Scisne?

Часть III. Невозможности III класса / Физика невозможного

Мичио Каку

Комментарии: 0
<<< |1|2|3|4|5|6|7| >>>

Часть III. Невозможности III класса


^

14. Вечный двигатель

Каждая теория проходит четыре стадии, прежде чем быть принятой:
1) это бесполезная чепуха;
2) это интересно, но неправильно;
3) это верно, но совершенно не важно;
4) да я всегда так говорил.
Дж. Холдейн (1963)

В классическое романе Айзека Азимова «Сами боги» никому не известный химик случайно наталкивается в 2070 г. на величайшее открытие всех времен — электронный насос, который позволяет даром получать неограниченное количество энергии. Его открытие оказывает на жизнь человечества немедленное и глубокое действие. Автора объявляют величайшим ученым всех времен — ведь он сумел утолить постоянную жажду энергии, которая владеет нашей цивилизацией. «Он стал в глазах всего мира Санта-Клаусом пополам с лампой Аладдина», — писал Азимов. Организованная им компания мгновенно вытесняет с рынка нефть, газ, уголь и ядерную энергетику и вскоре становится одной из богатейших корпораций планеты.

Мир купается в даровой энергии и пьянеет от новообретенного могущества. В общем праздничном гомоне тонет тревожный вопрос одинокого физика, обращенный к самому себе: «Откуда же берется вся эта бесплатная энергия?» Через некоторое время ему удается отыскать ответ и раскрыть тайну. Оказывается, цена бесплатной энергии ужасна. Энергия приходит к нам через дыру в пространстве, которая соединяет нашу Вселенную с параллельной вселенной, и неожиданный приток энергии в нашу Вселенную послужил спусковым механизмом для цепной реакции, которая со временем уничтожит звезды и галактики, обратит Солнце в сверхновую и погубит Землю,

С незапамятных времен священным Граалем всех изобретателей, ученых, а также шарлатанов и мошенников Земли был сказочный «вечный двигатель» — устройство, способное работать бесконечно без всякого расхода энергии. Еще лучше, разумеется, если это устройство способно производить больше энергии, чем потребляет, —как и делает у Азимова электронный насос, производя бесплатную энергию в неограниченных количествах.

В недалеком будущем, когда в нашем индустриализированном мире постепенно закончится дешевая нефть, возникнет настоятельная необходимость отыскать достаточное количество новых источников чистой энергии, Быстрый взлет цен на бензин, падение производства, загрязнение окружающей среды — эти и многие другие факторы подпитывают возродившийся в последнее время активный интерес к энергетике.

Сегодня кое-кто из изобретателей, оседлавших эту волну, снова обещает энергию бесплатно и в неограниченных количествах и предлагает продать свое изобретение сотням миллионов. Десятки инвесторов периодически становятся в очередь, привлеченные сенсационными заголовками финансовых СМИ, которые часто превозносят этих проходимцев и объявляют их новыми Эдисонами.

Идея вечного двигателя чрезвычайно популярна. В одном из эпизодов сериала «Симпсоны» Лайза во время забастовки учителей строит собственный вечный двигатель. Гомер, узнав об этом, строго одергивает ее: «Лайза, слушай сюда… в этом доме все подчиняются законам термодинамики!»

В сюжетах компьютерных игр, таких как Sims, Xenosaga I и II и Ultima IV, а также в мультсериале «Зим Завоеватель» вечному двигателю тоже отведена важная роль.

Но если энергия так ценна, то нельзя ли реально оценить наши шансы на создание вечного двигателя? Действительно ли подобные устройства невозможны или можно предположить, что для их создания потребуется пересмотреть законы физики?

История в зеркале энергии

Любой цивилизации жизненно необходима энергия. Более того, всю историю человечества в принципе можно рассматривать как историю энергетики. На протяжении 99,9% времени существования человечества примитивные сообщества вели кочевую жизнь, с трудом добывая пропитание охотой и собирательством. Жизнь человека была жестокой и короткой. Из энергии ему доступка была одна пятая лошадиной силы — сила его собственных мускулов. Исследование костных останков наших предков говорит о том, что человеку в те времена, чтобы выжить, приходилось выдерживать огромные нагрузки. Средняя ожидаемая продолжительность жизни составляла меньше 20 лет.

Но около 10 000 лет назад, после окончания последнего ледникового периода, люди открыли для себя земледелие и одомашнили животных, в первую очередь лошадь. Постепенно доступная человеку энергия выросла до одной или двух лошадиных сил. Это послужило толчком для первой великой революции в истории человечества. Упряжное животное—лошадь или бык — давало человеку достаточно энергии, чтобы в одиночку вспахать целое поле, проехать за день не один десяток миль, перевезти с места на место несколько сотен фунтов камней или зерна. Впервые в истории у людей появился избыток энергии — а в результате возникли первые города. Избыток энергии означал, что общество уже может прокормить целый класс специалистов: ремесленников, зодчих, строителей и писцов. Расцвели древние цивилизации. В джунглях и пустыне поднялись к небу великие пирамиды, возникли империи. Средняя ожидаемая продолжительность жизни достигла примерно 30 лет.

Около 300 лет назад произошла вторая великая революция в истории человечества — на помощь ему пришел пар. С появлением паровых машин уровень энергии, доступный одному человеку, подскочил до десятков лошадиных сил. Обуздав силу пара и заставив его вертеть колеса, человек теперь мог за несколько дней пересечь целый континент. Машины распахивали огромные поля и перевозили сотни пассажиров на тысячи километров; машины позволили нам построить громадные города из высотных зданий. К 1900 г. ожидаемая продолжительность жизни в Соединенных Штатах почти достигла 50 лет.

Сегодня мы можем наблюдать вокруг третью великую революцию в истории человечества — информационную. Взрывной рост населения, ненасытная жажда электричества и энергии привели к тому, что наша потребность в энергии подскочила до небес, а ее источники близки к истощению. Энергия, доступная отдельному человеку, теперь измеряется тысячами лошадиных сил. Нам кажется естественным, что один-единственный автомобиль может развивать мощность, соответствующую сотням лошадиных сил. Не удивительно, что растущая потребность в энергии подогревает интерес к нетрадиционным и неистощимым ее источникам, включая и вечный двигатель.

Вечный двигатель в истории

Поисками вечного двигателя люди занимались еще в глубокой древности. Первая документально подтвержденная попытка построить это чудо техники имела место в Баварии в VIII в. Изобретенная тогда машина стала на протяжении следующего тысячелетия прототипом для бесчисленных вариантов. Основой конструкции служило колесо с подвешенными на нем небольшими магнитами, напоминающими кабинки на колесе обозрения. Само это колесо помещали над лежащим на полу гораздо более мощным магнитом. Предполагалось, что при вращении колеса каждый магнит будет сначала притягиваться к неподвижному большому магниту, затем отталкиваться от него, заставляя колесо вращаться и создавая таким образом вечное движение.

Еще одна хитроумная схема была изобретена в 1150 г. в Индии. Философ Бхаскара предложил изготовить колесо, которое должно было вращаться вечно. Предполагалось, что подвешенные к ободу дополнительные несбалансированные грузы будут постоянно раскручивать колесо, Опускаясь, груз произведет работу и провернет колесо, а затем вернется на свое место. Бесконечно повторяя этот цикл, утверждал Бхаскара, можно заставить колесо работать неограниченное время.

Баварская схема и схема Бхаскары, как и другие проекты вечного двигателя, во многом схожи; во всех присутствует колесо, способное без приложения энергии совершить один оборот и произвести при этом некую полезную работу. (Тщательное изучение этих хитроумных машин, как правило, показывает, что на самом деле в каждом цикле наблюдается потеря энергии.)

Эпоха Возрождения подстегнула усилия изобретателей и умножила число предложенных проектов. В 1635 г. был выдан первый патент на вечный двигатель. В 1712 г. Иоганн Бесслер, изучив предварительно около 300 схем, предложил собственную модель. (По легенде, его служанка позже разоблачила его машину как хитрое мошенничество.) Вечным двигателем интересовался даже великий художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. На людях он разоблачал проекты вечного двигателя, сравнивая попытки его создания с поисками философского камня, а тайком рисовал в тетради сложные схемы самодвижущихся машин, таких как центробежный насос и самокрутящийся вертел.

К1775 г. было предложено столько всевозможных вариантов, что Королевская академия наук в Париже постановила «не принимать больше и не рассматривать заявки, имеющие отношение к вечному движению».

Историк Артур Орд-Хьюм, изучающий проекты вечного двигателя, писал о фанатичной преданности изобретателей своей идее, об их невероятном упорстве и сравнил их с древними алхимиками. Но, заметил он, «даже алхимик… понимал, когда надо признать поражение».

Розыгрыши и подделки

Стимулы к изобретению вечного двигателя были настолько сильны, что мошенничество и обман в этом вопросе стали обычным делом. В 1813 г. Чарльз Редхеффер продемонстрировал в Нью-Йорке машину, которая, к изумлению зрителей, производила даровую энергию в неограниченных количествах. (Но Роберт Фултон, тщательно обследовав машину, обнаружил скрытую ременную передачу, при помощи которой машина приводилась в движение. Передача шла на чердак, где спрятанный человек крутил ворот.)

Ученым и инженерам тоже случалось становиться жертвой всеобщего энтузиазма. В 1870 г. редакторы журнала Scientific American тоже были обмануты вечным двигателем, который построил некий Э. Уиллис. Журнал поместил статью под сенсационным заголовком «Величайшее открытие в истории человечества». Только позже удалось обнаружить, что у машины Уиллиса тоже был скрытый источник энергии.

В 1872 г. некий Джон Эрнст Уоррел Келли провернул самую сенсационную и самую выгодную аферу своего времени; он обобрал инвесторов на 5 млн долл. — громадную по тем временам сумму. Его вечный двигатель состоял из камертонов, которые резонировали и, по утверждению автора, поддерживали связь с «эфиром». Оттуда машина и черпала будто бы свою энергию. Келли не имел никакого научного опыта; обыкновенно он приглашал потенциальных инвесторов к себе домой и поражал их своим гидропневмовакуумно-пульсационным двигателем, который при этом жужжал и крутился без всяких внешних источников энергии. Инвесторы, изумленные видом самодвижущейся машины, спешили пополнить своими деньгами казну изобретателя.

Позже кое-кто из разочарованных инвесторов обвинял Келли в мошенничестве; он даже провел некоторое время в тюрьме, что не помешало ему умереть богатым человеком. После смерти изобретателя инвесторы открыли хитроумный секрет его машины. Когда дом Келли разобрали по кирпичику, в стенах и полах обнаружились трубы, при помощи которых к машине из подвала тайком подавался сжатый воздух.

Даже ВМФ и президент США пали однажды жертвой подобного обмана. В 1881 г. Джон Гэмджи изобрел машину на жидком аммиаке. Испарение холодного аммиака должно было вызывать расширение газов и движение поршня, а значит, и работу машины за счет — ни много ни мало — тепла земных океанов. Военных моряков так захватила идея добывать неограниченное количество энергии прямо из океана, что они одобрили конструкцию машины и показали образец президенту Джеймсу Гарфилду. Единственная проблема состояла в том, что аммиак не хотел должным образом конденсироваться и превращаться обратно в жидкость — поэтому цикл никак не удавалось замкнуть.

Бюро патентов и торговых марок США, всегда получавшее очень много проектов вечного двигателя, отказалось выдавать патенты, пока не будет представлена действующая модель машины. Иногда — в очень редких случаях, когда эксперты не в состоянии обнаружить в представленной машине никаких дефектов, — патент все-таки выдается. В правилах Бюро сказано: «За исключением тех случаев, когда речь идет о вечном движении, Бюро не требует обязательного представления модели для демонстрации работоспособности устройства». (Недобросовестные изобретатели иногда пользуются этой лазейкой, чтобы показать наивным инвесторам, что Патентное бюро официально признает вечные двигатели; в этом случае инвесторы охотнее финансируют подобные изобретения.)

Тем не менее с научной точки зрения поиски вечного движения не были совсем уж бесплодными. Напротив, хотя ни одному изобретателю не удалось представить миру вечный двигатель, неустанная погоня за этим сказочным устройством — трудно представить, сколько времени и энергии было на это потрачено, — помогла физикам тщательно изучить природу тепловых двигателей. (Точно так же, как бесплодные поиски философского камня, способного превращать свинец в золото, помогли открыть некоторые фундаментальные законы химии.)

К примеру, в 1760-х гг. Джон Кокс изобрел часы, которые на самом деле способны работать вечно, получая энергию от изменений атмосферного давления. Эти изменения улавливает барометр, который затем передают энергию на вращение часовых стрелок. Эти часы вполне работоспособны; такие модели существуют и сегодня. Они могут идти вечно, так как получают энергию извне в форме изменений атмосферного давления.

Вечные двигатели, подобные часам Кокса, со временем привели ученых к мысли о том, что машина—любая машина — может работать вечно только в том случае, если получает энергию извне; а это означит, что суммарная энергия сохраняется. Из этой теории берет начало первый закон термодинамики; он состоит в том, что совокупность вещества и энергии невозможно ни создать, ни уничтожить. Позже были установлены три закона термодинамики. Второй закон утверждает, что суммарная энтропия (количество беспорядка) всегда возрастает. (Грубо говоря, этот закон говорит, что тепло может спонтанно передаваться только от более горячих объектов к более холодным.) Третий закон утверждает, что достичь абсолютного нуля невозможно.

Если сравнить Вселенную с игрой, а целью игры объявить извлечение энергии, то три закона термодинамики можно сформулировать следующим образом:

«Невозможно получить что-то из ничего» (первый закон).

«Невозможно поделить поровну» (второй закон).

«Невозможно выйти из игры» (третий закон).

(Физики очень осторожны; они заявляют, что эти законы не обязательно абсолютно верны при любых обстоятельствах. Тем не менее никаких отклонений от них до сих пор не обнаружено. Любому, кто захочет опровергнуть эти законы, придется выступить против нескольких веков тщательных научных наблюдений и экспериментов. Мы еще обсудим возможные отклонения от этих законов.)

Три закона термодинамики, как и многие высшие достижения науки XIX в., отмечены не только триумфом побед, но и человеческой трагедией. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, сыгравший значительную роль в формулировании этих законов, покончил с собой — отчасти из-за противоречий, возникших в связи с их появлением.

Людвиг Больцман и энтропия

Больцман был невысоким здоровяком с бочкообразной грудью и громадной спутанной бородой. Однако за внушительной и даже пугающей внешностью скрывалась ранимая душа; а ран, защищая научные идеи, ему приходилось получать много. Хотя к XIX в. принципы ньютоновской физики уже прочно утвердились в науке, Больцман понимал, что никто еще не пытался применить известные законы к противоречивой концепции атомного строения вещества — концепции, которую тогда принимали далеко не все ведущие ученые. (Мы иногда забываем, что всего сто лет назад многие ученые упрямо верили, что атом вовсе не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Атомы настолько малы, утверждали они, что, скорее всего, их вовсе не существует.)

Ньютон показал, что движение любых объектов определяют механические силы, а не духи и не желания людей. Больцман воспользовался этим и элегантно вывел многие законы для газов при помощи простого предположения: он считал, что газы состоят из крошечных атомов, которые движутся подобно бильярдным шарам и подчиняются ньютоновым законам сил. Для Больцмана комната, наполненная газом, была подобна коробке с триллионами крошечных стальных шариков, каждый из которых отскакивал от стенок коробки и от других шариков согласно ньютоновым законам движения. Больцман (и независимо от него Джеймс Клерк Максвелл) сделал величайший научный прорыв, когда математически показал, как из этого простого предположения можно вывести поразительные новые законы. Тем самым он положил начало новому направлению в физике — статистической механике.

Внезапно оказалось, что при помощи нескольких базовых принципов можно объяснить многие свойства вещества. Поскольку законы Ньютона требовали, чтобы энергия сохранялась даже в приложении к атомам, каждое столкновение между атомами должно было проходить с сохранением общей энергии; это, в свою очередь, означало, что для газа в комнате, со всеми все его триллионами атомов, энергия также сохранялась. Получалось, что закон сохранения энергии теперь можно не только получить экспериментальным путем, но и теоретически вывести из базовых принципов а именно из ньютоновского движения атомов.

Но в XIX в. само существование атомов все еще было под сомнением; даже видные ученые (к примеру, философ Эрнст Мах) не считали зазорным оспаривать и нередко даже высмеивать теорию атомного строения вещества. Больцман, человек ранимый и склонный к депрессии, вдруг обнаружил себя этаким общим громоотводом, главной мишенью для атак, нередко очень злых, всех противников атомной теории. Для них все, что нельзя измерить, — в том числе и атомы — просто не существовало. К унижению Больцмана добавлялось еще и то, что редактор видного немецкого физического журнала отвергал многие его статьи; редактор этот настаивал, что атомы и молекулы представляют собой скорее чрезвычайно удобный теоретический инструмент, чем реальные существующие в природе объекты.

Не выдержав всех этих нападок, в том числе и сугубо личных, в 1906 г. Больцман повесился, выбрав время, когда его жена с ребенком были на море. Очень печально, что этот выдающийся человек так и не понял, что год назад дерзкий молодой физик по имени Альберт Эйнштейн совершил невозможное: он написал первую статью, наглядно доказывающую существование атомов.

Суммарная энтропия всегда возрастает

Труды Больцмана и других физиков помогли прояснить природу вечного двигателя и даже разбить все существующие их схемы на два типа. Вечный двигатель первого типа нарушает первый закон термодинамики; это означает, что он попросту производит больше энергии, чем потребляет. В любом из подобных вечных двигателей физикам при тщательном исследовании физики удавалось обнаружить скрытые внешние источники энергии. Это могло быть как сознательным мошенничеством, так и результатом ошибки изобретателя.

Вечный двигатель второго типа — штука более сложная. В этих машинах соблюдается первый закон термодинамики, т. е. сохраняется энергия, но нарушается второй закон. Теоретически в вечном двигателе второго типа[31] нет потерь тепла, поэтому он эффективен на 100%. Но второй закон термодинамики говорит, что такая машина невозможна — потери тепла должны быть обязательно, а количество беспорядка во Вселенной, иначе энтропия, всегда возрастает. Какой бы эффективной ни была машина, часть тепла непременно теряется, повышая таким образом энтропию Вселенной.

Тот факт, что суммарная энтропия всегда возрастает, лежит в самом сердце человеческой истории, да и матери-природы тоже. В сущности второй закон говорит нам, что ломать гораздо проще, чем строить. Иногда то, что создавалось тысячи лет, как, например, великая империя ацтеков в Мексике, может быть разрушено за несколько месяцев; именно так произошло, когда потрепанная банда испанских конкистадоров с лошадьми и огнестрельным оружием потрясла основы империи и полностью разрушила сложный механизм.

Отмечая глубинную природу второго закона термодинамики, астроном Артур Эддингтон однажды сказал: «Мне кажется, что закон возрастания энтропии стоит выше других законов природы.,, если оказывается, что твоя новая теория противоречит второму закону термодинамики, оставь надежду; перед этим законом остается только униженно пасть».

Даже сегодня предприимчивые инженеры (и талантливые шарлатаны) продолжают время от времени изобретать вечный двигатель. Не так давно Wall Street Journal попросил меня высказать свое мнение о работе одного изобретателя, который успел уже убедить инвесторов вложить в изобретенную им машину миллионы долларов. В крупных финансовых газетах появились восторженные статьи; журналисты, ничего не смыслящие в науке, с придыханием писали о том, что это изобретение способно изменить мир (и, разумеется, принести попутно инвесторам сказочную, немыслимую прибыль). «Гений или безумец?» — кричали заголовки.

Инвесторы радостно спешили вложить деньги в новую машину— а она, между прочим, нарушала базовые законы физики и химии, изучаемые в средней школе. (Меня шокировало даже не то, что кто-то пытался обмануть неосторожных и оставить их с носом — подобными вещами люди занимались испокон веков. Удивительно другое: как легко удалось этому изобретателю обмануть богатых инвесторов и как плохо большинство людей понимает элементарную физику.) Я ответил журналу известной пословицей: «Дурак легко расстается с деньгами» и любимым афоризмом Финеаса Барнума: «Каждую минуту на Земле рождается простофиля». Наверное, не стоит удивляться тому, что Financial Times, Economist и Wall Street Journal дружно напечатали большие редакционные статьи о разных изобретателях и их замечательных вечных двигателях.

Три закона термодинамики и симметрия

Но все вышесказанное рождает и более глубокий вопрос: а почему, собственно, должны работать эти непогрешимые законы термодинамики? Эта загадка занимала ученых с того самого момента, когда эти законы были впервые сформулированы. Не исключено, что, зная ответ на этот вопрос, мы могли бы отыскать в законах термодинамики лазейки и сделать новые потрясающие открытия и изобретения, способные перевернуть мир.

В старших классах школы я испытал настоящее потрясение, когда узнал наконец истинную причину сохранения энергии. Оказывается, один из фундаментальных принципов физики (открытый математиком Эмми Нётер в 1918 г.) гласит: если система обладает симметрией, в ней обязательно действует какой-нибудь закон сохранения. Из предположения о том, что законы Вселенной не меняются со временем, следует поразительный результат: энергия в системе должна сохраняться. (Далее, если законы природы остаются неизменными, в каком бы направлении вы ни двигались, то сохраняется не только энергия, но и импульс в любом направлении. А если законы природы остаются неизменными при вращении, то сохраняется еще и угловой момент.)

Это буквально ошеломило меня. Я вдруг понял, что, анализируя звездный свет, дошедший до нас от далеких галактик с самой окраины видимой Вселенной, мы убеждаемся, что спектр этого света ничем не отличается от спектров, которые можно обнаружить на Земле. В свете, рожденном за миллиарды лет до появления и Земли, и Солнца, мы наблюдаем те же неоспоримые спектральные «отпечатки» водорода, гелия, углерода, неона и т. п., которые видим сегодня и на Земле. Другими словами, основные законы физики не изменились за миллиарды лет и одинаковы по всей Вселенной, до самых ее границ.

Я понял, что теорема Нётер означает как минимум, что энергия, вероятно, будет сохраняться если не вечно, то не один миллиард лет. Насколько нам в данный момент известно, ни один из фундаментальных законов физики со временем не изменялся, и потому закон сохранения энергии работает.

Теорема Нётер имеет для современной физики величайшее значение. Какую бы новую теорию ни придумали физики и о чем бы ни шла в ней речь — о происхождении Вселенной, о взаимодействиях кварков и элементарных частиц, об антивеществе, — мы обязательно начинаем с рассмотрения симметрии, которой подчиняется система. Вообще говоря, в настоящее время симметрия считается ведущим фундаментальным принципом в разработке любой теории. В прошлом на симметрию смотрели как на побочный результат теории — приятно, но не имеет большого значения. Сегодня мы понимаем, что симметрия — очень существенная и даже определяющая черта любой теории. Разрабатывая что-то новое, мы, физики, начинаем с симметрии, а затем уже выстраиваем вокруг нее теорию.

(Печально, но Эмми Нётер, как до нее Больцману, приходилось сражаться за признание не на жизнь, а на смерть. Ни один из ведущих институтов не готов был принять на постоянную работу женщину-математика. Наставник Нётер, великий математик Давид Гильберт, разъяренный очередной неудачной попыткой устроить Нётер на преподавательскую должность, воскликнул: «В конце концов, мы кто, университет или общество любителей бани?»)

В связи с этим возникает тревожный вопрос. Если энергия сохраняется только потому, что законы физики не меняются со временем, то не может ли быть, что в каких-нибудь необычных, редких обстоятельствах эта симметрия все-таки нарушается? Если в неожиданных и экзотических местах симметрия наших законов действительно нарушается, то и закон сохранения энергии в космических масштабах может нарушаться.

Подобная ситуация может возникнуть, в частности, если законы физики изменяются во времени или с расстоянием. (В романе Азимова «Сами боги» симметрия нарушается из-за пространственной дыры, соединившей нашу Вселенную с параллельной вселенной. В окрестностях этой дыры законы физики изменяются — и возникает возможность нарушения законов термодинамики. Точно также, если существуют пространственные дыры, т. е. кротовые норы, может нарушаться и закон сохранения энергии.)

Кроме того, в настоящее время горячо обсуждается вопрос, может ли энергия появляться из ничего; этот момент тоже может оказаться удобной лазейкой.

Энергия из вакуума?

Вот мучительный вопрос: можно ли извлечь энергию из пустоты? Физики лишь недавно поняли, что на самом деле «пустота» вакуума вовсе не пуста, в ней кипит неиссякаемая активность.

Одним из активных сторонников и пропагандистов этой идеи[32] был эксцентричный гений XX в. Никола Тесла — достойный соперник Томаса Эдисона. Кроме того, он был одним из сторонников «энергии из пустоты», т.е. идеи о том, что вакуум может содержать в себе неимоверные количества энергии. Если это правда, то вакуум станет олицетворением «бесплатного сыра» — «волшебным горшочком», способным извлекать энергию в любых количествах буквально ниоткуда. Вакуум, который раньше считали пустым и лишенным всякого вещества, окажется бездонным кладезем энергии.

Тесла родился в маленьком городке на территории нынешней Сербии и в 1884 г. прибыл в Соединенные Штаты без единого цента в кармане. Вскоре он стал помощником Томаса Эдисона — помощником настолько блестящим, что превратился в соперника. Противостояние этих двух знаменитостей историки окрестили «войной токов». Эдисон считал, что мир можно электрифицировать при помощи машин постоянного тока, тогда как Тесла первым ввел переменный ток и успешно продемонстрировал, что его методы гораздо эффективнее методов Эдисона и допускают меньшие потери при передаче электричества на большее расстояние. Сегодня почти вся планета снабжается электричеством на базе патентов Теслы, а не Эдисона.

Всего у Теслы насчитывается больше 700 изобретений и патентов, некоторые из которых являются важнейшими историческими вехами современного электричества. Историки считают вполне вероятным, что Тесла придумал радио раньше, чем это сделал Гульельмо Маркони, официально признанный изобретателем радио, и работал с рентгеновскими лучами еще до их официального открытия Вильгельмом Рентгеном. (И Маркони, и Рентген позже были удостоены Нобелевской премии за изобретения, которые Тесла, вероятно, сделал на несколько лет раньше.)

Тесла также считал, что можно извлекать из вакуума энергию в неограниченных количествах, но, к сожалению, не привел в своих записках доказательства этого утверждения. На первый взгляд кажется, что «энергия пустоты» (или энергия, которая содержится в вакууме) нарушает первый закон термодинамики. Нет никаких сомнений в том, что энергия вакуума нарушает законы ньютоновой механики, но недавно вопрос о ней вновь возник на научном горизонте, но уже с совершенно нового направления.

Проанализировав данные со спутников, которые в настоящее время находятся на орбите, в частности со спутника WMAP, ученые пришли к поразительному выводу: не меньше 73% Вселенной состоит из темной энергии — энергии чистого вакуума. Это означает, что вакуум, разделяющий галактики, является одновременно величайшим резервуаром энергии Вселенной. (Эта темная энергия настолько колоссальна, что отталкивает галактики прочь друг от друга и может со временем разорвать Вселенную на части.)

Темная энергия наполняет всю Вселенную, все ее уголки, в том числе наши дома — и наши тела тоже. Количество темной энергии в космосе поистине астрономично и превосходит энергию всех звезд и галактик, вместе взятых. Можно также рассчитать количество темной энергии на Земле; окажется, что ее очень немного—слишком мало, чтобы подпитывать вечный двигатель. Тесла был прав: темная энергия существует; тем не менее в отношении количества такой энергии на Земле он ошибался.

А может быть, нет?

Один из самых неприятных пробелов в современной физике состоит в том, что никто не может теоретически рассчитать то количество темной энергии, которое мы измеряем при помощи спутников. Если проводить расчет с позиций современной атомарной физики, то полученное число разойдется с экспериментальным результатом на 120 порядков! Это единица со 120 нулями! Без сомнения, это самое значительное расхождение между теорией и экспериментом за всю историю физики.

Суть в том, что никто не знает, как посчитать «энергию пустоты». Это один из важнейших вопросов физики (ведь со временем ответ на него определит судьбу Вселенной!), но пока мы не представляем, как можно рассчитать количество этой энергии. Ни одна из теорий не объясняет темной энергии, хотя экспериментальные доказательства ее существования очевидны.

Итак, в вакууме действительно заключена энергия, как и подозревал Тесла. Но плотность этой энергии, скорее всего, слишком мала, чтобы ее можно было извлекать и использовать. В огромных межгалактических пространствах полно темной энергии, а вот на Земле ее умещается только чуть-чуть. Но самое неприятное, что никто не знает, откуда взялась эта энергия и как можно рассчитать ее количество.

Я убежден, что закон сохранения энергии обусловлен глубинными космологическими причинами. Любое нарушение этого закона непременно означало бы серьезные сдвиги в наших представлениях об эволюции Вселенной. И загадка темной энергии заставляет физиков предпринимать новые и новые попытки решить этот вопрос.

Поскольку создание настоящего вечного двигателя может потребовать пересмотра фундаментальных законов физики на космологическом уровне, я склонен отнести вечный двигатель к III классу невозможности; это означает, на мой взгляд, что либо такой двигатель действительно невозможен, либо нам придется полностью пересмотреть наши представления о фундаментальной физике в космологическом масштабе — только в этом случае такая машина может получить право на существование. Что же касается темной энергии, то она остается одной из величайших незаконченных глав современной науки.

^

15. Предвидение будущего

Парадокс - это истина, вставшая на голову ради привлечения внимания.
Николас Фаллетта

Существует ли такая вещь, как ясновидение, или предвидение будущего? Эта древнейшая концепция присутствует в каждой религии; можно вспомнить оракулов Греции и Рима и ветхозаветных пророков. Но обратим внимание: в подобных сюжетах дар предвидения часто становится проклятием. В греческой мифологии есть миф о Кассандре, дочери царя Трои, которая своей красотой привлекла внимание солнечного бога Аполлона. Чтобы завоевать приглянувшуюся ему девушку, Аполлон даровал ей способность видеть будущее. Но Кассандра отвергла ухаживания Аполлона, и тот в припадке ярости исказил свой дар: теперь Кассандра могла видеть будущее, но ни один человек ей не верил. Кассандра предупреждала троянцев об уготованной им участи, но никто ее не слушал. Она предупреждала, что троянский конь —ловушка, она предсказала смерть Агамемнона и даже собственную гибель, но люди Трои, вместо того чтобы послушать совета, объявили ее сумасшедшей и заперли в башне. Нострадамус в XVI в. и позже Эдгар Кейс тоже утверждали, что могут приподнимать завесу времени. Можно нередко услышать, что их предсказания сбылись (речь идет, в частности, о предсказании Второй мировой войны, убийства президента Кеннеди и падения коммунизма), но путаная аллегорическая форма, в которую многие ясновидцы облекали свои предсказания, допускает самые разные, в том числе противоречащие друг другу, интерпретации. Катрены Нострадамуса, к примеру, изложены в такой общей форме, что каждый может прочитать в них все что угодно [что постоянно и происходит). В одном из четверостиший сказано:
Ревет огонь из центра мира, сотрясающий землю, Земля вокруг нового города трепещет. Двое великих будут воевать долго и бесплодно. Нимфа источников заставит новую реку покраснеть.
Кое-кто утверждал, что этот катрен может служить доказательством того, что Нострадамус знал о разрушении башен-близнецов торгового центра в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г. Но на протяжении столетий по этим же словам делались десятки иных интерпретаций. Ведь образы настолько неопределенны, что их можно понимать как угодно.

Предвидение будущего, кроме всего прочего, является любимым инструментом драматургов, описывающих обреченных королей и падение империй. В «Макбете» Шекспира пророчество служит центром сюжета и фокусом честолюбивых устремлений Макбета — ведь три ведьмы предсказывают ему возвышение и трон короля Шотландии. Предсказание ведьм еще сильнее разжигает его болезненное тщеславие, и он начинает кровавую и жуткую кампанию, уничтожает врагов, убивает невинных детей и жену своего соперника Макдуфа.

Совершив множество ужасных преступлений и захватив трон, Макбет узнает от тех же ведьм, что никто не сможет победить его в сражении, «пока не двинется наперерез на Дунсинанский холм Бирнамскийлес»; кроме того, ему сообщают, что он «защищен судьбой от всех, кто женщиной рожден». Пророчество успокаивает Макбета, потому что лес не способен двигаться, а все люди рождаются от женщин. Но в конце концов все сбывается — Бирнамский лес сходит с места, когда воины Макдуфа берут в руки ветви деревьев и скрытно подходят к лагерю Макбета; кроме того, оказывается, что сам Макдуф был не рожден, а вырезан из чрева матери.

Итак, прошлые пророчества слишком неопределенны, чтобы их можно было достоверно проверить; но есть один класс предсказаний, оценить которые совсем несложно,, — это предсказания Судного дня и Конца света. В Библии, в книге «Откровение» последние дни Земли описаны в красочных подробностях; явление антихриста и окончательное Второе пришествие Христа сопровождаются хаосом и разрушением. Христианские мыслители всегда, с момента появления этих текстов, пытались предсказать точную дату описываемых событий.

Одно из самых знаменитых предсказаний Судного дня было сделано астрологами на 20 февраля 1524 г. на основании положения планет (Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна) на небесной сфере; было предсказано, что мир погибнет в великом потопе. Европу захлестнула массовая паника. В Англии 20 000 человек в отчаянии покинули свои дома. Вокруг церкви Св. Варфоломея была возведена крепость, набитая припасами, пищей и водой на два месяца. По всей Германии и Франции люди принялись лихорадочно строить большие ковчеги, которые могли бы уцелеть во время потопа. Граф фон Игтлехайм, к примеру, выстроил в преддверии этого судьбоносного события громадный трехъярусный ковчег. Но в назначенный день с неба всего лишь покапал легкий дождик. Настроение толпы резко изменилась; вместо страха людей охватил гнев. Те, кто успел распродать все имущество и полностью сломал свою жизнь, почувствовали себя обманутыми. Разъяренные толпы начали громить все вокруг. Графа забили камнями, а в давке погибло несколько сот человек.

Разумеется, пророчества жаждут не одни только христиане. В 1648 г. Саббатай Цви, сын богатого еврея из турецкой Смирны, объявил себя мессией и предсказал, что мир погибнет в 1666 г. Цви был красив, харизматичен и хорошо знал мистические тексты Каббалы; ему удалось быстро собрать группу фанатичных последователей, которые распространили эту новость по всей Европе. Весной 1666 г. евреи таких отдаленных мест, как Франция, Голландия, Германия и Венгрия, начали складывать вещи и собираться на зов своего мессии. Но чуть позже в том же году Цви был арестован и брошен в темницу в цепях по приказу константинопольского великого визиря. Оказавшись перед лицом смертельной опасности, он театрально сбросил свои еврейские одежды, надел турецкий тюрбан и обратился в исламскую веру. Десятки тысяч его преданных сторонников покинули секту, испытав страшное разочарование.

Предсказания всевозможных пророков и сегодня оказывают влияние на людей, меняя жизни десятков миллионов людей по всему миру. К примеру, в США некий Уильям Миллер объявил, что Судный день наступит 3 апреля 1843 г. Весть об этом пророчестве разошлась по стране; совпавшее с ним случайное событие — впечатляющий метеорный дождь 1833 г., один из мощнейших в истории, — также очень усилило впечатление от миллеровского пророчества.

К 1843 г. Армагеддона ожидали уже десятки тысяч преданных последователей Миллера; они даже получили название миллеритов. Когда год исполнения пророчества начался, а затем и закончился, а Конца света так и не случилось, движение миллеритов раскололось на несколько больших групп. Последователей у Миллера было так много, что каждая из этих групп и сегодня заметна в религиозной жизни и обладает немалым влиянием. Одна из больших групп миллеритского движения в 1863 г. провела реорганизацию и изменила название; теперь она называется Церковью адвентистов седьмого дня и имеет в своих рядах около 14 млн окрещенных. Главным в учении адвентистов является скорое и неминуемое Второе пришествие Христа.

Еще один осколок движения миллеритов позже стал ориентироваться на труды Чарльза Тейза Расселла, отодвинувшего дату Страшного суда на 1874 г. Когда и эта дата миновала, Расселл пересмотрел свое пророчество — основывалось оно на изучении египетских пирамид — и еще раз перенес дату, на этот раз на 1914 г. Позже эта группа получила название Свидетелей Иеговы; в настоящее время в ней состоит более 6 млн человек.

Другие сегменты миллеритского движения также продолжали пророчествовать — и каждый раз раскалывались, после того как очередное предсказание не сбывалось. Одна из небольших групп бывших миллеритов, отколовшаяся от Адвентистов седьмого дня в 1930-х гг., получила название Ветвь Давидова. Небольшая община этой секты в Вако, штат Техас, подпала под влияние молодого харизматичного проповедника по имени Дэвид Кореш, который с большим напором и гипнотической силой рассуждал о Конце света. Эта секта прекратила свое существование в 1993 г. в трагическом столкновении с ФБР; когда ревущий огненный ад поглотил поселок, заживо сгорели 76 членов секты, в том числе 27 детей и сам Кореш.

Можем ли мы видеть будущее?

Можно ли доказать при помощи строгих научных экспериментов, что некоторые люди способны видеть будущее? В главе 12 мы видели, что путешествия во времени в принципе не противоречат законам природы, но доступны лишь высокоразвитым цивилизациям III типа. Но может быть, предвидение доступно нам и сегодня на Земле?

Сложные и тщательно организованные тесты, проведенные в Центре Райна, вроде бы дают основания полагать, что некоторые люди действительно могут предвидеть будущее; а именно могут называть карты раньше, чем они будут открыты. Но многочисленные повторные эксперименты показали, что эффект этот очень слаб и часто вообще исчезает, если результат пытаются повторить другие исследователи.

На самом деле предвидение будущего трудно примирить с современной наукой, потому что в этом случае нарушается причинно-следственная связь, или закон причины и следствия. Причина должна предшествовать следствию, а не наоборот. Причинно-следственная связь встроена во все законы физики, которые удалось обнаружить до сих пор, и от ее нарушения рухнет все здание современной физики. Ньютонова механика прочно базируется на законе о причинно-следственных связях, а законы Ньютона настолько всеобъемлющи, что, зная точные координаты и скорости всех молекул во Вселенной, можно было бы рассчитать и будущее движение этих атомов. Таким образом, будущее можно рассчитать. В принципе ньютонова механика утверждает, что, имея в своем распоряжении достаточно мощный компьютер, можно вычислить все будущие события. По Ньютону, Вселенная похожа на гигантские часы, которые Бог завел в начале времен и которые с тех пор идут по Его законам. В теории Ньютона нет места предвидению.

Назад во времени

Однако если рассмотреть теорию Максвелла, сценарий окажется гораздо более сложным. При решении максвелловых уравнений для света мы получаем не одно, а два решения: не только «запаздывающую» волну, которая представляет собой обычное движение света из одной точки в другую, но еще и «опережающую» волну, которая представляет собой луч света, уходящий назад во времени. Это продвинутое решение выходит из будущего и приходит в прошлое!

В течение сотни лет любой инженер, встречая это «опережающее» решение, уходящее назад во времени, просто отбрасывал его как чисто математическую диковинку. Поскольку обычные волны Максвелла чрезвычайно точно предсказывали поведение радиоволн всех диапазонов, практики отбрасывали опережающее решение как ненужное и забывали о нем. Обычная волна была так хороша, красива и успешна, что инженеры просто игнорировали ее безобразную сестру-близнеца: от добра добра не ищут.

Но физикам опережающая волна все эти сто лет не давала спокойно спать. Уравнения Максвелла — один из столпов современности, поэтому к любому их решению следует отнестись очень серьезно, даже если для этого потребуется принять существование волн из будущего. Полностью игнорировать их было совершенно невозможно. Почему природа дала нам такое странное, причудливое решение — да еще на самом базовом уровне? Что это — жестокая шутка, или в этом есть какой-то глубокий смысл?

Интерес к опережающим волнам проявили и мистики; появились даже рассуждения о том, что это могут оказаться послания из будущего. Может быть, если как-нибудь обуздать эти волны, мы могли бы посылать сообщения в прошлое и сообщать предыдущим поколениям о грядущих событиях. К примеру, можно было бы посоветовать нашим прадедушкам и прабабушкам в 1929 г. продать все акции, не дожидаясь Черного четверга. Конечно, опережающие волны не позволили бы нам лично посещать прошлое — это все же не машина времени, — зато помогли бы организовать отправку в прошлое писем и сообщений с предупреждениями о ключевых событиях, которые еще не произошли.

Опережающие волны оставались загадкой, пока за их изучение не взялся Ричард Фейнман, которого всегда занимала идея вернуться в прошлое. После участия в Манхэттенском проекте, где была создана первая атомная бомба, Фейнман покинул Лос-Аламос и уехал в Принстонскии университет работать под началом Джона Уилера. Анализируя первые работы Дирака по электрону, Фейнман обнаружил нечто очень странное. Если изменить направление времени в уравнении Дирака на обратное и одновременно изменить знак заряда электрона, то уравнение останется прежним. Другими словами, у Фейнмана получилось, что электрон, движущийся назад во времени, — это то же самое, что позитрон, который движется вперед во времени! В обычных обстоятельствах зрелый, сложившийся физик мог бы отбросить эту интерпретацию, посчитав ее просто фокусом, математической уловкой, не имеющей ни значения, ни физического смысла. Вообще, на первый взгляд кажется, что движение назад во времени лишено всякого смысла, но уравнения Дирака в этом отношении совершенно ясны. Другими словами, Фейнману удалось обнаружить причину, по которой природа разрешает существование этих обратных во времени решений: они представляют движение антиматерии. Будь Фейнман более опытным физиком, он, вполне возможно, выбросил бы это решение в корзину. Но будучи всего лишь выпускником, он решил пойти на поводу собственного любопытства и исследовать вопрос дальше.

Продолжая копаться в этом загадочном решении, молодой Фейнман заметил нечто еще более странное. Обычно если электрон и позитрон сталкиваются, они оба аннигилируют с одновременным образованием гамма-кванта. Он нарисовал схему происходящего на листе: два объекта сталкиваются и исчезают, а вместо них возникает всплеск энергии.

С другой стороны, если изменить заряд позитрона на противоположный, он превратится в обычный электрон, движущийся назад во времени. Тогда описанную диаграмму можно будет нарисовать заново — только ось времени окажется направлена в другую сторону. Вообще, все выглядит так, как будто электрон двигался вперед во времени, а затем неожиданно решил изменить направление. Он резко развернулся во времени и направился обратно, высвободив в момент разворота некоторое количество энергии. Другими словами, получилось, что это один и тот же электрон, а процесс аннигиляции электрона и позитрона — это просто момент разворота его во времени!

Таким образом, Фейнману удалось раскрыть тайну антивещества: это обычное вещество, движущееся назад во времени.

Простое наблюдение сразу же объяснило тот загадочный факт, что у каждой частицы непременно есть партнер-античастица: это потому, что все частицы способны двигаться назад во времени и при этом притворяться антивеществом. (Такая интерпретация эквивалентна уже упоминавшемуся «морю Дирака», но она проще, и на сегодняшний день именно она является общепринятой.)

Теперь представим, что у нас есть кусок антивещества, и мы сталкиваем его с обычным веществом, порождая сильнейший взрыв. В этот момент аннигилируют между собой триллионы электронов и триллионы позитронов. Но если мы поменяем направление стрелочки для позитрона и превратим его таким образом в электрон, движущийся назад во времени, то получится, что весь наш взрыв — это один и тот же электрон, который выписывает зигзаги и мечется вперед-назад во времени триллионы раз подряд.

Из всего этого можно было сделать и еще один любопытный вывод: в нашем куске вещества должен быть всего один электрон. Один и тот же электрон носился вперед и назад, выписывая во времени бесконечные зигзаги. Каждый раз, разворачиваясь во времени, он превращался в позитрон; но стоило ему развернуться обратно во времени, как он снова оборачивался обычным электроном.

(Общаясь со своим научным руководителем Джоном Уилером, Фейнман рассуждал, что во Вселенной, возможно, вообще всего один электрон, который носится туда-сюда во времени. Представьте себе, что из хаоса Большого взрыва родился один-единственный электрон. Когда-нибудь, через несколько триллионов лет, этот электрон доживет до катастрофы и гибели Вселенной; тогда он развернется и направится назад, к Большому взрыву, где еще раз поменяет направление движения во времени. Можно предположить, что этот электрон постоянно путешествует туда-сюда, от Большого взрыва до Судного дня. А наша Вселенная двадцать первого века—это просто временной срез путешествий этого электрона; мы видим одновременно триллионы электронов и позитронов, т.е. видимую Вселенную. Конечно, эта теория может показаться странной, но она объяснила бы один любопытный факт квантовой теории: почему все электроны одинаковы. В физике невозможно различить электроны. Невозможно считать один из электронов зеленым, а другому, скажем, дать имя Джонни. У электронов нет индивидуальности. Невозможно «пометить» электрон, как ученые иногда помечают диких животных, чтобы их проще было отслеживать и изучать. Может быть, причина как раз в том, что во всей Вселенной есть один-единственный электрон, который просто носится туда-сюда во времени.)

Но если антивещество представляет собой обычное вещество, движущееся назад во времени, то нельзя ли с его помощью послать сообщение в прошлое? Может быть, можно послать сегодняшний номер Wall Street Journal в прошлое самому себе и как следует нажиться на биржевых спекуляциях?

Ответ очень прост: нет, нельзя.

Если мы рассматриваем антивещество как еще одну экзотическую форму вещества, а затем проводим с ним эксперименты, то в этом нет никакого нарушения причинно-следственной связи. Причина и следствие остаются на месте. Но если мы меняем направление оси времени для позитрона и отправляем его в прошлое, то это ничего не значит; мы всего лишь выполняем некую математическую операцию. Физика остается прежней, и в реальности ничего не меняется. Все экспериментальные результаты остаются на месте. Именно поэтому мы имеем полное право считать, что электрон бегает туда-обратно во времени. Но каждый раз, когда он движется в обратном направлении, он просто заполняет собой прошлое. Так что, похоже, для существования последовательной квантовой теории действительно необходимы опережающие решения из будущего, но по большому счету они не нарушают принципа причинности. (На самом деле все наоборот: если бы не было этих странных опережающих волн, принцип причинности в квантовой теории нарушался бы. Фейнман показал, что если мы введем в теорию понятия опережающих и запаздывающих волн, то те величины, которые могли бы вызвать нарушение причинности, очень аккуратно сократятся. Таким образом, антивещество необходимо для сохранения причинности. Без антивещества причинность может рухнуть.)

Фейнман продолжал копаться в этой безумной идее и добился-таки, чтобы она расцвела и превратилась в полную квантовую теорию электрона. Его детище, квантовую электродинамику, удалось экспериментально проверить до десятого знака после запятой, что делает ее одной из самых точных теорий всех времен. В 1965 г. она принесла Фейнману и его коллегам Джулиану Швингеру и Синъитиро Томонаге (Sin-Itiro Tomonaga) Нобелевскую премию.

(В своей нобелевской лекции Фейнман сказал, что в юности влюбился без памяти в эти самые продвинутые волны из будущего — точно так же, как мог бы влюбиться в хорошенькую девушку. Сегодня эта хорошенькая девушка выросла, стала взрослой женщиной и обзавелась множеством детей. Среди этих детей — и его теория квантовой электродинамики.)

Тахионы из будущего

Помимо «опережающих» волн из будущего (которые снова и снова доказывают свою полезность в квантовой теории), в квантовой теории существует еще одна необычная концепция, которая представляется столь же безумной, но, возможно, не столь полезной. Это гипотеза о тахионах, которые регулярно появляются в сериале «Звездный путь». Каждый раз, когда сценаристам «Звездного пути» требуется какой-нибудь новый вид энергии для некой магической операции, они привлекают тахионы.

Тахионы живут в странном мире, где все движется быстрее света. Теряя энергию, тахионы начинают двигаться быстрее — что, естественно, противоречит здравому смыслу. Мало того, тахион, полностью лишившийся энергии, движется с бесконечной скоростью. И наоборот, приобретая энергию, тахионы замедляются, пока не достигнут скорости света.

Особенно странными тахионы делает тот факт, что они обладают мнимой массой. (Говоря «мнимой», мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или i.) Если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них m на im, произойдет чудо. Скорость частиц внезапно станет больше скорости света.

Из-за этого возникают странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. По идее эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. Возникает замкнутый круг, и тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость!

(Тахионы отличаются и от антивещества, и от отрицательного вещества. Антивещество обладает положительной энергией, движется медленнее света и может быть получено в наших ускорителях частиц. Согласно теории, антивещество подчиняется закону тяготения и, как положено, падает вниз. Антивещество соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени. Отрицательное вещество обладает отрицательной энергией и тоже движется медленнее света, но под воздействием тяготения падает вверх, т. е. прочь от притягивающего тела из обычного вещества. Отрицательное вещество в лаборатории еще никто не видел. В теории в больших количествах оно может служить топливом для машины времени. Тахионы движутся быстрее света и обладают мнимой массой; как они ведут себя под воздействием силы тяжести, неясно. Их пока тоже не удалось получить в лаборатории.)

Тахионы, конечно, частицы очень странные, но физики серьезно их изучают; можно назвать, например, покойного Джеральда Фейнберга из Колумбийского университета и Джорджа Сударшана из Университета Техаса в Остине. Проблема в том, что никто никогда не видел тахиона в лаборатории. Надежным экспериментальным свидетельством существования тахионов было бы нарушение причинности. Фейнберг даже предлагал физикам исследовать лазерный луч до включения лазера. Если тахионы существуют, то не исключено, что свет лазерного луча можно обнаружить даже раньше, чем аппарат будет включен.

В научной фантастике тахионы регулярно используются как средство отправки сообщения в прошлое, предкам. Но из физики явления совершенно непонятно, возможно ли такое хотя бы теоретически. Фейнберг, к примеру, считал, что эмиссия тахионов, движущихся во времени вперед, точно соответствует поглощению тахионов с отрицательной энергией, движущихся во времени назад (аналогично положению с антивеществом), поэтому никакого нарушения причинности не происходит.

Если оставить фантастику в стороне, то в настоящий момент физики считают, что тахионы, возможно, существовали в момент Большого взрыва, нарушая причинность, но теперь их больше не существует. Более того, очень может быть, что тахионы сыграли существенную роль в том, что Вселенная вообще взорвалась. В этом смысле они играют важную роль в некоторых теориях Большого взрыва.

У тахионов есть еще одно забавное свойство. При введении в любую теорию они дестабилизируют «вакуум», т. е. самое низкоэнергетическое состояние системы. Если в системе присутствуют тахионы, значит, она находится в состоянии «ложного вакуума», а следовательно, нестабильна и будет разрушаться до состояния истинного вакуума.

Представьте себе плотину, которая удерживает воду в озере. Это и есть «ложный вакуум». Хотя плотина представляется вполне надежной, существует состояние с еще более низкой энергией. И если в плотине появляется трещина, вода начинает стремительно вытекать из озера и стекать на уровень моря — тогда-то система и достигает состояния истинного вакуума.

Точно так же считается, что Вселенная до Большого взрыва существовала в состоянии ложного вакуума, где были тахионы. Но их присутствие означало, что это не самое низкоэнергетическое состояние системы, а потому система нестабильна. Затем в ткани пространства-времени появилась крошечная «прореха», представляющая истинный вакуум. Прореха начала увеличиваться, появился пузырь. Вне пузыря тахионы по-прежнему существовали, но внутри их не было. С ростом пузыря появилась та Вселенная, которую мы знаем, — Вселенная без тахионов. Это и был Большой взрыв.

Одна из теорий, которую космологи воспринимают очень серьезно, состоит в том, что первоначальный процесс инфляции начал один-единственный тахион, известный как «инфлятон». Как мы уже упоминали, теория инфляционной Вселенной утверждает, что она возникла как крошечный пузырек пространства-времени, переживший сверхбыстрый период расширения (инфляции). Физики считают, что первоначально Вселенная существовала в состоянии ложного вакуума, где инфляционным полем был тахион. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и образовались крошечные пузырьки. Внутри одного из этих пузырьков инфляционное поле оказалось в состоянии истинного вакуума. Этот пузырек начал стремительно раздуваться, пока не превратился в нашу Вселенную. Внутри нашего пузыря-вселенной инфляция исчезла, поэтому ее и не удается зарегистрировать в нашей Вселенной. Получается, что тахионы представляют собой причудливое квантовое состояние, в котором объекты движутся быстрее света и, быть может, даже нарушается причинность. Но тахионы давно исчезли, дав при этом, возможно, жизнь самой Вселенной.

Наверное, все это похоже на досужие рассуждения, которые невозможно проверить. Но первый эксперимент по проверке теории ложного вакуума начинается в 2008 г. с пуском в Швейцарии, в окрестностях Женевы, Большого адронного коллайдера. Одна из основных задач БАК — обнаружение бозонов Хиггса, последней до сих пор не найденной частицы Стандартной модели, последней детали научной головоломки. (Частица Хиггса так важна и так неуловима, что нобелевский лауреат Леон Ледерман назвал ее «частицей-богом».)

Физики считают, что бозон Хиггса начал свое существование как тахион. В ложном вакууме ни одна из субатомных частиц не имела массы. Но присутствие тахиона дестабилизировало вакуум, и Вселенная перешла в новое состояние, к новому вакууму, в котором бозон Хиггса обернулся обычной частицей. После этого перехода — из состояния тахиона в состояние обычной частицы — субатомные частицы приобретают массу, которую мы сегодня измеряем в лаборатории. Таким образом, обнаружение бозона Хиггса не только поставит на место последнюю недостающую деталь Стандартной модели, но и подтвердит, что тахионное состояние когда-то существовало, но позже трансформировалось в обычную частицу.

Подведем итог. Ньютонова физика полностью отвергает возможность предвидения будущего. Железное правило причины и следствия никогда не нарушается. Квантовая теория допускает иные состояния вещества, такие как антивещество, которое соответствует обычному веществу, движущемуся назад во времени, но принцип причинности не нарушается. Более того, антивещество в квантовой теории необходимо для восстановления причинности. Тахионы на первый взгляд нарушают принцип причинности, но физики считают, что они исполнили свое предназначение — запустили механизм Большого взрыва и исчезли из нашей Вселенной.

Так что предвидение будущего, похоже, исключается, по крайней мере в обозримом будущем, а это значит, что его следует отнести к III классу невозможности. Если когда-нибудь удастся доказать при помощи воспроизводимых экспериментов, что предвидеть будущее все же можно, современную физику придется пересматривать до самого основания.


31. Были возражения. Некоторые ученые заявляли, что человеческий мозг— самое сложное, может быть, творение матери-природы в Солнечной системе, нарушает второй закон термодинамики. Человеческий мозг состоит из более чем 100 млрд нейронов и превосходит по сложности любой объект на расстоянии до 24 трлн миль от Земли, т. е. до соседней звезды. Возникает вопрос: как согласуется этот мощнейший удар по энтропии со вторым законом? Ведь сама эволюция, кажется, тоже нарушает этот закон. Ответ в том, что уменьшение энтропии, вызванное появлением и развитием высших организмов, включая людей, происходит за счет роста суммарной энтропии где-то в другом месте. Уменьшение энтропии, вызванное эволюцией, более чем компенсируется ростом энтропии в окружающем мире, а именно энтропии падающего на Землю солнечного света. Развитие человеческого мозга в результате эволюции действительно снижает энтропию, но это падение более чем компенсируется создаваемым нами же хаосом (в пример можно привести загрязнение окружающей среды, выброс тепла, глобальное потепление и т. п.).

32. Однако Тесла, кроме всего прочего, был фигурой трагической; в результате постоянных обманов он лишился, вероятно, денег и признания за многие патенты и изобретения, подготовившие появление радио и телевидения и приход телекоммуникационной революции. (Тем не менее мы, физики, позаботились о том, чтобы имя Тесла не было забыто. Мы назвали его именем единицу магнитной индукции. Один тесла равняется 10 000 Г и примерно в 20 000 раз превосходит магнитное поле Земли.)

Сегодня Тесла почти забыт, и лишь некоторые из самых эксцентричных его заявок превратились в любимую игрушку сторонников теории всемирного заговора и источник сюжетов городского фольклора. Сам он твердо верил, что может связаться с марсианами, завершить незаконченную Эйнштейном теорию единого поля, расколоть Землю пополам, подобно яблоку, и создать смертельный луч, способный уничтожить 10 000 самолетов с расстояния 250 миль. (ФБР так серьезно относилось к утверждениям по поводу луча смерти, что после смерти Тесла наложило руку на большую часть его записок и лабораторного оборудования; кое-что и сегодня еще лежит в секретном хранилище.)

В 1931 г., находясь на пике славы и известности, Тесла попал на обложку журнала Time. Он регулярно поражал публику, создавая на глазах изумленной аудитории гигантские молнии, несущие в себе миллионы вольт электрической энергии. Его погубило небрежное отношение к финансовым и юридическим вопросам. Столкнувшись с армадой юристов, представлявших только-только возникшие тогда фирмы, превратившиеся сегодня в энергетические гиганты, Тесла потерял контроль над важнейшими своими патентами. У него появились симптомы того, что медики сегодня называют обсессивно-компульсивным расстройством; его «пунктиком» стало число 3. Позже развилась паранойя; он жил в бедности в отеле New Yorker, бегал от кредиторов и боялся, что враги отравят его. Он умер в 1943 г. в полной нищете в возрасте 86 лет.
<<< |1|2|3|4|5|6|7| >>>
Комментарии: 0