Изкривяване на пространството
Сред низа от странни образи, породени от новата физика, най-голям интерес представляват тези, свързани с квантовата теория и теорията на относителността. В своята най-развита форма, наречена квантова механика, квантовата теория по същество се занимава с изучаването на всички процеси, протичащи в микрокосмоса. Нашето разбиране за всички явления на молекулярната, атомната, ядрената и субядрената физика се основава на квантовата механика. Теорията на относителността изучава свойствата на пространството, времето и движението. Заключенията му стават значими, когато разглежданата система се движи със скорост, близка до скоростта на светлината, или в силно гравитационно поле.
Квантовата физика и относителността подкопават здравия разум по много начини. Не на последно място сред техните „жертви“ е нашето интуитивно разбиране на геометрията. В ежедневието метърът винаги е метър. След като бъде определена, всяка друга единица за дължина може да се счита за дадена веднъж завинаги. Малко хора биха помислили, че 1 m днес може да е равен на 2 m утре или че вашият метър е равен на половината от моя метър. Теорията на относителността обаче не само твърди, че разстоянията не са абсолютни, т.е. не е фиксирано веднъж завинаги, но също така показва експерименти, при които подобни несъответствия могат да бъдат разкрити. Ако един наблюдател се движи спрямо друг, тогава при измерване на дължината на един и същ обект те получават различни стойности. Това е въпреки факта, че в покой и двамата наблюдатели, когато измерват дължината на даден обект, ще получат абсолютно същия резултат.
Намаляването на разстоянието с увеличаване на скоростта се нарича ефект на свиване на дължината на Лоренц-Фицджералд, на името на учените, които са го формулирали, Джордж Фицджералд и Хендрик Антон Лоренц. Това е един отфундаментални резултати от теорията на относителността. Скъсяването на дължината става забележимо само при скорости, близки до скоростта на светлината, но съществуването на ефекта е извън съмнение. Линейният ускорител на частици в Станфорд (Калифорния, САЩ) е права тръба с дължина около 3 км (в нашата референтна система). Движещите се в него електрони обаче имат скорости толкова близки до скоростта на светлината, че в тяхната „референтна система” дължината на ускорителя едва достига 0,3 m! На практика при проектирането и експлоатацията на такъв ускорител трябва да се вземе предвид ефектът от намаляване на дължината.
Ако теорията на относителността лишава концепцията за разстояние, то квантовата механика допълнително подкопава основите”, поставяйки под въпрос концепцията за местоположението на здравия разум. Смята се за безспорна истина, че всички материални тела трябва да се намират някъде. Всяка субатомна частица, например, която е част от нашето тяло, задължително трябва да има определено местоположение. Може ли една частица дори да съществува, без да е някъде?
Когато физиците започнаха да изследват концепцията за местоположение в светлината на квантовата физика, те откриха за свое учудване, че най-общо казано, тя нямаше смисъл. Източникът на всички "неприятности" е свързан с едно фундаментално правило на квантовата механика, наречено принцип на неопределеността на Хайзенберг - в чест на немския физик Вернер Хайзенберг, който през 20-те години на нашия век е един от основателите на квантовата механика. Съгласно този принцип е невъзможно да се определи точно позицията и скоростта на частица едновременно. Можем да говорим за скоростта (по-точно за импулса) например на електрон и да поставим експеримент за измерване на това количество. Експериментът ще даде категоричен резултат. По същия начин може да се определипозицията на електрона. Освен това всеки път ще го засичаме на определено място. Но това, което никога не можем да направим - и което е невъзможно по принцип - е да определим едновременно и двете характеристики на един електрон: позиция и скорост. Независимо от метода на измерване, самият акт на наблюдение на местоположението на електрона нарушава неговото движение по непредсказуем начин. По същия начин измерването на импулса на електрона „замъглява“ данните за неговото местоположение. Тези два вида измерване са просто несъвместими.
Невъзможността за едновременно определяне на позицията и импулса на частица не трябва да се дължи на грубия характер на експеримента или на недостатъчната разделителна способност на инструмента, тъй като в този случай имаме работа с характеристика, присъща на природата. Самата концепция за електрон, разположен на такова и такова място, става абсолютно безсмислена, ако искаме да знаем неговия импулс.
Всичко това показва колко абсурден е опитът да си представим света на атома като пространство, "обитавано" от въртящи се топки. Ако една частица не може едновременно да има определена позиция и импулс, тогава не можем разумно да й присвоим траектория в пространството. Може да знаем, че в даден момент електронът е в точка А, а в по-късен момент в точка Б, но не можем да знаем как е стигнал от А до Б. Идеята за траектория (или орбита), непрекъснато свързваща началната и крайната точка, се губи. Наистина, вече споменахме, че в някои технически устройства електроните показват способността да „тунелират“ през бариерата, като изчезват от едната й страна и внезапно се появяват отново от другата. Това е типичен квантов ефект.
Единственият начин да разберем това странно поведение на електрона е да приемем товаче една частица стига от А до Б едновременно по всички възможни пътища! Това необичайно свойство може лесно да се демонстрира чрез подходящо адаптиране на експеримент, поставен за първи път през 19 век. английският физик Томас Йънг. Желаещи да докажат валидността на вълновата теория на светлината. Юнг се възползва от феномена на интерференцията. Интерференция възниква, когато две вълни се наслагват. Ако гребените на една вълна съвпадат с гребените на друга вълна, тогава възниква усилване и вълновото движение става по-интензивно. Ако гребените на една вълна паднат върху коритата на друга, тогава вълните се компенсират взаимно и вълновото движение отслабва.
В експеримента на Йънг (фиг. 3) светлината от малък източник пада върху два близко разположени процепа в непрозрачен екран. Разрезните изображения се проектират на втори екран. Достигайки до втория екран, светлинните вълни от всеки процеп пречат. Резултатът от смущението зависи от това как вълните достигат до екрана - „в крак” или „в разрез”. Това от своя страна зависи от ъгъла, под който вълните удрят екрана, така че резултатът варира от точка до точка. В резултат на това наблюдаваме поредица от светли и тъмни ивици, които се образуват поради факта, че светлинните вълни последователно се усилват и заглушават взаимно.
Фиг.3. Експериментът на Йънг върху интерференцията на светлината. Източник на светлина осветява два успоредни процепа в непрозрачен екран. Изображението на екрана не се състои от две светли ленти, а от поредица от светли и тъмни (интерферентни) ленти. Този експеримент ясно демонстрира вълновата природа на светлината, но ако го погледнете от корпускулярна (фотонна) гледна точка, тогава много от опита ще изглежда странно.
Когато се вземе предвид квантовата природа на светлината, се разкриват изненадващи подробности. Квант светлина - фотон - се държи като частица, в смисъл, чекойто попада на екрана на определено място. (Ако, за да се улови интерферентен образец, някой замени екрана с фотографска плака, всеки фотон ще причини химически промени в едно зърно фотографска емулсия на точно определено място.) От друга страна, интерферентният модел ясно зависи от наличието на два процепа, генериращи две вълни, които се наслагват една върху друга. Ако единият прорез е затворен, интерферентният модел изчезва. Наблюдаваното явление не може да се обясни, като се позовава на факта, че някои от фотоните преминават през един процеп, а някои през друг, тъй като интерференционната картина се появява под формата на отделни петна, дори ако фотон след фотон попадат на екрана отделно. Единственото възможно обяснение е, че всеки фотон по някакъв начин преминава през двата процепа и достига до екрана, носейки отпечатъка на своето съществуване. Този „пръстов отпечатък“ е най-голямата вероятност фотоните да попаднат в областта на светлинните ленти, т.е. далеч от областта на тъмните ленти. Това показва съвместното съществуване на два аспекта от природата на светлината – вълнов и корпускуларен. Въпреки че експериментът първоначално е направен със светлина, подобни съображения са валидни, ако се използват електрони или други квантови "вълни на частици".
Невъзможно е да си представим частица, която е "навсякъде по едно и също време". Човек очевидно може да си представи безброй „призрачни“ частици, движещи се по всички възможни пътища до точката на наблюдение, където се сливат в „истинска“ частица, но дори такъв образ се оказва неадекватен. Само математиката е в състояние да събере всички тези тънкости.
Поради неспособността ни да "прикрепим" частица към определено място, възникват необичайни ефекти в случай на няколко частици. Ако има набор от еднакви частици и не можемкажете във всеки случай къде е частицата, тук или там, тогава как можете да разберете коя коя е? Наистина това не може да се направи. Индивидуалността на частицата е напълно изтрита.
Това обстоятелство води до важни физически последствия. Когато два атома образуват молекула, движението на електрони около един от атомите се влияе от другия атом, което води до сила на привличане между атомите. Отчасти се дължи на факта, че даден електрон на един атом е неразличим от електроните на друг и поради размиването на тяхната позиция нищо не пречи на тези електрони да сменят местата си от време на време. С други думи, два електрона от различни атоми могат взаимно да се заменят. Такива обменни взаимодействия (сили), добре известни в химията, водят до измерими ефекти.
Всичко това прави понятието разстояние много неясно. Но това не е всичко. При по-внимателно разглеждане се оказва, че не само позицията на частицата в пространството е замъглена, но и самото пространство по своята същност е замъглено. Лошо е, когато не се знае къде е частицата, но ако е невъзможно да се каже къде се намират точките на пространството, тогава всички представи на геометрията се сриват.
Причината за това допълнително усложнение се крие в специалните свойства на гравитацията. През 1915г Айнщайн обобщава теорията на относителността, която предсказва възможното свиване и разширяване на пространството в зависимост от движението на наблюдателя, като включва в него гравитационни явления. Според общата теория на относителността гравитацията е просто геометрията на празното пространство и време, но е напълно различна от тази, която учим в училище. Гравитацията е изкривено пространство-време. Пространството може не само да се разтяга и свива, но и да се огъва инавивам се. Именно тези деформации на пространството обясняват, според теорията на Айнщайн, гравитацията.
Айнщайн посочи редица примери, при които може да се наблюдава кривината на пространството и времето.
Фиг.4. Преминавайки близо до Слънцето, светлината от звездата забележимо се отклонява поради кривината на пространството, причинена от Слънцето. В резултат на това положението на звездата в небето, което наблюдаваме, е малко изместено спрямо реалното.
Едно от тях е въздействието на гравитационното поле на Слънцето върху пространството в непосредствена близост до него. По време на пълно слънчево затъмнение, когато блестящият диск на Слънцето е скрит от Луната, могат да се наблюдават малки отклонения в позициите на звездите, разположени в небето близо до Слънцето, в сравнение с техните координати, записани в астрономическите атласи (фиг. 4). Светлинните лъчи, идващи от звездите, се различават значително от праволинейните, което се дължи на кривината на пространството от Слънцето.
Този и други тестове на относителността, основани на много по-силните гравитационни полета на неутронните звезди, убедиха физиците, че гравитацията наистина огъва пространството. Едно от последствията от това е, че пространството (строго казано, пространство-времето) трябва да се счита за еластично, така да се каже, способно да променя своята геометрична форма. С други думи, можем да наблюдаваме динамиката на пространството. Например, когато една звезда колапсира и образува черна дупка, първоначално слабата деформация на пространството в близост до нея бързо се увеличава, създавайки чудовищно деформирано пространство - капан, от който нищо не може да избяга. Друг пример е разширяващата се Вселена (виж глава I): в нея пространството между галактиките непрекъснато се разтяга.
Способността на пространството да се променя и движи има дълбоказначение за квантовата физика. Принципът на неопределеността на Хайзенберг замъглява не само природата на движението на частиците, но и динамиката на пространството. Чрез математическо моделиране е установено, че в мащаб най-малко 1020 пъти по-малък от размера на атомното ядро, структурата на пространството прилича на пяна и се характеризира с резки и спонтанни промени (увеличаване и намаляване) на кривината. Точно както една частица „използва“ всички налични за нея траектории на движение, пространството в ултрамикроскопичен мащаб прилага всички възможни начини на движение. В случай на частица, става дума за безброй призрачни частици, всяка от които се движи по своя собствена траектория. По същия начин можем да говорим за безкраен брой призрачни пространства, всяко от които има специфична геометрия.
Тази призрачна динамика на пространството предполага, че в много малки мащаби самата концепция за „местоположение“ губи значението си. Подреденото разположение на точките, плавната непрекъснатост на пространството на класическата геометрия изчезва в разпененото пространство-време. Вместо това имаме хаотична купчина полуреални призрачни пространства. И в такъв хаотично променящ се океан здравият разум напълно губи силата си.