|
Продолжаем лекцию о времени. Теория относительности показала, что пространство не есть какой-то бесконечный жёсткий каркас. Движущаяся материя искривляет его, меняет геометрические свойства. В современной физике всё решительнее утверждается представление о том, что многие свойства окружающего нас мира определяются свойствами физического вакуума, взаимодействующего с элементарными частицами. Вакуум не является абсолютной пустотой, это "море" всевозможных виртуалъных (виртуальная значат по латыни возможная) частиц и античастиц, которые не проявляются как реальные частицы. Виртуальные частицы возникают и тут же исчезают, причем существуют столь ничтожное время, что ни одну такую частицу нельзя в принципе обнаружить с помощью приборов. Но суммарное их воздействие обнаружено в ряде точечных экспериментов, а сам факт реальности таких частиц строго следует из законов квантовой механики. Если на вакуум наложить какое-либо сильное поле, то под его действием некоторые виртуальные частицы могут "набрать" достаточную энергию, чтобы стать реальными, энергию они почерпнут из внешнего поля.
В сильном электрическом поле из вакуума рождаются такие заряженные частицы, как электроны и позитроны. Элементарные частицы, из которых состоит вещество, например, такие, как протон и нейтрон, это сложные системы, состоящие из ещё более элементарных объектов - кварков. Опытами А.Ампера и М.Фарадея, а также и другими исследователями было установлено, что движущиеся заряды создают магнитное поле, а движение магнита ведёт к появлению электрических сил. Электромагнитная теория Дж. Максвелла объединила эти взаимодействия в единую сущность - в электромагнитное поле. Оказалось, что электромагнетизм един, и только в специальных условиях, когда нет движения, нет изменения полей во времени, он распадается на электричество и магнетизм.
В настоящее время известны четыре вида физических взаимодействий:
гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные. Гравитация,
как медленное движение, меняет только состояние движения частиц.
Слабое взаимодействие меняет внутреннюю природу частиц: вместо нейтрона
появляются протон, электрон и антинейтрино. Сильные взаимодействия
обусловливают различные ядерные реакции, а также способствуют возникновению
сил, связывающих нейтроны и протоны в ядра. Частицы, не участвующие
в сильных взаимодействиях, называет лептонами. Таких частиц шесть.
Это электрон (e), мюон (µ), тау-лептон (t) и три сорта нейтрино:
электронное (ve), мюонное (vµ) и тау-нейтрино (vt). Лептоны группируются
в пары: электрон с электронным нейтрино, мюон - с мюонным, тау-лептон
- с тау-нейтрино. Это объединение обусловлено тем, что каждый сорт
нейтрино участвует в реакциях вместе со своим партнером попарно.
Первые три частицы имеют электрический заряд, равный заряду электрона.
Все нейтрино электронейтральны. Остальные фундаментальные частицы
носят название кварков; они участвуют в сильных взаимодействиях,
слабых и электромагнитных. Из кварков слагаются частицы адроны,
участвующие в сильных взаимодействиях. Примерами адронов являются
протон, нейтрон, пи-мезон. Всего кварков шесть, они обозначаются
латинскими буквами и также группируются в три семейства, соответствующие
семействам-лептонов: (u,d), (c,s), (t,b). Каждой частице соответствует
античастица. Для электрически заряженных частиц заряд античастиц
противоположен. Античастицу обычно обозначают черточкой над буквой.
Все вышеперечисленные фундаментальные частицы, из которых состоит
физическая материя, обладают ещё одним важным свойством. Им присуще
собственное вращение - внутренний момент импульса, или, как его
называют в квантовой механике, спин. Кварки являются составляющими
частями сильновзаимодействующих частиц - адронов. Адроны, в свою
очередь, подразделяются на барионы, у которых полуцелые спины и
мезоны с целыми спинами.
Что такое полуцелые спины? Это спин фундаментальных частиц, измеренный в единицах планковской постоянной. При этом измерении он равен 1/2. Каждый барион состоит из трёх кварков, а мезон - из кварка и антикварка. Особенностью кварков является то, что в сегодняшней Вселенной они существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Одиночные, свободные кварки физиками не обнаружены. Элементарные частицы физической материи, имеющие полуцелые спины, называют фермионами.
Все процессы происходящие во Вселенной, есть результат взаимодействия частиц. Частицы взаимодействуют путём обмена другими частицами - переносчиками взаимодействия. Каждый из перечисленных выше, четырёх видов взаимодействия имеет своих переносчиков. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон. Протон испускает фотон, который поглощается электроном. В случае гравитационного взаимодействия переносчиками являются кванты поля тяготения - гравитоны. И фотоны и гравитоны не имеют массы покоя и всегда движутся со скоростью света. Слабые взаимодействия также имеют своих переносчиков. Это частицы, которые получили название векторных бозонов. В отличие от электромагнитного и гравитационного взаимодействий - этих частиц три: W+, W-, Z°. Частицы W+ и W- несут положителъный и отрицательный заряды соответственно, а Z° - частица электронейтральная.
Существенным отличием переносчиков слабого взаимодействия от фотона и гравитона является их массивность. Примерно в сто раз тяжелее протона. Из-за такой массивности переносчиков слабое взаимодействие возможно только на очень коротких расстояниях. Эти расстояния в тысячу раз меньше размера атомного ядра. Ядро, в свою очередь, в сто тысяч раз меньше размера атома.
Все процессы в мире элементарных частиц протекают во времени. Время здесь, оказывается, связано с энергией. Если энергия определена точно, то промежуток времени, соответствующий этому состоянию, велик и совершенно не определен. И наоборот. В 1842 году немецким врачом Ю. Майером был сформулирован закон сохранения энергии. Через несколько лет этот закон был переоткрыт Дж.Джоулем и Г.Гельмгольцем. Занон сохранения энергии гласит, что энергия системы, которая изолирована и ни с чем не взаимодействует, не может измениться. Она сохраняется с течением времени. В 1918 году немецкий математик Эмми Нетер показала математически, что энергия сохраняется потому, что время однородно. Энергия во все моменты времени одинакова. Были открыты глубинные связи физических свойств симметрии пространства и времени. У взаимодействующих частиц, чем больше масса переносчика взаимодействия, тем больше его энергия. Чем больше энергия, тем меньше должен быть промежуток времени, прошедший между испусканием переносчика и его поглощением.
Разберём теперь сильные взаимодействия. Их переносчиками являются глюоны. Подобно фотону они не имеют массы покоя. В случае электромагнитного взаимодействия испускание и поглощение переносчиков связаны с наличием у частицы электрического заряда. И в случае сильных взаимодействий испускание и поглощение глюонов связаны с наличием у кварков особых зарядов. Эти заряды бывают трёх видов и получили названия: красный, жёлтый и синий. По этому случаю сильное взаимодействие иногда называют цветной силой. Любой кварц может иметь один из трёх "цветов". Никакого отношения к обычному цвету эти условные названия не имеют. Следующим отличием сильных взаимодействий от электромагнетизма является то, что глюоны сами переносят цветовые заряды и являются цветозаряженными. Все переносчики сильных взаимодействий обладают общим свойством: они имеют целочисленный спин (в отличие от полуцелых спинов) фундаментальных частиц. Частицы с целыми спинами называют бозонами.
Итак, мы знаем чем заполнены глубины пространства. Теперь нам следует ответить на поступивший к нам вопрос от читательницы из г. Мариуполя, которая спрашивает о чёрных дырах в пространстве. Ее интересует, как физики объясняют возникновение этого явления. Не будучи специалистами по черным дырам в консультанты возьмем Игоря Дмитриевича Новикова. Исследуя необычные процессы во Вселенной, профессор И.Д.Новиков изучал чёрные дыры. Давая ответ на вопрос читательницы Никитиной Е.В., мы будем опираться в основном на работы Игоря Дмитриевича.
Чёрные дыры - это порождение гигантских сил тяготения. Они возникают, когда в ходе сильного сжатия большой массы материи возрастающее гравитационное поле ее становится настолько сильным, что не выпускает даже свет. Если учесть, что быстрее света ничто двигаться в природе не может, значит, из чёрной дыры не может вообще ничто выходить. В нее можно только упасть под действием огромных сил тяготения, но выхода оттуда нет. Для каждой массы существует свой определённый радиус, при сжатии до которого сила тяготения стремится к бесконечности. В теории такой радиус был назван гравитационным радиусом. Гравитационный радиус тем больше, чем больше масса тела. В 1939 году американские физики Р.Оппенгеймер и X.Снайдер дали точное математическое описание того, что будет происходить с массой, сжимающейся под действием собственного тяготения до всё меньших размеров. Если сферическая масса, уменьшаясь, сжимается до размеров, равных или меньших, чем гравитационный радиус, то потом никакое внутреннее давление вещества, никакие внешние силы не смогут остановить дальнейшее сжатие. После достижения гравитационного радиуса остановить сжатие массы нельзя. Она неудержимо стремится к центру. Такой процесс физики называют гравитационным коллапсом, а результатом является возникновение черной дыры. Именно внутри сферы с радиусом, равным гравитационному, тяготение столь велико, что не выпускает даже свет. Эту область Дж.Уилер назвал в 1968 году чёрной дырой. Границу чёрной дыры называют горизонтом событий. Из-под этой границы не выходят к внешнему наблюдателю никакие сигналы, которые могли бы сообщить сведения о происходящих внутри событиях. О том, что происходит внутри чёрной дыры, внешний наблюдатель никогда ничего не узнает. Вблизи чёрной дыры необычно велики силы тяготения.
Мы уже знаем, что в сильном поле тяготения меняются геометрические свойства пространства и замедляется течение времени. Около горизонта событий кривизна пространства становится очень сильной. С ростом тяготения увеличивается искривление пространства. Когда поверхность шара сжимается до размеров, меньше горизонта событий, возникает чёрная дыра, и "прогиб" пространства сделает стенки в прогибе вертикальными. Чем ближе к горизонту событий, тем медленнее течёт время с точки зрения внешнего наблюдателя. На границе чёрной дыры его бег и вовсе замирает. Такую ситуацию можно сравнить с течением воды у берега реки, где ток воды замирает. Упавший в чёрную дыру никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Величина гравитационного радиуса ничтожно мала даже для больших масс. Если взять массу Земли, то её пришлось бы сжать до I сантиметра по радиусу, а массу Солнца - до 3 километров. Чёрные дыры возникают в конце жизни достаточно массивных звёзд. Когда звезда в самом конце активной эволюции, исчерпав ядерное горючее, подвергается силам собственного тяготения, то весьма вероятно, что они сожмут ее до размеров гравитационного радиуса и превратят в чёрную дыру. Возникшая граница черной дыры - горизонт событий - оказывается только сферической.
В 1967 году случайно английскими радиоастрономами были открыты нейтронные звезды. Черные дыры и нейтронные звёзды могут быть мощнейшими источниками рентгеновского излучения. Это происходит, если совсем близко от черной дыры находится нормальная звезда. Тогда тяготение черной дыры заставит газ из атмосферы нормальной звезды - компаньона перетекать к ней, закручиваться вокруг неё в компактный газовый диск. Слои газа в диске из-за трения друг о друга нагреваются до десятков миллионов градусов и, прежде чем упасть в черную дыру, испускают рентгеновские лучи. Такое рентгеновское излучение делает черную дыру видимой. Нейтронные звёзды были открыты так-же по пульсирующему радиоизлучению в радиоастрономической обсерватории института астрономии в городе Кембридже молодой студенткой-исследовательницей Дж. Белл и ее руководителем А. Хъюшием. Из-за сильного поля тяготения на поверхности нейтронной звезды время течёт в полтора раза медленнее, чем на Земле. А в центре такой звезды замедление времени составляет уже более двух с половиной раз. Как убеждаемся, теория относительности показала необходимость рассматривать время и пространство совместно, как единое многообразие. При образований чёрной дыры, когда вращается масса, сжимаясь вокруг этой дыры, помимо гравитационного поля, тянущего все тела к центру, возникает ещё поле, увлекаюшее все тела, движущиеся во вращении вокруг неё - то есть возникает вихревое поле тяготения. Такие чёрные дыры называются вращающимися. Я.Зельдович и А.Старобинский показали, что вблизи такой дыры происходит рождение квантов излучения за счет энергии вихревого поля тяготения. В результате вращательная энергия черной дыры постепенно переходит в излучение. Чёрная дыра испускает частицы и излучение, как если бы она была горячим телом с температурой, которая зависит только от её массы: чем больше масса, тем меньше температура. Температура чёрных дыр звёздной массу совершенно ничтожна. Чем больше масса, тем меньше температура, поэтому для сверхмассивных чёрных дыр температура их очень мала. И наоборот, чем меньше масса чёрной дыры, тем выше её температура, тем быстрее идёт процесс превращения её массы в излучение. Для формирования черной дыры необходимо, чтобы в небольшом объёме либо скорость расширения вещества была меньше, либо вещества было несколько больше, чем в таких же соседних объёмах. Тогда силы тяготения смогли бы затормозить расширение в этом объёме и через некоторое время обратить его в сжатие, после чего возникла маленькая чёрная дыра. На такую возможность в 1966 году указали Я.Зельдович и И. Новиков, а в 1971 году С.Хоукинг. Малые черные дыры стали излучать квантовым образом. Согласно расчётам, к нашему времени успели полностью "испариться" все чёрные дыры с массой меньше миллиарда тонн. Более тяжёлые дожили до наших дней.
Игорь Дмитриевич Новиков ставит вполне обоснованный вопрос, могут ли быть обнаружены чёрные дыры астрономическими методами, если они действительно существуют во Вселенной? Сам же и отвечает на этот вопрос - пока они не обнаружены. Существование их предсказано теоретически. Будущие наблюдения покажут, существуют ли чёрные мини-дыры во Вселенной. При массе, равной массе горы, размер ее соответствует размеру атомного ядра.
При разборе данной темы мы считаем нужным дать уфологам представление ещё о двух понятиях. Первое - еще в 20-е году XX-го столетия теоретики и наблюдатели установили, что мы живем в расширящейся Вселенной, взорвавшейся в некоторый момент в прошлом. Этот момент начала расширения получил название сингулярности. И второе (о нём мы уже упоминали в прошлой лекции) - в 1965 году было сделано открытие. Обнаружено слабое электромагнитное излучение с температурой около трёх градусов шкалы Кельвина, которое равномерно заполняет всю Вселенную. Оно присутствовало во Вселенной с самого начала расширения и было названо И. Шкловским, как мы уже знаем, реликтовым. Остыло оно в ходе расширения.
Итак мы усвоили, что время и пространство взаимосвязаны. Пространство заполнено вакуумом, который не является пустотой - это сложнейшее состояние живущих виртуальных частиц всевозможных сортов. Теперь постараемся закрепить полученные сведения об элементарных частицах, пребывающих в вакууме и углубим знания о них. Как мы уже говорили выше, электромагнитное взаимодействие между частицами, несущими электрический заряд, обусловлено обменом фотонами. Слабое взаимодействие отличается от электромагнитного тем, что происходит на очень малых расстояниях. Это связано с огромной массой бозонов. Взаимодействующие частицы могут "занимать" энергию для рождения в передачи бозонов - переносчиков только на очень короткое время. Поэтому и взаимодействовать таким способом они могут, только находясь совсем близко друг к другу. Кварки, находящиеся внутри адрона (бариона или мезона), почти совсем не связаны, они свободны. Теория, описывающая сильные взаимодействия, называется, по аналогии с квантовой электродинамикой, квантовой хромодинамикой. Вспомним, что переносчики электромагнитных сил - фотоны - электронейтральны. Поэтому фотоны не могут порождать фотоны. В отличие от них переносчики цветной силы - глюоы - сами обладают цветным зарядом, а значит могут производить новые виртуальные глюоны. Глюоны, как и кварки, заперты внутри адронов. Сильное взаимодействие глюонов не простирается на большие расстояния, а ограничено примерно объёмом адронов. Размер адронов порядка размеров атомного ядра. Столкновение кварка с антикварком приводит к их аннигиляции - превращению в лептоны и фотоны, но при этом исчезает обязательно пара, поодиночке кварки исчезать не могут.
Читатель вправе задать вопрос зачем мы столь детально разбираем мир элементарных частиц? Для того, чтобы понять, как постепенно, после большого взрыва происходило становление Вселенной, все процессы в которой протекают во времени. Физики установили, что на малых расстояниях, которые в миллион миллиардов раз меньше атомного ядра, а значит и при больших энергиях, соответствующих температуре в миллиард миллиардов миллиардов градусов, все три вида взаимодействий - электромагнитное, слабое и сильное, должны стать одинаково эффективными, потерять свою индивидуальность. При энергиях больше указанной, должно существовать единое Великое (универсальное) взаимодействие. При столь больших энергия интенсивно рождаются новые частицы - переносчики универсального взаимодействия - очень массивные X и Y-бозоны. Их масса в тысячу миллиардов раз больше масс W+, W-, Z°-бозонов. Столь тяжёлые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях. Свойства Х и Y- переносчиков удивительны: они могут превращать кварки в лептоны и обратно, а также кварки в антикварки. Это своеобразные лептокварки. Стёрлось различие между кварками и лептонами, которое существовало при низких температурах, и они выступают как различные проявления некой "сверхчастицы". Это исчезновение различия означает возникновение новой, более высокой симметрии - симметрии Великого объединения. С повышением энергии, с повышением температуры разные виды взаимодействий, совсем непохожие в обычных условиях, приобретают схожие черты и сливаются в единое взаимодействие. Квантами электромагнитного поля являются фотоны. А кванты гравитационного поля это - гравитоны, пока еще не открытые гипотетические частицы - переносчики гравитационного взаимодействия. Они обладают целым спином, равным 2. Гравитоны, так же как и фотоны, не обладают массой покоя и всегда движутся со скоростью света.
Таким ооразом, из изложенного можно сделать вывод, что необычные свойства времени, раскрывающие его суть, проявляются в процессах, протекающих в самых глубинах микромира и в далёких просторах Космоса. В ранней Вселенной ядерные реакции прекратились спустя пять минут после начала расширения. Все активные процессы с элементарными частицами к этому времени закончилась. Из-за большой температуры расширяющееся вещество в это время было ионизированным (такое вещество называют плазмой).
Ещё святой Августин настойчиво подчёркивал мысль о возникновении времени вместе со Вселенной. Происходит вечное рождение Вселенной из флуктураций, вечное воспроизводство Вселенной самой себя. У такого мира не будет конца. Он вечен и юн одновременно. Это картина взрывающейся Вечности. Учёные считают, что с момента начала расширения Вселенной до наших дней прошло "всего" около десяти миллиардов лет.
Ещё одна проблема касается того, непрерывно время или дискретно (прерывно). Иными словами, можно ли его делить на всё более мелкие отрезки или в конце концов придется столкнуться с неким минимальным отрезком, который дальше не делится. Уже основатели атомистического учения о строении материи древнегреческие философы Левкипп и Демокрит говорили не только об атомах (неделимых единицах) вещества, но и об атомах времени. Чрезвычайно трудная для осознания вещь - становление, изменение мира со временем.
В своё время французский философ Рене Декарт пришёл к выводу, что для перехода мира из одного мгновения в другое нужна та же сила, что когда-то создала мир. Иными словами, здесь требуется буквально на каждом шагу вмешательство Создателя. Аналогичные мысли высказывались в начале нашей эры в индийской философии, позже отстаивались средневековым философом Маймонидом.
В 1966 году было создано Международное общество междисциплинарного исследования времени. Примерно раз в три года оно проводит конференции. Не так давно ЮНЕСКО совместно с Международным советом начала проводить научные симпозиумы по теме "Время и науки". Основатель и бессменный секретарь Международного общества междисциплинарного исследования времени американский учёный Дл.Фрейзер в предисловии к книге "Генезис и эволюция времени" пишет: "Давайте допустим, что время является признаком... структурной и функциональной сложности материи. Согласно общепринятой в современной науке гипотезе, движущей силой Вселенной, является неорганическая и органическая эволюция. Отсюда должно следовать, что вместе с возрастанием сложности природных систем развивалось и само время".
Если пространство состоит из точек, описываемых тремя координатами, и мы знаем как измерить длину, глубину и ширину, то из чего состоит время? По всей вероятности из моментов (каждому из них соответствует одно число). Из чего же состоит пространство-время? Из событий, для описания места каждого из которых в мире нужны уже четыре координаты. Американский физик Дж.А.Уилер считает возможным выразить отрезки времени в единицах длины. Он считает, что измерять пространство - время в трёх направлениях - в сантиметрах, а в четвёртом - в секундах не менее нелепо, чем высчитывать длину самой обычной дороги в метрах, а ширину - футах. Секунда, по определению Уилера, равна 300000 тысяч километров, то есть тому расстоянию, которое свет проходит за эту секунду. Из теории Эйнштейна следует, что Солнце искривляет своим тяготением проходящий вблизи него луч света. Степень искривления звездного луча зависит от массы Солнца и расстояния между лучом и центром Солнца. Само такое расстояние, и то, насколько луч отклонится от "прямого пути", выражается в единицах длины. Следовательно, вычислив по этим данным массу Солнца, мы получим размер её в единицах. А отсюда, считает Уилер, в единицах длины можно измерять и время.
Специалистам известны "Фейнмановские лекции по физике". Американский физик Ричард Фейнман пишет: "С помощью уравнений...природа говорит нам, что время равнозначно пространству; время становится пространством; их надо измерять в одинаковых единицах..."
Кстати, в древнем мире и в средневековье "день пути" был конкретной мерой. В Древней Руси день пешего пути соответствовал приблизительно нашим 25 километрам, день конного пути - 50 км.
И всё-таки время одномерно, как линия. А поскольку время никогда не возвращается к уже пройденным моментам, значит моделирующая его линия нигде не пересекает сама себя, и её можно рассматривать как прямую.
Время одномерно, как прямая, и при любом описании физического события его место на хронологической шкале определяется одним, и только одним числом.
Ещё одно качественное свойство времени - упорядоченность. Если взять три любые момента времени, то непременно и обязательно один из них и только один окажется между двумя другими. Одно из следствий такой упорядоченности времени - невозможность путешествия по нему при имеющихся в настоящем технических возможностях землян. По времени невозможно путешествовать только одним способом - из прошлого в будущее. Ведь при движении в прошлое и обратно математическая модель времени из прямой обратится в замкнутую кривую, время утратит свою упорядоченность. О путешествии в будущее и прошлое, а также о способах фиксации времени мы поговорим в следующих лекциях.
А теперь в завершение стихотворение Валерия Серебрякова "Время":
Ничего нет быстрее времени.
Даже Вечность - всего лишь мгновение,
Если взять её для сравнения,
Говоря о скорости времени.
Ничего нет дороже времени.
Даже жизнь - всего лишь мгновение,
Если взять ее для сравнения,
Говоря о сменности времени.
Ничего нет прекраснее времени.
И пусть жизнь коротка, к сожалению.
Мы живем и всегда с удивлением
Рассуждаем о таинствах времени.
|
