«Время – это природный способ не допустить, чтобы всё на свете происходило одновременно, а пространство – это то, что не позволяет всему на свете происходить именно со мной» (Джон Уилер)
«Теории о сути пространства и времени, которые я хочу вам продемонстрировать, выросли на почве экспериментальной физики, из чего и происходит их сила. Они радикальны. Впредь пространство само по себе и время само по себе обречены обратиться в тени, и независимой реальностью останется только их объединение» (Герман Минковский)
«Теория относительности объявляет нашу Вселенную эгалитарной, в которой каждый момент так же реален, как и любой другой» (Брайан Грин)
«Объективный мир просто есть, он не случается. Лишь для взора моего сознания, карабкающегося по мировой линии жизни моего тела, порождается часть мира как образ, плывущий в пространстве и непрерывно меняющийся во времени» (Герман Вейль)
Время (time) – наиболее часто употребляемое слово в английском языке и третье по употребляемости в русском. Оно есть и в любом другом языке, потому что синхронизация действий во времени так же важна, как и их координация пространстве. Не зная точного времени, невозможно упорядочить свою жизнь и спланировать её наперёд. Если в древние времена можно было полагаться на природные циклы и внутреннее ощущение времени, то в наши дни нужно постоянно иметь при себе часы или телефон. Время – важнейшее из абстрактных понятий, которое мы произносим каждый день. Над проблемой времени хотя бы раз в жизни задумывался каждый мыслящий человек, и на эту тему написано огромное количество философской и научной литературы. Тем не менее, никто не скажет наверняка, что же такое время. Оно реально, или это иллюзия, порождённая нашим сознанием? Существует ли время независимо от пространства и материи? Что первично: время или движение? Возможно ли время без движения и движение без времени? Что определяет разницу между прошлым и будущим? Время необратимо, или нам так только кажется.
Разумеется, охватить всю философию и физику времени в одной статье невозможно, поэтому не ждите полных ответов на поставленные вопросы. Пока я начну с напоминания самых элементарных вещей, о которых может рассказать любой научпопер или школьный учитель физики, но без которых будет трудно понять мои следующие статьи. Здесь я рассказываю о философских концепциях времени, вкратце объясняю Специальную и Общую теории относительности и разоблачаю миф об иллюзорности или субъективности времени.
Философия времени
Философы со времён Ньютона и Лейбница ведут спор, какая из двух концепций времени верна: субстанциональная или реляционная?
1) Субстанциональная – пространство и время представляют собой независимые от материи субстанции и выступают «сценой», на фоне которой разыгрываются физические явления. Так, согласно ньютоновской механике, время – единая сущность, «действующая сила, самостоятельная и ни от чего не зависящая», а все материальные тела движутся относительно пространства и времени.
2) Реляционная – «время не отдельная самостоятельная сущность, а всего лишь производная», в которой «находят своё выражение определённые отношения вещей и явлений между собой» (Лейбниц).
Также выделяют следующие три подхода к пониманию времени: презентизм, этернализм и теория растущего блока.
Презентизм (от англ. present – «настоящее»), или динамическая концепция времени – самый простой, интуитивно понятный подход. Презентисты считают, что реально только настоящее, а прошлое и будущее существуют лишь в нашем сознании. «Прошлого уже нет, а будущего ещё нет», есть только настоящее, которое возникает на основе прошлого и содержит в себе предпосылки будущего. «Течение» времени в представлении большинства людей – это движение точки настоящего из прошлого в будущее (обычно слева направо) по оси, на которой отмечены отрезки времени. Презентизм согласуется с эмпиризмом, позитивизмом и солипсизмом, которые призывают полагаться только на свои чувства и исследовать мир таким, каковым он представляется наблюдателю, и с копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Но он не согласуется со специальной теорией относительности, постулирующей равноправие всех систем отсчёта и относительность одновременности. Также презентизм противоречит нейробиологии, а именно тому факту, что мы не воспринимаем мир в реальном времени: мозг осознаёт сигналы от органов чувств и даже собственные решения с опозданием, поэтому мы всегда воспринимаем прошлое, а не настоящее.
Этернализм (от англ. eternity – «вечность»), или статическая концепция времени – «все моменты прошлого, настоящего и будущего всегда существовали и всегда будут существовать», подобно кадрам на киноленте. Последовательность сменяющихся на экране мгновений (кадров) – иллюзия, возникающая только в глазах наблюдателя. Этерналисты верят в реальность прошлого и будущего наравне с настоящим и сравнивают ось времени с направлениями в пространстве. Время никуда не движется и не «течёт», есть только статичная блок-вселенная. Ни один момент во времени ничем не выделяется среди прочих, какие моменты относить к прошлому, какие к будущему – зависит от системы отсчёта. Такой подход согласуется с теориями относительности, супердетерминизмом, бомовской теорией волны-пилота и многомировой интерпретацией квантовой механики (если речь идёт о блочной мультивселенной). Однако этернализм не объясняет, почему время идёт в сознании наблюдателя: мы осознаём себя в конкретный момент времени и воспринимаем окружающий мир в динамике.
Теория растущего блока – современная альтернатива презентизму и этернализму. Её сторонники признают реальность настоящего и прошлого, но считают, что будущее реализуется только в настоящем, то есть пространственно-временной блок Вселенной растёт за счёт перехода неопределённого будущего в определённое прошлое. Прошлое уже зафиксировано в виде блок-вселенной, сознание наблюдателя находится в настоящем на переднем краю этого блока, а будущее не детерминировано или предстаёт как набор вероятностей. Теория растущего блока выглядит заманчиво, но совмещает в себе проблемы как презентизма, так и этернализма, в первую очередь – какой момент является настоящим и почему он зависит от системы отсчёта.
Философия не может ответить, какая из этих концепций верна, а какая ошибочна – на то она и философия. С точки зрения науки, это спор ни о чём, потому что он упирается в определение самой реальности. Для презентиста плёнка с кадрами движется относительно неподвижной рамки настоящего, для этерналиста рамка проектора скользит по неподвижной плёнке, а сторонник теории растущего блока представит всё это как змейку-молнию, «застёгивающую» множественное будущее в единственное настоящее. Как видно на этих примерах, точка зрения относительна. Поэтому чуть ниже мы рассмотрим время с позиций специальной теории относительности Эйнштейна, которая является основой релятивистской физики. Но начнём с одного распространённого мифа.
Времени нет?
В эзотерической и философской литературе часто можно встретить утверждение, что времени нет. Или так: время – иллюзия, оно существует только в нашем сознании и является свойством восприятия, результатом сравнения настоящего момента с предыдущим, запечатлённым в памяти. Прошлое – это всего лишь наши текущие воспоминания, которые вполне могут быть ложными, будущее – это наши догадки и прогнозы, тоже существующие в настоящем. А реальный мир лежит вне времени и пространства, пребывает в «вечном мгновении» (или «Вечном Сейчас») и материализуется из суперпозиции всех своих возможных состояний лишь в глазах наблюдателя. Всякое движение и изменение объясняется круговоротом замкнутых циклов, ибо «нет ничего нового под солнцем» и «всё возвращается на круги своя». Также говорится о том, что для каждого живого существа время течёт по-разному, а человек в зависимости от состояния сознания может ускорить или замедлить чувство времени вплоть до полной его остановки – растворения в «вечном мгновении» нирваны. Отсюда следует, что нужно отрешиться от внешней суеты, не думать о прошлом и будущем и жить «здесь и сейчас».
Так существует ли время? Если использовать критерий реальности, сформулированный мною в статье «Реализм против солипсизма», то всё очень просто. В уравнениях как ньютоновской, так и квантовой механики, и тем более в релятивистской физике есть буква t, обозначающая время. Следовательно, время является частью реальности, какой её видит современная наука. Возможно, в будущей теории всего получится исключить время из уравнений или заменить его чем-то другим, но даже в таком случае предыдущие теории останутся актуальными в своих пределах точности, и время из научной картины мира никуда не денется. В этом смысле вполне можно принять стандартные определения времени, например: «время – мера протекания физических процессов, изменения состояния и длительности существования физических объектов» или «время — это компонент измерительной системы, используемый для определения порядка следования событий, для сравнения продолжительности событий и интервалов между ними, а также для количественного описания движения объектов».
Но боюсь, что скептиков такой ответ не удовлетворит, поэтому придётся доказывать объективность времени иными путями. Время – комплексное и многогранное явление, поэтому отрицать его или рассматривать лишь один из аспектов будет ошибкой. Я не буду подвергать сомнению каждое из упомянутых выше утверждений, а вместо этого покажу, что время – гораздо более широкое понятие, которое нельзя сводить к одному лишь субъективному восприятию. Можно выделить ещё как минимум шесть аспектов этого явления, объясняющих его с разных сторон.
1. Время как мера продолжительности циклов
В самом обыденном и практическом значении этого слова временем называется длительность каких-то процессов или промежутки между какими-то событиями. Для измерения времени используются часы, которые отсчитывают продолжительность солнечных циклов. Наши единицы измерения времени связаны с периодами обращения Земли вокруг Солнца (год) и вокруг своей оси (сутки). В системе СИ время измеряется в секундах. Секунду можно определить как 1/86400 солнечных суток, то есть времени, за которое Земля совершает полный оборот вокруг своей оси. Но это определение недостаточно точное, поскольку вращение Земли то немного ускоряется, то замедляется. Можно привязать секунду к универсальной константе – скорости света – и сказать, что это время, за которое фотон в вакууме преодолевает расстояние в 299492 км. Но тогда нужно с точностью установить длину метра, что сделать ещё сложнее. Поэтому сегодня самые точные часы привязаны не к солнечным циклам, а к периодическим квантовым процессам. По определению Международного комитета мер и весов, секунда – это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, находящегося в покое при 0 К.
2. Время как неодновременность событий
До начала XX века учёные считали, что время абсолютно и непрерывно, идёт с одинаковой скоростью в любой точке пространства и не зависит ни от каких физических процессов.
«Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно, и иначе называется длительностью… Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может» (Исаак Ньютон)
Это было настолько очевидным, что даже не обсуждалось. Где бы вы не находились, продолжительность часа для вас будет одинаковой. А если вы сверяете часы с каким-нибудь эталоном и замечаете, что они отстают или спешат, то проблема скорее в неисправности часов, чем в замедлении или ускорении времени. Но что, если при определённых условиях ход времени в разных точках пространства может не совпадать?
В 1905 г. произошла научная революция, полностью изменившая устоявшиеся представления о времени и пространстве. В престижном научном журнале «Анналы физики» была опубликована статья с непримечательным названием «К электродинамике движущихся тел», написанная никому неизвестным патентным клерком из Берна (Швейцария). Этим клерком был Альберт Эйнштейн, а свою теорию он впоследствии назвал Специальной теорией относительности (СТО), в противоположность Общей теории относительности (ОТО), которую он разработал 10 лет спустя. Кроме Эйнштейна, у истоков релятивистской физики стояли Герман Минковский, Джордж Фицджеральд, Хендрик Лоренц и Анри Пуанкаре. Хотя принцип относительности, согласно которому законы физики должны быть одинаковыми для всех наблюдателей независимо от используемой системы отсчета, был сформулирован ещё Галилео Галилеем, Эйнштейн дополнил его постулатом о постоянстве скорости света во всех системах отсчёта и, как следствие, отсутствии гипотетической среды-носителя электромагнитных волн – эфира. Это было единственное разумное объяснение эмпирического факта, установленного в 1892 г. экспериментом Майкельсона-Морли, а также многочисленных несостыковок в классической физике, накопившихся к началу XX века. Теория относительности настолько сложная, неожиданная и контринтуитивная, что у неё до сих пор находится немало критиков. К счастью, все её предсказания неоднократно подтверждались, и сегодня её опровергать берутся только псевдоучёные и конспирологи.
Специальная теория относительности описывает только инерциальные системы отсчёта, т.е. прямолинейное равномерное движение без учёта гравитации. Вот основные странности, постулируемые или следующие из постулатов СТО:
-
Относительность одновременности. Каждая материальная точка (например, элементарная частица) имеет собственное время, не совпадающее с собственным временем других материальных точек. «События, одновременные в одной системе отсчёта, могут быть неодновременными в другой системе отсчёта, которая движется относительно первой». Каждый наблюдатель имеет своё собственное представление о расстояниях между объектами, продолжительности и порядке событий.
-
Относительность движения. Грубо говоря, утверждения «поезд остановился у перрона» и «перрон остановился у поезда» одинаково верные, каждое в своей системе отсчёта. Если объект находится в пустом пространстве и его движение не с чем соотнести, это равнозначно отсутствию движения. «Никакими физическими экспериментами нельзя установить, движется ли система отсчёта равномерно и прямолинейно или покоится». Все системы отсчёта полностью равноправны, нет какой-либо выделенной системы отсчёта.
-
Относительность скорости. Да, скорость тоже зависит от системы отсчёта. Например, вы едете на автомобиле где-то в районе экватора. Относительно автомобиля ваша скорость равна 0 км/ч, относительно дороги – 60 км/ч, относительно земной оси вы вращаетесь со скоростью 1670 км/ч, относительно Солнца — со скоростью 108000 км/ч, относительно центра галактики Млечный Путь – со скоростью 220-240 км/ч, относительно реликтового излучения — со скоростью 1500000 км/ч.
-
Скорость света в вакууме (299492 км/с) – универсальная постоянная, которая не зависит от системы отсчёта. «Свет в пустоте всегда распространяется с определённой скоростью c, не зависящей от движения излучающего тела». Если источник света находится от вас на расстоянии 300 тыс. км, совершенно не важно, движетесь вы ему навстречу, убегаете от него со скоростью 299000 км/с или стоите на месте – луч света всё равно настигнет вас ровно через секунду. Однако продолжительность этой секунды для вас и для внешнего наблюдателя будет разной. В среде скорость света всегда меньше, но не потому, что фотоны «тормозят», а из-за того, что они поглощаются и переизлучаются частицами вещества. Скорость света также можно назвать предельной скоростью причинности, взаимодействия или обмена информацией.
Точка зрения относительна -
Релятивистское замедление времени. Если объект движется относительно вас, вы будете наблюдать, как его энергия увеличивается, длина – сокращается, а время – замедляется. Но всё это видно только вам. Для самого объекта время идёт своим ходом, зато вы с его точки зрения замедляетесь. Если этим объектом являются часы, то при их возвращении в вашу систему координат вы увидите, что они отстают от ваших. То есть для движущихся объектов время действительно идёт медленнее относительно неподвижных. Правда, деформация объекта и замедление времени заметны только при движении с околосветовой скоростью, в остальных случаях ими можно пренебречь. Следует отметить, что релятивистское замедление времени не имеет ничего общего с субъективным ускорением и замедлением времени. Первое заметно только внешнему наблюдателю на околосветовых скоростях, но никак не ощущается в сознании движущегося субъекта. Второе обусловлено исключительно скоростью обработки информации мозгом (например, под действием психоактивных веществ), но не может быть выявлено сторонним наблюдателем.
-
Остановка времени. Находясь в покое в одной и той же точке пространства, вы двигаетесь во времени с максимальной скоростью. Чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее вы двигаетесь во времени, и тем короче кажутся вам расстояния в пространстве в направлении движения. Если вы перемещаетесь со скоростью света, ваше время с точки зрения стороннего наблюдателя останавливается. Для фотона время всегда равно нулю, то есть в его системе отсчёта вся история Вселенной укладывается в одно вечное мгновение.
-
В силу принципа эквивалентности энергии и массы, выраженного знаменитой формулой E=mc2, движение со скоростью света возможно только при условии отсутствия у объекта массы. В частности, со скоростью света движутся безмассовые частицы света – фотоны. Чтобы разогнать до такой скорости любой массивный объект, потребуется бесконечная энергия. Превысить скорость света в вакууме невозможно, за исключением случая, когда вы пересекаете горизонт событий чёрной дыры. Однако можно превысить фазовую скорость света в среде, как это делают электроны в ядерных реакторах, порождающие излучение Вавилова-Черенкова.
Одну из первых попыток изложить СТО общедоступным языком предпринял математик Бертран Расселл в книге «Азбука относительности». Для наглядности он предлагает читателю представить поезд длиной 100 м, двигающийся со скоростью 60% от скорости света. Человеку, стоящему на платформе, будет казаться, что длина поезда 80 м, и всё внутри него тоже сжато. Движения пассажиров показались бы ему замедленными, их голоса – растянутыми, а висящие в вагоне часы шли бы на 4/5 своей обычной скорости. Но сами пассажиры поезда ничего подобного не ощущали бы, зато для них люди на платформе выглядели бы сплющенными и медлительными. Получается, что скорость движения во времени и пространственные размеры определяются вашим положением относительно движущегося предмета.
Итак, время в СТО имеет особые свойства: оно может растягиваться, сжиматься, останавливаться и, теоретически, даже поворачивать вспять. Это значит, что его можно рассматривать как четвёртое измерение единого пространства-времени. Представить себе четырёхмерный пространственно-временной континуум довольно трудно, поскольку наш мозг не способен мыслить в четырёх измерениях. Но различия в восприятии пространственных и временных направлений – это свойство сознания, а не физической реальности. Так что нам придётся выйти за рамки привычных представлений и научиться проводить мысленные эксперименты. От вида релятивистских уравнений гуманитарию обычно становится тошно, но это не значит, что теорию относительности невозможно понять без знания математики. В отличие от квантовой механики, это геометрическая теория, и визуализировать её относительно просто. Относительно.
3. Время как четвёртое измерение
Спутниковый навигатор определяет ваше местоположение при помощи двух пространственных координат: широты (положение по оси, направленной с запада на восток) и долготы (положение по оси, направленной с севера на юг). Также вы можете указать третью координату, по оси вверх-вниз – например, высоту над уровнем моря. Если вы находитесь в конкретной точке пространства с координатами x, y, z, никто другой не может иметь такие же координаты в тот же самый момент времени. И наоборот, никто не может находиться в нескольких местах одновременно. Значит, полный набор ваших координат можно указать следующим образом: 48°51’29” северной широты, 2°17’40” восточной долготы, 300 м над поверхностью Земли, 22.02.2022 в 20:22 по местному времени. А если вы движетесь с постоянной скоростью, пройденное вами расстояние можно измерить в единицах времени (например, до города 20 минут пешком, до звезды 10 световых лет). Всё это свидетельствует о том, что пространство и время неразрывно связаны и могут быть описаны одной метрикой. Такую метрику разработал в 1907 г. Герман Минковский. Изучив СТО Эйнштейна, он показал, что математически время ведёт себя так же, как пространство, если не брать в расчёт константу c (скорость света) и мнимую единицу i (√-1).
В геометрии Минковского время является четвёртым измерением, наряду с длиной, шириной и высотой. Вместо расстояния в пространстве и продолжительности во времени правильно говорить об интервале в пространстве-времени. Траектория, пройденная объектом в пространстве с течением времени, называется его мировой линией. Это история объекта, т.е. весь набор позиций, которые он когда-либо занимал в мире, отмеченных определёнными моментами времени. Для наглядности возьмём двумерное пространство – лист бумаги, и отметим на нём точку – событие. Назовём третье измерение временем, и сложим множество листов бумаги в стопку. Каждый лист в ней – определённый момент времени, в котором точка занимает определённое место в пространстве. Соединив все точки одной нитью, мы получим мировую линию объекта. Если взять четырёхмерное пространство-время и изобразить его на плоскости, каждую точку (событие) будут окружать световые конусы – траектории, по которым свет сходится к этой точке в прошлом и расходится от неё в будущее. Мировые линии, проходящие внутри световых конусов, называются времениподобными, а проходящие вне световых конусов – пространственноподобными. Нетрудно догадаться, что в реальности пространственноподобные траектории невозможны, потому что для движения по ним нужно превысить скорость света.
В 1915 г. Эйнштейн обобщил постулаты СТО на неинерциальные системы отсчёта, в которых действует гравитация, и создал Общую теорию относительности (ОТО). Он отказался от ньютоновского понимания гравитации как мгновенного дальнодействия невидимой вездесущей силы, и принял за аксиому, что сила тяготения распространяется со скоростью света. Из этого следовала самая важная идея ОТО: масса искривляет пространство-время, подобно тому, как металлический шарик прогибает своим весом резиновый батут. Для описания такого батута «плоские» геометрии Евклида и Минковского уже не подходят, нужны «вогнутые» и «выпуклые» геометрии Лобачевского и Римана, где сумма углов треугольника может быть больше или меньше 180°, а параллельные прямые могут пересекаться. Как резюмировал ОТО Джон Уилер, «пространство-время указывает материи, как двигаться, а материя указывает пространству-времени, как искривляться».
Чаще всего пространство-время изображают в виде чего-то плоского, но мягкого – например, матраца или листа резины. Когда на него бросают тяжёлый железный шар, материал прогибается и слегка растягивается. Образуется что-то вроде вмятины или гравитационного колодца, создаваемого в пространстве-времени такими массивными объектами, как Солнце. Затем по листу пускают шарик поменьше, и он, приближаясь к большому шару, катится вниз и «притягивается» к нему, вместо того, чтобы двигаться по прямой, как предсказывают законы Ньютона. Данный пример хорошо иллюстрирует, что гравитация – это, по словам Митио Каку, «не «сила», а побочный продукт искривления пространства-времени… в некотором смысле, гравитации не существует; что движет планетами и звездами, так это искривление пространства и времени». Поэтому Деннис Овербай назвал Вселенную «бесконечно проминающимся матрацем». Объекты не притягивают друг друга, подобно противоположным электрическим зарядам – они просто движутся по прямым, которые искривлены под влиянием массы. Это можно сравнить с движением по меридианам на поверхности Земли: два человека, начинающие путь по параллельным прямым на экваторе, в итоге встретятся на полюсе. Но в искривлённом пространстве-времени длина отрезка меньше, чем в плоском, а значит, в условиях гравитации время идёт быстрее. Чтобы было понятно, о чём идёт речь, приведём ещё один пример.
Путешествуя по земному шару, мы переводим стрелки часов в зависимости от часового пояса. Когда нужно связаться с человеком, живущим на другом полушарии, достаточно просто согласовать время. Мы привыкли, что время везде идёт с одной скоростью, и продолжительность часа повсюду одинаковая. С точки зрения СТО это обусловлено тем, что все мы находимся в одной системе отсчёта (на поверхности Земли) и не движемся друг относительно друга с околосветовыми скоростями. Но есть ещё один важный фактор – равная удалённость всех точек поверхности Земли от её центра. Сила гравитации практически не отличается, где бы вы не находились: на Северном полюсе или на экваторе, на горе Эверест или в Марианской впадине. Совсем другое дело – на земной орбите. Например, GPS-спутник движется относительно поверхности Земли со скоростью 7-8 км/с или порядка 14000 км/ч и находится почти в невесомости на высоте 20 тыс. км. Согласно СТО, бортовые атомные часы на спутниках запаздывают по сравнению с земными примерно на 7 мкс в день, а из-за эффектов ОТО часы спешат относительно земных на 45 мкс в день. По итогу день для спутника длится на 38 микросекунд дольше, чем для нас, живущих на Земле. Разница небольшая, но уже этого достаточно, чтобы возникла ошибка при определении местоположения на 10 км в день, поэтому навигационные спутники регулярно синхронизируют своё время с наземными часами. А для того, чтобы ощутимо замедлить время, нужно соблюсти одно из двух условий: разогнать объект почти до скорости света или поместить его в гравитационное поле экстремально тяжёлого компактного объекта – скажем, чёрной дыры.
Как видно из этого примера, действие гравитации во многом схоже с действием ускорения. Так проявляется один из главных постулатов ОТО – принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы, который Эйнштейн назвал своей «самой счастливой мыслью». «Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения». Если вы находитесь внутри изолированной системы, вы не сможете отличить силу тяжести от ускорения. Находясь в ракете, которая стоит на земле, и в ракете, которая движется в космическом пространстве с ускорением 9,8 м/с2, вы не почувствуете никакой разницы. Также вы не сможете определить, летит ваша ракета в космосе с постоянной скоростью или свободно падает на землю – и в том, и в другом случае вы окажетесь в невесомости. Правда, ускорение рано или поздно прекратится, например, при ударе о земную поверхность, а равномерное движение в пустоте может продолжаться вечно. Можно даже сказать, что свободно падающий на Землю предмет находится в состоянии покоя, а поверхность Земли ускоряется по направлению к нему. Стоять неподвижно на поверхности Земли означает постоянно сопротивляться свободному падению и испытывать ускорение, направленное вверх, как если бы мы находились на поверхности пузыря, раздувающегося с ускорением 9,8 м/с2. Кроме того, в космосе пространство-время искривлено меньше, чем на поверхности планеты, поэтому для жителей Земли время всегда будет идти медленнее, чем для космонавтов.
Теория относительности настолько контринтуитивна, что её до сих пор не могут или не желают понять сторонники гипотезы эфира и прочие антирелятивисты. Я не буду здесь разбирать все их аргументы и критиковать альтернативные теории гравитации: об этом есть достаточно материалов, подготовленных специалистами, которые разбираются в теме гораздо лучше меня. Упомяну лишь три необходимых и достаточных эксперимента, предложенных самим Эйнштейном для выявления разницы в предсказаниях между ОТО и ньютоновской физикой. Это измерение скорости прецессии орбиты Меркурия вокруг Солнца (дополнительно 43″ в столетие против 45±5″ в столетие), амплитуда изгиба светового луча от фоновой звезды, проходящей мимо Солнца (1,75″ на лимбе Солнца) и гравитационное красное смещение света для частицы, движущейся через гравитационный потенциал. Результаты всех трёх экспериментов не смогли опровергнуть ОТО, и эта теория до сих пор даёт удивительно точные предсказания в доступных нашим измерительным приборам пределах, несмотря на то, что она несовместима с квантовой теорией поля.
4. Время как универсальное направление протекания процессов
Ни специальная, ни общая теория относительности не решают проблему необратимости времени. Почему время идёт только вперёд и не может быть повёрнуто вспять? Очевидно, некоторые физические процессы гораздо охотнее проходят в одном направлении, чем в обратном. Вам не составит труда перемешать кофе с молоком, разбить яйцо или разбрызгать духи из флакона, но вы не сможете отделить кофе от молока, собрать яйцо из осколков или вернуть духи во флакон. Необратимые процессы всегда связаны с рассеянием энергии и материи, включая преобразование вещества в излучение. Необратимыми их делает второе начало термодинамики, согласно которому в изолированной системе энтропия возрастает или в лучшем случае остаётся постоянной. Статистическая механика объясняет смысл энтропии через математические вероятности в поведении атомов и молекул: у системы намного больше способов прийти в тепловое равновесие, чем оказаться в неравновесном состоянии с низкой энтропией. Но проблема в том, что законы движения в квантовой механике полностью обратимы, и для отдельной элементарной частицы нет разницы между движением вперёд во времени или назад. Поэтому вопрос о природе стрелы времени остаётся открытым. В следующих статьях мы выясним, где нужно искать её причины: в квантовой физике, в теории информации, или может быть в космологии?
5. Время как чередование отдельных мгновений
Как в ньютоновской, так и в релятивистской физике время – это континуум: каждому действительному числу может быть поставлен в соответствие момент времени, и каждому моменту времени может быть поставлено в соответствие действительное число. Следовательно, время непрерывно и делится на бесконечное количество бесконечно малых отрезков. Но здесь возникает проблема, на которую в V веке до н.э. обратил внимание древнегреческий философ Зенон Элейский в своих апориях, или парадоксах о движении. Он логически обосновывал невозможность движения, несмотря на его очевидность. В первой апории Ахиллес никогда не догонит черепаху, если даст ей хотя бы небольшую фору, потому что за время, которое он потратит на преодоление 100 м, черепаха проползёт 10 м, за следующие 10 м бега Ахиллеса она проползёт 1 м, и так далее до бесконечности. В апории «Дихотомия» («деление на два») движение никогда даже не начнётся, потому что для преодоления пути нужно сначала пройти его половину, а для её преодоления нужно пройти половину половины, и т.д. Наконец, в апории «Стрела» движение вообще не существует: летящая стрела неподвижна, потому что в каждый момент времени она покоится, а значит, она покоится всегда.
Парадоксы Зенона нельзя опровергнуть математическими или логическими рассуждениями, поскольку речь идёт о реальном физическом мире. Лучший аргумент в пользу возможности движения выдвинул Диоген, который вместо ответа стороннику Зенона просто стал перед ним ходить. Но практика не всегда является критерием истины, как я показал в статье «Реализм против эмпиризма», поэтому ни один эксперимент не имеет значения без объяснения соответствующей теорией. В первых двух апориях Зенон исходил из неявного предположения, что между любыми двумя разными точками в пространстве или времени всегда есть ещё одна точка, т.е. пространство и время непрерывны и бесконечно делимы. В апории «Стрела» время наоборот дискретно, т.е. состоит из отдельных конечных моментов. А что по этому поводу может сказать современная физика? Пространство-время непрерывно или дискретно?
С точки зрения квантовой физики аргументы Зенона бессмысленны, поскольку все материальные объекты состоят из элементарных частиц, которые движутся не так, как Ахиллес с черепахой. Они не перемещаются по прямым траекториям из точки А в точку В, а переходят из одного квантового состояния в другое, изменяя соотношение вероятностей координаты и импульса. Теоретически частица может переместиться на бесконечно малое расстояние, но на практике из-за принципа неопределённости Гейзенберга её нельзя дважды измерить на расстоянии, меньшем, чем её длина волны. А длина волны не может быть сколь угодно малой, иначе мы сталкиваемся с ультрафиолетовой катастрофой: вся энергия излучения смещается в высокочастотную область спектра, и достижение теплового равновесия становится невозможным. Следовательно, вещество и излучение нельзя делить на бесконечное количество частей. Но если материя имеет предел делимости, может тогда и время дискретно? Действительно, есть такой промежуток времени, быстрее которого ничего не может произойти. Это планковское время (5,39х10-44 с) – время, за которое фотон преодолевает со скоростью света расстояние, равное планковской длине. В свою очередь планковская длина – минимальная длина волны, при которой элементарная частица может существовать, не коллапсируя в чёрную дыру. Возможно, пространство-время состоит из таких конечных отрезков, как утверждается в некоторых теориях вроде петлевой квантовой гравитации. Подробнее я разберу этот вопрос в отдельной статье.
Здесь снова напрашивается аналогия с киноплёнкой: на ней все дискретные моменты времени существуют одновременно, но когда мы смотрим кино, оно кажется непрерывным из-за высокой частоты переключения между кадрами. При «взгляде из никогда» (по выражению Хью Прайса) время и в самом деле выглядит как чередование кадров – статичных изображений состояния Вселенной. На каждом следующем кадре запечатлены изменения, которые произошли с ней за планковское время. Если увеличить частоту смены кадров до бесконечности, всё прошлое, настоящее и будущее предстанут перед нами как на киноплёнке. Но охватить всё это в один миг способен только демон Лапласа – вымышленное существо с неограниченной памятью, обрабатывающее информацию с бесконечной скоростью. Человеческий разум так не может, поэтому дискретные мгновения для него сливаются в непрерывное кино. Каждый новый кадр он сравнивает с предыдущим, сохранённым в памяти, и воспринимает разницу как новизну. Получается, что время существует только в нашем сознании, и его скорость зависит от того, как быстро мы обрабатываем информацию. А в отсутствие наблюдателя времени нет – Вселенная пребывает в застывшем состоянии вечного мгновения.
Так значит, наука на стороне субъективных идеалистов?
Нет, потому что в нашей аналогии с киноплёнкой есть один подвох. Мы описали кадр как состояние Вселенной в целом. Тогда в момент смены кадров Вселенная должна «тухнуть», а затем снова «загораться», и вся её история во времени будет состоять из таких миганий. Это вполне возможно для отдельной элементарной частицы, которая появляется в одной точке измерения, исчезает в суперпозиции, появляется в другой точке и т.д. Но все частицы во Вселенной не могут мигать синхронно. Во-первых, потому что взаимодействия между ними ограничены скоростью света, и, согласно СТО, понятие одновременности не имеет смысла, особенно на масштабах Вселенной. Во-вторых, потому что им мешает квантово-механическая декогеренция, о которой я писал в статье о квантовой телепортации. Декогеренция – это и есть отсутствие когерентности (согласованности) состояний элементарных частиц. Поэтому можно не бояться, что Вселенная однажды «потухнет» и уже не загорится.
6. Время как процесс обработки информации
А теперь можете забыть всё, что я писал о времени с точки зрения СТО и ОТО. В современных теориях квантовой гравитации пространство-время не только дискретно, но и эмерджентно, то есть производно от чего-то более фундаментального. Это не сцена, на фоне которой происходит движение и взаимодействие частиц, а скорее четырёхмерная структура, состоящая из невидимых нитей квантовой запутанности. Такая модель позволяет отказаться от геометрии ОТО и заменить расстояния в пространстве и во времени количеством нелокальных связей между объектами. В 1965 г. физики Джон Уилер из Принстона и Брайс ДеВитт из Университета Северной Каролины вывели знаменитое уравнение, которое стало первым шагом в объединении общей теории относительности и квантовой механики. В уравнении Уилера-ДеВитта отсутствует временная переменная, а вся динамика выводится из квантовой запутанности. Согласно этому подходу, Вселенную можно представить как единый квантовый компьютер, последовательно обрабатывающий информацию, которую несут в себе как «реальные» частицы материи, так и «виртуальные» частицы вакуума. Тогда время – это не что иное, как процесс вычисления Вселенной самой себя.
«Времени никогда не было, нет и никогда не будет. Оно только в наших головах и уравнениях, которые мы используем каждый день. Во Вселенной процессы не обязаны подчиняться какой-то периодичности и интервалам. Нам неизвестны явления способные описать время» (Джон Уилер)
Может философы и эзотерики, утверждающие, что времени нет, не так далеки от истины?
Если уже проводить параллели с восточной философией, то современные теории времени имеют много общего с буддийским учением о мгновенности всего сущего – кшаникавадой. Согласно кшаникаваде, материальный мир не имеет длительности, он вспыхивает на один миг (кшану) и сразу же гибнет. Эти вспышки настолько частые, что сознание воспринимает их последовательно, как кино, не замечая отдельных кадров на подвижной киноплёнке, поскольку различия между двумя соседними кадрами незначительны. В реальности не существует ни материального мира, ни времени, ни субстанциональной бессмертной души – атмана. Человек, как и всё живое, состоит из неделимых психофизических элементов – дхарм. В каждую новую кшану набор дхарм уже другой, но они связаны в единый поток причинно-следственным законом – кармой. При переходе из предыдущей кшаны в следующую кармический импульс (самскар) определяет новое соотношение дхарм, подобно тому, как бильярдный кий передаёт энергию и траекторию движения одному шару, а тот – другому.
Похоже на описанную выше модель вычислительной Вселенной, не правда ли? Времени как длительности событий нет, но есть отдельные моменты, соединённые причинно-следственными связями. Вместо закона кармы в мире действует квантовая запутанность, а дхармы – это кубиты квантовой информации. Перетасовка дхарм напоминает смену соотношения вероятностей при переходе квантовой системы из одного состояния в другое. А иллюзия непрерывности движения – действительно продукт нашего разума.
Вывод
Думаю, в заключение вам хотелось бы узнать, какой же из перечисленных в этой статье подходов лучше других объясняет, что такое время. Но здесь я затронул только верхушку айсберга, т.е. далеко не все подходы и далеко не всё, что можно рассказать о времени. Любая теория имеет шанс перейти из области чистой философии в сферу науки, только если она обладает хоть какой-то предсказательной силой. Тогда главный вопрос, на который нужно ответить: происходящие во времени события случайны или детерминированы? Можно ли, имея в распоряжении достаточно вычислительной мощности и обладая всей информацией о состоянии системы в настоящем, в точности предсказать её будущее на длительное время? От этого зависит исход спора между презентистами и этерналистами, поскольку будущее может существовать наравне с настоящим лишь при условии, что оно предопределено. Чтобы получить однозначный ответ, нам придётся затронуть целый ряд научных дисциплин: статистическую механику, квантовую информатику, термодинамику чёрных дыр, теорию струн, синергетику, теорию информации и др. Но поверьте: оно того стоит. В следующих статьях я объясню, что такое энтропия, задаёт ли она направление стрелы времени и что такое время с точки зрения многомировой интерпретации квантовой механики.
