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.)