4. Проблема размерности времени в микромире
Согласно квантовой механике квантовые объекты не имеют определенных траек-торий. Частица описывается волновой функцией, которая отождествляется с некоторой волной вероятностей. Это означает, что в каждый момент времени частица одновременно находится в нескольких состояниях с разной степенью вероятности. Но Аскин, например, связывал одномерность времени с тем, что частица не может быть в один и тот же момент в двух разных местах [29,с.126].
Волновая функция является непрерывной функцией времени и ее эволюция во времени описывается дифференциальным уравнением Шредингера. Но время в квантовой механике вводится как макроскопический параметр, измеряемый лабораторным и часами. В отличие от пространственных координат, которые считаются наблюдаемыми, соответствующими операторам и имеющим вероятностное распределение значений, время считается детерминированной величиной.
Таким образом в квантовой механике отсутствует симметрия между пространством и временем. Эту особенность времени отмечал еще Л. де Бройль: "Именно в сознании наблюдателя, а следовательно, и в макроскопическом времени происходит эволюция "состояния", описываемого волновой функцией Ψ, и если в квантовых теориях не удается установить симметрию между пространством и временем, то это, по-видимому, связано с особым характером времени, воспринимаемого сознанием, с непрерывностью его течения и с его необратимостью" [30,с.142].
Наличие кванта действия, которым сопровождается любое наблюдение в микромире, не позволяет установить строгую причинную связь между предыдущим и последующим состояниями квантового объекта. Хотя эволюция волновой функции между двумя последующими измерениями строго детерминирована, но после каждого измерения частица переходит в новое состояние, для описания которого нужно определить новую волновую функцию. Таким образом в микромире, согласно квантовой механике, поведение частиц индетерминировано. Это означает, в частности, что в основание временного порядка, а значит и одномерности микровремени уже нельзя положить непрерывную причинно-следственную связь состояний квантовых объектов, так как она отсутствует в описании микрочастиц. Скорее наоборот - временной порядок, обусловленный последовательностью измерений, определяет причинно-следственную связь состояний, описываемых последовательностью волновых функций.
Таким образом очевидно, что хотя в квантовой механике и используется классические представления о времени и пространстве, но эти представления входят лишь в макроскопическое описание процессов измерения. С другой стороны квантовые закономерности фактически подрывают эти представления и ограничивают область их применения.
На неудовлетворительность обычных пространственно-временных представлений в области микромира указывали многие ученые. Но даже Эйнштейн не видел путей ре-шения и этот вопрос до сих пор остается открытым. Л. де Бройль, например , считал необходимым введение новых, более адекватных представлений:"... понятие пространства и времени взяты из нашего повседневного опыта и справедливы лишь для явлений большого масштаба. Нужно было заменить их другими понятиям и, играющими фундаментальную роль в микропроцессах, которые бы асимптотически переходили при переходе от элементарных процессов к наблюдаемым явлениям обычного масштаба в привычные понятия пространства и время. Стоит ли говорить, что это очень трудная задача?"[31,с.188].
Еще более серьезные трудности возникают в релятивистской квантовой теории. В специальной теории относительности в основании пространственно-временного описания положены кинематические характеристики электромагнитных волн, а именно соотношение между длиной и периодом световой волны. Динамический аспект электро-магнитных волн при этом не рассматривается и геометрия световых лучей определяет по сути пространственно-временные масштабы и псевдоевклидову метрику. В случае малых длин волн энергия фотона становится достаточной для порождения электрон - позитронной пары и пространственно-временная картина, таким образом, искажается.
Квантовая теория поля изучает еще более фундаментальные процессы, чем квантовая механика, и пытается вскрыть глубинные механизмы движения и взаимопревращения микрообъектов. Между тем пространственно-временные представления остаются в этой теории по существу макроскопическими [32,33]. Многие авторы связывают с этим трудности и аномалии, возникающие в этой теории.
Так, например, согласно принципу неопределенности возможно самопроизвольное изменение энергии микрообъекта, за счет которой могут возникнуть виртуальные частицы, которые в принципе не наблюдаемы [34,35]. В связи с этим вполне правомерен вопрос о "виртуальном" пространстве и времени, в котором могут существовать такие виртуальные частицы, а этот вопрос логически приводит к вопросу о размерности пространства и времени. По крайней мере на этих представлениях основана гипотеза ветвящихся миров Эверетта [28].
Для решения этих проблем предлагаются различные пути, изменяющие пространственно-временные представления. А.Эйнштейн, например, хотя и не конкретизировал, но допускал существенные изменения характера протяженности и длительности в микромире [36,с.181].
Циммерман и Чу вообще отказываются от пространственно-временных представлений в микромире. Они считают, что пространство и время - это макроскопические феномены, имеющие статистическую природу [37-39].
Возможное нарушение временного порядка следует из гипотезы Фейнмана и Штукельберга, согласно которой позитрон интерпретируется как электрон, движущийся назад во времени [40-43].
При обычной интерпретации процесса порождения и аннигиляции электрон-позитронной пары считается, что в начале из -квантов порождается электрон-позитронная пара, а затем позитрон, который обычно живет недолго, сталкивается с каким-нибудь другим электроном, свободно движущимся в пространстве, и эти частицы аннигилируют, порождая новый -квант. Таким образом в этом процессе участвуют три частицы - два электрона и один позитрон, движение которых изображается тремя мировыми линиями, пересекающимися в двух вершинах, соответствующих рождению электрон-позитронной пары и их аннигиляции.
Согласно Фейнману во всем процессе участвует только одна частица - электрон. При этом три мировые линии, соответствующие разным частицам, можно интерпретировать как мировую линию одного электрона, который на участке между двумя вершинами движется в обратном направлении времени.
По мнению Рейхенбаха такая интерпретация означает не просто обращение направления времени, но и отказ от временного порядка, а из этого следует возможность существования замкнутых причинных цепей и нарушения генетического тождества для одновременных событий [44,с.353].
Если в основе одномерности макроскопического времени лежит возможность идентификации различных последовательных состояний с одним и тем же макроскопическим телом, то в данном случае такой критерий одномерности нарушается, а из этого следует возможность многомерной интерпретации микровремени.
Таким образом, если проанализировать ситуацию в физике микромира, то расширение представлений о размерности пространства и времени является одним из самых перспективных направлений современных исследований. Это связано прежде всего с необходимостью адекватного описания внутренних движений и лежащих в их основе внутренних симметрий элементарных частиц. При таком подходе размерность пространства и времени можно определять исходя из числа внутренних степеней свободы, которое в свою очередь обусловлено характером внутренних симметрий.
Уже в 20-х годах ХХ столетия появились идеи Калуцы-Клейна о дополнительных пространственных измерениях, которые, как полагалось, компактифицировались в пределах микромасштабов [45]. В конце столетия эти идеи получили дальнейшее развитие в связи с существенным прогрессом в физике элементарных частиц. В это же время в теоретическую физику начали проникать идеи математической теории расслоённых пространств. Одним из достоинств этих идей является то, что дополнительные измерения ненаблюдаемы в нашем микропространстве и проявляются либо на малых масштабах, либо в слоях , которые заданы на базе обычного пространства.
Новые геометрические идеи, расширяющие представления о размерности, до сих пор анализировались лишь в приложении к пространственным измерениям. Между тем, распространение этих идей в отношении времени представляет собой несомненный интерес и открывает новые возможности в описании внутренних движений элементарных частиц.
М. Бунге, например, считал, что движение частиц, обладающих спином, может быть описано с помощью представлений о двумерном, вернее комплексном времени, состоящем из двух компонент: внешнего переменного времени t и внутреннего постоянного времени τ, которое относится к внутреннему движению частицы. Это внутреннее постоянное время характеризуется величиной порядка 10-21сек. для случая с электроном и может быть интерпретировано "как спиновая составляющая электрона" [46,47].
Особенностью микромира является то, что в нём уже неприменимо 2-е начало термодинамики и говорить, по крайней мере, о термодинамической необратимости времени не имеет смысла. Кроме того, причинно-следственная структура времени проявляется лишь в процессах взаимодействия элементарных частиц или вернее в отдельных актах взаимодействия. С другой стороны, существенным свойством микромира является взаимопревращаемость элементарных частиц и говорить о каком-то выделенном направлении элементарных процессов без дополнительных условий не имеет смысла. С точки зрения квантовой теории поля вакуум представляет собой равновесное состояние виртуальных частиц, а описание виртуальных движений обладает полной симметрией по отношению к временному порядку.
Вполне возможно, что внутренние движения элементарных частиц более адекватно описываются в многообразиях с отличным от обычного соотношением числа пространственных и временных степеней свободы. Одним из таких вариантов могла бы стать попытка построения модели внутренних движений элементарных частиц в многообразии М1+3, соответствующему одномерному пространству и трёхмерному времени. Следствием модели многомерного времени является то, что скалярные в обычном пространстве величины (такие например как энергия и масса) становятся векторными.
В.С. Барашенков считает, что "проявление скрытых от нас измерений времени возможно также в макроскопических процессах, где сохранение энергии и необратимость времени (при очень малых Δx и Δt) виртуально нарушаются. Исследование связанных с этим явлений требует разработки многовременной квантовой теории" [21,c.4]. После изучения решений многовременного уравнения Дирака он пришел к выводу, что "в теории многомерного времени пока не удается обнаружить каких-либо противоречий" [21,c.22].
5. Заключение
В заключение можно сделать следующие выводы:
1. Абсолютизация геометрических представлений времени приводит к статической концепции времени. Отсюда следует возможность применения математической теории многомерных пространств для построения различных концептуальных моделей многомерного времени. Гипотезы многомерного времени привлекаются для объяснения аномальных явлений, либо явлений, выходящих за пределы макроскопического опыта (мегамир и микромир) и предпочтительность той или иной модели должна определяться возможностью адекватного описания тех или иных явлений. Единственным критерием таких построений является их внутренняя непротиворечивость и согласованность с физическими принципами и законами. При этом одномерность физического макровремени не подвергается сомнению, но из этого ещё не следует абсолютизация этого свойства времени на область мега- и микромира.
2. В теории относительности вопрос о размерности времени непосредственно связан с вопросом о размерности единого пространства-времени и соотношении пространственной и временной составляющей в рамках единого описания. Из относительности одновременности следует относительность временного порядка за пределами светового конуса. Отсюда следует возможность интерпретации времени как многомерного феномена в рамках глобального описания.
3. Из наличия конечной скорости взаимодействия следует возможность существования причинно-несвязанных пространственно-временных областей, которые можно интерпретировать как множество отонных миров. При этом многомерность времени понимается как множество независимых временных измерений, описывающих множество независимых миров, существующих в многомерной Вселенной. Таким образом, концепция многомерного времени в теории относительности является эффективной методологической и мировоззренческой установкой, расширяющей представления о глобальной пространственно-временной структуре Вселенной и концептуальной основой идеи множественности миров. Конкретно-эмпирический выбор результирующей модели ансамбля миров зависит от прогресса в области разработки теорий объединения физических взаимодействий и квантовой гравитации, а также от успехов наблюдательной астрономии и астрофизики. В настоящее время идея множественности миров становится определяющим мировоззренческим и методологическим ориентиром в системе современных научных знаний, а ее анализ позволит прогнозировать пути дальнейшего прогресса познания и синтеза научной картины мира будущего.
4. Расширение представлений о размерности пространства и времени является одним из перспективных направлений исследований физики микромира. Это связано прежде всего с необходимостью выявления фундаментальной структуры, лежащей в основании внутренних симметрий элементарных частиц. В основе внутренних симметрий леж1ит, по мнению авторов, кинематико-динамическая симметрия, обусловленная внутренними движениями, а для описания таких движений необходимо радикальное изменение пространственно-временных представлений в микромире. При этом повышение размерности времени следует понимать как появление внутренних степеней свободы, а их ненаблюдаемость связана с циклическим характером внутреннего времени.
Источник: http://universe-tss.su