Антимир скоростей. Тахионы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Антимир скоростей. Тахионы

Из школьного курса физики все мы знаем, что ни одно тело не может двигаться быстрее света. Скорость света в вакууме, величина c - около 300000 км/сек - наибольшая из всех известных нам скоростей перемещения материальных тел или передачи сигналов.

Лишь одна частица - нейтрино движется в пространстве с этой скоростью, полёт всех других известных частиц медленнее.

Но, с другой стороны, «световой барьер» всего лишь экспериментальный факт, теоретически никак не обоснованный. Может быть, в природе существуют и более быстрые частицы, а мы их просто ещё не обнаружили - допущение не такое уж крамольное. Физикам, во всяком случае теоретикам, частицы сверхсветового вещества понадобились уже сейчас.

1.СВОЙСТВА СВЕРХБЫСТРЫХ

Частицы, движущиеся со скоростями, большими, чем скорость света, принято сейчас называть тахионами - от греческого слова «тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить свойства таких частиц можно будет, конечно, лишь после того, как их откроют в эксперименте. Однако некоторые особенности этих частиц можно предсказать теоретически, на основе уже известных нам физических законов. Один из таких законов - взаимозависимость массы и скорости частиц.

При обычных условиях этот эффект чрезвычайно мал, и мы его просто не замечаем, однако если скорость тела становится сравнимой со скоростью света, то масса тела начинает расти, и дальнейшее увеличение скорости требует затрат всё большей и большей энергии. Образно говоря, приближаться к световому барьеру частице так же трудно, как трудно подниматься на крутую гору путнику, у которого за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъёма. Чтобы достичь скорости света, разгоняя, например, лёгкие электроны, пришлось бы затратить бесконечно большое количество энергии...

Это, казалось бы, исключает надежды на открытие сверхсветовых частиц. Но в действительности отсюда следует лишь невозможность превращения обычных, досветовых частиц в тахионы путём непрерывного увеличения скорости. Подобно тому как нейтрино и кванты света, фотоны, уже при самом их рождении обладают скоростью света, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Это означает, что тахионы - частицы совершенно нового типа, они никогда не переходят через световой барьер на нашу досветовую (по скорости) сторону. Они рождаются, живут и исчезают в процессах распада и поглощения, всегда имея скорость больше скорости света.

Как и у обычных частиц, масса тахионов вблизи светового барьера возрастает, но по ту сторону барьера зависимость массы от скорости оказывается совершенно иной. У обычных частиц масса и энергия возрастают при ускорении, у тахионов же, наоборот, и масса и энергия с увеличением скорости уменьшаются. Теряя энергию, тахион ускоряется! Шарик из тахионного вещества, скатываясь с горки, будет замедляться. Падающее сверху тахионное яблоко как будто спускается на парашюте (если сила притяжения больше сопротивления среды). Зато сверхсветовая пуля под действием сопротивления воздуха должна... разгоняться. Мир тахионов своего рода Зазеркалье, антимир. Зазеркалье скоростей. В этом антимире наши представления о кинематике окажутся буквально вывернутыми наизнанку. Однако этим дело не кончается, сверхсветовым частицам должны быть свойственны ещё несколько удивительных особенностей. Об одной из них - чуть подробнее.

Зависимость массы частицы от её скорости. Масса покоящейся частицы принята за единицу, c - скорость света. Масса частицы связана с её полной энергией: Е = Мс². Это соотношение доказано в теории относительности и хорошо подтверждается на опыте

2.ЭФФЕКТ САМОУСКОРЕНИЯ

Если электрон, протон или какая-либо другая заряженная частица движется в среде со скоростью больше так называемой фазовой скорости света (равной c, поделённому на показатель преломления среды), то в этой среде возникает своеобразное электромагнитное излучение, названное излучением Вавилова-Черенкова. Тахионы, видимо, должны вызывать такое излучение всегда - не только в любой среде, но и в вакууме, поскольку скорость тахиона всегда больше скорости света.

Черенковское излучение уменьшает энергию тахиона и, следовательно, увеличивает его скорость. Другими словами, тахионы обладают способностью самоускоряться. Несложные расчёты показывают, что тахионы должны терять почти всю свою энергию и становиться безынерционными объектами с практически бесконечной скоростью, пройдя от точки своего рождения всего лишь сотые доли миллиметра.

Правда, не все физики согласны с этим выводом. Некоторые из них, основываясь на теории относительности, доказывают, что черенковского излучения в вакууме тахионы всё же не должны возбуждать. Однако не известно, насколько правомочны постулаты теории относительности при сверхсветовых скоростях...

Кто прав в этом вопросе и могут ли существовать в природе самоускоряющиеся тела - рассудить, наверное, сможет лишь эксперимент.

3.СЖАТОЕ ПРОСТРАНСТВО, ЗАМЕДЛЕННОЕ ВРЕМЯ

Научная фантастика уже приучила читателей к мысли о том, что внутри космической ракеты, несущейся к дальним мирам, время течёт относительно медленнее, чем на «неподвижной» Земле. Сюжет о возвращающемся домой космонавте (ещё достаточно юном) и его постаревшем куда сильнее брате-близнеце уже успел стать литературным штампом. Этот «парадокс близнецов» - частный случай изменения пространственных и временных масштабов при переходе от одной движущейся системы координат к другой.

Так выглядели бы для неподвижного наблюдателя часы, движущиеся со скоростью v; с - скорость света. Продольные размеры часов изменяются, поперечные остаются неизменными (движение происходит слева направо). Положение часовой стрелки (темп времени) также зависит от скорости v.

Мы ещё не можем проверить его на близнецах-братьях, но в мире элементарных частиц эффект замедления времени - экспериментально установленный факт. Благодаря этому эффекту мы знакомы с космическими мезонами. Быстрый мю-мезон, живущий в связанной с ним неподвижной системе координат лишь миллионные доли секунды, успевает пройти сквозь всю атмосферу - от верхних её слоев, где он рождается из космических лучей, до уровня моря. Пространственные размеры мю-мезона при этом сжимаются в направлении его движения, и по мере приближения скорости мезона к скорости света эта частица становится всё более похожей на бесконечно тонкую лепешку.

Как поведёт себя близ светового барьера тахион? Вероятно, когда скорость частицы ненамного больше скорости света, тахион тоже должен сплющиваться и при этом становиться долгожителем. Но как мы уже знаем, чтобы затормозить тахион, ему надо добавить энергии. (Все наоборот!) Продольные размеры таких тахионов будут всё больше и больше расти (тахионы как бы распухают в направлении своего движения), а течение времени будет для них резко убыстряться. И если тахионы - нестабильные, распадающиеся частицы, время их жизни будет тем меньше, чем больше их скорость. Но вспомним об эффекте самоускорения. Очевидно, тахионы должны распадаться почти сразу же после рождения и вблизи места рождения. Следовательно, наблюдать такие частицы будет крайне трудно.

4.ЕЩЁ НЕМНОГО ПАРАДОКСОВ

Зависимость размеров и времени жизни частиц от их скоростей это, конечно, удивительное явление. Однако ещё поразительнее зависимость направления физического процесса, в котором участвуют сверхсветовые частицы, от выбора системы координат. Так, если в одной системе координат атом А испускает тахион, а атом В его поглощает, то в системе координат, движущейся с другой скоростью, этот процесс может выглядеть как переход сверхсветовой частицы от атома В к атому А.

Зависимость направления физических процессов от выбора системы координат приводит к эффектам, в которых оказывается нарушенной причинная связь явлений. Следствие может опередить вызывающую его причину! Допустим, например, что охотник поражает тахионным лучом сидящую на столбе ворону. Космонавт же в иллюминатор пролетающей ракеты увидит, что по какой-то непонятной причине из вороны вылетел тахионный луч, который был пойман ружьём охотника. (При этом охотник каким-то образом заранее точно узнал, в какую сторону и под каким углом ему следует направить ствол своего ружья, чтобы поймать тахионный «зайчик».) Даже космонавту это показалось бы чудом.

Каким образом устранить подобные нарушения причинно-временных связей, остаётся пока не ясным. Скорее всего дело здесь в том, что тахионы, если они всё же существуют в природе, в силу каких-то, ещё неведомых нам законов не могут выходить за пределы ультрамалых пространственных областей, и если время жизни тахионов исчезающе мало, то в больших, макроскопических областях пространства вероятность порождённых тахионами нарушений причинности явлений будет близка к нулю.

Что же касается очень малых пространственных областей, то здесь временной порядок событий, возможно, вообще нельзя установить или же он имеет смысл, весьма отличный от того, к какому мы привыкли в нашем макромире. Некоторые опыты с распадающимися элементарными частицами указывают, что, действительно, в субмикроскопических областях пространства и времени нельзя однозначно отделить прошлое от будущего.

Парадоксальность свойств тахионов (с точки зрения привычных для нас представлений) сама по себе ещё, конечно, не означает, что существование таких частиц в принципе невозможно. За последние годы экспериментальная физика преподнесла нам немало сюрпризов, существенно изменивших многие наши, казалось бы, самые незыблемые и изначальные представления. Существуют тахионы или нет - это прежде всего вопрос эксперимента. Именно поэтому физики разных стран организуют очень сложные эксперименты, цель которых - поиск тахионов. Как и другие частицы, тахионы ищут в космических лучах и в опытах на ускорителях.

5.ПОИСКИ ТАХИОНОВ

Прежде всего возникает вопрос, а могут ли вообще частицы со столь необычными свойствами взаимодействовать с обычным, досветовым веществом? Некоторые физики считают, что не могут. Если это так, то тахионы представляют собой ненаблюдаемые объекты, а досветовой и сверхсветовой миры оказываются оторванными один от другого - у них просто нет точек соприкосновения.

Трудно, однако, думать, что в природе, где все взаимосвязано и взаимообусловлено, могут существовать материальные тела, которые ничем себя не проявляют и принципиально не наблюдаемы.

Если же допустить, что между тахионами и обычным веществом возможно взаимодействие, то тахионы, как и античастицы, должны рождаться в реакциях, происходящих при столкновениях досветовых частиц. И если так, то можно попытаться зафиксировать их с помощью имеющихся в нашем распоряжении приборов.

В двух недавних экспериментах удалось заметить эффекты, которые можно приписать сверхсветовым частицам.

Английские физики Р. Клай и П. Кроух изучали распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере высокоэнергетическими частицами космического излучения. Исследовали 1307 ливней - наиболее интенсивных, которые были образованы космическими частицами с энергией, по крайней мере в десять тысяч раз больше той, которую можно получить с помощью самых мощных современных ускорителей. Лавина частиц, образующих фронт такого ливня, движется со скоростью, близкой к скорости света, и даёт отчётливый импульс в регистрирующих приборах на поверхности Земли.

Во время этой работы детектирующие устройства зафиксировали частицы, значительно опережающие фронтальный импульс. Число таких частиц оказалось намного больше возможных статистических погрешностей эксперимента.

Результаты этого опыта проще всего объяснимы, если допустить, что среди ливневых частиц были частицы, движущиеся со сверхсветовыми скоростями. Они опережают лавину ливневых частиц и первыми попадают в регистрирующие устройства. Можно, конечно, предложить и другие объяснения наблюдаемого эффекта, но во всех других объяснениях количество дополнительных допущений и предположений оказалось намного больше.

Совсем иной метод применили для поиска тахионов американские фи-зики Л. Глисон, М. Гундцик и Е. Сударман. Они предположили, что тахионы сильно взаимодействуют с протонами, мезонами и другими частицами, но время жизни тахионов чрезвычайно мало. Поэтому тахионы могут лишь на очень короткое время появляться в процессах взаимодействия досветовых частиц и сразу же поглощаться этими частицами (или же исчезать в результате распада).

Теория допускает, что появление тахионов при взаимодействии досветовых частиц приведёт к определённым и характерным искажениям в спектрах распределения ядерных частиц по импульсам и углам разлёта*. Более того, положение и форма этих искажений зависят от времени жизни, массы, электрического заряда и других характеристик тахионов.

При изучении экспериментальных распределений рассеянных частиц в ядерных реакциях действительно были обнаружены аномалии, которые хорошо объясняются, если допустить, что сталкивающиеся частицы обмениваются заряженными и нейтральными тахионами с массой, несколько превышающей массу протона, и временем жизни около 10-²⁴ сек. Эти аномалии не зависят от энергии сталкивающихся частиц и наблюдаются во многих реакциях. Интерпретировать их в рамках современной теории, не учитывающей тахионы, довольно сложно и, главное, объяснение получается неоднозначным.

Теперь вы, наверное, понимаете, зачем физикам нужны тахионы.

6.ВОПРОС ОСТАЁТСЯ ОТКРЫТЫМ

Конечно, и опыты Клая с Кроухом, и результаты, полученные американскими физиками, ещё нельзя считать доказательством существования сверхсветовых частиц. Для однозначного ответа нужны значительно более полные экспериментальные данные и их всесторонний теоретический анализ.

Тем более не должен рассматриваться как обескураживающий отрицательный результат многих других попыток обнаружить, сверхсветовое вещество². Во всех этих попытках были методические просчёты, которыми можно, хотя бы отчасти, объяснить неудачу эксперимента.

Так, в одном из опытов регистрировали случаи поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившиеся частицы должны были получить от тахионов импульсы, которые физики намеревались зарегистрировать. Опыты проводили глубоко под землёй, при практически полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений была очень высокой. Тем не менее не удалось обнаружить ни одного случая поглощения тахионов, и последовал вывод о том, что если тахионы и существуют, то их взаимодействие с досветовым веществом исключительно слабо - приблизительно в 10²⁹ раз слабее, чем взаимодействие протона с электроном. Но возможна другая, более логичная интерпретация результатов: если нет специальных источников тахионов, плотность их очень мала, как мала, например, плотность световых квантов в тёмной комнате.

Таким образом, ответ на вопрос, существуют ли в природе тахионы, пока не получен. Это предстоит ещё выяснить.

Вряд ли нужно много говорить о том, насколько важным для современной науки стало бы обнаружение таких частиц. Даже если они существуют лишь в ультрамалых пространственных областях, где-то глубоко в недрах материи, их открытие скажется не только на всей физике микромира, но и на наших представлениях о вселенной. По расчётам академика М.А. Маркова, свойства вселенной очень тесно связаны со свойствами процессов, разыгрывающихся в субмикроскопических пространственно-временных масштабах. Не исключено, что частицы, которые мы называем сейчас «элементарными», на самом деле заключают внутри себя целые миры.

ПРИМЕЧАНИЯ

тахион сверхсветовой частица физический

1.Подробнее об этих методах исследования рассказано в статье «Антиводород. Охота за антитритонами» - см. «Химию и жизнь», 1975, № 1.

2. О других опытах по поискам тахионов см. статью автора в журнале «Успехи физических наук», 1974, № 9.- Ред.

Размещено на Allbest.ru