Время окружает нас повсюду: в языке, которым мы пользуемся, в воспоминаниях, к которым мы возвращаемся, и в наших прогнозах на будущее. Но что же это такое? Физик и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек в подкасте Стива Строгатца обсуждает с ним фундаментальные характеристики времени.
Время кажется нам линейным: мы помним прошлое, переживаем настоящее и прогнозируем будущее, последовательно переходя от одного момента к другому. Но почему это именно так, и может ли время в конечном итоге быть своего рода иллюзией? В этом эпизоде лауреат Нобелевской премии физик Фрэнк Вильчек беседует с ведущим Стивеном Строгатцем о многочисленных «стрелах» времени и о том, почему большинство из них кажутся необратимыми, о сути того, что такое часы, как Эйнштейн изменил наше определение времени, и о неожиданной связи между временем и нашими представлениями о том, что же такое темная материя.
Стивен Строгац: Все мы знаем о том, что время «идет». Мы ощущаем его в смене времен года, в ритмах песен и танцев, в том, как растут и стареют наши дети. Нравится нам это или нет, но время — неотъемлемая часть нашей жизни. И на протяжении тысячелетий ученые привычно считали время одномерной сущностью, стрелой, которая движется только вперед и никогда — назад. Но чем пристальнее мы смотрим на время, тем сложнее и загадочнее оно становится. Сегодня ученые расходятся во мнении, является ли время — по крайней мере наше ощущение его — реальным или иллюзорным. Возможно, на самом деле мы не движемся во времени. Возможно, настоящее, прошлое и будущее одинаково реальны.
Я Стив Строгац, и это “The Joy of Why“, подкаст журнала Quanta, в котором мы с моей соведущей Жанной Левин по очереди обсуждаем наиболее значимые вопросы науки в целом и математики в частности, не имеющие на сегодняшний день ответов.
В этом эпизоде мы спросим физика-теоретика Фрэнка Вильчека: «Что же такое время?». Как мы определяли его в прошлом? И как квантовая физика может переосмыслить его в будущем?
Фрэнк — профессор физики имени Германа Фешбаха в Массачусетском технологическом институте, выдающийся профессор Государственного университета Аризоны и профессор Стокгольмского университета. Он является лауреатом Нобелевской премии по физике 2004 года и Темплтоновской премии 2022 года. Автор ряда книг, в том числе вышежней недавно «Основы: Десять ключей к реальности». Фрэнк, добро пожаловать в “The Joy of Why“.
Френк Вильчек: Спасибо. Рад быть с вами.
Строгац: Что ж, я очень рад снова с вами встретиться. Мне понравилась вся ваша книга «Основы», и объяснение, которое вы дали о времени, а также о том, как думать о нём — для меня оно было одним из самых красивых и трогательных. Но я хотел бы начать со своего рода личного вопроса о вашем собственном восприятии времени, как личности, сына, мужа, я не знаю. Как вы воспринимаете время в качестве личности, и отличается ли это от восприятия его вами как учёного?
Вильчек: Скажем так, в этом году я столкнулся со временем очень приятным образом. 50-я годовщина как моей первой научной статьи, так и — не случайно — моего брака. Прошло 50 лет…
Строгац: (смеется) Вау.
Вильчек: И я размышлял о течении времени и, в некотором смысле, путешествовал назад в нём, чтобы вернуться к тем судьбоносным моментам.
Вы задаете очень интересный вопрос, что время в том виде, в каком оно фигурирует в наших уравнениях, эквивалентно… Это основная переменная, с которой разворачивается мир. Итак, в наших уравнениях фигурирует символ t. И, следуя уравнениям, мы получаем подсказки о том, что же такое t. Это говорит нам о его свойствах, отражённых в вещах вокруг нас, и их поведении.
Но время, так сказать, живёт своей собственной жизнью — ведь вы можете обсуждать его свойства независимо от того, на что оно воздействует, особенно его симметрию.
Но, возвращаясь к восприятию времени в сравнении с физическим определением времени — то, что в буквальном смысле вносит путаницу — храня информацию о прошлом и думая о будущем, мы можем путешествовать во времени способами, недоступными физическим объектам, подчиняющимся законам физики.
Только связанные «соседи» действительно общаются друг с другом в уравнениях. Но наше сознание хранит воспоминания. Или мы можем грезить о будущем. Мы действительно можем путешествовать во времени.
Строгац: Это здорово. В уравнениях и правда есть что-то, на что мы смотрим в бесконечно малой перспективе. Как вы говорите, важны последовательные «соседи» по времени, верно? Текущие условия определяют, что произойдет в следующий момент в будущем.
Вильчек: Да, конечно, в рамках современного понимания фундаментальных законов это работает именно так. Забавно размышлять о том, что, в конечном счете, возможно, существует более глобальная структура, что имеют место быть условия, ещё не известные нам, но обеспечивающие неизбежность и уникальность развития Вселенной.
Но в нынешнем виде законы рассказывают вам о том, как состояние мироздания в конкретный момент трансформируется в то, чем он является в следующий.
Строгац: Какие самые большие загадки времени вы бы обозначили?
Вильчек: Я полагаю, есть весьма многообещающая загадка, в которой мы добиваемся немалого прогресса, заключающаяся в том, что фундаментальные законы физики выглядят почти обратимыми во времени, хотя повседневный опыт нам и говорит об обратном.
Итак, это ставит сразу два вопроса: как вы можете перейти от фундаментальных законов, обладающих свойством обратимости, к интуициям, которые ему решительно противятся? И почему, чёрт возьми, законы обладают этим свойством, ведь описывать таким образом опыт не только не обязательно, но и в некотором роде неудобно? Это формирует проблему, вызов. Как нам согласовать это противоречивое свойство, вызывающее некоторую неловкость, с повседневным опытом.
Это две большие проблемы, которые, я полагаю, в значительной степени решены, но всё еще очень многообещающи, особенно первая: почему законы именно таковы?
И затем, еще бо́льшая проблема, ещё более глубокая и загадочная: является ли наш абрис мира — в терминах «развёртки» его от момента к моменту — является ли он полным?
С философской точки зрения такой тезис кажется неудовлетворительным, ибо он делит описание мира на две части. Одна — это уравнения, а другая — состояние мира в некий момент времени, который вы должны каким-то образом ввести, дабы всё началось.
Строгац: Итак, давайте посмотрим, понял ли я это. Вопросы касаются того, почему законы обладают таким свойством, близким к обратимости.
Вильчек: Да.
Строгац: Вопрос «уравнения vs начальные условия» — мы могли бы сформулировать так.
Вильчек: Да, да.
Строгац: Люди поймут, что вы имеете в виду как раз начальные условия.
Вильчек: Верно.
Строгац: И еще есть такой жаргонизм — стрела времени — описывающий наше субъективное восприятие течения времени только вперёд. И вы говорите, что у этого ощущения хороший базис. Мы думаем, что понимаем стрелу времени.
Вильчек: Полагаю, да. Это долгая история, которая со временем становится все более убедительной. Но я думаю, что существует много разных стрел времени, много разных способов, коими будущее отличается от прошлого. Безусловно, существует психологический феномен. Кроме того, второй закон термодинамики, который говорит, что вещи становятся всё более неупорядоченными — очень грубая формулировка, впрочем. Существует стрела времени излучения — оно имеет свойство исходить из излучающих объектов. Можно обозначить стрелу времени биологической эволюции. И многие другие, которые вы могли бы придумать на ходу. Куда бы вы ни посмотрели — везде стрелы времени. Между будущим и прошлым есть явная асимметрия.
Но вот что я думаю обо всех них — их можно объединить в одну стрелу. Точно так же, как «Одно кольцо, что правит всеми», есть одна стрела, которая правит всеми упомянутыми — и это космологическая стрела времени.
Итак, можно было бы сказать, что мы разгадали тайну, но я думаю, было бы корректнее уточнить, что мы объединили все тайны в одну, которая заключается в следующем: почему вообще произошел Большой взрыв?
Гравитации нравится собирать материю в сгустки, но ранняя Вселенная во время Большого взрыва была очень, очень однородной. Итак, гравитация вышла из равновесия. И с тех пор происходит вот что: гравитация изо всех сил пытается восстановить его.
Материя расширяется и охлаждается, а затем собирается в комки, образующие (в конечном итоге) звёзды, которые начинают выделять энергию, и планеты, на которых могут развиваться живые существа.Весьма правдоподобная история, богатая деталями, которая сонаправляет все стрелы с этой единственной — стрелой космической эволюции.
Строгац: Я нахожу это очень… даже не уверен, какое прилагательное я бы к этому применил, но идея о том, что наше восприятие времени как текущего только из настоящего в будущее, что яйца не возвращаются из яичницы, и тому подобное — что это каким-то образом связано с эволюцией всей Вселенной от ее горячего однородного состояния до нынешнего, ну, знаете, усеянного галактиками, звездами… Просто дико думать, что кажущееся таким далёким влияет на мои боли в спине теперь, когда я старик, понимаешь? Реально ведь так, да? В конечном счёте, это то, что ты говоришь.
Вильчек: Это, конечно, неочевидная история, и без внушительных доказательств, накопленных на протяжении всего развития современной науки, это было бы невероятно. Но это абсолютно удивительно.
Строгац: Если бы всё оставалось неизменным — например, если бы мы могли представить какой-нибудь мысленный эксперимент, в котором ничего не происходит, существовало бы время по-прежнему? Существует ли время отдельно от событий? Или время — это своего рода мера того факта, что все подвержено изменениям?
Вильчек: Вы, конечно, можете представить — вы даже можете выстроить решения основных законов физики согласующимися со всеми известными нам базовыми принципами, и сделать так, что ничего не происходит — но t по-прежнему будет являться неотъемлемой частью этих уравнений.
Строгац: Значит, в пустой вселенной всё равно существовало бы время?
Вильчек: Да, время всё равно было бы в уравнениях. И даже в этой ситуации вы могли бы задать вопрос о том, что произойдёт, если бы вы немного нарушили это вселенское равновесие? И тогда время проявило бы свою суть. Таким образом, время было бы «скрытым», но необходимым параметром для формализации ситуации. Вы говорите о чём-то, не зависящем от времени, но не сможете это сформулировать, не сказав, что есть что-то, от чего это могло бы зависеть, но не зависит.
Строгац: Это очень интересный ответ. Я немного удивлен, что вы это говорите. Помню, вам нравится философия. Вы немного изучали её, верно?
Вильчек: На очень любительском, дилетантском уровне. Но недавно я размышлял об этом с технической точки зрения. Подумайте о реке, о её течении. Есть два разных типа описания реки, которая течет очень равномерно.
Итак, в одном описании, которое технически называется описанием Эйлера, вы бы указали, какова скорость течения в каждой точке, и это дало бы вам полное описание течения реки. И если течение регулярное, то, возможно, ничего не происходит. Скорость не менялась бы со временем.
Строгац: Так.
Вильчек: Однако есть другое описание, связанное с Лагранжем. Это своего рода внутреннее описание, в котором вы наблюдаете за движением отдельных молекул воды. И эти объекты движутся с локальной скоростью. С течением времени они оказываются в другом месте, поэтому наблюдается другая скорость. Хотя изначально скорость была функцией положения в пространстве, но не времени. Но если смотреть изнутри, когда вы следуете за самим потоком, тогда всё вот так и происходит.
Итак, оба описания верны. Если мы назовем эту реку вселенной, вселенная в некотором смысле не меняется. Но, если смотреть изнутри, она меняется. Есть много возможностей для динамического развития, когда вы находитесь внутри реки и плывете по течению.
И я полагаю, что на глубинном уровне это может быть репрезентацией того, что происходит во Вселенной. Если вы хотите получить внутреннее описание, то лагранжево описание, в отличие от описания Эйлера, — не противоречиво. Это просто иной способ взглянуть на один и тот же объект, на одну и ту же реальность изнутри или снаружи. Взгляд человека против взгляда бога.
Строгац: Я действительно хочу рассмотреть с вами различные концепции времени в истории науки по мере того, как мы движемся, скажем, от Ньютона к Эйнштейну. Но в данный момент я просто хотел бы спросить вас — и, конечно, забавно, что мы продолжаем говорить о времени, когда обсуждаем время. Как я уже сказал, «в данный момент я собираюсь задать вам вопрос о времени».
ВИЛЬЧЕК: Трудно избежать, не так ли?
СТРОГАЦ: Весьма!
ВИЛЬЧЕК: Так принято говорить. Если это иллюзия, то довольно убедительная.
СТРОГАЦ: Это очень убедительная иллюзия. Итак, вот я к чему: мы знаем, что на Эйнштейна оказал большое влияние ученый и философ Эрнст Мах. Мы говорим о числе Маха в сверхзвуке — это тот же самый Мах. Он очень интересовался операционными дефинициями вещей. Итак, Эйнштейн, сидя в патентном бюро и размышляя о времени, говорит: «Время — это то, что измеряют часы».
И вы много пишете об этом в «Основах» — мне показалось это очень интересным взглядом. Можете ли вы развить эту мысль? Например, должны ли мы говорить о времени как о том, что измеряют часы, вместо некоего более туманного определения?
Вильчек: Думаю, да, если мы хотим научно и плодотворно размышлять о времени на фундаментальном уровне. Но позвольте мне немного уточнить. Слово «время» охватывает множество областей и может использоваться в разных значениях, точно так же, как «энергия», так? Энергия означает нечто очень специфическое в контексте научной дискуссии. Но в обычном языке оно имеет гораздо более широкое определение, также имеющее размытые границы.
Аналогично, когда я говорю: «время — это то, что измеряют часы», я имею в виду научную концепцию времени, которая чрезвычайно выгодна и имеет применимость довольно высокой точности. Чтобы правильно понять это утверждение, вы также должны расширить своё представление о том, что такое часы.
Часам можно обозначить всё, что каким-либо образом изменяется, потому что законы сформулированы в терминах того, как всё меняется в зависимости от этой переменной t. Всё течёт, всё меняется, меняется по-своему. Объекты движутся. Они подвергаются химическим реакциям. Они стареют в биологическом смысле. И замечательным тезисом является то, что единственная переменная в уравнениях лежит в основе всего этого.
Таким образом, у вас могут быть часы, работающие по очень, очень разным принципам. У вас могут быть устройства, которые отслеживают движение Земли вокруг Солнца. У вас могут быть устройства, которые отслеживают поток воды. У вас могли бы быть часы, основанные на наблюдении за тем, как кто-то стареет, как стареет человек. Это были бы не очень точные часы, но, в принципе, если покопаться в биохимии, их можно было бы сделать точными. Много-много разных типов часов, но все они согласуются друг с другом.
Словом, когда я говорю, что время — это то, что измеряют часы — это больше, чем операционная дефиниция, имеющая весьма нетривиальное содержание. Все часы, которые должным образом откалиброваны, независимо от того, на каком принципе они основаны, смогут прийти к согласованному соглашению о том, который час.
Строгац: Перейдём от философии к истории науки: мне кажется, что большая часть истории научных прорывов, особенно в том, что мы называем научной революцией 1600-х годов и позже, была связана с появлением возможности довольно точно измерять время. Не случайно Галилей, Гюйгенс, Ньютон и их преемники появились примерно в то же время, когда начали изготавливать хорошие маятниковые часы. Сложно было бы сформулировать законы движения известным образом до того, как появились хорошие устройства для учета времени.
Как вы думаете, так и есть? Что прогресс действительно зависел от способности точно измерять время?
Вильчек: Это, безусловно, помогло. И особенно, если расширить определение времени, включив в него регулярное движение планет — например, второй Кеплеровский закон о равных площадях, покрываемых планетами за равные промежутки времени. И, конечно же, это наблюдение сыграло центральную роль в формулировке его законов, которые вместе с исследованиями Галилея о маятниках и падающих телах привели к вершине научной революции: формулировке Ньютоном классической механики и законов всемирного тяготения. Так что да, все это в значительной степени основано на соображениях, которые, в общем-то, появились вовремя и благодаря ему.
Строгац: Итак, если мы перенесемся вперед во времени — конечно, все еще придерживаясь этих временных каламбуров, — то перейдем и к Эйнштейну. И здесь мы начинаем действительно замечать некоторые очень странные, противоречащие здравому смыслу вещи.
Вильчек: Формулируя более богатое описание гравитационного взаимодействия, выходящее за рамки ньютоновского понимания, и даже до этого, пытаясь отдать должное симметрии уравнений электродинамики, Эйнштейн пришел к более гибкой концепции времени.
Позвольте мне начать со специальной теории относительности, которая исторически появилась первой. Если вы находитесь в закрытой лаборатории и просто проводите эксперименты в лабораториях, которые движутся относительно друг друга с постоянной скоростью, вы пришли бы к одним и тем же законам, независимо от того, какова эта скорость. В этом суть специальной теории относительности. Но, чтобы это выполнялось, то, что один человек назвал бы временем, другой называет смесью пространства и времени. Это математически простая смесь. То, что мы называем линейной комбинацией — но это определенно смесь пространства и времени. И это наводит на мысль о том, что существует некоторая гибкость в определении понятия время.
Вы можете получить корректные законы физики с тем же содержанием, используя либо некоторое время t, либо другое время, t’ — смесь t и x, где x — положение в пространстве. Такая вот специальная теория относительности.
Тогда это стало своего рода большим сюрпризом, потому что Ньютон, например, думал о времени как об отдельной сущности. Ньютон был помимо прочего теологом и считал, что в своей работе он приближается к пониманию того, как действует Бог. И он думал о Боге как об имплицирующем миру свое субъективное время, я полагаю. Идея о том, что могут существовать равнозначно валидные определения времени, была бы очень чужда Ньютону.
Но то, что постулировал Эйнштейн, и позволяет нам сформировать очень стройные законы физики и найти в них закономерности, которые было бы очень трудно найти в противном случае.
Позже, в общей теории относительности, всё становится ещё более странным, потому что вы позволяете разным людям в разных местах выбирать свою собственную версию t. Это называется локальной Лоренц-инвариантностью. Каждый человек может выбрать свою собственную смесь пространства-времени для использования. И вы должны сформулировать уравнения таким образом, чтобы они допускали такую возможность. У них есть то, что называется симметрией. Хотя формулировка уравнений будет выглядеть совсем иначе, если люди сделают другой выбор, их содержание будет одинаковым. И только очень особенные уравнения обладают этим свойством.
И гений Эйнштейна смог на основе этого принципа вывести улучшенную теорию гравитации. Время сливается с пространством, и все пространство-время может искривляться. Эти эффекты очень, очень малы в лабораторных масштабах. Но когда вы говорите о макроскопических диапазонах — масштабе Земли и её гравитационного поля, или Вселенной, или в очень экстремальных условиях, например, когда существует очень большая концентрация массы на примере чёрных дыр. Здесь вступают в свои права более экзотические, искривлённые или даже размытые формы времени.
Строгац: Хм. Я имел в виду, что существует множество тестов теории относительности, экспериментов по переносу атомных часов на самолетах. Если люди не слышали о тех вещах, о которых вы только что упомянули, это, вероятно, прозвучало бы довольно фантастично. Но у нас есть очень хорошие, убедительные доказательства того, что все они верны, включая даже устройства GPS, которые мы используем в наших автомобилях и смартфонах. Понимаете, я имею в виду, если бы мы не учитывали эти теории…
Вильчек: Да, GPS не сработал бы, потому что очень важно точно определять время в GPS. При работе системы GPS вы используете очень точное время для определения расстояний, полагаясь на тот факт, что скорость света является универсальной константой. Я слегка упрощаю, но, по сути, это так.
И поскольку скорость света очень и очень велика по сравнению с обычными скоростями, даже мелкие неточности в измерении времени значительно отражаются на изменениях расстояния. То есть, вы должны быть весьма точны в измерении времени, чтобы сделать GPS востребованной системой.
Строгац: Итак, факт, что спутники находятся высоко, где гравитационное поле слабее. Вот есть все эти спутники, являющиеся частью глобальной системы GPS, они движутся там довольно быстро. Всё это необходимо принимать во внимание и корректировать — я просто думаю, что это отличный иллюстрация того, что имя Эйнштейна касается не только черных дыр или Вселенной, но и…
Вильчек: Что ж, действительно примечательно, что вернувшись к оригинальной статье Эйнштейна по специальной теории относительности, вы увидите, как он говорит о синхронизации различных станций, если хотите, чтобы они были согласованны в определении пространства и времени. И, подойдя к этому делу с юмором, вы можете согласиться что это схоже с описанием корректировки GPS.
Строгац: Вау.
Вильчек: Люди ходят туда-сюда с метками и часами и используют скорость света как способ синхронизации и затем измерятют расстояния. Это есть система GPS, верно.
Строгац: О, никогда не думал об этом в таком ключе. Есть так много вещей, о которых я хочу вас спросить. Как насчет темной материи? Я знаю, что это одна из ваших любимых тематик. Какое отношение темная материя имеет ко времени?
Вильчек: По логике вещей, она — в лучшем случае — слабо связана со временем, но это очень интересная история, и весьма захватывающая. В данный момент я ей активно занимаюсь. Итак, темная материя — это попытка объяснить целый сном явлений, где прогнозируемые распределения масс материи не сходятся с наблюдаемыми.
Очень похоже, что причиной может быть новый тип частиц, которые очень слабо взаимодействуют со знакомыми нам видами материи, но всё же взаимодействуют с нею гравитационно. Лично для меня складывается консенсус в объяснении этого феномена — нечто, что я назвал аксионами. И здесь снова возникает связь со временем.
Аксионы были введены в физику не как способ объяснения темной материи, а как способ понимания странного свойства физических законов: они почти инвариантны к направлению времени. И, хотя на макроскопических масштабах привычный нам мир ведёт себя по-другому, микроскопические законы определяют именно такое поведение.
Почему? У нас есть очень занятная история на этот счёт.
Принципы теории относительности и квантовой механики, а также глубинные симметрии Стандартной модели — так называемые калибровочные симметрии, которые определяют сущность взаимодействий, — сильно ограничивают эти взаимодействия. Если вы предполагаете, что эти принципы верны, то получаете мощные ограничения на законы физики.
А будто бы случайным следствием этих ограничений является то, что законы действуют почти одинаково вперед и назад во времени. Грандиозный триумф теоретической мысли.
Но и это ещё не всё. Есть одно взаимодействие, которое согласуется с фундаментальными законами, фундаментальными принципами, я бы сказал, которое подчинялось бы всем этим принципам, но не было бы обратимым во времени. И было обнаружено, что это взаимодействие также очень, очень мало.
Итак, чтобы понять эту идею чётче, требуется ввести еще один важный принцип. То, что называется симметрией Печчеи-Квинн в честь физиков, которые ее ввели.
Некоторые из нас осознали, что следствием этого нового принципа является предсказание о существовании нового типа частиц, называемых аксионами — и обладающих исключительно занимательными свойствами. Предсказано, что они очень слабо взаимодействует с обычной материей. А если прогнать уравнения через Большой взрыв, то аксионы образуются именно таким образом, что тёмная материя сформируется именно с теми характеристиками, коорые наблюдают астрономы.
По крайней мере, сильно обнадеживает, что введение аксионов автоматически может решить другую космологическую проблему. И самое замечательное, что стало возможным планировать эксперименты, которые обнаружат их, если они существуют.
Эксперименты очень сложные. Схоже с проблемой детектирования нейтрино, но сложнее — возможно, как только мы найдем правильный подход, станет проще. Эксперименты уже проводятся — и мы узнаем гораздо больше через 5–10 лет.
Строгац: Мне нравится, что вы собираетесь закончить наш выпуск упоминанием о пяти-десяти годах, потому что я хочу завершить на этакой пронзительной и эмоциональной ноте, ведь ваши многие работы, за некоторые из которых вы получили Нобелевскую премию, были в начале вашей карьеры. Разве не было бы восхитительно, если через несколько лет существование аксионов подтвердится.
Вильчек: Это сделало бы мой день. Надеюсь, не стало бы концом моей карьеры, но это определенно сделало бы мой день.
Строгац: Что ж, я очень рад возможности снова поговорить с вами, Фрэнк. Итак, мы поговорили с физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком о тайне и красоте времени. Фрэнк, большое спасибо, что были с нами сегодня.
Вильчек: Спасибо. Большая честь для меня, как говорится.
