную долю этой энергии. По всей вероятности, подобный ускоритель вообще никогда нельзя будет построить – ведь для его работы не хватит никаких планетарных ресурсов.
Впрочем, кое-какой выход из положения все-таки намечается. Если мы не можем создать подобные условия на нашей планете, надо поискать, – не существуют ли они где-то во Вселенной.
1 2 3 4 5 6 7 8 9