Текст книги "Магия времени от А до Я. Как научиться ускорять и замедлять жизнь"

Пришло время узнать правду о времени и научиться им управлять.

Глава 2
Физика: гравитация, движение и законы физики

Время – одна из самых больших проблем не только в наших жизнях, но и в современной науке. Физики просто не понимают, что есть время, потому что в разных обстоятельствах оно ведет себя по-разному. Известно, что время имеет измеримую физическую составляющую. Например, часы показывают время, Земля вращается, и мы можем измерять время 24-часовыми сутками и сезонами. Физическую составляющую времени можно назвать нашим опытом перемещения в пространстве. Мы физически ощущаем ход времени, потому что меняемся сами, как и окружающее нас пространство. Это становится очевидным, если вспомнить, что в разных точках Земли сейчас разное время дня: в Нью-Йорке одно, в Сиднее – другое. А все потому, что Земля движется.

Как и все земные реалии, время зависит от физических законов, в частности, от всем известной гравитации. Все объекты в окружающем нас мире – от бытовых предметов до планет – находятся под воздействием гравитации. Гравитация – побочный эффект материи и пространства. На самом деле материя создает гравитацию. Гравитация обуславливает вращение Земли вокруг Солнца, а Луны – вокруг Земли. Также гравитация – по крайней мере отчасти – обуславливает течение времени.

Время относительно. Более ста лет назад 26-летний Эйнштейн опубликовал фундаментальную теорию – специальную теорию относительности. Его гениальная идея заключалась в следующем: время течет по-разному для объектов, движущихся с разной скоростью. В частности, чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее для вас течет время относительно того, кто движется медленнее. Например, если вы полетите в космос, передвигаясь со скоростью, близкой к скорости света, а затем развернетесь и полетите обратно, с вашей точки зрения, время будет течь так же, как и всегда. Однако, вернувшись на Землю, вы обнаружите, что время на земных часах ушло вперед в сравнении со временем на ваших часах. В каком-то смысле для вас время будет течь медленнее, чем для живущих на Земле.

Десять лет спустя Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, в которой утверждал, что на течение времени влияет гравитация. Если вы отправитесь в космос и окажетесь рядом с сильным источником гравитации, например, с черной дырой, для вас время будет течь как обычно, но вас затянет внутрь, что, согласно теории, приведет к ужасающим последствиям. Однако если сравнивать с живущими на Земле людьми, которые испытывают более слабое гравитационное воздействие, ваше собственное время будет течь медленнее, вам может даже показаться, что оно остановилось, прежде чем вы достигнете черной дыры.

Многие слышали, что чем ближе к черной дыре, тем больше временной разрыв по сравнению с часами, находящимися далеко от нее. Но не многие знают, что подобное явление, известное как «замедление времени», встречается и на Земле. При помощи атомных часов исследователи зафиксировали, что даже 30-сантиметровая разница в высоте влияет на течение времени. Другими словами, если вы оставите одни часы на вершине Эвереста, а другие – в Лос-Анджелесе, то со временем эти часы покажут разные значения.

В дополнение к физическому компоненту время также измеряется нашим восприятием его течения. Этот феномен называется «субъективным временем» и также широко изучается. Например, взрослые часто говорят, что чем они старше становятся, тем быстрее идет время. В детстве кажется, что лето длится вечность, в старости же время пролетает в мгновение ока. Ученый из Дьюкского университета недавно предположил, что причина, по которой нам кажется, что детство длилось намного дольше, чем взрослая жизнь, в том, что наш мозг начинает медленнее обрабатывать изображения по мере старения. Поскольку образы в юности поступают и обрабатываются быстрее, появляется необходимость запоминать больше визуальной информации, что приводит к изменению ощущения временных рамок – нам кажется, что прошел больший промежуток времени. Напротив, со временем способность мозга обрабатывать изображения ухудшается, мы запоминаем меньше визуальной информации, нам начинает казаться, что мы перескакиваем от одного воспоминания к другому, и время в нашем восприятии ускоряется.

И что все это говорит о времени? А говорит это вот о чем: время – не то, что мы о нем думаем.

Даже с учетом сказанного, мы по-прежнему склонны думать, что время всегда движется вперед, линейно и предсказуемо. Мы верим, что время движется вперед, оставляя в прошлом пережитые мгновения, которые становятся необратимым прошлым. Что время подобно пущенной стреле: неизменное прошлое остается позади, неизвестное будущее – впереди. Но так думали не всегда.

В книге «Четвертое превращение» Уильям Штраус и Нил Хау предоставляют очень интересное исследование об изменении представлений людей о времени. Если говорить кратко, то в разные времена люди считали, что время:

1. Хаотично. Сотни тысяч лет назад, до образования социальных групп, древние люди считали время хаотичным. Каждое событие казалось случайным, не было ни причин, ни следствий, ни смысла.

2. Циклично. Около сорока тысяч лет назад, когда сформировались социальные группы и люди начали лучше понимать природу, появилось представление о цикличности времени. Считалось, что время течет в вечно повторяющихся циклах, наблюдаемых в движении солнца (дни), луны (месяцы), знаков зодиака (годы) и т. д., что отражается в дневных, месячных и сезонных циклах человеческой жизни.

3. Линейно. К XVI веку утвердилась идея однонаправленного времени – время бесконечно движется вперед, что зовется прогрессивной историей.

Изменение представлений о времени не должно нас удивлять, это кажется естественным, ведь появляются новые знания о вселенной и природе времени. Это также означает, что чем больше мы узнаем о времени, тем больше вероятность того, что наши представления о нем снова изменятся.

Почему мы так твердо верим в то, что время всегда движется вперед? В книге «До конца времен» физик Брайан Грин объясняет, как представление об однонаправленном движении времени в будущее связано со вторым законом термодинамики и энтропией. Энтропия подразумевает, что наблюдаемые нами физические объекты приходят в упадок, распадаются, рассеиваются и становятся беспорядочными – по крайней мере, физические объекты, которые мы можем ощущать. И поскольку мы постоянно видим, как тает лед, рассеивается пар, растут и стареют живые существа и весь окружающий мир со временем меняется, нам легко поверить в то, что время всегда движется вперед.

Ученые считают, что законы термодинамики – незыблемые, не предполагающие вопросов и сомнений факты об устройстве Вселенной. Но даже физики говорят, что законы термодинамики существуют, чтобы предсказывать, как объекты движутся в привычном нам материальном мире. Они хорошо описывают материальный мир путем разумного упрощения того, как все устроено – но тем не менее являются упрощениями и интерпретациями. Когда Грин пишет о паровой машине, он отмечает, что можно предсказать поведение молекул при нагревании, но даже самые современные и оснащенные приборы не смогут предсказать, как поведет себя каждая отдельно взятая молекула при превращении в пар. Именно поэтому так широко используются статистические прогнозы. Если вместо отдельных объектов рассматривать их большие совокупности, можно предсказать, как они будут себя вести. Например, предсказательная сила математики больших чисел объясняет, почему владельцы казино уверены, что заработают много, даже если несколько человек выиграют джек-пот. Именно поэтому физические законы, в частности энтропия, кажутся незыблемыми и необратимыми. «Вы когда-нибудь видели, как разбитое стекло становится целым?» – спрашивает Грин.

Однако есть одна загвоздка. Несмотря на предположение о необратимости, все основные области физики, включая законы Ньютона, электромагнетизм Максвелла, релятивистскую механику Эйнштейна, квантовую теорию Бора и Гейзенберга, основаны на математических уравнениях, для работы которых течение времени вперед не обязательно. Другими словами, управляющие нашим миром научные уравнения не зависят от направления времени. Это говорит о том, что фундаментальные уравнения работали бы одинаково хорошо при движении времени как вперед, так и назад. Даже физики утверждают, что энтропия может уменьшаться сама по себе, а это значит, что нечто может переходить из беспорядочного в первоначальное, упорядоченное состояние, даже если это крайне маловероятно. Для меня это ставит под сомнение неизменность и необратимость энтропии, а вместе с тем и представление о том, что время всегда движется в одном направлении, вперед.

В качестве занятных аргументов приведем несколько теорий из современной физики, бросающих вызов необратимости времени.

Кротовые норы. В 1935 году Альберт Эйнштейн и Натан Розен открыли феномен, который впоследствии стал называться «мостом Эйнштейна – Розена», а еще позже – «червоточинами». Червоточины – это искажения пространства-времени, которые описываются гравитационными уравнениями Эйнштейна; они подобны туннелям, которые связывают отдаленные друг от друга точки в пространстве. Если поместить одно из отверстий червоточины рядом с объектом, гравитация которого будет искривлять время, например, черной дырой, то два «прохода» не будут двигаться во времени с одинаковой скоростью, что, возможно, позволит путешествовать в прошлое или в будущее.

Принцип неопределенности. В основе квантовой теории лежит принцип неопределенности, согласно которому существует предел познания материи в масштабе атомов и субатомных частиц. В лучшем случае можно попробовать вычислить математическую вероятность нахождения объекта в определенном месте и модель его поведения. Принцип неопределенности признает, что физика не может делать точные предсказания, из чего следует, что нечто может произойти в любое время, если ждать достаточно долго.

Мультивселенная. Это понятие также относится к квантовой физике. Идея мультивселенной предполагает, что существует бесконечное множество вселенных, каждая из которых может развиваться по своему пути, в зависимости от сделанного выбора. Поскольку в каждой вселенной могут происходить разные вещи, их существование решает «парадокс убитого дедушки», классическое опровержение возможности путешествий во времени. Парадокс дедушки состоит в следующем: если бы вы отправились в прошлое и убили дедушку до рождения вашего отца, вы бы сами не родились и не смогли его убить. Теория мультивселенной разрешает этот парадокс: вы можете убить копию дедушки в альтернативной вселенной и, следовательно, родиться в вашей вселенной (здесь мы не рассматриваем вопрос перемещения между вселенными).

Квантовая запутанность. Явление, при котором частицы оказываются запутаны между собой и ведут себя как взаимосвязанные, даже если разделены гигантскими расстояниями. Это значит, что частицы могут двигаться быстро – фактически быстрее скорости света. Если частицы могут двигаться быстрее скорости света, то они, по-видимому, могут перемещаться во времени, что делает путешествия во времени возможными.

За исключением червоточин, все эти теории бросают вызов ходу времени и опираются на раздел физики, называемый квантовой физикой. Квантовая физика объясняет поведение мельчайших известных науке частиц – атомов и субатомных частиц. Из-за микроскопических размеров мира квантовой физики для предсказания поведения «квантов» – мельчайших пакетов электромагнитной энергии – используют математику. В квантовом мире энергия и материя не подчиняются тем же законам, что и вещи, которые можно увидеть, почувствовать и потрогать. И это подводит нас к восприятию времени, которое лучше всего объясняется принципами квантовой физики.

Глава 3
Восприятие: квантовый мир

Сотни лет назад, еще до того, как открыли квантовый мир, физики-классики, такие как Галилей и Ньютон, изучали природу энергии во времени и пространстве. Они хотели создать законы, которые с высокой точностью смогут предсказать, что произойдет в мире вещей, которые можно увидеть, почувствовать и потрогать. Уже позже, около века назад, когда появилось более мощное оборудование, физики начали изучать невидимые человеческому глазу субатомные частицы – так появилась «квантовая физика». В то же время астрофизики изучали крупные космические тела, такие как галактики и даже скопления галактик, их движение и гравитационные поля, а также их взаимодействие с другими окружающими их крупными телами. В некотором смысле и астрофизики, и квантовые физики изучают частицы, просто одни частицы намного больше других.

Так что есть частица? Этот термин широко используется в науке для описания различных объектов, обладающих массой. Но правда в том, что ученые на самом деле не знают, что такое «частица». В микроскопическом квантовом мире частицы – это точечные объекты, необходимые для существования материи. К сожалению ученых, эти фундаментальные точечные объекты, из которых состоит материя, ведут себя не так, как крупные видимые объекты окружающего мира, включая планеты и солнце. По еще непонятным причинам мельчайшие атомные и субатомные частицы ведут себя странно по сравнению с более крупными объектами классической физики. Например, кажется, что эти микроскопические частицы не подчиняются законам причины и следствия, которые работают в повседневной жизни. Эти частицы могут в одно мгновение находиться в одном месте, а через мгновение оказаться в другом – без всякой видимой причины. На самом деле ученые обнаружили, что в квантовом мире нет никакой определенности. В этой главе я резюмирую некоторые ключевые принципы квантовой физики, влияющие на наше понимание времени, но, если вы хотите узнать больше об исследованиях, лежащих в основе этих концепций, см. «Приложение A: Наука».

Вот пример того, насколько удивителен квантовый мир. В привычном нам мире, если вы стреляете в пруд, пуля попадает в воду. Когда пуля попадет в воду, она сгенерирует колебания, которые будут расходиться концентрическими кругами во все стороны и в конечном итоге разойдутся по всей поверхности воды. Если вы выстрелите над прудом, пуля пролетит в воздухе и приземлится в стороне от пруда. В обоих случаях пуля перемещается из одного места в другое. Но пуля, летящая над прудом, не будет создавать заметных колебаний в отличие от пули, выпущенной в воду; вторая пуля вонзится в землю и останется там. Теперь представьте, что этот же сценарий применим к субатомным частицам – фотонам (частицам света). Фотон можно сравнить с пулей, за исключением того, что он существует в виде крошечного пакета энергии. Иногда фотон ведет себя как пуля, которую выпустили в пруд, и создает колебания, а иногда – как пуля, которую выпустили над прудом, и не создает их.

В прошлом, до появления квантовой физики, ученые считали, что свойства света можно объяснить только в том случае, если он представляет собой волну. Но Альберт Эйнштейн доказал, что определенные частоты света также существуют в виде «дискретных пакетов энергии», которые подобны частицам. Вскоре после этого эксперименты показали, что свет в одних случаях может вести себя как волна, а в других – как частица. Оказалось, что поведение фотонов зависит от того, наблюдают ли за ними ученые и проводят ли измерения. Также выяснилось, что при наблюдении фотоны не могут быть и волнами, и частицами одновременно.

Когда ученые наблюдали за фотонами, происходило нечто, приводящее к изменению поведения фотонов. Как во время наблюдения частица может вести себя как частица, а вне наблюдения – как волна? В отличие от видимого глазу объекта, например, пули, фотон загадочен, ведь в зависимости от присутствия наблюдателя он может вести себя как волна или как частица.

Возможно, это одно из самых удивительных заключений в квантовой теории. Фотон есть фотон; он не должен волшебным образом превращаться из частицы в волну. Не должно иметь никакого значения, наблюдает за ним ученый или нет. Тем не менее, согласно экспериментам, наблюдение вызывает «коллапс волновой функции» в частицу. И хотя мы начали с фотонов, важно отметить, что речь идет не только о них. Подобные эксперименты – самый известный из которых двухщелевой опыт (см. «Приложение А. Наука») – проводились с нейтронами, атомами и даже более крупными молекулами. Корпускулярно-волновой дуализм – явление, при котором наблюдение приводит к коллапсу волны в частицу, – по-видимому, регулирует поведение всех элементарных частиц, встречающихся в природе. На самом деле все фундаментальные частицы, включая частицы, из которых состоит материя, могут вести себя и как частицы, и как волны.

В результате человек был включен в квантовый мир как один из факторов, влияющих на физические измерения. Это явление назвали «эффектом наблюдателя». Это один из фундаментальных принципов квантовой физики, который предполагает, что наблюдение – другими словами фокусирование – играет роль в формировании реальности. Хотя данное открытие противоречит нашему восприятию окружающего мира и нарушает законы классической физики, его невозможно игнорировать. Столетие спустя очевидно, что это не просто домыслы. Со временем появляется все больше авторитетных свидетельств того, что происходящее в микроскопическом, квантовом мире, происходит и в привычном нам макроскопическом мире. Некоторые ученые считают, что причина эффекта наблюдателя – сознание, поэтому фраза «сознание вызывает коллапс» в некоторых кругах стала синонимом эффекта наблюдателя. Макс Планк, основатель квантовой теории, говорил: «Я считаю, что сознание лежит в основе всего. Что материя – производная сознания. Мы не можем игнорировать сознание. Основой всего, о чем мы говорим, что, как мы полагаем, существует, является сознание».

Если во время наблюдения мельчайшие частицы материи существуют в нескольких вариантах, ученые сделали предположение, что до тех пор, пока ее наблюдают, она может находиться одновременно в нескольких местах. В 1935 году австрийский физик Эрвин Шредингер придумал, как проиллюстрировать эту идею, используя нечто большее, чем фотон – кота. Не волнуйтесь, это был теоретический, «мысленный» эксперимент – при его проведении ни один живой кот не пострадал. Представьте, что вы сажаете кота в коробку с устройством, которое по вашему желанию может выпустить ядовитый газ. Если выпустите газ, кот умрет. Предположим, вы подбрасываете монетку, чтобы решить, выпускать газ или нет. В данном случае математическая вероятность того, что газ будет выпущен, равна вероятности выпадения орла или решки – 50 %. Далее, открыв коробку, вы обнаружите кошку живой или мертвой.

Если бы кот был квантовой частицей, на то, жив он или мертв, мог бы повлиять наблюдатель. Подобно фотону, который в отсутствие наблюдения может быть и волной, и частицей, кот может быть одновременно и живым, и мертвым, пока вы не откроете коробку и не посмотрите на него. Вывод Шредингера состоял в том, что, если бы в данном эксперименте работали квантовые законы, кот находился бы в состоянии, которое называется квантовой суперпозицией, то есть кот был бы и живой, и мертвый одновременно. Этот вывод сильно обеспокоил ученых, поскольку он идет вразрез с законами причины и следствия, которые, по их предположениям, управляют Вселенной. В обычной ситуации ядовитый газ выпущен или нет; кот в коробке жив или мертв, независимо от наблюдателя. Этот знаменитый мысленный эксперимент приводят повсеместно, чтобы пролить свет на таинственный мир квантовой механики и проиллюстрировать, насколько законы квантового мира отличаются от законов, которые, как считается, управляют видимым миром.

Что еще более странно, квантовая физика также предсказывает, что частицы могут каким-то образом мгновенно взаимодействовать друг с другом, находясь в разных концах комнаты или даже в разных концах Вселенной. Частицы, связанные таким образом, называются запутанными. Вот как это работает. Допустим, у вас с другом есть две необычные колоды карт. Их особенность заключается в следующем: каждый раз, когда друг одновременно с вами переворачивает карту, он видит ту же карту, что и вы. Если вы перевернете карту и увидите пикового туза, ваш друг тоже увидит пикового туза. Подобно этим необычным картам, ученые могут запутать два фотона и отправить один из них в другое место. Если один ученый проводит измерение какого-либо свойства фотона, например, поляризации, ученый в другом месте при измерении получит те же результаты. Обратите внимание, что запутанность была открыта не только для фотонов, но и для других частиц. Здесь также можно говорить об эффекте наблюдателя, поскольку до наблюдения свойства частиц неизвестны. Ученые показали, что при нахождении двух фотонов на большом расстоянии друг от друга происходящее с одним фотоном может моментально повлиять на другой, как если бы они посылали друг другу мгновенные сигналы.

Как и многие другие аспекты квантовой физики, это открытие является огромной проблемой. Если запутанные частицы могут мгновенно посылать друг другу сигналы, то они должны перемещаться быстрее скорости света, что, согласно научной теории, невозможно. Бесстрашные ученые продолжают исследовать квантовую запутанность на все больших расстояниях, все сильнее подвергая сомнениям наши представления о физическом мире. Пока нет объяснения, как частицы запутываются и что вызывает сверхсветовую корреляцию. Но эксперименты не оставили и тени сомнений – нечто вызывает этот феномен. И хотя Эйнштейн недоверчиво называл его «призрачным действием на расстоянии», он вполне реален.