Недавно я побывал на семинаре по сверхсветовым явлениям. Дискуссия была такой жаркой, что некоторые ее участники громко хлопали дверью:
— Чепуха, путаница! Не имеет смысла тратить время на обсуждение явной бредятины! (Нужно сказать, что физики на своих семинарах не очень стесняются в выражениях.)
Другие участники семинара охрипшими голосами доказывали, что до сих пор мы всегда имели дело с явлениями в центре областей применимости релятивистской и квантовой физики, где все легко и просто объяснялось, и вот теперь мы впервые приблизились к их границам. Гут сами вопросы становятся противоречивыми, а возможное и невозможное тесно переплетаются.
Клубок сомнений и надежд
Хотя по мере приближения к световому порогу масса тела резко возрастает — это твердо установленный факт,— но вот что происходит на самом пороге и в узкой его окрестности, это пока неизвестно. Утверждение о бесконечной массе — не совсем строгий прогноз. Вокруг массивных тел увеличивается поле тяготения — их гравитация, которая искривляет, скручивает пространство, изменяет ритм времени, и формулы теории относительности, не принимающие во внимание этих эффектов, становятся неточными — в них нужно ввести какие-то поправки. Вот тут-то, предполагают некоторые физики, и открывается лазейка в «световом заборе». Во всяком случае, есть надежда на то, что такая лазейка существует.
Надежда эта основана на том, что теория тяготения (так называемая общая теория относительности) изучена еще весьма плохо — только при сравнительно слабых гравитационных полях. А вблизи тел огромной массы нас могут ожидать сюрпризы. Расчеты показывают, что пространство и время там как бы меняются ролями — пространство приобретает свойства времени, а время в чем-то становится похожим на пространство. При этом становится непонятным, как вычислять энергию, массу и даже саму скорость — в современной теории для этого просто нет необходимых формул, а те, которые имеются, дают противоречивые результаты. Создается впечатление, что этих физических величин, а вместе с тем, возможно, и непреодолимо высокого светового барьера уже просто не существует. Гам какая-то другая физика и другие ограничения.
Сегодня известно несколько конкурирующих между собой вариантов теории тяготения, по-разному трактующих эти вопросы. К тому же следует учесть, что в микроскопически узкой окрестности светового барьера в игру вступают волновые, квантовые эффекты. Пространственные положения частиц становятся размытыми и те приобретают способность просачиваться сквозь твердые стенки. (Об этой их удивительной способности мы еще поговорим далее.) Вот она как раз и может создать туннель в сверхсветовой мир. Допустимо сказать, что в силу волновых свойств тело «прокалывает» бесконечно высокий энергетический барьер. «Не перелетает» и «не перешагивает» через него, а именно прокалывает.
Конечно, крупному макроскопическому телу, как и верблюду сквозь игольное ушко, трудно пробиться в сверхсветовой мир, но вот микрочастицы, возможно, способны это сделать.
Это очень трудные для понимания вопросы. Даже специалистам тут многое не ясно, поскольку теории, объединяющей гравитационные и квантовые процессы, еще не создано и пока здесь простор и раздолье для всякого рода гипотез. В физических журналах их много. Какие из них верные — покажет лишь будущее.
А вот что случается среди окружающих нас «обычных» тел.
Явление, которого и быть не должно!
Это — уже упоминавшаяся поразительная и совершенно непонятная с первого взгляда способность микрочастиц проходить сквозь монолитные стенки- барьеры. Все равно как если бы насыпанный в плотно закрытую стеклянную банку горох вдруг оказался снаружи — никаких дырочек, а горошины чудесным образом просочились!
Если попытаться описать такой процесс с помощью формул школьной физики. то получится, что энергия и скорость частицы внутри барьера — мнимые величины. Какую-то долю секунды,— шутят физики,— частица проводит в «потустороннем мире»! Очень странное явление...
Чтобы хоть немножко приподнять завесу тайны и в самых общих чертах понять причину «чуда», вспомним основную идею квантовой механики — всякое тело, и большое и маленькое, является не только материальным объектом, но и волной. Его положение размазано по длине этой волны, другими словами, тело с некоторой вероятностью может находиться в том или ином участке пространства. У больших, массивных тел длина квантовой волны очень мала по сравнению с их размерами, и их положения фиксируются практически однозначно, зато обладающие большой длиной волны микрочастички «болтаются» в пространстве, как поплавок в полосе прибоя.
Сталкиваясь с препятствием, экраном или стенкой, квантовая волна, подобно световой, отражается не точно на границе раздела, а успевает чуть-чуть проникнуть вглубь препятствия, и если его толщина невелика, то часть волны оказывается за ним. В случае света мы говорим о полупрозрачном экране, а в квантовой механике — о некоторой вероятности, с какой микрочастица проходит сквозь непрозрачный барьер, о туннельном переходе. Это похоже на то, как радиоволны проходят сквозь стены домов. Абсолютно непроницаемый световой барьер становится подобным мутному, но все же пропускающему чуточку света стеклу.
Впервые с таким явлением встретились семьдесят лет назад, когда обнаружили, что заключенные внутри атомных ядер альфа-частицы вдруг иногда, подобно тем горошинам из банки, оказываются снаружи. Природу квантового туннелирования объяснили в совместной работе русский физик Георгий Гамов и венгерский физик-теоретик Эдвард Теллер, впоследствии ставший «отцом» американской водородной бомбы. Сегодня этот эффект используется практически — в различных полупроводниковых приборах, на нем основаны некоторые типы особо точных электронных микроскопов. Тем не менее до сих пор продолжаются споры о том, сколько времени частица проводит внутри барьера и как правильно измерять это время на опыте.
Скорость света в веществе меньше, чем в вакууме. Образно говоря, выбирая себе дорогу среди атомов, отражаясь и рассеиваясь, частицы света — фотоны — вынуждены проходить больший путь, чем их собратья в вакууме и, следовательно, несколько отстают от них. Поэтому, казалось бы, можно быть уверенным в том, что луч, которому приходится преодолевать экран, должен запаздывать по сравнению с беспрепятственно движущимся светом. Однако эксперимент неожиданно показал совершенно другое — оказалось, что внутри экрана свет бежит не медленнее, а быстрее, чем в вакууме! Другими словами, наблюдалось «движение света быстрее света» — перенос потока фотонов со сверхсветовой скоростью. С точки зрения современной физики результат совершенно невозможный, приводящий, как уже подчеркивалось выше, к ужасающим противоречиям.
Можно было бы не поверить опытам, посчитав, что тут мы имеем дело с какой-то экспериментальной погрешностью. Поначалу большинство физиков именно так к ним и относились — такого не может быть потому, что этого не может быть никогда! Однако после того как наблюдения были подтверждены физиками нескольких лабораторий - в США, Германии, Австрии, Италии,— сомневаться в их достоверности не приходится.
Американские физики изучали рассеяние света очень тонкими экранами. Их измерения показали, что свет преодолевает экран со скоростью, которая в 1,7 раза больше вакуумной, считавшейся до сих пор Максимально возможной. Как говорится, невероятно, но факт!
Еще большую скорость наблюдали немецкие физики в опытах с прохождением микроволнового электромагнитного излучения внутри волновода. Это устройство представляет собой металлическую трубу квадратного сечения. Если в ней имеется суженный участок, в сечении которого нельзя уложить целое число полуволн, то он отражает приходящую к нему радиоволну подобно зеркалу. Пройти сквозь него удается лишь очень небольшому числу волн. Этот участок волновода играет такую же роль, что и экран в оптических опытах американцев. Так вот, у немецких физиков микроволновое излучение преодолевало барьер двенадцатисантиметровой толщины со скоростью, в 4,7 раза превосходящей скорость света в вакууме!