Текст книги "Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно"

Практикующему ученому эта позиция кажется столь самоочевидной, что можно подумать, что она не может быть оспорена. Но почти сразу же мы сталкиваемся с известной дилеммой: что было раньше – курица или яйцо? Времени не может быть без Вселенной, а Вселенной – без времени. Они взаимозависимы. То же верно и для атомов, которые не появлялись 300 тысяч лет после Большого взрыва, когда соединились протоны и электроны, а до них существовала только ионизированная материя. Не будь времени, не было бы атомов. Но без атомов не было бы человеческого мозга, воспринимающего время. Как связано то и другое? Никто не знает. Иллюзии, которую создают часы, нельзя доверять, и это ставит под сомнение объективное время. Что-то непреодолимое, как Китайская стена, мешает нам заглянуть за пределы планковской эры, во времена прежде сотворения, и увидеть, что произошло до Большого взрыва. Такая же «стена» есть и вокруг времени, но это не помешало физикам объяснить, наконец, как время действует в созданной Вселенной. Время несет с собой изменения, а изменения подразумевают движение, без которого нет никакого творения. Но, как ни странно, наблюдаемое движение не означает, что мы действительно наблюдаем что-то движущееся. Это тоже может быть иллюзией.

Тот факт, что атомы и молекулы движутся, – часть иллюзии часов. Когда вы смотрите на погоню за автомобилем в кино, изображение фактически не движется. Вместо этого кадры неподвижных фотографий прокручиваются через проектор со скоростью 24 кадра в секунду (если это пленочный проектор), чтобы создать иллюзию движения. Наш мозг тоже делает такие «моментальные снимки», которые сменяются так быстро, что мы видим мир движущимся.

На уровне квантового поля все движения могут быть обманчивы. Субатомные частицы подмигивают из квантового вакуума, вновь появляясь каждый раз в новом месте. По сути, они не двигаются, потому что разные места – просто изменения состояния. Вспомните, как работает экран телевизора. Чтобы по экрану пролетел красный воздушный шар, ничто внутри телевизора не должно двигаться. Вместо этого включаются и выключаются люминофоры в старомодной электронно-лучевой трубке или ЖК-индикаторы на цифровом экране мигают и выключаются. Когда они делают это в определенном порядке, шар проплывает слева направо, сверху вниз или в любом другом направлении.

Сидя в кино, мы знаем, как сделаны трюки в фильме, но поддаемся иллюзиям. Всегда, когда хотим, мы можем встать и выйти из кино, возвращаясь в реальный мир. Но как выйти из реального мира? Если повседневное время так же иллюзорно, как время в кино, возникает проблема. Человеческая нервная система состоит из крошечных «часов», а они регулируют другие крошечные «часы» по всему телу.

Помимо действительно больших ритмов жизни тела (сон и бодрствование, еда, переваривание пищи и выделение отходов), существуют средние (дыхание), короткие (сердцебиение) и очень короткие ритмы (химические реакции внутри клеток).

То, что нервная система человека может синхронизировать все эти ритмы и многое другое, – настоящее чудо. Сокращения мышц, гормональные процессы, деление ДНК, продуцирующее новые клетки, – у всего этого свои собственные часы. Активность ДНК также контролирует отсроченные процессы: от появления детских зубов, начала менструации и других аспектов полового созревания до облысения, менопаузы или манифестации хронических заболеваний, характерных для определенного возраста, вроде некоторых видов рака или болезни Альцгеймера. Каким образом нашим генам удается укладываться во временные масштабы от миллисекунд (именно столько может длиться химическая реакция внутри клетки) до семидесяти лет и дольше, остается загадкой.

Сейчас, если вы настроены практически, у вас может возникнуть искушение сказать: «Тайна времени слишком абстрактна. Мой мозг работает по часам, значит, все в порядке». Но это не так. Представьте себе, что вы спите в своей кровати, и во сне вы – солдат, сражающийся на поле битвы. Вы бежите, ваше сердце колотится. Вокруг вас рвутся бомбы, над головой свистят артиллерийские снаряды. Зрелище ужасающее, и от страха вы просыпаетесь. В этот момент весь ваш сон – иллюзия, но особенно иллюзорно в нем время. Во сне вы можете прожить целую жизнь, но для невролога быстрая фаза сна, во время которой появляются сновидения, занимает не более нескольких секунд или минут.

Другими словами, нет никакой связи между «мозговым временем», измеренной нейронной активностью и вашими переживаниями во сне. То же самое верно и для бодрствования. Представьте, что вам снится, как вы сидите у окна, наблюдая за проходящими людьми и проезжающими машинами. Когда вы просыпаетесь, исследователь ваших сновидений сообщает вам, что прошедшие во сне полдня на самом деле были 23 секундами работы вашего мозга. Если вы сидите у окна, наблюдая за проходящим миром наяву, зрительный опыт создается теми же клетками мозга, что и ваши сны. Возбуждение нескольких нейронов, которое занимает всего несколько сотых секунды, может заставить вас увидеть яркую вспышку в ваших глазах, которая длится долгое время (такие «вспышки» характерны для приступов мигрени или эпилепсии). Вы можете, на выбор, назвать реальным время «для мозга» или время «для вашего опыта». Но на самом деле ни одно из них не будет более реальным, чем другое, по той простой причине, что мы не можем выйти за пределы нашего мозга, чтобы постичь реальное время. Выйти из кинотеатра очень просто. Выйти из сна или пробуждения – нет.

Как же мозг научился понимать время? Посмотрим на химические реакции, происходящие внутри клеток мозга, которые, как и все другие клетки, представляют собой своего рода химзаводы. Эти реакции, а также электрическая активность, которая регистрируется при МРТ, точно рассчитаны. Один из важнейших видов деятельности – обмен ионами натрия и калия через внешнюю мембрану клетки мозга. (Ион – атом или молекула, обладающая электрическим зарядом, положительным либо отрицательным.) Время этого обмена бесконечно мало, но он не мгновенен. Итак, вот основные часы вашего мозга – или ключевая их часть.

К сожалению, часы мозга не привязаны к переживанию времени. Пока идет ионный обмен, время может вести себя как хочет – во сне, в галлюцинациях, при болезненных состояниях, в моменты вдохновения или в другие нестандартные моменты, когда «время останавливается». Ионные процессы ничего не говорят нам о том, как ведет себя время; и, во всяком случае, без Большого взрыва не было бы никаких ионов. Мы в том же тупике, в котором начали. Проблема космического цыпленка и космического яйца так и не решена.

На самом деле, тупик дает нам важную подсказку. Время рождается с каждым возбуждением нейрона в мозге. Оно создается постоянно. До тех пор, пока человек жив, он создает время, и творение никогда не кончается (а если кто-то говорит «у меня кончилось время», он имеет в виду, что не уложился в установленный срок). Поэтому нам не нужно возвращаться к Большому взрыву. Вопрос «Откуда пришло время?» на самом деле не о Вселенной. Речь идет о нашем опыте, здесь и сейчас. Другого времени нет. Решение загадки времени подскажет нам, кто суть люди – создатели времени или его невольные жертвы, пешки мозговой деятельности. Другого выбора, похоже, тоже нет. Если время зависит от мозга и наоборот, то речь идет об одном из самых важных способов, которым каждый человек участвует во Вселенной. До относительности вера в то, что опыт времени у всех один и тот же, была своего рода космологической демократией. Мы все считались равными во времени. Это состояние можно назвать галилеевой демократией (по имени великого итальянского исследователя эпохи Возрождения Галилео Галилея) – из-за некоторых важнейших наблюдений Галилея, которые укрепили «реальность здравого смысла». Например, если кто-то едет мимо вас в машине и в то же время бросает мяч в направлении движения, то скорость мяча можно точно рассчитать, и результат будет всегда одинаковым. В машине, движущейся со скоростью 60 миль в час, может сидеть питчер Высшей лиги, и если он бросает мяч с рекордной скоростью 105,1 мили в час, установленной в 2010 году Аролдисом Чепменом из «Цинциннати Редс», то реальная скорость мяча составит 165,1 мили в час (скорость мяча плюс скорость автомобиля).

Галилеева демократия была вполне приемлемой, пока у нее была фиксированная точка отсчета. Для питчера в машине скорость мяча – 105,1 мили в час, потому что сам питчер уже движется со скоростью машины. Тем не менее Эйнштейн указал, что на самом деле точки отсчета для измерения времени во Вселенной нет. Любой наблюдатель находится в движении относительно любого другого наблюдателя (а значит, никто не может точно определить, кто движется и кто нет; по крайней мере, это верно для постоянных движений). Поэтому все измерения относительны и зависят от того, как быстро предметы движутся друг мимо друга.

Относительность свергла галилееву демократию. Реальность, одинаковая для всех ее участников, перестала быть такой надежной. Если вы находитесь в космическом корабле, путешествующем со скоростью света, и стреляете из лучевой пушки на носу этого корабля, фотоны луча из этой пушки будут также перемещаться со скоростью света. В отличие от питчера в ускоряющемся автомобиле, вы не можете прибавить скорость вашего космического корабля к скорости фотонов, которыми стреляете. Если вы летите со скоростью света, вы уже на абсолютном пределе для всех наблюдателей во всех движущихся системах отсчета. Эйнштейн показал, что конкретная скорость прохождения времени будет зависеть от системы отсчета, в которой она находится. Таким образом, относительность навсегда разрушила предположение о том, что каждый опыт времени – одинаковый. Время не всегда одинаково для каждого наблюдателя. Мы похожи на свободно плавающие точки в космосе, где применяется только местное время.

Но если взглянуть на это по-другому, каждый наблюдатель определяет временные рамки своего опыта и может изменить этот временной отрезок, двигаясь быстрее или медленнее, по более резкой кривой или приближаясь к сильному гравитационному полю. Галилеева демократия превращается в эйнштейновскую.

Фактически, это универсальная демократия, которая дает больше свободы участвующим. Константы все еще существуют. Скорость света накладывает прежние ограничения на скорость, с которой объект может перемещаться в пространстве и времени. Но вместо того чтобы стать тюремной стеной, внутри которой мы заперты, константы превращаются в подобие правил игры. Вы должны играть по правилам, и в их рамках вы можете сделать любой ход, какой пожелаете, – неважно, в шахматах, футболе или маджонге. Наука имеет склонность слишком склоняться перед правилами. Если, к примеру, электромагнитные волны перемещаются со скоростью света в пустом пространстве, то это не изменит скорость нигде в космосе. Фиксация скорости света как абсолюта была очень желательна для того, чтобы производить вычисления. Этот момент устранил ненадежность субъективного времени.

Однако куда важнее обратная сторона. Благодаря тому, что скорость электромагнитных волн – константа, нашему мозгу доступна свобода мысли. Мы можем играть в любую игру ума, которую выбираем: в конце концов, все игры – это игры ума. Скорость света – средство для достижения человеческой цели, которая заключается в том, чтобы наслаждаться нашей свободой. Научная точка зрения, гласящая, что разум связан со скоростью электричества (в числе прочих фиксированных констант), именно такова. В эйнштейновской демократии каждый человек волен ставить на первое место и правила, и свободу. Абсолютного приоритета нет.

Когда относительность разрушила абсолютность времени, она разрушила и абсолютность пространства. Как и время, пространство представляется искаженным при измерении в разных движущихся системах отсчета. Согласно теории относительности, неподвижный наблюдатель, наблюдающий за космическим кораблем, приближающимся к скорости света, видел бы, что его длина сокращается в направлении его поступательного движения. В повседневной жизни мы не воспринимаем эти релятивистские эффекты в пространстве и времени личностно, потому что скорости, с которыми мы привыкли иметь дело, невероятно малы по сравнению со скоростью света. Однако в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в Женеве (Швейцария), где был открыт бозон Хиггса, субатомные частицы можно вполне штатно разогнать до скоростей, приближающихся к световой. Это и есть место на Земле, где релятивистские эффекты измеримы и полностью приняты экспериментаторами как факт природы.

Одним словом, мы можем визуализировать, каким может быть время, когда оно входит в творение. Маленькие дети любят книжки-раскладушки. Пока они закрыты, как обычные книги, они плоские, но стоит открыть такую книжку – и появится домик, животное или что-нибудь еще трехмерное. Творение, если смотреть на него с квантовой позиции, такое же. В нем есть плоскость и есть внезапно появляющиеся объекты в пространстве-времени. Все всплывает сразу.

Поэтому изолированное поведение частиц на самом деле не показатель для реальности. Чтобы дом, дерево, планета или человеческое тело существовали, на самом деле не требуется, чтобы субатомные частицы, атомы и молекулы нагромождались друг на друга, подобно кирпичам. Вместо этого субатомные частицы приносят с собой пространство и время.

Последствия этого факта удивительны. Например, частица, движущаяся близко к скорости света, может распасться за короткое время, измеряемое в миллионных долях секунды, но оно будет дольше, чем пронаблюдают физики в лаборатории, которая неподвижна относительно движущейся частицы. Частица, которая движется со скоростью, равной световой, вечна, потому что для нее течения времени нет. Оно словно бы стоит на месте. Относительно света времени не существует, а с нашей точки зрения, в мире, ограниченном скоростью света, время жизни фотона бесконечно долгое. Фотоны, частицы света, имеют нулевую массу. Если масса частицы (любой частицы) конечна, она никогда не сможет достичь скорости света.

Теперь у нас есть доказательство одной из кажущихся невозможными идей, с которых начиналась эта глава: вечность – у нас на пороге. Вечный свет породил жизнь на Земле и продолжает поддерживать ее. Поэтому реальный вопрос заключается в том, как две противоположности, время и безвременье, относятся друг к другу. Поскольку время, пространство и материя возникают из плоскостности все сразу, абсолютные объекты втягиваются в демократию Эйнштейна – становятся относительными. Согласно относительности, масса объекта непостоянна. Материя постоянно трансформируется в энергию и наоборот – согласно формуле E = mc². Но на этом наша способность визуализировать заканчивается. Мы ограничены медлительностью мозга – только потому, что он состоит из материи. Электрические импульсы внутри мозга перемещаются со скоростью света, но мысли, запущенные ими, «замедляются», подобно огромному напряжению в линиях электропередачи, снижающемуся для домашней электросети. Единственными частицами, которые движутся со скоростью света, остаются фотоны и другие частицы с нулевой массой, такие как неуловимое нейтрино (если его масса на самом деле нулевая). Если бы кто-то мог волшебным образом превысить скорость света, время пошло бы обратно, теоретически – назад, к началу времени.

Эйнштейн считал, что в классическом мире этого не может быть, даже с релятивистскими эффектами. Однако подобное может произойти в квантовом мире. Все перестановки времени – квантовые возможности, а это еще один ценный ключ. Если квантовая область позволяет времени стоять на месте, двигаться назад или следовать стрелке, направленной из прошлого в настоящее и далее в будущее, то нет никакой причины, по которой Большой взрыв отдал бы предпочтение любой из этих возможностей. Вопрос, почему мы живем по часовому времени, очень похож на вопрос, почему во Вселенной все так хорошо устроено. Часовое время полезно людям точно так же, как тонкая настройка – Вселенной. (Когда кто-то говорит: «Мне нужно время подумать», он невольно формулирует научный принцип физики.)

Как и любые другие существа, люди не могут существовать без рождения и смерти, создания и разрушения, зрелости и распада. Все это – дары часового времени, и хотя звезды и галактики также рождаются и умирают, их жизненные циклы всего лишь перетасовки материи и энергии на космическом игровом поле. С людьми гораздо сложнее, потому что, в отличие от физических объектов, у людей есть разум, а он создает новые идеи, рожденные в поле возможностей, которое кажется бесконечным. Тайна времени должна быть каким-либо образом связана с тем, как работает человеческий ум. Посмотрим, сблизит ли время и ум квантовая революция.

Превышение скорости света с точки зрения относительности было бы ошеломляющим, но теперь стало реальным и это. Недавно экспериментаторы нашли способ перемещения фотонов из одной позиции в другую без прохождения через пространство между ними, и это – первый пример истинной телепортации. Фотоны мгновенно переходят из точки А в точку Б, значит, времени нет. На самом деле скорость света даже не превышена, а сброшена со счетов за неактуальностью. Можно сказать, что время удалось обойти. Фактически, телепортация – разгадка всех всплывающих тайн пространства, времени и материи.

Телепортация фотонов влечет за собой множество последствий. Мысль Эйнштейна, как мы уже выяснили, так и не вырвалась за пределы классического мира скоростью света. Если квантовые объекты могут выйти за пределы скорости света – и это не более быстрое движение, а мгновенное действие, – то впереди у нас что-то неизвестное.

В первую очередь неизвестное связано с тем, сколько измерений существует на самом деле. Часовое время одномерно. Оно движется по прямой, которая, как все прямые, имеет только одно измерение – связывающее точку А с точкой Б. Но в квантовой теории предела количеству измерений нет: все они – чисто математические конструкты. Например, ряд квантовых теорий требует от нас выхода за пределы гравитации – в область супергравитации, которая выделяет одиннадцать измерений. До сотворения, перед Большим взрывом, пространство могло быть и безразмерным (математически занимающим нулевое измерение), и бесконечным. Все эти головокружительные возможности предельно далеки от повседневного опыта.

Мы вынуждены добавить три измерения нашей Вселенной к множеству демонтированных абсолютов, и четвертое измерение – время – может иметь к этому отношение. В математических терминах – уже имеет. Общеизвестно, что каждая частица здесь и сейчас появляется из нулевых измерений, а точнее, из квантового вакуума. Некоторые радикальные физики даже утверждают, что в любой реальности два числа – ноль и бесконечность. При этом ноль – любое случайное превращение ничего в нечто, бесконечность – число возможностей в абсолютном масштабе, а любое число между ними реально настолько же, насколько мыльный пузырь или дым.

Нулевые измерения не могут быть визуализированы – и даже математика может показаться салонным фокусом, потому что многие переменные либо неизвестны, либо сводятся к догадкам. Безусловно одно: все мы существуем, потому что вневременное изменение без начала и конца в настоящий момент представляется нам временем. Такая трансформация бросает вызов логике, и сейчас это уже не должно нас удивлять.

Если квантовая область лежит вне часового времени, почему бы не принять за истину то, что время легко поддается любому влиянию? В этом случае не будет прорывом признать, что любая версия времени сама по себе искусственна. Чтобы это было легче понять, нам нужно разобраться в сути базового термина квантовой физики, который относится и к повседневной реальности: термина «состояние». Когда вы видите дерево, его состояние – состояние материального объекта, который вы можете найти в пространстве-времени и ощутить при помощи пяти известных чувств. Плавающее облако – парообразное, не столь явно уловимое, сколь дерево, но оно существует в том же, физическом состоянии.

Когда физика уходит в квантовую область, добавляется еще одно состояние – виртуальное. Оно невидимо и неосязаемо, но тем не менее существует. Фактически, в виртуальном состоянии мы каждый раз пребываем в момент, когда просыпаемся. Представьте себе слово – любое слово, допустим «авокадо». Когда вы думаете или говорите «авокадо», слово существует как ментальный объект. Но где оно находится до этого? Слова не хранятся в клетках головного мозга; по крайней мере, этого никто никогда не доказывал. Вместо этого слова существуют невидимо, но под рукой: в виртуальном состоянии. Вы можете «вытаскивать» их когда хотите (эта способность ухудшается, если память мозга ухудшена или повреждена). Для сравнения, если вам нравится слушать музыку по радио, она будет слышна, только если приемник правильно настроен. Это не значит, что музыка все время находилась внутри радиоприемника, но значит, что для ее воспроизведения требуется приемное устройство.

Мозг – то же самое приемное устройство для слов, которые мы используем, но не для них одних. Правила использования языка – тоже виртуальная область. Когда вы видите предложение вроде «Надо ли ветер дом?», вы сразу же понимаете, что правилам языка оно не соответствует. Вам не нужно использовать энергию своего мозга, чтобы отличить смысл от бессмыслицы. Правила, для чего бы они ни были нужны, находятся не в физическом пространстве. Верно и то, что субатомные частицы тоже происходят из некоего нефизического места, и нет оснований полагать, что эти два места не совпадают. Место, откуда вы берете слово «роза», и место, откуда рождаются галактики, – одно и то же.

Виртуальное состояние находится за пределами внешнего творения. Когда волна превращается в частицу (тот главный шаг, который приводит фотоны, электроны и другие частицы в осязаемый мир), виртуальное состояние остается позади. Виртуальное состояние – объяснение и тому, что физика считает каждый кубический сантиметр пустого пространства фактически не пустым. На квантовом уровне этот кубический сантиметр вмещает огромное количество виртуальной энергии.

Все, что есть во Вселенной, может менять состояние. В повседневном опыте никто не считает чудом превращение воды в лед или пар: они – другие состояния H₂O. На квантовом уровне изменения состояния достигают своего предела, уравновешиваясь между бытием и небытием. Кухонный стол перемещается из виртуального состояния в действительное тысячи раз в секунду, слишком быстро, чтобы это возможно было наблюдать. Это – мигание внутри и снаружи, то самое «вкл/выкл», о котором мы упоминали несколько раз. Квантовое изменение состояния – основной акт творения. Теория Мультиверса приобрела огромную популярность именно потому, что люди поняли: начало существования Вселенной было не богаче событиями, чем начало существования электрона. Флуктуации в квантовом поле были совершенно такими же. Для невооруженного глаза Вселенная невероятно велика, а электрон очень, очень мал, но для акта творения это различие ничего не значит.

Квант, начинающий существовать, ниоткуда не приходит и никуда не уходит. Он только меняет состояние. Поэтому вместо того, чтобы использовать как меру изменений время, нам нужно мыслить в терминах состояний. Представьте себе мяч, привязанный к шесту. Если ударить по мячу, он начинает вращаться вокруг шеста, но в определенный момент исчерпывает энергию и приближается к шесту, достигая наконец состояния покоя. (Планеты, вращающиеся вокруг Солнца, упали бы в него, теряй они энергию и импульс с течением времени, но дело в том, что они путешествуют в вакууме космического пространства. В отличие от мяча, они не встречают сопротивления воздуха и поэтому могут вращаться вокруг Солнца практически бесконечно долго.)

Теперь представьте себе электрон, вращающийся вокруг ядра атома (картинка очень похожа на вращение мяча вокруг шеста). Но в случае с атомами каждая электронная орбита называется оболочкой, и электроны остаются внутри их назначенной оболочки, если не происходит квантовое событие; в этом случае они «перескочат» оболочкой ближе или оболочкой дальше. Название «квант», обозначающее неделимую порцию энергии, было дано потому, что квант перемещается из одного определенного состояния в другое, неся с собой неизменный «пакет» своей энергии. Электроны не скользят из одного места в другое и не замедляются. Они вылетают с одной орбиты и появляются в другой.

Если вы поняли, как важен термин «состояние», вы видите, почему кванты не находятся вне часового времени. Часовое время подобно тикерной ленте, наматывающейся на ленточный накопитель непрерывно, а квантовая область заполнена пробелами, внезапными изменениями состояния, одновременными событиями и перетасовками причины и следствия. Итак, если основание творения – квантовое, каким же образом физические объекты оказываются привязаны в первую очередь к часовому времени? Проще всего будет сказать, что время часов – просто другое состояние. Как только Вселенная созрела (примерно через миллиард лет после Большого взрыва), каждый грубый физический объект (то есть объект, размер которого больше размера атома) оказался запертым в одном и том же, реальном состоянии. Передовая математика, использующая теорию вероятностей, может вычислить очень, очень отдаленный шанс того, что кухонный стол полностью пропадет в виртуальной области только затем, чтобы сразу же оказаться на расстоянии трех футов. Но это соображение – не практическое. Запертые в реальности, грубые объекты повседневного мира – верноподданные пространства-времени. Несмотря на то, что квант то и дело подмигивает, то появляясь, то исчезая, кухонные столы никуда не собираются деваться самостоятельно.

Значит, вопрос следует ставить так: как происходят изменения состояния? Большой взрыв, который в единый миг породил Вселенную, был изменением состояния, которое нельзя объяснить как происходящее в одном и том же месте или в одно время. Во времена Планка «везде» и «нигде» были те же самые, и теми же самыми были «до» и «после». Несмотря на «стену», которая мешает нам наблюдать эпоху Планка, мы можем назвать последнюю фазовым переходом, когда одно состояние трансформировалось в другое. Виртуальное стало явным. Сидя здесь, рядом с тикающими часами, странно понимать, что творение почти 14 миллиардов лет назад происходило так же, как электрон появляется в новой оболочке. Но это показывает нам, как связаны сверхмалые вещи, вроде электрона, и сверхбольшие, такие как космос. И то и другое – вне часового времени. Поэтому нужно применять совершенно новые способы мышления.