Космические рубежи теории относительности - Кауфман Уильям - Страница 12

РИС. 3.14. Красное и фиолетовое смещение. Одновременное действие эффекта Доплера и замедления течения времени приводит к заметному сдвигу длины волны света звёзд, если проводить наблюдения с движущегося реактивного космического корабля.

Любое обсуждение специальной теории относительности было бы неполным без упоминания о странных свойствах таxионов. Хотя обычное вещество нельзя разогнать до скорости, равной или превышающей скорость света, преобразования Лоренца формально математически допускают движение по пространственроподобным траекториям, если только вещество, совершающее такие путешествия, обладает некоторыми необычными свойствами. В обычном мире можно говорить о массе покоя, собственной длине и собственном времени в следующем смысле. Представьте себе, что вы держите кирпич. Масса покоя кирпича - это масса, которую вы измерите, когда находитесь в покое относительно кирпича. Собственные размеры кирпича - это те значения длин его ребер, которые вы измерите линейкой у покоящегося относительно вас кирпича. Если бы кирпич был радиоактивным, например был сделан из урана, то собственным периодом полураспада этого радиоактивного вещества был бы период полураспада, который вы измерили бы по вашим часам, покоящимся относительно кирпича. Эти «собственные» величины описывают свойства вещества в его, как говорят, системе покоя. Величины же, наблюдаемые в движущихся системах отсчета, будут связаны с собственными величинами в соответствии с преобразованиями Лоренца.

Поразмыслив о преобразованиях Лоренца, математик придет к заключению, что путешествия со сверхсветовыми скоростями могут совершаться, лишь если у движущегося вещества все собственные величины «мнимые». Для математика слово «мнимый» имеет вполне определённый смысл (пропорциональность корню квадратному из минус единицы), но в повседневной жизни ничто и никогда не описывается мнимыми числами. Однако гипотетическое вещество, способное двигаться быстрее света, должно обязательно характеризоваться мнимой массой покоя, мнимыми собственными размерами и. мнимым собственным временем. Такое вещество состоит из тахионов (от греческого корня, означающего «быстрый»). Тахионы всегда движутся быстрее света в отличие от частиц обычного реального мира, называемых тардионами, которые всегда движутся медленнее света. Между тардионами и тахионами лежат люксоны- частицы, которые движутся со скоростью, равной скорости света (к ним относятся фотоны и нейтрино). Если тардионы, как правило, покоятся в реальном мире, а чтобы ускорить их до субсветовых скоростей, нужно затратить много энергии, то тахионы, напротив, обычно имеют бесконечно большую скорость, и требуется много энергии, чтобы замедлить их до скоростей, лишь незначительно превышающих световую.

Пожалуй, одно из самых серьёзных возражений против существования тахионов - это нарушение причинности. Мы привыкли к вполне определённому соотношению между причиной и следствием в окружающем нас мире. Все события происходят по той или иной причине, и причина всегда предшествует следствию. Но для тахионов соблюдение принципа причинности вовсе не обязательно.

Чтобы проиллюстрировать проблемы, связанные с тахионами, рассмотрим простой эксперимент. Пусть тахион рождается в некоторой точке, пролетает некоторое расстояние и распадается. Предположим, к примеру, что у вас есть ружье, стреляющее тахионными пулями. Когда вы спускаете курок, из ружья вылетает тахион, пересекает комнату и попадает в стену. Назовем момент вылета тахиона из ружья событием А, а момент его попадания в стену - событием В. Поскольку тахион летит быстрее света, мировая линия тахионной пули в пространстве-времени будет пространственноподобной. На диаграмме пространства-времени, изображающей этот эксперимент, отрезок, соединяющий события А и В, должен быть наклонен к вертикали под углом, превышающим 45° (рис. 3.15).

РИС. 3.15. Тахион. Если тахионы существуют, то они движутся по пространственноподобным мировым линиям. На этой диаграмме изображен тахион, двигавшийся от события A (где он был выстрелен из тахионного ружья) к событию В (где он попал в стену).

РИС. 3.16. Тахионы нарушают причинность. На этой диаграмме изображена та же пространственноподобная траектория тахиона от события A к событию В, что и на рис. 3.15. Для движущегося наблюдателя событие В произошло раньше события A.

Предположим теперь, что во время вашего эксперимента кто-то пролетает мимо вас с очень большой скоростью. Его заинтересовало ваше тахионное ружье, и он детально пронаблюдал ход опыта. Что же он увидел? Вспомним прежде всего, что преобразование Лоренца приводит к сближению пространственной и временной осей движущегося наблюдателя. На рис. 3.16 сближающиеся оси движущегося наблюдателя показаны на диаграмме пространства-времени неподвижного наблюдателя. На рис. 3.16 изображен также пространственноподобный путь тахиона от события А (когда вы спустили курок) до события В (когда тахионная пуля врезалась в стену). Для удобства предположим, что вы спустили курок как раз в тот момент, когда движущийся наблюдатель пролетал мимо вас. Когда же, с точки зрения движущегося наблюдателя, тахион попадет в стену? Чтобы ответить на этот вопрос, проведем из события В линию, параллельную пространственной оси движущегося наблюдателя, до пересечения с его осью времени (рис. 3.16). Линия пересечёт временную ось движущегося наблюдателя в точке, предшествующей событию А. Значит, для движущегося наблюдателя событие В произошло раньше события А. Тахионная пуля попала в стену до того, как ружье выстрелило!

За последнее десятилетие учёные неоднократно ставили эксперименты, чтобы найти тахионы. Либо тахионы слабо взаимодействуют с обычным веществом, либо они просто не существуют. Эти эксперименты обычно заключаются в поиске какого-то совершенно неожиданного явления для ядерной физики. Представим себе, например, такой дорожный инцидент: тяжело нагруженный грузовик на полной скорости врезается в стоящий «Запорожец». Ясно, что небольшой автомобиль при таком столкновении будет отброшен по шоссе в том направлении, в котором двигался до столкновения грузовик. Однако если бы в столкновении участвовали тахионы, то «Запорожец» мог быть отброшен и в противоположную сторону. В некоторых экспериментах легкие ядра обстреливаются тяжелыми ядрами. Если бы легкие ядра при этом отскакивали в сторону, противоположную первоначальному полёту тяжелого ядра, то это свидетельствовало бы о присутствии тахионов. Но все эксперименты, предназначенные для обнаружения тахионов, закончились полной неудачей.

В начале 1974 г. два физика, Р. Клей и Ф. Кроуч, опубликовали данные, которые можно было бы назвать «косвенным свидетельством» существования тахионов. Они провели подробный анализ широких атмосферных ливней, возникающих при вторжении в верхние слои земной атмосферы космических лучей высоких энергий. Космические лучи - это атомные ядра и элементарные частицы высокой энергии (обычно протоны или электроны), приходящие из глубин космоса с субсветовыми скоростями. Когда эти частицы (или первичные космические лучи) сталкиваются с атомами в верхних слоях атмосферы Земли, в результате этих катастрофических столкновений возникают «ливни» ядерных частиц. Обычно атмосферные ливни возникают на высоте примерно 25 км и состоят из множества частиц, также движущихся со скоростями, близкими к скорости света. Эти вторичные частицы сталкиваются с атомами в более низких слоях земной атмосферы, порождая в свою очередь огромное число новых частиц, падающих дождем на Землю (рис. 3.17).