Физики-теоретики до сих пор не могут договориться, существует ли время на самом деле, или это лишь макроскопический побочный эффект квантовой запутанности. Джим Аль-Халили, известный британский физик, выделяет четыре главные проблемы времени: от парадоксов теории относительности до пугающего уравнения Вселенной, в котором времени просто нет. Разбираемся, почему мы навсегда застряли в настоящем, можно ли убить дедушку в прошлом, и откуда берется пресловутая «стрела времени».
Содержание
Ловушка субъективности
Джим Аль-Халили — почетный профессор теоретической физики Университета Суррея (Великобритания), популяризатор науки и автор недавно вышедшей книги «О времени». Как и любой практикующий физик, он регулярно сталкивается с тем, что наше бытовое восприятие реальности катастрофически расходится с тем, что говорят математические формулы.
Главная проблема со временем заключается в том, что мы не можем посмотреть на него объективно, со стороны. Мы безнадежно увязли в нем. Из-за этого в науке и философии появилось жесткое разделение на физическое время (координату, встроенную в законы природы) и манифестируемое, или психологическое (наше субъективное восприятие). Нам кажется, что в пятилетнем возрасте промежуток от одного дня рождения до другого длился бесконечно, а в пятьдесят — годы пролетают со свистом. Но это лишь особенности нейробиологии — мозг замедляет субъективное восприятие, когда активно формирует новые воспоминания, и ускоряет его, когда живет на автопилоте.
А вот с фундаментальным, физическим временем все гораздо сложнее. Аль-Халили разбивает эту концептуальную головную боль на четыре конкретные проблемы.
Проблема 1 и 3: Иллюзия потока и загадка «Сейчас»
Нам интуитивно кажется, что время похоже на реку. Есть некое осязаемое «сейчас», которое неумолимо пожирает будущее и оставляет за собой прошлое. Такой взгляд разделял Исаак Ньютон, веривший в абсолютное космическое время — невидимый метроном, тикающий для всей Вселенной одинаково и независимо от наблюдателя.
Затем пришел Альберт Эйнштейн и сломал этот уютный часовой механизм. В теории относительности время стало четвертым измерением (пространством-временем). Из этого неизбежно вытекает концепция «Блочной Вселенной». Представьте себе книгу, где каждая страница — это срез Вселенной в конкретный момент. Для нас, застрявших внутри, страницы перелистываются одна за другой. Но если бы вы могли посмотреть на эту книгу снаружи, с позиции «взгляда Бога», вы бы увидели, что все страницы существуют одновременно. Прошлое никуда не исчезло, а будущее уже написано.
Эта философская концепция называется этернализмом, и большинство современных физиков ее разделяют. В Блочной Вселенной нет никакого выделенного, особенного «настоящего». Понятие одновременности относительно: для двух наблюдателей, движущихся с разной скоростью или находящихся в разном гравитационном поле, одно и то же событие может произойти в разное время.
Более того, само наше ощущение «сейчас» — это неврологическая иллюзия, «растянутое настоящее», которое мозг в реальном времени склеивает из эпизодической памяти и задержек восприятия (ведь свету от объектов или нервным импульсам от сетчатки нужно время, чтобы достичь зрительной коры).
Но если будущее уже существует на дальних «страницах» Блочной Вселенной, то есть ли у нас свобода воли? Аль-Халили придерживается философского компатибилизма: да, Вселенная, возможно, детерминирована, но мы встроены внутрь этого «Блока» и принципиально не имеем вычислительной мощности, чтобы предсказать свое будущее. Для нас иллюзия свободы воли настолько совершенна, что она функционально неотличима от настоящей.
Проблема 2: Уравнение, в котором времени нет
Пожалуй, самая амбициозная задача теоретической физики последних 70 лет — это попытка подружить общую теорию относительности Эйнштейна (описывающую макромир и гравитацию) с квантовой механикой (царством микромира).
Первой серьезной попыткой такого объединения стало знаменитое уравнение Уилера — Девитта, выведенное в 1967 году. Оно должно было описывать квантовое состояние всей Вселенной целиком. Но когда физики Джон Уилер и Брайс Девитт закончили свои расчеты, обнаружилась обескураживающая деталь. В уравнении полностью отсутствовала переменная времени (маленькая буква t). Оно описывало абсолютно статичную Вселенную.
Если базовое уравнение квантовой гравитации обходится без времени, не значит ли это, что времени на фундаментальном уровне вообще не существует? Аль-Халили отмечает, что в таком случае время может быть эмерджентным (возникающим) свойством. Как «мокрость» воды не свойственна одной отдельной молекуле H₂O, а возникает только в макромасштабе у миллиардов молекул, так и время может «проявляться» лишь на макроуровне, вырастая из глубоких, вневременных квантовых флуктуаций.
Проблема 4: Откуда у времени стрела?
Если вы поменяете знак времени с плюса на минус в большинстве фундаментальных уравнений физики, ничего не сломается. С математической точки зрения, разбитая чашка вполне может собраться из осколков и запрыгнуть обратно на стол. Уравнения симметричны во времени. Но в реальности осколки не станут обратно чашкой. Мы стареем, горы разрушаются, а батарейки разряжаются.
Исторически этот парадокс — необратимость времени — объясняли Вторым началом термодинамики. Энтропия (мера хаоса) в замкнутой системе неизбежно растет. Коробка с газом, где все молекулы аккуратно собраны в одном углу, со временем придет в состояние теплового равновесия (хаотичного распределения).
Но Джим Аль-Халили и его коллеги по группе квантовых оснований копают глубже. По мнению ученого, классическая термодинамическая стрела времени — это лишь частное следствие. Истинная необратимость кроется в квантовой запутанности и процессе декогеренции.
В реальном мире не существует идеально изолированных систем (кроме Вселенной в целом). Каждый объект постоянно сталкивается с окружающей средой — фотонами, атомами, молекулами воздуха. При каждом таком микро-взаимодействии система «запутывается» со средой, и ее квантовые свойства безвозвратно рассеиваются. Этот процесс (декогеренция) принципиально необратим. В недавней статье, опубликованной в журнале Foundations of Physics совместно с философом Эдди Кемингом Ченом, Аль-Халили доказывает, что именно неуклонный рост квантовой запутанности и порождает ту самую «стрелу времени», которую мы ощущаем на макроуровне. Стрела времени — это не иллюзия ума, она физически «впечена» в структуру реальности.
Десерт для ума: Можно ли убить дедушку?
Раз уж время — это физическое измерение, почему мы не можем гулять по нему взад-вперед?
Путешествия в будущее, к разочарованию фантастов, уже давно не вызывают у физиков вопросов. Эффект замедления времени подтвержден экспериментально. Это доказывают мюоны — субатомные частицы, рождающиеся в верхних слоях атмосферы. Они живут доли секунды и не должны успевать долетать до поверхности Земли. Но из-за того, что они несутся почти со скоростью света, их внутренние «часы» замедляются, и они легко достигают наших детекторов.
Если вы сядете в ракету и разгонитесь до околосветовой скорости или приблизитесь к черной дыре с чудовищной гравитацией, ваше локальное время замедлится. Вы вернетесь на Землю, постарев на пару недель, а здесь пройдут десятилетия. Строго говоря, это не скачок в будущее, а просто перемотка пленки на разных скоростях, но результат налицо.
Но вот путешествия в прошлое — это зона непрерывной головной боли. Теоретически, общая теория относительности математически допускает существование замкнутых времениподобных кривых. Пространство-время можно так сильно искривить, что оно свернется в петлю, по которой можно съехать во вчерашний день. Но тут появляются парадоксы. Самый известный — «парадокс убитого дедушки». Вы возвращаетесь в прошлое и убиваете своего деда до того, как он встретил бабушку. (Аль-Халили иронизирует: зачем пропускать поколение? Логичнее убить собственную мать, или вообще себя-младшего). В итоге вы не рождаетесь, не строите машину времени и не убиваете предка. Значит, выживший предок рождает вашего родителя, вы рождаетесь, строите машину… Цикл замкнулся, причинно-следственная связь уничтожена.
Чтобы ткань реальности не пошла по швам, наука предлагает два теоретических костыля:
- Принцип самосогласованности Новикова. Вы можете отправиться в прошлое, но законы физики не дадут вам его изменить. Рука дрогнет, бластер даст осечку. Все ваши действия в прошлом уже являются частью истории, которая когда-то привела к вашему настоящему. Плата за это — полный отказ от свободы воли.
- Многомировая интерпретация квантовой механики. Вы нажимаете на курок, но в параллельной ветке реальности. Ваша собственная временная линия остается нетронутой, вы просто создаете альтернативную Вселенную, где вам придется жить в розыске за убийство собственного деда.
Впрочем, самый изящный ответ хронотуристам дал Стивен Хокинг: «Если путешествия во времени возможны, то где же туристы из будущего?». Физика отвечает сурово: вы не можете отправиться в прошлое дальше того момента, когда была изобретена машина времени. Так что гостей из 3000 года мы не дождемся. И возможно, это к лучшему — им наверняка бы не понравился наш климатический кризис.
Итог
Хотя наши знания о времени далеки от идеала, современная физика склоняется к тому, что оно реально, началось в момент Большого взрыва и, учитывая ускоряющееся за счет темной энергии расширение Вселенной, не закончится никогда. Даже когда в далеком будущем погаснут последние звезды и испарятся черные дыры, оставив после себя лишь холодный, мертвый космос («тепловая смерть Вселенной»), время продолжит свой путь. Просто в нем больше не будет происходить ничего интересного.
Читайте также: Что такое время? Не «поток», а психологическая проекция, — полагает философ
Помочь донатом на Boosty.
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.
