Кажется совершенно очевидным, что время непрерывно течет из прошлого в будущее, а секунда на Земле равна секунде в любой другой точке космоса. Однако фундаментальные законы физики вообще не видят разницы между «вчера» и «завтра». В недавнем выступлении для образовательного проекта Big Think физик-теоретик, философ и автор серии книг The Biggest Ideas in the Universe Шон Кэрролл доходчиво объяснил, как физика лишила время статуса абсолюта, почему летать к черным дырам выгодно для сохранения молодости и откуда берется иллюзия «стрелы времени».
Содержание
Смерть ньютоновского времени
Исаак Ньютон был невероятно въедливым и осторожным ученым, который скрупулезно прописывал все допущения своей теории. Одной из несущих конструкций классической механики стала идея о том, что пространство и время существуют раздельно и абсолютно.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
В ньютоновской вселенной нет выделенной точки или привилегированной скорости. Как еще до него понял Галилей: если все объекты вокруг начнут двигаться влево со скоростью один километр в час, вы этого даже не заметите. Однако само пространство и время считались незыблемыми. Если вы щелкаете пальцами и говорите: «Прямо сейчас в галактике Андромеды происходит то-то и то-то», — в рамках ньютоновской физики это имеет смысл. Все наблюдатели во Вселенной сверят часы и согласятся, что два события произошли одновременно.
Все сломалось в XIX веке, когда Джеймс Клерк Максвелл собрал воедино знания об электричестве и магнетизме. В его уравнениях внезапно обнаружилась «пасхалка» — константа скорости света. Возник концептуальный конфликт: ньютоновская механика утверждала, что любой скорости можно добавить еще скорости, а теория Максвелла говорила, что скорость света одинакова для всех, вне зависимости от того, летите вы навстречу лучу или убегаете от него.
Физики десятилетиями бились головой об эту проблему, придумывая сложнейшие конструкции и невидимый «эфир», лишь бы не трогать святое — абсолютное пространство и время.
Упрямство Эйнштейна и рождение пространства-времени
В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал Специальную теорию относительности, где предложил радикальный выход: поверьте уравнениям Максвелла. Если они говорят, что скорость света одинакова для всех — значит, так оно и есть. Но чтобы математика сошлась, придется выбросить на свалку абсолютное время Ньютона.
Два года спустя бывший преподаватель Эйнштейна, математик Герман Минковский, предложил элегантное решение: пространство и время больше нельзя рассматривать по отдельности. Это единая четырехмерная структура — пространство-время. То, как именно этот пирог разрезается на «пространство» и «время», зависит исключительно от того, кто и как сквозь него движется. Объективного факта о том, что происходит «прямо сейчас» на другом конце Галактики, просто не существует.
Забавно, что сам Эйнштейн поначалу отмахнулся от идеи Минковского. Будучи физиком до мозга костей, он недолюбливал излишние абстракции и назвал концепцию единого пространства-времени «лишней математической чепухой». Однако вскоре ему пришлось забрать свои слова обратно: без этой математики было невозможно двигаться дальше. Десять лет спустя именно геометрия пространства-времени легла в основу Общей теории относительности (ОТО), где Эйнштейн доказал, что гравитация — это не отдельная сила, а искривление самой ткани мироздания массивными объектами.
Парадокс близнецов и ловушка языка
Что означает объединение пространства и времени на бытовом уровне? Кэрролл предлагает простую аналогию с расстоянием.
Представьте, что вы едете из Москвы в Санкт-Петербург. Кратчайший путь — прямая линия. Но если вы решите заехать по пути в Казань, пробег на вашем одометре будет гораздо больше, хотя точка старта и финиша у вас с другим водителем совпадают. Мы прекрасно понимаем, что длина пути зависит от выбранного маршрута.
В теории относительности время ведет себя точно так же. Время, которое вы измеряете по своим наручным часам, аналогично расстоянию, пройденному по кривой. Оно зависит от вашей траектории во Вселенной.
Отсюда вытекает знаменитый «парадокс близнецов». Один брат остается лежать на диване, а другой садится в ракету, разгоняется почти до скорости света, а затем возвращается. Они начали в одной точке пространства-времени и встретились в другой. Но путешественник окажется моложе. Почему? Потому что они выбрали разные маршруты.
При этом Кэрролл категорически против расхожей фразы «время замедляется на высоких скоростях»:
«Я очень не хочу этого говорить. С какой скоростью течет время? Одна секунда в секунду. Вас обманывает язык. Скорость — это расстояние, пройденное за единицу времени. Но количество времени, которое вы проходите за единицу времени — всегда равно единице».
Ваши часы всегда тикают нормально. Просто из-за искривления траектории вы накапливаете меньше секунд. То же самое касается гравитации. В сильном гравитационном поле (например, у черной дыры) вы накопите меньше времени, чем кто-то в пустом межзвездном пространстве. Как отмечает Кэрролл, фильм «Интерстеллар» Кристофера Нолана проиллюстрировал это с безупречной научной точностью — спасибо физику и нобелевскому лауреату Кипу Торну, который лично следил за уравнениями на досках в фильме.
Почему мы не помним будущее?
Здесь физика сталкивается с главным философским парадоксом. Фундаментальные законы — что у Ньютона, что у Эйнштейна, что в квантовой механике — не имеют направленности во времени. Они симметричны. Если вы знаете полное состояние Вселенной в данный момент, вы можете с математической точностью вычислить как ее будущее, так и ее прошлое. Для уравнений нет разницы, крутите вы кинопленку вперед или назад.
Но в реальности разница очевидна. Мы помним, что делали вчера, можем строить догадки о завтрашнем дне, но у нас нет альбомов с фотографиями из будущего. Мы стареем, но не молодеем. Откуда берется «стрела времени»?
Ответ кроется не в базовых законах квантового мира, а в коллективном поведении огромного количества частиц. Это Второе начало термодинамики — закон неубывания энтропии (меры хаоса и беспорядка).
Энтропия растет просто потому, что существует астрономически больше способов быть в неупорядоченном состоянии, чем в упорядоченном. Яйцо легко разбить в омлет, но молекулы омлета никогда случайно не соберутся обратно в целое яйцо.
По словам Кэрролла, направленность времени существует исключительно потому, что 13,8 миллиарда лет назад наша Вселенная стартовала в состоянии с экстремально низкой энтропией (высокой упорядоченностью). Почему Большой взрыв был именно таким — до сих пор остается одной из главных неразгаданных загадок космологии. Но именно то, что мы постепенно скатываемся от изначального порядка к тотальному хаосу, дает нам возможность формировать воспоминания, записывать данные на жесткие диски и отличать прошлое от будущего.
Время, в котором мы живем, стареем и строим планы — это не фундаментальная характеристика пространства, а лишь побочный эффект того факта, что Вселенная постепенно становится все более неупорядоченной.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
Читайте также: Ноль равен бесконечности: объединяем Большой взрыв и конец Вселенной в одной точке
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.