Кварки, протоны, Вселенная

Один из основных постулатов физики утверждает, что в природе существует максимальная скорость. Это скорость света в пустоте — около 300 тысяч километров в секунду. Считается, что ни одно тело не может двигаться быстрее. Безмассовые частицы — фотоны, нейтрино и спрятавшиеся в недрах других частиц глюоны — перемещаются в пространстве с максимальной скоростью. Все другие частицы и тела движутся медленно. Почему? Что им мешает? Ведь скорость света, мгновенная по сравнению с житейскими нашими скоростями, оказывается весьма скромной при переходе к космическим масштабам. Даже с аппаратами, исследующими ближайшие к нам планеты Солнечной системы, обмен сигналами происходит уже с весьма заметным запаздыванием. Может, в природе все-таки существуют частицы, движущиеся быстрее света, а мы их просто еще не обнаружили? Допущение с научной точки зрения не столь уж крамольное. А если не обнаружили, то где следует их искать и какими свойствами может обладать «сверхсветовое вещество»?

Вопрос о сверхсветовых скоростях — один из спорных пунктов современной физики. Хотя большинство ученых считает, что в природе таких скоростей нет, это мнение не имеет под собой безусловных оснований. Вопрос продолжает беспокоить физиков. В самых серьезных и респектабельных физических журналах время от времени появляются статьи, которые еще и еще раз, с новых точек зрения, анализируют следствия сверхсветовой гипотезы. Число посвященных ей работ — книг, статей, докладов на конференциях — давно перевалило за тысячу.

Все гипотетические тела, движущиеся со сверхсветовыми скоростями, независимо от их массы, размеров и других свойств, принято называть тахионами. Как и многие другие названия в физике, этот термин восходит к греческому корню: слово «тахис» означает «быстрый», «стремительный». Чтобы понять трудности, к которым приводит гипотеза о существовании в природе таких физических объектов, давайте сначала познакомимся со свойствами, которыми они теоретически должны обладать.

Хорошо известно, что масса тела зависит от его скорости: чем быстрее оно движется, тем оно тяжелее. При небольших скоростях увеличение массы незаметно. Но если тело разгоняется так, что его скорость становится близкой к световой, тогда масса увеличивается многократно. В современных больших ускорителях масса электрона возрастает в миллионы и даже миллиарды раз. Электрон становится тяжелее протона. Но чем больше масса тела, тем труднее его ускорять: требуется все больше и больше энергии. Чтобы разогнать одну частицу до скорости света, пришлось бы затратить бесконечное количество энергии — энергию всей Вселенной. Поскольку это невозможно, долгое время считалось, что тахионов в природе быть не может.

Советский физик Я. П. Терлецкий одним из первых обратил внимание на то, что этот вывод говорит лишь о невозможности перейти через световой барьер путем непрерывного наращивания скорости. Но существуют же частицы, с легкостью движущиеся со скоростью света,— фотоны и нейтрино! Они рождаются, сразу имея такую скорость, без всякого разгона А все оттого, что у них просто нет массы покоя (во всяком случае у фотона). Тахионы тоже должны иметь сверхсветовую скорость с самого момента рождения. Другими словами, это совершенно новая форма материи, отделенная от обычной непроходимым световым барьером. Переход происходит всегда скачком: частицы поглощаются и рождаются затем сразу по другую сторону барьера. Они как бы подныривают под него.

Заметьте, обычные частицы приближаются к световому барьеру, когда их скорость возрастает, а тахионы, наоборот, когда их скорость уменьшается. Теряя энергию, обычная частица замедляется, а тахион ускоряется. Эксперимент и теория убеждают нас в том, что вблизи светового барьера частицы с досветовыми скоростями сжимаются в направлении своего движения, а время их жизни (если они склонны к распаду) возрастает. Размеры распадающегося тахиона, напротив, растут — он как бы распухает в направлении движения, а течение времени для него резко убыстряется. В пределе, при бесконечно большой скорости, он вытягивается вдоль всей своей траектории. Словом, у тахионов все наоборот, и к этому выводу приводят нас строгие формулы теории относительности.