Интервью с Дэвидом Уоллесом: вся правда о стреле времени

Стрела времени, задающая фундаментальную асимметрию между прошлым и будущим, — это захватывающий концепт, объединяющий привычный опыт (память, старение, причинно-следственные связи) с фундаментальными законами физики и метафизикой. В основе этого явления лежит непрерывное возрастание энтропии, которое, в конечном счете, уходит корнями в уникальные начальные условия ранней Вселенной. Дэвид Уоллес — признанный светило мировой философии физики, чьи интересы охватывают пространство, время и квантовую механику. Мы обсуждаем, каким образом рост энтропии порождает стрелу времени и какие параметры ранней Вселенной сделали это возможным. Разумеется, эта дискуссия неизбежно выводит нас на концептуальные особенности многомировой (эвереттовской) интерпретации квантовой теории.

Дэвид Уоллес защитил докторские диссертации как по физике, так и по философии в Оксфордском университете. На сегодняшний день он является профессором философии науки имени У. А. Меллона на кафедрах философии, истории и философии науки Питтсбургского университета. Он написал фундаментальный труд «Возникающий мультивёрс: квантовая теория согласно эвереттовской интерпретации» (The Emergent Multiverse: Quantum Theory According to the Everett Interpretation). Среди его заслуг — престижная премия Лакатоса за выдающийся вклад в философию науки, а его последняя работа называется «Философия физики: очень краткое введение» (Philosophy of Physics: A Very Short Introduction).

Введение

Всем привет! Добро пожаловать в подкаст Mindscape. Я ваш бессменный ведущий, Шон Кэрролл. Время неумолимо движется вперед для каждого из нас, верно? Я веду этот подкаст уже более трех лет. Я помню практически каждый выпущенный эпизод. Точнее, я помню все они, но ни одного из тех, что еще только предстоят. В нашей памяти заложена четкая асимметрия между уже записанными программами прошлого и будущими релизами — и дело вовсе не в том, что их не существует в перспективе, а в особом устройстве нашей Вселенной. Стрела времени, направленная из прошлого в будущее, и формирует эту неравнозначность. Это одна из моих любимых тем для размышлений на стыке физики и философии, и просто поразительно, что мы до сих пор подробно не разбирали ее здесь, в подкасте.

Мы уже затрагивали тему времени — его психологические и нейробиологические аспекты — с Дином Буономано, однако физику и философию стрелы времени, которым я посвятил свою дебютную научно-популярную книгу «Из вечности сюда» (From Eternity to Here), мы еще не обсуждали. Не менее удивительно, что Дэвид Уоллес до сих пор не заглядывал к нам на огонек. Сегодня Дэвид — один из ведущих философов физики планеты. Третий сюрприз заключается в том, что, даже заполучив Дэвида в гостях, мы не станем слишком глубоко увязать в многомировой интерпретации квантовой механики. Дэвид прославился прежде всего как человек, наиболее тщательно и глубоко проработавший механику работы эвереттовского подхода в реальном мире, и я горячо рекомендую его книгу «Возникающий мультивёрс» всем, кто хочет погрузиться в детали.

Тем не менее, кругозор Дэвида в физике и философии чрезвычайно широк, и он глубоко размышлял над природой энтропии, стрелы времени и космологических начальных условий. Именно об этом мы сегодня и поговорим: о том, как все эти элементы сплетаются воедино при условии предельно строгого, философского анализа базовых предпосылок. Общаясь с самыми разными людьми, я понял, что стрела времени дается для осмысления с огромным трудом, поскольку интуитивное ощущение перетекания прошлого в будущее вшито в саму нашу когнитивную матрицу. Чертовски трудно удержать в сознании мысль, что это феномен, требующий жесткого объяснения без каких-либо логических уловок [смеется], но Дэвид справляется с этой задачей блестяще.

И знаете что? Ближе к концу беседы мы все же вернемся к эвереттовскому многомировью в контексте стрелы времени. Вселенная ветвится вперед во времени, порождая множество собственных копий, а не назад. Уверен, нас ждет классический эпизод Mindscape, который придется вам по душе. Итак, поехали!

От физики к философии науки

Ведущий: Дэвид Уоллес, добро пожаловать в подкаст Mindscape.

Дэвид Уоллес: Чрезвычайно рад быть здесь.

Ведущий: Знаете, у нас уже бывали философы — в частности, философы науки, а также те, кто начинал как физики, а затем переквалифицировался в философов, например наш общий друг Дэвид Альберт. Прежде чем мы углубимся в тему, мне было бы любопытно задать короткий вопрос о самом этом переходе. Что заставляет человека в определенный момент решить: «Я буду физиком», а в другой — «Я обрету гораздо большее счастье в философии»?

Дэвид Уоллес: Думаю, немало людей приходят в физику, а затем постепенно осознают, что более концептуальный, философский подход к исследованию реальности увлекает их сильнее, и сознательно смещают фокус. Я не совсем из их числа. Я по-прежнему хочу заниматься физикой и в значительной степени чувствую, что именно этим и продолжаю заниматься [смеется]. Моя работа междисциплинарна, однако довольно прозаическое устройство британских и американских университетов таково, что сохранение позиции на чисто физическом факультете при сохранении моих интересов было бы не самым прагматичным карьерным шагом.

Ведущий: Понимаю. Да.

Дэвид Уоллес: Завершив докторскую по физике, я обнаружил у себя широкий спектр исследовательских интересов на стыке фундаментальных оснований: квантовая теория поля, эвереттовская интерпретация. Стало очевидно, что получить постдок-позицию по этому профилю труда не составит — все на словах обожают междисциплинарность, — но когда дело дошло до поисков позиций с перспективой постоянного контракта, открытые двери практически исчезли.

Ведущий: Логично.

Дэвид Уоллес: Так что это был во многом прагматичный карьерный маневр. Я ни в коем случае не хочу умалять достоинств академической философии или утверждать, будто после погружения в нее у меня не осталось интересов на стороне — они есть. Но в сухом остатке всё сводилось к простому вопросу: я хочу заниматься конкретной физикой — где и как я могу это делать?

Ведущий: На мой взгляд, это яркий диагноз порочности академической системы — по крайней мере, в британском и американском академическом поле, где дисциплинарные границы возведены столь жестко, что непрерывного спектра между науками попросту нет. Вы вынуждены выбирать: либо вы философ, либо физик, потому что вам нужно платить по счетам. Вам нужна работа. И это колоссальным образом влияет на выбор тем и траекторий.

Дэвид Уоллес: Совершенно верно. Люди принципиально за междисциплинарность, но когда заходит речь о постоянных ставках и учебных часах, система начинает сопротивляться. И это действительно серьезный вызов. Одна из причин, почему фундаментальной философией трудно заниматься на физическом факультете, заключается в сложности оценки результатов. Провел эксперимент — получил предсказанный результат. Сделал расчет — его можно верифицировать. С эмпирикой всё прозрачно. В фундаментальных изысканиях это работает иначе. И, как мы оба знаем, на этих территориях порой расцветает откровенно слабая работа, которую жесткие фильтры не отсеивают.

Поэтому я считаю это изъяном системы, хотя исправить его невероятно трудно. Пожалуй, философия физики успешна именно потому, что философское сообщество лучше умеет оценивать качество концептуально ориентированных исследований.

Ведущий: Абсолютно здравая мысль, подводящая нас к главному предмету нашего разговора. Забавно: хотя со студенческих лет я интересовался философией, меня привлекали моральная и политическая ее ветви. Курсы философии науки, которые мне доводилось посещать, крутились вокруг выбора теорий, социологии научного сообщества и прочего — это важно, но не находило отклика в моей душе. Лишь когда я состоялся как космолог и начал размышлять о ранней Вселенной, я познакомился с философами нового толка — теми самыми, кто вышел из физики. Такими людьми, как Хью Прайс, Дэвид Альберт, Тим Болдуин и вы, пытающимися разобраться в глубинной архитектуре реальности.

Именно проблема стрелы времени пробудила мой подлинный интерес к основаниям. Поэтому, прежде чем коснуться эвереттовской интерпретации, я хотел бы начать именно с нее.

Дэвид Уоллес: Отлично, давайте.

Стрела времени и обратимость

Ведущий: Термин «стрела времени» знаком каждому, однако создается ощущение, что их существует множество. Какова ваша позиция? Она одна или их много? Что это такое и как вы их определяете?

Дэвид Уоллес: Я бы предложил оттолкнуться от разделения процессов на те, чье направление безразлично уравнениям, и те, для которых оно принципиально. Если мы обратимся к системам с малым количеством степеней свободы, физическим законам глубоко плевать, крутим мы их кинопленку вперед или назад. Если ускорить видеозапись движения Солнечной системы и спросить вас, идет ли время в привычную сторону, вы, конечно, догадаетесь по восходу Солнца на востоке, но сама динамика Солнечной системы к этому индифферентна. Именно поэтому затмения будущего мы рассчитываем по тем же математическим лекалам, что и затмения эпохи Фукидида.

Однако макропроцессы с огромным числом элементов ведут себя совершенно иначе. Покажи я вам таймлапс таяния кубика льда в воде, кадры собственного старения за последнее десятилетие или сцену разрушения здания — направление времени считывается мгновенно. Большинство процессов в мире демонстрируют яркую асимметрию, но ведь макрообъекты состоят из микрочастиц! И здесь кроется озадачивающий, почти парадоксальный момент: макроскопические явления сугубо асимметричны во времени, хотя строятся из микропроцессов, лишенных какого-либо намека на это различие.

Ведущий: Вы склонны жестко классифицировать различные стрелы времени или рассматриваете их как проявления единого глубинного феномена?

Дэвид Уоллес: Я довольно скептически настроен к дроблению стрел. Когда говорят о термодинамической, статистической, космологической стрелах или стреле памяти, само это деление имплицитно навязывает структурированность, которой в реальности может не быть. Я не считаю аксиомой, что асимметрия человеческой памяти проистекает из тех же корней, что и таяние льда вместо его самопроизвольного замерзания. Раскладывая всё по отдельным полочкам, мы преждевременно воображаем, будто понимаем границы этих явлений, хотя это иллюзия.

Проверить логическую независимость явлений можно лишь попытавшись «отключить» одно при сохранении другого, оценив жизнеспособность конструкции. Если вы попробуете мысленно смоделировать Вселенную, где инвертировано направление нашей памяти или распространения излучения, но при этом лед продолжает таять, а не замерзать, вы очень быстро столкнетесь с невообразимым абсурдом.

Ведущий: Иными словами, формулируя сильный тезис, который мы разберем позже: вы утверждаете, что за всеми этими проявлениями — будь то необратимость таяния льда или асимметрия нашей памяти — стоит некий единый базовый фактор?

Дэвид Уоллес: Полагаю, да, но сформулирую осторожнее. Если между этими феноменами есть связь, то познавательная асимметрия человека вторична по отношению к физической асимметрии, а не наоборот. Следовательно, мы обязаны уметь объяснить стрелу времени в физике, не апеллируя к особенностям человеческого разума. И если мы преуспеем в этом, то, будучи физическими системами по своей природе, люди продемонстрируют те же асимметрии как частный случай. Нам нужно разобраться с физической стороной вопроса, не запутываясь предварительно в дебрях собственной субъектности.

Ведущий: То есть в основе лежит последовательный физикализм? Мы не наделяем человеческое сознание метафизическими привилегиями сверх того факта, что оно соткано из материи; следовательно, познавательные асимметрии вытекают из асимметрий материального мира.

Дэвид Уоллес: Абсолютно верно. Это фундаментальная посылка, которую я даже не пытаюсь защищать ввиду ее базового характера. Ее можно назвать «динамикой на первом месте». Суть подхода в том, что мы выстраиваем науку на основе независимой от нас динамики; наше взаимодействие с ней важно для верификации теорий и самопознания, но фундаментальная физика постижима сама по себе, без привлечения агента.

Существует и противоположная традиция, гласящая, что теории обретают смысл лишь через практикующих их теоретиков, а роль наблюдателя неэлиминируема. Сторонники этого взгляда считают, что физическую асимметрию времени невозможно постичь без анализа асимметрии доступа агента к системам. Что ж, среди приверженцев этого подхода есть умнейшие люди, и иногда он дает плоды. Но в какой-то момент бесконечно ходить по кругу, пытаясь переубедить оппонента с диаметрально противоположными исходными установками, становится нецелесообразно. Продуктивнее двигаться в рамках собственного проекта и судить о нем по результатам.

Ведущий: Верно. Добейся успеха — и истина окажется на твоей стороне.

Дэвид Уоллес: Именно так.

Ведущий: Вы справедливо отметили, что наивное признание асимметрии макросистем кажется несовместимым с обратимостью микроскопических законов. Прежде чем объяснять причины, насколько хорошо вам известна история вопроса? Кто первым осознал масштаб этой загадки? [улыбается]

Дэвид Уоллес: Пожалуй, мне следовало бы знать это лучше. Многие философы физики досконально изучили историю науки, я же опираюсь на знания коллег. В конце XIX века, когда Людвиг Больцман бился над построением механической теории газов, эти идеи витали в воздухе, рождая колоссальную путаницу. Больцман попытался дать чисто механическое обоснование расширения газов и их стремления к равновесию — к устойчивому распределению определенного типа.

Если читать его работы буквально, он сначала написал статью, где пытался опровергнуть неизбежность этого механически, после чего Цермело и Лошмидт указали ему на логический тупик:

[смех]

«Вы стартовали с обратимых во времени уравнений, заложили обратимые посылки и на выходе получили феномен, различающий прошлое и будущее. Так не бывает. Более того, вы исходили из законов, предписывающих системе возвращаться в исходное состояние, а вывели, что система приходит в некое состояние и остается в нем навсегда. Противоречие».

[улыбается]

Ведущий: Справедливо.

Дэвид Уоллес: Полагаю, на заре статистической механики при первых попытках осмыслить проблему люди мгновенно нащупали этот узел. Вряд ли это произошло намного раньше Больцмана, поскольку для постановки проблемы требовалось детальное понимание того, как макрообъекты складываются из микрочастиц. Ньютон симпатизировал атомистической идее, но тогдашний уровень был настолько зачаточным, что никто всерьез не просчитывал возникающие парадоксы.

Ведущий: Причина, почему я интересуюсь этим, кроется в моем собственном непонимании исторических мотивов. Второй закон термодинамики, утверждающий неуклонный рост энтропии, появился до Больцмана — он был сформулирован феноменологически. Больцман же объяснил его через столкновения атомов.

Дэвид Уоллес: Да.

Ведущий: Но ведь законы Ньютона были всеобщим достоянием! Когда Карно, Клаузиус и другие формулировали второй закон, наотмашь отвергавший обратимость во времени, о чем они думали? Считали ли они термодинамические законы автономными сущностями наряду с ньютоновской механикой или надеялись с самого начала вывести их из ньютоновской динамики?

Дэвид Уоллес: Кажущееся противоречие не возникает до тех пор, пока вы не придерживаетесь редукционистской картины мира. Если вы убеждены, что законы Ньютона универсальны для всего, конфликт бьет в глаза. Но если вы полагаете, что ньютоновская механика безупречна для планет и пушечных ядер, но неприменима к живым организмам или паровым машинам, вас это ни капли не тревожит. Мир видится плюралистичным, а связи между его частями еще не найдены. Вы спокойно миритесь с тем, что микромеханика симметрична во времени, а термодинамика паровых котлов — нет.

Оглядываясь назад, нам кажется, что синтез этих областей был неизбежен, но в начале XX века идея о несводимости живой ткани к неживой материи и наличии у них принципиально разных фундаментальных законов казалась ученым вполне респектабельной.

Ведущий: Безусловно.

Дэвид Уоллес: Она страдала некоторой нехваткой воображения, но квантовой механики они еще не знали. Осознание того, что мир глубоко едина субстанция, поддающаяся редукции, — величайшее достижение науки XX века. Не стоит ретроспективно проецировать это достижение на XIX век как нечто само собой разумеющееся. Напряжение между механиками и термодинамикой начало нарастать лишь тогда, когда Больцман и Максвелл создали рабочий мост между ними, показав их прямую сцепку.

Ведущий: В этом рассуждении колоссальный смысл, и оно возвышает масштаб прорыва Максвелла, Больцмана и их сподвижников. Речь не просто об утверждении статистической механики, а о триумфе редукционизма и единства науки. Мысль о том, что люди состоят из тех же атомов и подчиняются тем же законам, — фундаментальный скачок.

Дэвид Уоллес: Именно.

Больцман, вероятность и энтропия

Ведущий: Это подводит нас к концепции Больцмана. В чем заключалось его озарение касательно энтропии, беспорядка и времени?

Дэвид Уоллес: Опять же, отвлекаясь от исторических демиургов…

Ведущий: Верно, детали истории второстепенны.

Дэвид Уоллес: Они пришли к выводу, что вывести асимметрию (например, расширение газов) из чистой механики нельзя — требуется дополнительный поступок мысли, введение концепции вероятности. Мысль сводилась к тому, что газ не обязан расширяться с железной необходимостью, но это чудовищно вероятно.

Вероятность подкреплялась комбинаторикой: сколькими способами можно расположить микрочастицы газа? Львиная доля возможных состояний — это состояния, где газ заполняет весь объем. Подход хромает из-за бесконечного числа микросостояний, но интуитивный каркас был заложен: вероятность должна разрешить парадокс. Забавно, что этот подход — обход парадокса через введение вероятности — до сих пор кочует по университетским учебникам статистической механики, где первая лекция посвящена философии, а последующие пятнадцать — вычислению статсумм.

Однако, отстранившись на секунду, мы поймем: сама по себе вероятность не уничтожает временну́ю обратимость. Если вы утверждаете, что в будущем газ с подавляющей вероятностью заполнит сосуд, но отказываетесь признать его столь же вероятное пребывание в заполненном состоянии в прошлом, вы контрабандой нарушили симметрию времени. Апелляция к вероятности автоматически проблему не решает.

Ведущий: Потрясающе точная формулировка, обнажающая корень заблуждений людей, пытающихся осмыслить стрелу времени. Они выдвигают правдоподобно звучащие гипотезы, забывая прокрутить мыслительный эксперимент в обратном направлении времени [улыбается].

Дэвид Уоллес: Абсолютно! В свое время я сформулировал это так: айтишники говорят: «Мусор на входе — мусор на выходе». Лозунгом статистической механики должно стать: «Обратимость на входе — обратимость на выходе».

[улыбается]

Если ваши исходные допущения симметричны во времени, то изощренность вычислений вас не спасет. Вы либо получите симметричный результат, либо протащите асимметрию тайком. Логически невозможно взять на входе темпорально-нейтральные посылки и выбить на выходе асимметричный продукт.

Гипотеза прошлого и начальные условия Вселенной

Ведущий: Что же делать? Каков верный выход? Откуда берется темпоральная асимметрия?

Дэвид Уоллес: Стратегий всего три. Одну мы сразу отбросим — вмешательство неких трансцендентных сил.

Ведущий: Принято.

Дэвид Уоллес: Остаемся в рамках физикалистской догмы. Логически нарушить симметрию в физике можно лишь двумя путями: либо базовая динамика асимметрична (различает прошлое и будущее), либо граничные условия асимметричны. Первый путь требует переписывания фундаментальной физики — отложим его до разговора о квантовой механике.

Если микроскопическую физику мы менять не хотим, придется накладывать жесткие требования на начальные условия. Мы пытаемся сделать безобидное утверждение: «Энтропия будет расти с высокой вероятностью». Если наложить это условие «сейчас», симметрия выдаст зеркальные последствия и в прошлое. Перенос условия на сто лет назад спасает последний век, но уничтожает наши воспоминания о 1921 годе. Перенос на миллион лет назад сохраняет историю человечества, но губит динозавров. Сдвиг на миллиарды лет назад позволяет выжить динозаврам, но ломает сценарий формирования Солнечной системы.

В конечном счете вы упираетесь в тупик: единственный способ сохранить редукционистскую картину без внешнего вмешательства — заложить асимметричное граничное условие в самый первый момент существования Вселенной (или нашей околосолнечной космической области). Вы заявляете, что Вселенная на заре времен обладала особыми свойствами, автоматически запустившими рост энтропии в будущем.

Тем самым вы вырезаете предысторию, купируя парадокс. Строго говоря, вы нарушаете не симметрию относительно обращения времени, а симметрию относительно сдвигов во времени, выделяя самый первый миг как уникальный.

Ведущий: Меня всегда терзал вопрос… Опять же, исторический экскурс: почему Больцман и его современники не додумались до концепции Большого взрыва, не отнеслись к ней всерьез? В одной работе он упоминал, что особые начальные условия снимают проблему обратимости, но это пара строк в абзаце, после чего он закрыл тему [смеется].

Дэвид Уоллес: Исторически я пас. Рационально реконструируя мысль: пока у вас нет общей теории относительности, «первый момент» — лишь условная метка на оси координат. Вы можете объявить время равным нулю стартовой точкой и запретить запускать динамику назад, но ваш аспирант заявит: «Свободная страна!» — и запустит её в минус [смех]. Получится симметричный космос с Большими взрывами в обе стороны.

Насколько мне известно, светлые умы заигрывали с подобными идеями. Но до Эйнштейна не было самого языка общей относительности. Плюс ко всему, существовало сильнейшее философское предубеждение против идеи абсолютного начала. Сторонники стационарной Вселенной цеплялись за нее вопреки эмпирике. Сам Эйнштейн мог предсказать расширение и начало Вселенной, но испортил уравнения добавочным членом, чтобы зафиксировать статику. Существовал мощный ментальный блок против идеи начала времени.

Ведущий: Мысль о том, что начальные условия обязаны быть экстремально специфическими… До сих пор меня поражает: кубик льда тает из-за того, что происходило 14 миллиардов лет назад при Большом взрыве! Это ошеломляющий факт, который я часто использую для красного словца. И у этого допущения есть имя — гипотеза прошлого. Почему она так называется и в чем ее суть?

Дэвид Уоллес: Название закрепилось благодаря Дэвиду Альберту, мастеру броских терминов (или популяризатору термина). В минималистичной трактовке это утверждение о ранней Вселенной. Слово «гипотеза» подчеркивает статус допущения: это не обычный эмпирический факт из серии «наш спутник замерил реликтовое излучение». Это предпосылка работоспособности всей физики, включая физику спутников, требующая наличия у ранней Вселенной строго определенного свойства.

Природа этого свойства вызывает ожесточенные споры. Мы с вами находились по разные стороны баррикад в этих дискуссиях. Популярна точка зрения, что ранняя Вселенная находилась в состоянии экстремально низкой энтропии — редком в пространстве вероятностей. Моя позиция иная: ранняя Вселенная обладала не столько «низкой энтропией», сколько полным отсутствием тонких, прецизионных корреляций между положениями всех частиц, которые в противном случае привели бы к немедленному падению энтропии.

Формализация этого граничного условия — тончайшая материя. Логика подсказывает, что асимметрия в граничных условиях неизбежна при симметричной динамике, но дьявол кроется в деталях.

Ведущий: Возможно, здесь стоит сделать паузу на технические детали, хотя это всегда опасная зона. Даже профессиональные физики буксуют на этом поле. Проблема в следующем: наши спутники фиксируют космическое микроволновое фоновое излучение — оно невероятно гладкое, однородное, с ничтожными флуктуациями. Мы объясняем это гладким Большим взрывом 14 миллиардов лет назад и считаем это состояние горячей, плотной ранней Вселенной состоянием с низкой энтропией.

Казалось бы, снимок сделан, это не гипотеза, у нас есть данные. Но контраргумент тоньше: в пространстве всех возможных траекторий фотонов к нашему телескопу большинство вариантов соответствует вовсе не гладкой ранней Вселенной, а чудовищно хаотичным состояниям со случайными флуктуациями, где лишь безумный заговор и тончайшая подгонка параметров обеспечили бы гладкость излучения на выходе. Гипотеза прошлого призвана отсечь этот извращенный спектр возможностей. Верно?

Дэвид Уоллес: Да, справедливо, но с оговоркой. Утверждая, что «таких способов неизмеримо больше», мы совершаем вольность. Я сам грешил этим языком, но при глубоком надавливании конструкция начинает скрипеть. Неверно утверждать, что бесконечное число способов гарантирует их равновероятность. Даже при конечном числе состояний (пусть казиллион штук) из их количества не следует их равный «вес».

Эмпирика подсказывает, что в статмеханике есть рабочее понятие вероятности, но его нельзя вывести чисто априорно путем простого пересчета вариантов.

Ведущий: Понятно.

Дэвид Уоллес: Требуется содержательное дополнительное допущение: для каждого макроскопического состояния все совместимые с ним микросостояния равновероятны. Это мощный шаг, подтверждаемый лабораторными и астрономическими триумфами выводимых из него уравнений.

Вероятностное допущение валидируется практикой, а не априорной логикой. Хотя вы правы в том, что хаотичных микросостояний «больше» и Вселенная скорее флуктуировала бы в текущее состояние из хаоса, чем возникла из гладкого взрыва, этот аргумент опирается на глубокие презумпции природы вероятности.

Ведущий: Справедливая педантичность — в конце концов, вы профессиональный философ, вам положено.

Дэвид Уоллес: Буквально моя должностная инструкция, да.

Ведущий: Не будем держать это против вас. Позвольте перефразировать для размежевания спорных зон. Будучи физиком, я выражаюсь небрежно, оперируя словом «вероятность» вместо «числа состояний». Философы порой излишне щепетильны в подсчете конфигураций, хотя существует интуитивный метод подсчета без привлечения концепта вероятности — здесь нет метафизического Бога, мечущего дротики в фазовое пространство, как писал Пенроуз.

Тем не менее, остается факт: гипотеза прошлого утверждает, что фазовое пространство Вселенной содержало микроскопическую область разрешенных состояний, куда наша реальная Вселенная и угодила. В широком смысле это и есть гипотеза прошлого.

Дэвид Уоллес: Хорошо. Не сводя всё к Пенроузу, у нас здесь подлинное разногласие. Принято считать гипотезу прошлого постулатом о низкой энтропии ранней Вселенной. Я же полагаю эту формулировку некорректной.

Какой бы низкой ни была энтропия на заре времен, Вселенная могла угодить в состояние с еще меньшей энтропией. Проблемы обратимости не исчезают. Предположим, энтропия была низкой, но ничто не мешало системе флуктуировать из еще более низкоэнтропийного состояния.

Простое задание низкой энтропии ранней Вселенной проблему не закрывает — требуется дополнительный шаг. Этот шаг заключается в утверждении (здесь я сам допускаю физическую небрежность), что при заданном макросостоянии любое микросостояние равновероятно, а вероятность флуктуации к еще меньшей энтропии ничтожно мала. Но как только вы заявили о равновероятности микросостояний при данном макросостоянии, вам больше не нужно ссылаться на низкую энтропию как на отдельный чудо-фактор. Если бы энтропия была высокой, мир выглядел бы иначе.

Ведущий: Мир, вероятно, выглядел бы иначе…

Дэвид Уоллес: Но мир выглядел бы иначе и при ином соотношении барионов и антиэлектронов. Гладкость ранней Вселенной объясняет многое, но её роль в генерации стрелы нашей макроскопической физики неочевидна.

Ведущий: Поясните мысль. Вернемся на шаг назад к понятию макросостояния. Больцман совершил гениальный ход, объединив орды хаотичных атомов в группы по внешним проявлениям, назвав их макросостояниями. Что дает нам право на это? Объективно ли это деление или в него прокрадывается субъективный человеческий фактор?

Дэвид Уоллес: Отличный вопрос. Здесь кроется двусмысленность, и один из смыслов должен тревожить натуралистов. Тревожный смысл сводит макросостояние к нашим познавательным лимитам: мы объединяем конфигурации молекул воздуха в комнате просто потому, что не способны их различить на глаз.

Но мне глубоко наплевать на молекулы воздуха. Помимо потребности в кислороде, мне неинтересно положение каждой молекулы. И тем не менее термодинамика прекрасно описывает этот воздух без моего участия! Более того, статистическая механика описывает эволюцию галактик — объектов, которые телескопы показывают нам в деталях, — и мы всё равно сознательно объединяем разные конфигурации звезд в одно макросостояние ради поиска закономерностей.

Надежное, нетревожащее натуралиста понятие макросостояния таково: это уровень описания, порождающий автономную, самодостаточную динамику. Хотите предсказать поведение воздуха на пять минут вперед? Вам не нужны микрокоординаты молекул, достаточно грубозернистого описания на уровне макропараметров. Эмпирический факт: макродинамика замкнута и предсказуема.

Мы имеем уравнения гидродинамики, не требующие трекинга отдельных атомов. Макросостояния позволяют агрегировать микрообъекты так, чтобы науки высших уровней стали возможны. Вот эта версия понятия абсолютно объективна.

Ведущий: Абсолютно…

Дэвид Уоллес: И это не привилегия статмеханики, а универсальный принцип эмерджентности. Дэн Деннет, бывший гость Mindscape, ввел термин «реальные паттерны», который мы применяем в многомировой интерпретации. Тот факт, что вы можете обладать неполной информацией о Вселенной и успешно делать прогнозы — объективное свойство реальности, стоящее за больцмановским грубозернистым разбиением.

Эмпирический факт: уравнения для газов работают безупречно. Так было не обязано.

Дэвид Уоллес: Зачастую мы находили эти уравнения через микрофизику, но не всегда. И даже выведя их из микрофизики, мы можем забыть о ней, проверить уравнения — и они останутся верными. Если ваша микрофизическая теория запрещает существование таких макроуравнений — тем хуже для вашей микрофизики. Наша уверенность в Стандартной модели держится не на прямых микроизмерениях, а на миллионах промежуточных макрорасчетов. У нас почти нет экспериментов, тестирующих Стандартную модель «натощак».

Ведущий: Разумеется.

Дэвид Уоллес: Работают иерархии приближений. Первичная эмпирика подтверждает именно приближения, а через них подпирает базовую теорию. Мир многослоен, процессы идут на разных уровнях, и хотя мы убеждены в их связи, независимая валидация каждого слоя налицо.

Ведущий: Верно. И возвращаясь к нашему грубозернистому разбиению: ранняя Вселенная обладала низкой энтропией именно в рамках этого разбиения. Некоторые космологи возражают: «Погодите, реликтовое излучение — это равновесное излучение абсолютно черного тела, оно имеет максимально возможную энтропию для своего размера». Но с учетом гравитации это заблуждение. Корректно ли сказать, что ранняя Вселенная имела низкую энтропию по сравнению с потенциально возможной?

Дэвид Уоллес: Да.

Ведущий: И гравитация сыграла здесь ключевую роль.

Дэвид Уоллес: Но вот чего я не понимаю в этих спорах. Низкая энтропия ранней Вселенной очевидна из простого факта: она ниже энтропии современной Вселенной. Иначе второй закон термодинамики рухнул бы эмпирически. А в этом никто не сомневается.

Ведущий: Ну да, но…

Дэвид Уоллес: Энтропия старта обязана быть ниже текущей. Нам не нужны трансцендентальные выкладки — без этого термодинамическая теория разлетится в щепки.

Ведущий: Строго говоря, сомнительный аргумент критиков строится на том, что из-за меньшего объема Вселенной её максимальная энтропия была ниже, и она якобы находилась на пике своих возможностей. Но аргумент ложен, так как игнорирует гравитацию, коллапс черных дыр и прочие радости.

Дэвид Уоллес: Игнорирует гравитацию, а также расширение Вселенной. Даже однородный компонент ранней Вселенной описывался как состояние с максимальной энтропией при жестких ограничениях однородности.

Ведущий: Условие однородности — колоссальное ограничение.

Дэвид Уоллес: Безусловно. Но взгляните дальше: Вселенная остается однородной, однако перестает быть равновесной. Кварк-глюонная плазма остывает до нейтронов и протонов. Часть из них спекается в гелий. Процесс останавливается на отметке: 75% водорода, 25% гелия. Если бы система стремилась к абсолютному равновесию, она бы на гелии не остановилась.

Равновесным финалом был бы чистый распад в железо или черные дыры. Почему этого не произошло? Вселенная расширялась так стремительно, что частицы разлетелись до завершения ядерных реакций. Это иллюстрация: быстро расширяющиеся системы не находятся в равновесии. Макросословия менялись мгновенно, допуская лишь локальное равновесие.

Если вы расширяете поршень с горячим газом чудовищно быстро, газ «замораживается» в неравновесной смеси. Современная термодинамика и энергетика звезд (работающих на водороде, уцелевшем после быстрого расширения) обязаны своим существованием этому неравновесному старту.

Ведущий: Меня тянет сорваться в дебри гипотезы прошлого, но я опасаюсь окончательно там заблудиться. Есть множество других тем [смеется].

Дэвид Уоллес: Пожалуй, я веду себя нечестно — педалирую наши с вами интеллектуальные разногласия перед аудиторией подкаста, где вы лишены возможности дать полноценный симметричный ответ.

Ведущий: Вы именно это и делаете! Причем я даже не уверен, что не согласен с вами. Оставим спор для оффлайн-дискуссии и выложим её эксклюзивом для патреона.

[смех]

Неравновесные процессы и рост энтропии

Ведущий: Вы озвучили важнейшую мысль: второй закон требует роста энтропии, но не обязывает ее расти с максимальной скоростью. Насколько далеко мы можем продвинутый в количественном описании темпов роста энтропии?

Дэвид Уоллес: Сомневаюсь, что здесь стоит молиться на язык одной лишь энтропии. Как философ физики, я вопрошаю: как этот аппарат реально работает? Неравновесная статмеханика описывает системы вне равновесия, где энтропия растет (или сбрасывается в окружение). Но универсального закона темпов роста энтропии нет. Разные системы эволюционируют радикально по-разному.

Пример: смесь водорода и кислорода в закрытом сосуде может стоять годами. Мы думаем, что это равновесие, пока не чиркнем спичкой…

[смеется]

Ведущий: И тут всё меняется.

Дэвид Уоллес: Вы мгновенно выясняете, что равновесия не было — термодинамически системе выгоднее взорвать лабораторию, образовав воду. Барьер чисто динамический: для реакции молекулам нужна энергия столкновения, превышающая тепловую кинетику при комнатной температуре.

Энтропия не растет самопроизвольно из-за конкретных физических барьеров. Из этого я делаю вывод об отсутствии универсальных правил скорости роста энтропии, хотя мощные обобщения для широких классов систем возможны.

Ведущий: И это открывает колоссальный простор для будущих открытий. Неравновесная статистическая механика — бурно развивающаяся область, которой веками пренебрегали.

Дэвид Уоллес: Хм.

Память, информация и необратимость

Ведущий: Перейдем к другим стрелам времени. Сложная Вселенная полна проявлений темпоральной асимметрии. Как таяние льда помогает мне осознать, почему я помню прошлое, но не будущее?

Дэвид Уоллес: Важнейший пункт: физическая асимметрия времени — это не просто отсутствие зеркальной симметрии. Существуют экзотические законы физики микрочастиц (например, нарушение CP-инвариантности при распаде нейтральных каонов), слегка асимметричные во времени, но не порождающие наблюдаемой макроасимметрии пленки.

Ведущий: Верно.

Дэвид Уоллес: Настоящая асимметрия кроется в диссипации и шуме. Необратимость стирает информацию: множество разных предысторий схлопываются в единое конечное состояние. Шум делает невозможным точное ретропредсказание будущего. Эти свойства стирают данные по ходу эволюции.

Солнечную систему можно «ретросказать» на тысячу лет назад. Но стакан тающего льда не поддается ретросканированию: исходные конфигурации льдинок безнадежно утеряны. Микрофизика их хранит, но макроуровень стер информацию. Динамика теряет данные, раскидывая их по пространству без надежды собрать обратно.

Я до сих пор не уверен, что до конца простроил логический мостик к нашей когнитивной памяти: почему потеря информации на уровне физики оборачивается нашей способностью помнить прошлое, но не будущее?

Ведущий: Возникает парадокс: с одной стороны, диссипация стирает информацию; с другой — я, как живой человек, с течением времени накапливаю знания, пишу книги и локально приумножаю информацию о прошлом.

Дэвид Уоллес: Классический парадокс, которым спекулировали противники науки. Как совместить рост энтропии Вселенной к равновесию с тем фактом, что я сижу здесь бодрый и далекий от тепловой смерти?

Ведущий: Точно.

Дэвид Уоллес: Ответ тривиален: я — не замкнутая система. Я сбрасываю энтропию в окружающую среду, как холодильник охлаждает камеры, нагревая кухню. С обработкой информации то же самое: моя локальная база данных о прошлом растет ценой превращения окружающего мира в хаос.

Ведущий: Значит ли это, что если поместить меня в гигантский холодильник с падающей энтропией, я начну помнить будущее?

Дэвид Уоллес: Нет, не просто поместив в холодильник [смеется]. Энтропия — не единственный маркер необратимости. В вашем теле кипят миллиарды термодинамически необратимых биологических процессов. Заморозка тела снизит интегральную энтропию, но биохимия клеток продолжит разделять прошлое и будущее.

Если бы окружение не двигалось со временем назад вместе с вами, оно мгновенно сломало бы ваши попытки функционировать в обратном темпе, вернув вас в привычное русло.

Ведущий: То есть простого охлаждения мало для реверса личной стрелы времени.

Дэвид Уоллес: Именно. Динамическая необратимость упрямее простого градиента энтропии. Ваши клетки генерируют локальную энтропию, которую вы сбрасываете наружу, но микродинамика не инвертируется.

Ведущий: Вы упускаете грандиозный стартап-проект по омоложению и перемещению во времени через погружение в криокамеру. Патент принес бы миллиарды!

Дэвид Уоллес: Если бы это работало — возможно. Но я честный ученый [смех].

Ведущий: Убеждать инвесторов проще, чем заставить физику работать.

Дэвид Уоллес: О да.

Квантовое измерение и стрела времени

Ведущий: До сих пор мы рассуждали в классической парадигме — Ньютон, Максвелл, Больцман. Но есть квантовая механика с ее актом измерения и «коллапсом волновой функции», где обратимость нарушена наотмашь. Как вы оцениваете темпоральную асимметрию квантового измерения в рамках эвереттовского многомировия?

Дэвид Уоллес: Моя исходная точка — тот же физикалистский принцип «динамика превыше всего». Измерение в квантовой механике — не магия, а частный случай макроскопического усиления микропроцесса. Когда микроскопический сигнал дублируется в макромире, возникает иллюзия случайного коллапса волновой функции в одно-единственное состояние.

На макроуровне мы переходим от суперпозиции к выпавшему исходу — процесс сугубо необратимый. Меня поражало, сколь долго квантовая стрела времени оставалась падчерицей в физических дискуссиях по сравнению со статистико-механической.

Учебники по статмеханике отмахиваются от квантовой теории формулой: «Квантовая статмеханика сложнее технически, но концептуально дает то же самое».

Ведущий: Грешен, сам произносил эти слова [улыбается].

Дэвид Уоллес: На мой взгляд, всё ровно наоборот. Для фундаментальных оснований аппарат квантовой механики концептуально проще классической, лишенной целого ряда её патологий. Но авторы учебников избегают квантовой статмеханики не из-за сложности, а из-за панического страха перед проблемой квантового измерения.

Ведущий: Боязни того, что она разрушит привычный концептуальный фасад.

Дэвид Уоллес: Совершенно верно. Она его и разрушает, поскольку квантовая механика жизненно важна для понимания стрелы времени. Если бы коллапс волновой функции был реален и случаен, он бы зачистил проблему статмеханики, не позволяя системе удерживать тонкие специфические состояния назад во времени.

Но коллапс — прекрасная, хотя фундаментально ошибочная идея. Верный путь — многомировая интерпретация. Уравнение Шрёдингера унитарно и обратимо во времени. Квантовая механика сама по себе не содержит первичной стрелы времени.

Напротив, математический аппарат декогеренции и макроусиления в многомировой теории тождественен математике неравновесной статистической механики. Квантовое уравнение декогеренции — это буквальная калька с уравнений статмеханики 1960-70-х годов.

Декогеренция и ветвление миров

Ведущий: Примем как данность знание базовой квантовой механики и многомировой интерпретации. Волновая функция унитарна, коллапсов нет. Но происходит ветвление миров — вот где рождается временна́я асимметрия.

Дэвид Уоллес: Да. Давайте поясним механизм. Когда мы измеряем систему или усиливаем микросостояние до макроскопического уровня, происходит колоссальное квантовое запутывание измеряемой системы с окружающей средой.

Классический мысленный эксперимент — кот Шрёдингера, одновременно живой и мертвый. Обыватель воображает видение «странного размытого кота». Но квантовая теория говорит другое: когда я смотрю на суперпозиционный объект, состояние моего мозга не становится «странным» — я прихожу в суперпозицию «видение живого кота» плюс «видение мертвого кота».

Каждый член суперпозиции абсолютно нормален. Я запутан с котом: «живой кот + я, видящий живого кота» плюс «мертвый кот + я, видящий мертвого кота». Сообщая вам результат в подкасте, я вовлекаю вас в то же разделение: вы расщепляетесь на «Шон, услышавший о живом коте» и «Шон, услышавший о мертвом коте».

Электромагнитные волны разлетаются со скоростью света, запутывая всю Солнечную систему. Мир распадается на ветви «кот жив» и «кот мертв», между которыми полностью утрачиваются интерференционные эффекты из-за колоссального числа степеней свободы.

Интерференция невозможна — слишком много деталей, чтобы собрать систему обратно. Перед нами два фрагмента физической реальности, живущие автономно. Мы называем их «мирами» или «ветвями», но это эмерджентные сущности. Моя книга называется «Возникающий мультивёрс» — мультивёрс не фундаментален, он порожден процессами верхнего уровня.

Ведущий: Замечательно. Для скептиков: если вы приняли идею эмерджентных автономных законов для газов, вы уже на 90% приняли многомировую интерпретацию.

Дэвид Уоллес: Абсолютно. Это мой главный философский аргумент: примените стандартные правила эмерджентности к унитарной квантовой механике без костылей — и мультивёрс возникнет сам.

Ведущий: Задам каверзный вопрос. Если результат измерения непрерывен (например, координата частицы), ветвление происходит непрерывно? Можем ли мы сосчитать ветви?

Дэвид Уоллес: Боюсь, точный подсчет невозможен без произвольных допущений. Кот Шрёдингера в оригинале завязан на радиоактивный распад — процесс дискретный. Но капсула может сработать в разное время, порождая континуум умирающих котов.

Рассматривать это как чистый континуум нельзя. Если мы попытаемся выделить ветви, отличающиеся по времени на секунды, нас ждет крах: на таких масштабах когерентность распада сохраняется, и интерференция между ветвями не исчезает.

Интерференция гаснет лишь при переходе к макроскопическим интервалам (скажем, секунд). Существует порог, за которым описание в терминах раздельных ветвей теряет смысл из-за сохранения квантовой связи.

Эмерджентные структуры неизбежно размыты на границах. В лагранжиане Стандартной модели нет члена взаимодействия «Шон-Дэвид», но мы реальны. Точно так же ветви мультивёрса обладают необходимой степенью нечеткости.

Устойчиво верно лишь то, что кот расщепляется на астрономическое число ветвей; но утверждение, что их ровно штук, лишено физического смысла. Метафизики рвут на себе волосы от этой неточности, но наша метафизика должна обслуживать реальную физику, а не наоборот.

Ведущий: Как быстро распространяется ветвление в пространстве? Если Алиса и Бб далеко друг от друга измеряют запутанные спины, расщепляется ли Боб мгновенно при измерении Алисы или со скоростью света?

Дэвид Уоллес: Квантовое состояние в области Алисы не изменится до прибытия светового сигнала от Боба. Фундаментальный микроуровень релятивистски каузален. Ветвление распространяется вдоль светового конуса со скоростью света.

Алиса ветвит свое будущее; сигнал доходит до Боба, их световые конусы пересекаются, и они переживают вторичное разделение. Глобальная запись состояния требует выбора системы отсчета, внося элемент условности, но физически локальное ветвление строго ограничено скоростью света.

Ведущий: Прекрасно. Замкнем круг: акт квантового измерения — необратимый процесс. Как вы это связываете со стрелой времени?

Дэвид Уоллес: Ответ лежит в плоскости термодинамической необратимости. Кот Шрёдингера ветвит мир из-за налетающих случайных фоновых фотонов из космоса. Если кот жив — фотон отскакивает; если мертв — пролетает мимо.

Состояние запутывается («кот жив + фотон изменил траекторию» плюс «кот мертв + фотон не встретил препятствия»). Если мы попробуем прокрутить это назад, нам потребуется чудовищно тонко настроенное исходное состояние запутанности миллиона фотонов с котом — донельзя неправдоподобное состояние.

Состояние же, где фотоны прилетают хаотично — совершенно естественно. Обращенная во времени эволюция требует «невероятного» старта. Это ровно тот же статистико-механический аргумент, что и для кубика льда.

Квантовая и термодинамическая стрелы времени — суть одно и то же явление, рассмотренное под разным углом. Игнорирующие эвереттовский подход физики вынуждены изобретать искусственные костыли для объяснения неизбежных процессов декогеренции.

Ведущий: Сведем гипотезу прошлого к квантовому языку. Это по-прежнему гипотеза о состоянии волновой функции ранней Вселенной без сложных запутанностей?

Дэвид Уоллес: Да. Космическая версия требования «входящие фотоны не были запутаны». Исходное квантовое состояние было минимально запутанным, простым.

Ведущий: Взглянем на будущее. Впереди нас ждет доминирование положительной космологической постоянной, опустошение пространств и переход в состояние де Ситтера. Согласно Хокингу и Гиббонсу, пространство де Ситтера имеет температуру, порождающую тепловые флуктуации (включая больцмановские мозги и целые вселенные).

Если ждать бесконечно долго, случайные флуктуации воспроизведут нас триллионы раз. Не возвращает ли это нас к возражению Цермело? Стоит ли переживать из-за бесконечного будущего?

Дэвид Уоллес: «Переживать» громко сказано, но проблема серьезна. Вопрос в применимости концепта бесконечности. Физики оперируют бесконечностью как удобной математической идеализацией конечных процессов.

Но когда теория сталкивается с настоящей бесконечностью (бесконечное будущее де Ситтера), мы теряем уверенность в адекватности наших моделей. Постулирование бесконечности во времени или пространстве — глубочайшее метафизическое допущение, требующее максимальной осторожности.

Ведущий: Здравый взгляд: бесконечность — маркер наших пробелов в знании. Подводя итог: нынешний диалог философии и физики вас вдохновляет или обескураживает?

Дэвид Уоллес: Скорее воодушевляет. Философия физики подняла планку, переключившись на реальные проблемы действующих физиков. Проблема черных дыр и информации мучает лучших теоретиков десятилетиями — это чистая концептуальная философия.

Институциональные барьеры сохраняются: философия физики порой слишком уходит в маргинальные течения. Но при наличии строгой технической подготовки междисциплинарный диалог плодотворен. Лучшие дни этого союза еще впереди.

Ведущий: Отличный умеренный оптимизм. Дэвид Уоллес, огромное спасибо за участие в Mindscape!

Дэвид Уоллес: Спасибо за приглашение!

 

Источник