Richard A. Muller
NOW
THE PHYSICS OF TIME
Научный редактор Азат Гизатулин
Издано с разрешения автора при содействии Brockman, Inc.
Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.
* * *
Введение
Сейчас – это таинственное и эфемерное мгновение, меняющее свое значение каждый миг, – вполне оправданно ставило в тупик священников, философов и физиков. Понимание сейчас требует знания законов относительности, энтропии, квантовой физики, антивещества, обратного движения во времени, квантовой запутанности, Большого взрыва и темной энергии. Только сейчас в нашем распоряжении есть достижения физики, которые позволят понять, что же это все-таки такое – сейчас.
Ускользающее значение этого понятия долгое время было камнем преткновения в физике. Сегодня мы знаем, что такое замедление времени, возникающее под воздействием скорости и гравитации, и даже обратный его ход, согласно теории относительности, и все же ничего не добились в объяснении самого удивительного свойства времени – его течения и толкования слова сейчас. Фундаментальная физическая картина мира, известная как «пространственно-временная диаграмма», не дает ответа на эти вопросы. Физики иногда превратно считают отсутствие ответов доказательством и делают вывод, что течение времени – всего лишь иллюзия. Но это отступление перед природой. Пока нам будет неясно значение слова сейчас, невозможен прогресс в понимании времени – основополагающего аспекта окружающего мира.
В этой книге я постарался собрать воедино все современные достижения физики и сложить из них пазл, чтобы прояснить картину сейчас. К тому же пришлось убрать из головоломки элементы, ошибочно помещенные в некоторые ячейки.
Широкое понимание физики объясняет, почему до сих пор не удавалось решить ребус с толкованием сейчас. Физика не проста и не линейна, поэтому в книге приходится касаться огромного материала, которого, возможно, даже многовато для отдельного издания. Не стесняйтесь листать страницы вперед и назад, возвращаясь к идеям и концепциям, которые вы пропустили. Вообще все содержание этого труда вполне можно воспринимать как тайну, по мере приближения к которой проявляются некоторые ключи, способные приоткрыть завесу над ней.
По специальности и научной практике я прежде всего физик-экспериментатор: конструирую и использую опытное оборудование, чтобы раскрывать спрятанные от нас физические истины. Два моих проекта непосредственно связаны с пониманием времени: измерение остаточного микроволнового (реликтового) излучения, сохранившегося после Большого взрыва, и точное измерение прошлого расширения Вселенной, включая открытие темной энергии, которая обусловливает ускорение этого расширения. Должен признаться, что написал немало чисто теоретических работ, но только тогда, когда не хватало ассигнований на эксперименты или если я считал существовавшие теории ошибочными. Насколько мне известно, настоящая книга – единственная посвященная проблеме времени, которую написал физик, глубоко вовлеченный в экспериментальные исследования. Ниже я поделюсь мыслями относительно того, с какими трудностями и разочарованиями сталкиваются ученые в ходе таких разработок.
Путь к пониманию категории сейчас требуется разделить на пять частей.
Часть I, «Удивительное время», я начинаю с обсуждения вполне устоявшихся, но тем не менее удивительных аспектов понимания времени, которые в основном были открыты Альбертом Эйнштейном. Время не просто растягивается, замедляется и поворачивает вспять; подобным поведением оно затрагивает нашу повседневную жизнь. Работа GPS, навигационной системы, которая позволяет ориентироваться на местности и не заблудиться, целиком основана на уравнениях теории относительности Эйнштейна и на указанных выше странных, на первый взгляд, свойствах времени. Именно теория относительности позволила представить четырехмерный пространственно-временной континуум. Самый важный вывод части I: мы знаем о времени достаточно много, и хотя его природа непроста, она весьма определенна. Скорость течения времени зависит от скорости движения объектов и гравитации. Даже порядок возникновения событий – какое из них назвать первым – не универсальная истина. Более того, теория относительности Эйнштейна дает много структурных компонентов, необходимых для понимания нашего сейчас.
В части II, «Сломанная стрела», я убираю одну из деталей головоломки, которая ранее ошибочно была помещена в неподходящее для нее место. Эта деталь больше других сдерживала продвижение мысли в понимании сейчас. Речь идет о теории Артура Эддингтона, претендующей на определение направления течения времени: согласно этой теории, время идет от прошлого к будущему, и никогда не наоборот. Я сначала изо всех сил пытаюсь оправдать этот постулат и только потом разбираю его фатальные ошибки.
Эддингтон приписывал течению времени возрастание энтропии, меры хаоса во Вселенной. Сейчас мы знаем об энтропии во Вселенной гораздо больше, чем Эддингтон в 1928 году, когда предложил свою теорию. Я постараюсь доказать, что этот ученый был неправ. Именно течение времени увеличивает энтропию, а не наоборот. Энтропия не вызывает диктатуры, которую часто ей приписывают. Контроль над путями развития энтропии оказывается очень важным для нашего понимания сейчас.
Часть III, «“Жуткая” физика», знакомит читателя с еще одним важным элементом, необходимым для понимания сейчас, – таинственной квантовой физикой. Эта часть науки – пожалуй, наиболее успешная теория всех времен: в ней соотношение между предсказаниями ученых и наблюдениями составляет 10:10. Тем не менее квантовая теория одновременно и сбивает с толку, и внушает беспокойство. Неуловимые квантовые волны и попытки их измерения грубо противоречат теории относительности Эйнштейна. Их нельзя обнаружить или каким-то образом использовать. Поведение квантовых волн бросает вызов нашему ощущению реальности и расширяет его, что очень пригодится в толковании сейчас. Наиболее интригующим (а возможно, и освобождающим наше мышление) следствием квантовой физики становится то, что прошлое больше не определяет будущее или определяет не полностью. Некоторые аспекты квантовой физики, в особенности такое странное явление, как квантовая запутанность, были подтверждены экспериментально, и эти (удивительные!) результаты экспериментов дают основание полагать, что ограниченная способность предсказывать будущие события навечно останется одним из фундаментальных слабых мест физики как науки.
В части IV, «Физика и реальность», я исследую пределы физики. Не беспокойтесь – время и сейчас не выходят за эти пределы. Они начинаются в физике, но наше восприятие их зависит от нашего же ощущения реальности, которое простирается за границы физики. Математика представляет собой реальный мир, который невозможно подтвердить физическими экспериментами. Даже такую простую вещь, как иррациональность √2. Но есть другие явления, вполне реальные и не относящиеся к области физики. Например, вопросы типа: как выглядит голубой цвет? Отрицание нефизических и нематематических истин было названо физикализмом. Он основан на вере и обладает всеми недостатками религии. К счастью, вопреки страстным надеждам Эйнштейна, современные доказательства подводят нас к тому, что физика – наука не полная, и она никогда не будет в состоянии описать всю нашу реальность.
В части V, «Сейчас», все детали сходятся в законченный пазл. Он дает объединенную картину того, что время течет, и раскрывает значение эфемерного момента, который мы называем сейчас. Решение кроется в четырехмерном понимании Большого взрыва. Взрывы во Вселенной создают не только новое пространство, но и новое время. Передняя ближайшая к нам граница времени и есть то, что мы называем сейчас, а течение времени – постоянный процесс создания новых сейчас. Мы ощущаем каждый момент отличным от предшествующих, потому что он – единственный, в котором можно сделать выбор и испытать свободу воли, влияя на собственное будущее и изменяя его. Вопреки утверждениям классических философов, мы исходим из того, что свобода воли совместима с физикой. Те же, кто утверждает обратное, обрекают себя на веру в религию физикализма. Мы можем влиять на будущее, используя не только научное, но и ненаучное знание (сопереживание, добродетель, этические нормы, честность, справедливость).
Я исследую три возможные четырехмерные модели движения времени. Наблюдаемое сейчас ускорение расширения Вселенной, связанное с темной энергией, должно сопровождаться увеличением скорости течения времени. Эта теория предполагает, что нынешнее время бежит быстрее, чем прошлое. На основании этого можно решить, что произойдет новое и, возможно, наблюдаемое замедление времени, новое космологическое красное смещение. Это способно повлиять на наше представление о начале Большого взрыва и эре инфляционной модели Вселенной, то есть том периоде ее расширения, который мы можем исследовать, обнаруживая появившиеся во время взрыва гравитационные волны, а их уже опосредованно изучать на явлении вращения плоскости поляризации микроволнового излучения.
Третья модель была задумана, когда в 2016 году международное исследовательское сообщество LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) сообщило об обнаружении на своих установках уникального явления – слияния двух черных дыр. Такие события создают новое пространство во Вселенной, а также, в соответствии с теорией четырехмерного пространства-времени, и новое время. Это время течет медленнее, если последующие события масштабнее по размеру, ближе к нам и излучают более сильный сигнал.
Для тех, кто интересуется математикой, подробности теории относительности и ее математический аппарат показаны в приложениях.
Давайте приступим к сбору нашего пазла.
Часть I
Удивительное время
Глава 1
Запутанная тайна
Великие философы имели весьма разноречивые и путаные представления о времени, но физика дала надежду на то, что мы поймем его
Вот вам факт о вас самих, который мало кто знает. Возможно, даже никто, кроме вас. Он состоит в том, что именно сейчас вы читаете эту книгу. Я могу быть даже более точным: именно сейчас вы читаете слово сейчас.
Более того, вы знаете, что это правда, хотя я об этом не знал и до сих пор не знаю. Вы читаете слово сейчас именно сейчас, а мне этот факт совершенно неизвестен, если только я не стою за вашей спиной и вы не указываете пальцем на те слова, которые прочитываете.
Сейчас – это очень простое и одновременно удивительное и таинственное понятие. Вы знаете, что оно означает, но его значение трудно объяснить без постоянного хождения по кругу. «Сейчас – это момент времени, который отделяет прошлое от будущего». Хорошо, а теперь попытайтесь дать определение прошлому и будущему, не используя слово сейчас. То, что вы подразумеваете под «прошлым» и «будущим», постоянно меняется. Только недавно чтение вами этого абзаца лежало в плоскости будущего. Сейчас большая часть этого события уже в прошлом.
Теперь уже весь абзац в прошлом (если только вы не пропускаете строчки). Сейчас относится ко вполне определенному времени. Но это время беспрерывно меняется. Именно поэтому мы используем часы. Они сообщают нам цифры, связанные с сейчас. Цифры называют «настоящее», или «реальное» время. Часы обновляют его непрерывно, обычно ежесекундно. Движение времени неостановимо. Мы можем занимать одно и то же место в пространстве, но не во времени. Мы движемся во времени, но не контролируем этот процесс. Конечно, если только путешествия во времени не станут возможными.
Смысл сейчас – одна из многих тайн, заключенных в этом странном явлении, которое называется временем. Замечательно, что сегодня мы так много знаем о нем, особенно благодаря причудливым и сверхъестественным понятиям, связанным с теорией относительности Эйнштейна. Но настолько же очевидно и то, что мы так мало знаем о фундаментальных характеристиках времени: что это вообще такое и как оно связано с окружающей нас реальностью. Эта книга – о времени. О том, что мы о нем знаем и чего не знаем.
Течет ли время? В 5 часов 12 минут утра 18 апреля 1906 года в Сан-Франциско произошло страшное землетрясение. Время этого природного катаклизма не изменилось; вы можете прочесть о нем в «Википедии». То, что течет, движется, – это наше понимание сейчас. Сейчас движется, изменяется и продвигается во времени.
Или, может быть, имеет больший смысл говорить, что время течет мимо этого сейчас. Вообще описать смысл слова «движение» довольно трудно. Говоря, что движется автомобиль, мы замечаем его положение в один момент времени и затем – в другой момент времени. Скорость движения машины будет определяться делением расстояния на время, которое заняло его покрытие. Например, это может быть столько-то миль в час. Такой подход к описанию сейчас никуда не годится. Сейчас – это именно сейчас. Остановитесь на секунду, и сейчас останется именно сейчас. Разве это сейчас движется? Да, ход времени иллюстрируется тем обстоятельством, что значение сейчас постоянно меняется. С какой же скоростью движется время? Со скоростью секунда в секунду.
Есть еще третий взгляд. Он состоит в том, что каждый момент генерируется новое время, и именно это вновь возникшее время – то самое сейчас. Лежат ли в основе этих взглядов философские либо физические различия? Можно ли свободно выбирать один из них или в том или ином больше истины и смысла, чем в других? Этот вопрос мы также исследуем на страницах книги.
Давайте предположим, что время остановилось. Вы заметите это? Каким образом? Или, например, оно унеслось скачками вперед или изменило скорость своего движения каким-то другим образом. Сможете обнаружить разницу? Это, пожалуй, нелегко; по крайней мере, если бы вы использовали то изображение времени, которое часто встречается в кинематографе. Например, в фильмах «Темный город», «Клик: с пультом по жизни», «Интерстеллар» или «Лара Крофт: расхитительница гробниц». Восприятие нами момента сейчас, судя по всему, определяется количеством миллисекунд, необходимых для того, чтобы наши глаз, ухо или кончики пальцев послали в мозг сигнал, который он заметит, запечатлеет и запомнит. Для человеческого существа это несколько десятых секунды, для мухи – несколько тысячных секунды. Кстати, поэтому так трудно ловить мух. Для мухи ваша рука приближается словно в замедленной съемке, совсем как в фильме «Останавливающие время».