Олег Фейгин - Тайны квантового мира - О парадоксальности пространства и времени

Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально 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 же быть со временем?

Многовременье

Многие времена в одном мире легко представить на примере полета звена фантастических самолетов. Пусть одно время определяет высоту полета, второе — скорость, третье — взаимное расстояние, а четвертое — количество топлива.

Туманность «Песочные часы»

Песчинки часов чем-то напоминают кванты времени, они так же неделимо отсчитывают его отрезки, и так же неопределенен момент времени, пока песчинка находится «в полете».===

Давайте вспомним, какой энергией может обладать электрон, обращающийся вокруг атомного ядра. В рамках классической физики — любой, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.

Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала; и она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.

Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — кубу длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже одновременно на прыжки кенгуру на батуте и движение шахматного коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами на некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается. Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы друг от друга и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление, а именно:

фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.

Очень интересно ведет себя на уровне ячеистого пространства время, будучи также дискретной величиной. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка», совершенно непредставимой по своей малости величине, описываемой дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».

Тут надо в очередной раз вспомнить вариант соотношения неопределенности Гейзенберга для энергии и времени: ΔEΔt ~ ħ . Оно показывает, что на сверхмалых промежутках времени Δt возможно самопроизвольное изменение энергии микрочастицы ΔE . Подобные квантовые флуктуации энергии могут порождать виртуальные (возможные) частицы. В квантовой теории поля считается, что виртуальные частицы принципиально прямо не наблюдаемы. Это очень странное качество частиц, но в принципе ожидаемое, поскольку оно логически вытекает из исходного принципа неопределенности — квантовые объекты невозможно наблюдать непосредственно, нужен некий агент — посредник, изменяющий их состояние. Тем не менее в квантовой электродинамике все процессы взаимодействия предполагают наличие виртуальных частиц.