Споры о физике времени

Согласно основным теориям в физике, Вселенная — это устойчивое образование, в котором создается только иллюзия движения времени. Однако некоторые физики надеются, что на смену ей придет теория физики времени.

Эйнштейн как-то назвал своего друга Микеле Бессо (Michele Besso) «лучшим слушателем» научных идей в Европе. Они вместе учились в Цюрихском университете и впоследствии сотрудничали в патентном бюро в Берне. Когда Бессо умер весной 1955 году, Эйнштейн, зная, что его время подходит к концу, написал ныне известное письмо семье Бессо. «И вот он покинул этот странный мир чуть раньше меня, — писал Эйнштейн о смерти своего друга. — Это не значит ровно ничего. Для нас, убежденных физиков, разграничение между прошлым, настоящим и будущим — всего лишь неизменно устойчивая иллюзия».

Утверждение Эйнштейна было не просто попыткой утешить родных его друга. Многие физики спорят о том, что позиция Эйнштейна зиждется на двух столпах современной физики: шедевре Эйнштейна, общей теории относительности, и на Стандартной модели физики частиц. Лежащие в основе этих теорий законы симметричны во времени: то есть описываемая ими физика остается неизменной вне зависимости от увеличения или уменьшения переменной под названием «время». Более того, они ничего не сообщают нам о точке, определяемой нами как «сейчас» — заданном моменте (как он нам представляется), но довольно неопределенном, если говорить о Вселенной в целом. Конечный вневременной космос иногда называют «блоковой Вселенной» — статичным блоком из пространства и времени, в котором любое течение времени или передвижение в нем предположительно должно быть ментальным образованием или иной формой заблуждения.

Многие физики примирились с идеей блоковой Вселенной, утверждая, что задача физика — описать, какова Вселенная с точки зрения отдельных наблюдателей. Чтобы понять разграничение между прошлым, настоящим и будущим, вы должны «окунуться в эту блоковую Вселенную и спросить: „Как наблюдатель представляет себе время?“», — говорит Андреас Альбрехт (Andreas Albrecht), физик Калифорнийского университета в Дэйвисе и один из основателей теории космической инфляции.

Другие же выражают резкое несогласие, утверждая, что задача физики — объяснить не просто процесс движения времени, но и его цель. Для них Вселенная не статична. Время движется физически. «Я уже сыт по горло этой блоковой Вселенной, — говорит Авшалом Элитзур (Avshalom Elitzur), физик и философ, раньше работавший в Университете Бар-Илан. — Я не считаю, что следующий четверг будет иметь ту же основу, что и этот. Будущее не существует. Не существует! Онтологически, его нет».

Месяц назад около 60 физиков, а также несколько философов и ученых из других областей науки собрались в Институте теоретической физики Периметр в Ватерлоо, Канада, чтобы обсудить этот вопрос на конференции «Время в космологии». Один из организаторов конференции — физик Ли Смолин (Lee Smolin), известный критик идеи блоковой Вселенной (среди прочих явлений). Его позиция разъясняется широкой аудитории в книге «Возвращение времени» (Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe) и гораздо более специализированном труде «Сингулярная Вселенная и реальность времени» (The Singular Universe and the Reality of Time), написанном в соавторстве с философом Роберто Мангабейра Унгером (Roberto Mangabeira Unger), также выступившим одним из организаторов этой конференции. В своей последней работе, отвечая на соображения Элитзура об отсутствии конкретики будущего, Смолин пишет: «Будущее нереально сейчас, и не может быть никаких окончательных фактов существования будущего». Что реально, так это «процесс генерации событий будущего событиями настоящего», — сказал он на конференции.

В аудитории обсуждалось несколько вопросов: разграничение между прошлым, настоящим и будущим; почему представляется, что время движется лишь в одном направлении; фундаментально оно или стихийно. Большинство этих вопросов, что неудивительно, остались нерешенными. Однако в течение четырех дней участники конференции внимательно слушали последние предложения по способу решения этих вопросов — и особенно о том, как нам примирить наше представление о движении времени со статичной, казалось бы, безвременной вселенной.

Время, загнанное под ковер

Есть несколько пунктов, относительно которых споров не возникает. Направленность, наблюдаемая нами в макроскопическом мире, весьма реальна: чашки разбиваются, но не могут спонтанно склеиться, яйца можно взбить, но в первоначальное состояние они уже не вернутся. Энтропия — мера хаоса в мире — всегда растет, это факт, установленный вторым законом термодинамики. Как еще в 19-м веке понял австрийский физик Людвиг Больцманн, второй закон объясняет, почему события развиваются в том, а не в ином направлении. Это объясняется стрелой времени.

Однако все усложняется, когда мы делаем шаг назад и спрашиваем, почему мы живем во Вселенной, в которой действует такой закон. «Что подлинно объяснил Больтцманн — это почему энтропия завтра будет больше, чем сегодня», — заметил Шон Кэрролл (Sean Carroll), физик Калифорнийского института технологий, когда мы сидели в баре отеля вечером второго дня конференции. «Но если бы этим ваши знания ограничивались, вы бы также говорили, что энтропия Вселенной вчера была больше, чем сегодня, потому что все основополагающие динамики совершенно симметричны в отношении времени». Значит, если энтропия строится на основополагающих законах Вселенной, а эти законы неизменно движутся вперед и назад, то она (энтропия) также склонна увеличиваться и в обратном направлении времени. Но никто не верит, что энтропия действует в этом направлении. Разбитые яйца всегда получаются из целых яиц, и никогда не наоборот.

Пытаясь это понять, физики предположили, что при возникновении Вселенной уровень энтропии был очень низок. В рамках этой точки зрения, которую философ физики из Колумбийского университета Дэвид Альберт (David Albert) назвал «гипотезой прошлого», энтропия растет, потому что Большой взрыв произвел Вселенную с исключительно низким уровнем энтропии. Она могла только расти. Гипотеза прошлого подразумевает, что всякий раз, когда мы разбиваем яйцо, мы извлекаем выгоду из событий, произошедших почти 14 миллиардов лет назад. «Что должен объяснить нам Большой взрыв: как возникли целые яйца?», — говорит Кэрролл.

Некоторые физики озабочены гипотезой прошлого больше других. Попытка взять то, что мы не понимаем в сегодняшнем устройстве Вселенной, и объяснить это Большим взрывом, может показаться уходом от ответственности, или заметанием наших проблем под ковер. Каждый раз, как мы ссылаемся к изначальным условиям, «кучка под ковром становится больше», — говорит Марина Кортес (Marina Cortes), космолог из Королевской обсерватории в Эдинбурге и один из организаторов конференции.

Смолину гипотеза прошлого представляется скорее признанием фиаско, а не полезным шагом вперед. Как он говорит в «Сингулярной Вселенной»: «Что надо объяснить — это почему Вселенная даже спустя 13,8 миллиардов лет после Большого взрыва не достигла равновесия, которое по определению является наиболее вероятным состоянием, и что едва ли исчерпывается утверждением, что она зародилась в менее вероятном состоянии, чем нынешнее».

Другие физики, однако, подчеркивают, что разработка теорий, описывающих систему, опираясь на определенные изначальные условия, — в порядке вещей. Теория не должна стремиться к объяснению этих условий.

Некоторые физики считают, что гипотеза прошлого, в отсутствие лучшей, скорее является временным вариантом, нежели окончательным ответом на вопрос. Возможно, если нам повезет, она укажет на более основательное решение. «Многие говорят, что гипотеза прошлого — это просто факт, который ничем невозможно объяснить. Я не исключаю такой возможности», — говорит Кэрролл. «На мой взгляд, гипотеза прошлого — это ключ, который может помочь нам разработать более понятную картину Вселенной».

Альтернативные истоки времени

Можно ли понять стрелу времени, не прибегая к гипотезе прошлого? Некоторые физики утверждают, что гравитация — а не термодинамика — направляет стрелу времени. С этой точки зрения, гравитация приводит к сплочению материи, определяя стрелу времени, направление которой задает увеличение сложности, как говорит Тим Козловски (Tim Koslowski), физик Национального независимого университета города Мехико (он описал эту идею в статье 2014, написанной в соавторстве с британским физиком Джулианом Барбуром (Julian Barbour) и Флавио Меркати (Flavio Mercati), физиком из Периметра). Козловски и его коллеги разработали простые модели вселенных, сделанных из 1000 точечных частиц, испытывающих действие только Ньютонского закона всемирного тяготения, и выяснили, что всегда будет точка наибольшей плотности и минимальной сложности. Как только вы сходите с этой точки — в любом направлении, — сложность увеличивается. Естественно, мы — сложные существа, способные делать наблюдения, — можем развиваться лишь на некотором расстоянии от минимума. Однако, где бы мы ни обнаружили себя в истории Вселенной, мы можем указать эру меньшей сложности и назвать ее прошлым, — говорит Козловски. Модели глобально симметричны во времени, но каждый наблюдатель взаимодействует с локальной стрелой времени. Важно, что низкий стартовый уровень энтропии — это не прибавляемая к модели величина. Скорее, это ее естественное следствие. «Гравитация, по сути, уничтожает необходимость в гипотезе прошлого», — говорит Козловски.

Представление, что время движется более чем в одном направлении и что мы населяем часть космоса с единственной, локально определенной стрелой времени, не ново. Еще в 2004 году Кэрролл и его выпускница Дженнифер Чен (Jennifer Chen) выдвигали схожее предположение, основанное на хаотической теории инфляции, относительно известной модели зарождения Вселенной. Кэрролл видит в работе Козловски и его коллег полезный шаг, в частности потому, что они разработали математические детали своей модели (а они с Чен этого не делали). И все же у него есть некоторые сомнения. Например, он отмечает, что неясно, играет ли гравитация столь важную роль, как утверждается в их статье. «При наличии частиц в открытом космосе вы получаете те же качественные характеристики», — говорит он.

Увеличение сложности, говорит Козловски, влечет за собой один побочный эффект: оно приводит к формированию определенных образований материи, которые сохраняют свою структуру во времени. Эти структуры способны хранить информацию, Козловски называет их «воспоминания». Гравитация — это первая и первичная сила, определяющая возможность формирования воспоминаний; другие процессы дают толчок к развитию всего остального, от окаменелостей и древесных колец до письменных документов. Общего у всех этих явлений — то, что они содержат информацию о каком-то предыдущем состоянии Вселенной. Я спросил у Козловски, является ли память, хранящаяся в мозге, другим типом воспоминаний. Он согласился. «В идеале мы могли бы создавать более сложные модели и дойти до памяти в телефоне, памяти мозга, памяти исторических книг». Более сложная вселенная хранит больше воспоминаний, чем более простая, и поэтому, говорит Козловски, мы помним прошлое, а не будущее.

Но, возможно, время играет еще более важную роль. По мнению Джорджа Эллиса (George Ellis), космолога из Университета Кейптауна в ЮАР, время — это скорее базовое образование, которое можно понять, представляя блоковую Вселенную как развивающуюся. В его модели «развивающейся блоковой Вселенной» Вселенная — это растущий объем пространства-времени. Поверхность этого объема можно представить как настоящий момент. Поверхность представляет собой мгновение, в котором «неопределенность будущего становится определенностью прошлого», как он это описывает. «Пространство-время само растет с течением времени». Направление времени можно определить, глядя, с какой стороны Вселенная неизменна (прошлое), а с какой — изменчива (будущее). И хотя некоторые его коллеги с ним не согласны, Эллис подчеркивает, что модель — это модификация, а не радикальный пересмотр стандартной точки зрения. «Это блоковая Вселенная с динамикой, скрытой уравнениями поля общей теории относительности — совершенно стандартно — но с определением границы будущего как вечно меняющегося настоящего», — говорит он. С этой точки зрения, в то время как прошлое устойчиво и неизменно, будущее открыто. Эта модель, очевидно, «представляет собой ход времени более удовлетворительно, нежели обычная блоковая Вселенная», — говорит ученый.

В отличие от традиционной блоковой точки зрения, картина Эллиса представляет Вселенную с открытым будущим, что, на первый взгляд, вступает в конфликт с представлением о Вселенной, подчиняющейся законам, в которой прошлые физические состояния определяют будущие. (Хотя квантовой неопределенности, как подчеркивает Эллис, может быть достаточно, чтобы оспорить этот детерминизм). На конференции Эллису задали вопрос: можно ли было бы предсказать исход Брексита при наличии достаточного количества информации о физике сферы определенного радиуса, расположенной в центральных графствах Великобритании в начале июня. «Только не при помощи физики», — ответил Эллис. Для этого, сказал он, нам нужно лучше понимать, как функционирует мозг.

Другой подход, стремящийся примирить движение времени с блоковой Вселенной, называется теорией причинного ряда. Впервые разработанная в 1980-е годы как подход к квантумной гравитации физиком Рафаэлем Соркиным (Rafael Sorkin), присутствовавшего, кстати, на конференции, эта теория основана на представлении, что пространство и время скорее дискретны, чем непрерывны. С этой точки зрения, хотя Вселенная на макроскопическом уровне представляется непрерывной, если бы мы могли взглянуть на так называемую шкалу Планка (расстояния, равные примерно 10–35 метрам), мы бы увидели, что Вселенная состоит из элементарных единиц или «атомов» пространства и времени. Атомы образуют то, что математики называют «частично упорядоченным множеством», ряд, в котором каждый элемент связан с прилегающим к нему элементом в определенной последовательности. Количество этих атомов (расценивающееся ни много ни мало как 10240 в видимой Вселенной) влечет за собой увеличение объема пространства и времени, в то время как их последовательность дает развитие времени. В рамках этой теории, во Вселенной постоянно возникают новые атомы пространства и времени. Фэй Доукер (Fay Dowker), физик из Имперского колледжа Лондона, назвала это на конференции «разрастающимся временем». Она попросила всех представить пространство и время как наращивающие свои новые атомы, аналогично тому, как дно океана со временем постоянно наращивает новые слои осадка. Общая теория относительности дает только блок, а теория причинного ряда позволяет представить ее «становление», — говорит она. «Блоковая Вселенная статична, это статичная картина мира, в то время как сам процесс становления — динамичен». С этой точки зрения, ход времени — это фундаментальная, а не переменная характеристика космоса. (Теория причинного ряда позволила сделать одно успешное предсказание относительно Вселенной, подчеркнула Доукер: ее использовали, чтобы оценить достоинство космологической константы, основываясь только на объеме пространства и времени Вселенной).

Проблемы с будущим

Существование этих конкурирующих моделей способствовало тому, что многие мыслители перестали бояться и полюбили блоковую Вселенную (или, по крайней мере, стали относиться к ней терпимо).

Возможно, самое сильное заявление на конференции прозвучало в пользу сочетаемости блоковой Вселенной с повседневным опытом от философа Дженэнн Исмаэль (Jenann Ismael) из Аризонского университета. С ее точки зрения, правильный взгляд на блоковую Вселенную содержит объяснение нашего опыта очевидного движения времени. Внимательный анализ традиционной физики, дополненный знаниями, полученными в последние десятилетия из когнитивной науки и психологии, может восстановить «поток, вихрь опыта», — говорит она. На ее взгляд, время — это не иллюзия; на самом деле, мы воспринимаем его непосредственно. Она привела в пример исследования, показывающие, что каждый переживаемый нами момент представляет собой предельный временной отрезок. Иными словами, мы не подразумеваем течение времени, оно — часть самого опыта. Основная задача, отмечает философ, — вместить этот непосредственный опыт в рамки статичного блока, предлагаемого физиками, и проанализировать, «как выглядит мир в рамках развивающейся точки отсчета статичного наблюдателя», чья история представлена в изгибе пространства и времени блоковой Вселенной.

Выступление Исмаэль вызвало неоднозначную реакцию. Кэрролл выразил свое согласие со всем, что она сказала, Элитзур заметил, что «едва сдерживал возмущение» во время ее речи. (В дальнейшем он пояснил: «Если я бьюсь головой об стену — значит, я ненавижу будущее»). Возражение, многократно звучавшее во время конференции, состояло в том, что блоковая Вселенная подразумевает каким-то важным образом, что будущее уже существует, но утверждения относительно, например, погоды в грядущий четверг нельзя назвать ни лживыми, ни правдивыми. Некоторые видят в этом непреодолимую проблему блокового представления о Вселенной. Исмаэль уже неоднократно слышала все эти возражения. Будущие события существуют, отмечает она, но они существуют не сейчас. «Блоковая Вселенная — это не изменчивая картина, — говорит она. — Это картина изменения». События случаются тогда, когда они должны случиться. «Это момент, и я знаю никому в этой аудитории это не понравится, но физика должна уживаться с некоторой доли философии», — заметила Исмаэль. «Существует давний спор об истинностных значениях высказываний о существовании будущего, и он никак не связан с нашим переживанием времени». А если кто-то захочет узнать об этом больше? «Я рекомендую читать Аристотеля», — сказала она.

Дэн Фальк (Dan Falk)  Quanta Magazine, США