Текст книги "Вечность. В поисках окончательной теории времени"

Шон Кэрролл
Вечность. В поисках окончательной теории времени

Дженни за все время

© ООО Издательство «Питер», 2016

Пролог

Кто-нибудь на самом деле знает, сколько времени?

Чикаго, Does Anybody Really Know What Time It Is?

Эта книга – о природе времени, о зарождении Вселенной и о фундаментальной структуре физической реальности. Мы здесь не мыслим какими-то мелкими, незначительными категориями. Мы рассматриваем вековые, основательные проблемы. Откуда взялись время и пространство? Действительно ли все ограничивается той Вселенной, которую мы видим, или же существуют другие «Вселенные» за пределами доступного нашему взору? Чем будущее отличается от прошлого?

Согласно авторам Оксфордского словаря, время – наиболее часто используемое существительное в английском языке. На протяжении своей жизни мы движемся сквозь время, с одержимостью следим за ним и ежедневно пытаемся перегнать, – и все же, как ни удивительно, мало найдется людей, которые смогут простыми словами объяснить, что же такое время.

Мы живем в эпоху Интернета, поэтому логично будет обратиться за помощью к свободной энциклопедии Wikipedia. На момент написания этой книги статья Time начинается следующими словами:

Время – это компонент измерительной системы, используемый для определения порядка следования событий, для сравнения продолжительности событий и интервалов между ними, а также для количественного описания движения объектов. Время – одна из главных тем религиозных, философских и научных изысканий, но даже величайшим ученым не удается дать определение времени в непротиворечивой форме, применимой ко всем областям исследований.[1]1
  Авторы статей в Wikipedia (2009). Настоящий фрагмент представляет собой перевод приведенного автором отрывка из англоязычной статьи на русский язык и может не соответствовать содержимому русскоязычного варианта статьи, существовавшему на тот момент времени. – Примеч. пер.


[Закрыть]

Ну, поехали. К концу книги мы сможем сформулировать очень точное определение времени, которое будет применимо ко всем областям. К сожалению, намного менее очевидно, почему время обладает теми свойствами, которыми обладает, – хотя несколько интригующих идей мы с вами все же изучим.

Космология, учение обо всей Вселенной, за последнюю сотню лет здорово продвинулась вперед. Четырнадцать миллиардов лет назад наша Вселенная (или, по крайней мере, та ее часть, которую мы в состоянии наблюдать) находилась в невообразимо горячем, плотном состоянии, которое мы называем Большим взрывом. С той поры Вселенная расширяется и охлаждается, и, судя по всему, она продолжит делать это во всем обозримом будущем, а может быть, на протяжении вечности.

Сто лет назад ничто из этого нам не было известно – ученые практически не имели никакого представления о структуре Вселенной за пределами галактики Млечный Путь. Сегодня, когда мы сумели снять мерки с наблюдаемой Вселенной, мы в силах детально описать не только ее размер и форму, но также составные части и приблизительный ход истории. Однако на многие важные вопросы, в частности связанные с первыми моментами Большого взрыва, мы ответить пока не можем. Как мы узнаем, эти вопросы играют критически важную роль в нашем понимании времени – не только на бескрайних просторах космоса, но и в наших лабораториях на Земле и даже в нашей повседневной жизни.

Время после Большого взрыва

Очевидно, что с течением времени Вселенная эволюционирует: ранняя Вселенная была горячей и плотной, современная Вселенная холодная и разреженная. Но я собираюсь обрисовать намного более глубокие связи. Самая загадочная характеристика времени – наличие у него направленности: прошлое отличается от будущего. Это стрела времени. В отличие от направлений в пространстве, которые между собой равноправны, у Вселенной, несомненно, есть предпочтительная ориентация во времени. Основная тема этой книги – то, что стрела времени существует, потому что Вселенная эволюционирует определенным образом.

Причина, почему у времени есть направление, кроется в том, что Вселенная полна необратимых процессов – событий, которые происходят в одном направлении времени, но никогда в другом. Можно превратить яйцо в омлет, как в классическом примере, но невозможно сделать из омлета целое яйцо. Молоко смешивается с кофе; топливо сгорает и превращается в выхлопные газы; люди рождаются, взрослеют и умирают. В Природе мы повсеместно обнаруживаем последовательности событий, в которых один тип событий всегда предшествует другому, а другой – всегда следует после. Все вместе они определяют стрелу времени.

Примечательно, что в основе всего нашего понимания необратимых процессов лежит одно-единственное понятие – то, что называется энтропией и измеряет «неупорядоченность» объекта или скопления объектов. С течением времени энтропия упрямо увеличивается или, по крайней мере, остается постоянной – это знаменитое второе начало термодинамики.[2]2
  Здесь необходимо сделать акцент на направлениях, так как в них очень легко запутаться: энтропия измеряет беспорядок, а не порядок, и она со временем увеличивается, а не уменьшается. На бытовом уровне мы привыкли думать, что «все замедляется и постепенно сходит на нет», но правильно говорить, что «энтропия увеличивается».


[Закрыть] А причина, почему энтропия стремится возрастать, обманчиво проста: существует намного больше способов устроить беспорядок, чем организовать порядок; следовательно (при прочих равных условиях), упорядоченные конфигурации будут естественным образом перетекать во все более беспорядочные. Совсем несложно перемешать молекулы яйца, для того чтобы получить омлет, но аккуратно собрать их обратно, сформировав целое яйцо, нам не под силу.

На этом традиционная история, которую физики обычно рассказывают о себе, заканчивается. Но существует еще один ингредиент, обладающий невероятной важностью, который пока что не получает должного внимания: если все во Вселенной эволюционирует в направлении увеличения беспорядка, то оно должно было стартовать с невероятно упорядоченной конфигурации. Вся эта логическая цепочка, объясняющая, почему невозможно превратить омлет в яйцо, очевидно, базируется на фундаментальном предположении, касающемся ранней Вселенной: она пребывала в состоянии очень низкой энтропии и очень высокой упорядоченности.

Стрела времени соединяет раннюю Вселенную с тем, что мы в буквальном смысле испытываем в каждый момент нашей жизни. Это не только разбивание яиц и другие необратимые процессы, такие как добавление молока в кофе или захламление комнаты, в которой никто не убирается. Стрела времени – это причина, почему нам кажется, что время течет мимо нас или (если угодно) почему мы плывем сквозь время. Это причина, почему мы помним прошлое, но не будущее. Почему мы растем и изменяемся, почему у нас происходит процесс обмена веществ и почему мы в конце концов умираем. Почему мы верим в причинно-следственную связь. Это принципиальный компонент нашего представления о свободе воли.

И все это благодаря Большому взрыву.

Мы видим далеко не всё

Загадка стрелы времени, по сути, сводится к следующему: почему условия в ранней Вселенной были именно такими, какими они были; почему существовала конфигурация с низкой энтропией, позволившая произойти всем этим интересным и необратимым процессам? Исследованиям этого вопроса и посвящена данная книга. К сожалению, правильного ответа на него никто пока что не знает. Но в развитии современной науки мы достигли этапа, на котором у нас уже есть необходимые инструменты для того, чтобы всерьез взяться за эту загадку.

И ученые, и древние мыслители всегда старались понять время. В Древней Греции философы досократовских времен Гераклит и Парменид занимали разные позиции по вопросу природы времени: Гераклит подчеркивал первичность изменения, в то время как Парменид отрицал реальность изменения вообще. Девятнадцатый век был героической эпохой статистической механики: люди научились устанавливать поведение макроскопических объектов исходя из их микроскопических составляющих, – когда такие фигуры, как Людвиг Больцман, Джеймс Клерк Максвелл и Джозайя Уиллард Гиббс, сумели дать определение энтропии и описать ее роль в необратимых процессах. Однако им ничего не было известно об общей теории относительности Эйнштейна или о квантовой механике и уж, конечно, о современной космологии. Впервые в истории науки у нас по крайней мере есть шанс собрать обоснованную теорию времени и эволюции Вселенной.

Я собираюсь предложить следующую версию: Большой взрыв не был началом Вселенной. Космологи иногда говорят, что Большой взрыв представляет истинную границу пространства и времени, до которой ничего не существовало, – на самом деле даже само время не существовало, поэтому понятие «до», строго говоря, в этом случае применять нельзя. Однако мы слишком мало знаем об окончательных законах физики, чтобы с уверенностью делать подобные заявления. Ученые все чаще начинают апеллировать к возможности того, что Большой взрыв в действительности не был началом всего, – это всего лишь фаза, через которую проходит Вселенная или как минимум наша часть Вселенной. Если это правда, то вопрос о нашем низкоэнтропийном начале принимает другую форму: не «Почему Вселенная зародилась в таком низкоэнтропийном состоянии?», а «Почему наша часть Вселенной прошла через период такой низкой энтропии?»

Хотя этот вопрос и не кажется более простым, это – другой вопрос, и он открывает нам новый диапазон возможных ответов. Не исключено, что Вселенная, которую мы видим, – всего лишь часть намного более крупной Мультиленной, которая не зарождается в низкоэнтропийной конфигурации. Я приведу доводы, что самая разумная модель Мультиленной – такая, где энтропия увеличивается просто потому, что энтропия способна увеличиваться всегда: не существует состояния максимальной энтропии. В качестве дополнительного бонуса Мультиленная может быть абсолютно симметричной во времени: начиная с какого-то момента в середине, когда энтропия имеет высокое значение, она эволюционирует по направлению к прошлому и будущему в состояния, в которых энтропия еще выше. Вселенная, доступная нашему взору, – это всего лишь крошечный отросток невероятно массивного ансамбля, и наше конкретное путешествие из плотного Большого взрыва к извечной пустоте – это часть более глобального стремления всей Мультиленной к увеличению ее собственной энтропии.

В любом случае это всего лишь одна из возможностей. Считайте это примером одного из сценариев, которые космологам следует рассматривать, если они решают всерьез взяться за проблемы, порождаемые стрелой времени. И независимо от того, ведет ли нас данная конкретная идея в правильном направлении, сами по себе эти проблемы уже невероятно увлекательны и реальны. На протяжении этой книги мы будем изучать проблемы времени с самых разных точек зрения: путешествия во времени, информация, квантовая механика, природа вечности. Когда уверенности относительно того, как должен звучать финальный ответ, еще нет, вопрос следует пробовать задавать всеми способами, какие только возможны.

Всегда останутся скептики

Не все согласны с тем, что космология должна играть значительную роль в нашем понимании стрелы времени. Однажды мне довелось провести семинар на эту тему в большой аудитории на физическом факультете одного крупного учебного заведения. Один из пожилых профессоров этого факультета посчитал мое выступление недостаточно убедительным и приложил усилия для того, чтобы все присутствующие узнали о его неудовольствии. На следующий день он разослал электронное сообщение другим сотрудникам факультета и при этом был достаточно любезен для того, чтобы включить в список адресатов и меня:

Наконец, величина энтропии Вселенной как функция времени – это интересная проблема для космологии, но предполагать, что от нее зависят законы физики, – совершеннейшая бессмыслица. Утверждение Кэрролла о том, что второе начало термодинамики обязано своим существованием космологии, – одно из глупейших [sic] заявлений, что мне доводилось слышать на физических семинарах, за исключением заявления [фамилия вырезана] о сознании в квантовой механике. Я удивлен тем, что присутствовавшие физики любезно выслушали подобный вздор. Позже у меня состоялся ужин с несколькими аспирантами, которые с готовностью поддержали мои возражения, но Кэрролл остался непоколебим.

Надеюсь, он прочитает эту книгу. Здесь содержится много громких заявлений, но я проявлю осмотрительность, подразделив их на три типа: 1) примечательные результаты современной физики, звучащие удивительно, но тем не менее являющиеся общепризнанными фактами; 2) масштабные заявления, с которыми согласны не все работающие физики, но которые тем не менее должны быть приняты, так как их истинность не вызывает никаких вопросов; 3) умозрительные идеи за пределами зоны комфорта современного положения дел в науке. Определенно, мы не будем чураться отвлеченных и спекулятивных рассуждений, но они всегда будут ясно обозначены как таковые. В конечном счете вы будете вооружены всеми необходимыми знаниями для того, чтобы самостоятельно решать, какие части истории имеют смысл, а какие нет.

Тема времени включает огромное количество идей – от бытовых до шокирующих. Мы заглянем в термодинамику, квантовую механику, специальную и общую теории относительности, теорию информации, космологию, физику элементарных частиц и квантовую гравитацию. Первую часть книги можно рассматривать в качестве обзорной экскурсии, рассказывающей об энтропии и стреле времени, эволюции Вселенной и разнообразных концепциях самой идеи «времени». После этого мы постараемся подойти к вопросу более систематизированно: во второй части мы глубоко задумаемся о пространстве – времени и относительности, включая возможность путешествий назад во времени. В третьей части мы серьезно рассмотрим понятие энтропии, изучив ее роль во множестве контекстов – от эволюции жизни до загадок квантовой механики.

В четвертой части мы соберем все вместе, для того чтобы смело посмотреть в глаза загадкам, которые энтропия ставит перед современными космологами: как должна выглядеть Вселенная и насколько это похоже на то, как Вселенная на самом деле выглядит? Я продемонстрирую, что Вселенная выглядит совершенно не так, как «должна» (разумеется, объяснив, что я имею в виду, употребляя это слово), – по крайней мере, так дела обстоят для Вселенной, которую мы видим вокруг нас. Если наша Вселенная зародилась в Большом взрыве, то ее существование отягощается тонко подстроенным граничным условием, для которого мы не можем найти достойного объяснения. Однако если наблюдаемая Вселенная является частью более крупного ансамбля – Мультиленной, то, возможно, у нас есть шанс объяснить, почему в крохотной части этого ансамбля энтропия на одном конце времени так разительно отличается от энтропии на другом.

Все это, конечно, непростительное теоретизирование, однако к этим измышлениям стоит отнестись серьезно. Ставки велики – время, пространство, Вселенная, так что ошибки, которые мы непременно будем делать по пути, без сомнений, также будут отличаться масштабностью. Иногда полезно отпустить свое воображение в свободное плавание, даже если наша конечная цель – вернуться на Землю и объяснить, что происходит на кухне.

Часть I. Время, опыт и Вселенная

Глава 1. Прошлое – это воспоминания настоящего

Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю; если бы я захотел объяснить тому, кто спрашивает, – нет, не знаю.

Св. Августин. Исповедь

В следующий раз, когда у вас возникнет необходимость скрасить пару часов в баре, на борту самолета или в очереди за справкой в районном отделении дорожной полиции, проведите время с пользой: попробуйте поспрашивать незнакомцев, что такое, по их мнению, время. Кстати, это было частью моих исследований во время подготовки к написанию книги, которую вы держите в руках. Думаю, вы услышите множество интересных ответов: «Время – это то, что движет нас вперед по жизни», «Время отделяет прошлое от будущего», «Время – это часть Вселенной» и прочие вариации на ту же тему. Мне больше всего понравилось такое определение: «Время – это то, благодаря чему мы знаем, что что-то происходит».

Все эти понятия верны лишь отчасти. И хотя облечь понятие времени в слова не так уж просто, в повседневной жизни мы, как и Святой Августин, справляемся с ним вполне успешно. Большинство людей умеют определять время по часам, могут оценить, сколько времени займет поездка из дома на работу или приготовление чашки кофе, и способны прийти на ужин с друзьями в назначенный час. Даже если у нас не получается дать четкое определение тому, что такое «время», на интуитивном уровне мы осознаем, что это и как оно работает.

Как и судья Верховного суда, столкнувшийся с вопиющим проявлением бесстыдства, мы прекрасно понимаем, что за явление происходит перед нами, и в большинстве случаев этого достаточно. Однако определенные аспекты времени все же остаются загадочными и непостижимыми. Итак, действительно ли мы знаем, что означает это слово?

Мир никогда не преподносит нам абстрактные понятия на блюдечке с голубой каемочкой, чтобы мы могли спокойно разобраться в них и согласовать с другими понятиями. Все гораздо сложнее. В своей жизни мы сталкиваемся с феноменами, наблюдаем и описываем их. Затем на основании полученных данных мы формулируем понятия, которые помогают нам понимать, как замеченные феномены соотносятся с остальными составляющими нашего существования. Что касается трудноуловимых понятий, таких как энтропия, все более или менее ясно. Это не какие-то штуковины, на которые можно внезапно наткнуться, прогуливаясь по улице. Мы наблюдаем разнообразные природные явления и выделяем некую закономерность, шаблон, о котором удобнее всего мыслить в терминах нового понятия, например, под названием энтропия. Вооружившись этим новым полезным понятием и подмечая различные другие явления, мы уточняем и совершенствуем исходное определение энтропии.

Если же речь идет о такой примитивной, но в то же время основополагающей идее, как время, то тот факт, что понятие времени также изобрели, а не получили в готовом виде от щедрой Вселенной, куда менее очевиден – ведь мы в буквальном смысле не представляем себе жизни без времени. Тем не менее одной из важнейших задач науки (и философии) является превращение интуитивного понимания базовых концепций, подобных времени, в строгие научные понятия. По пути также выясняется, что мы вовсе не однозначно понимаем и используем термин «время». У него несколько разных значений, каждое из которых заслуживает подробного освещения.

Существуют три аспекта времени, и все они одинаково важны для нас.

1. Время отмечает моменты во Вселенной.

Время – это координата, оно помогает нам находить объекты.

2. Время измеряет продолжительность периодов между событиями.

Время – это то, что мы измеряем с помощью часов.

3. Время – это среда, сквозь которую мы движемся.

Время – вестник перемен. Мы движемся сквозь него или – что то же самое – время протекает сквозь нас: из прошлого через настоящее в будущее.

На первый взгляд все это звучит очень похоже. Время отмечает моменты, измеряет продолжительность и движется из прошлого в будущее – вроде бы эти идеи не противоречат друг другу. Но если копнуть глубже, то оказывается, что они не обязательно должны быть взаимозависимы – скорее они представляют собой логически независимые понятия, которые по какой-то случайности в реальном мире тесно переплетены. Почему же так происходит? Ответ на этот вопрос чрезвычайно важен – куда важнее, чем принято было думать в научной среде.

Однажды Джона Арчибальда Уилера, влиятельного американского физика, который ввел в обиход термин «черная дыра», спросили, что такое время. Немного подумав, он ответил так: «Время – это то, благодаря чему в природе не происходит все одновременно».

В этом высказывании кроется важная истина, и оно полно глубокой мудрости. Когда мы думаем о мире в рамках привычных бытовых понятий – не с точки зрения ученых или философов, а как обычные люди, живущие своей жизнью, – мы обычно идентифицируем «мир» как набор вещей, находящихся в различных местах. Физики объединяют все эти разнообразные места в единое понятие под названием «пространство». В зависимости от контекста они используют разные способы описания того, что находится в пространстве, – атомы, элементарные частицы или квантовые поля. Однако базовая идея остается неизменной. Вы находитесь в комнате, в которой есть мебель, несколько книг, какая-то еда, возможно, даже другие люди и обязательно какое-то количество молекул воздуха. Все подобные вещи – от ближайших к вам и до находящихся в межгалактическом пространстве – образуют «мир».

И мир изменяется. Мы видим объекты в определенных сочетаниях друг с другом, но мы видим их и в других сочетаниях (очень трудно составлять разумные предложения, описывающие эту идею, без отсылок к понятию времени). Но мы не видим эти разные сочетания «одновременно» или «одномоментно». Мы видим одну конфигурацию: вот вы сидите на диване, а у вас на коленях кошка, а затем другую: кошка спрыгнула на пол, обидевшись, что вы погрузились в книгу и не уделяете ее царственной персоне достаточно внимания. Таким образом, мир предстает перед нами в разных конфигурациях снова и снова, и все эти конфигурации чем-то отличаются друг от друга. К счастью, мы можем пометить множество подобных конфигураций, для того чтобы не запутаться во всевозможных состояниях окружающего мира: Мурка уходит «сейчас», а сидела у вас на коленях «до этого». Такие метки и составляют то, что мы называем временем.

Итак, мир существует, и более того, мир происходит снова и снова. В этом смысле мир аналогичен множеству кадров на кинопленке, только фильм на этой пленке снят камерой, способной захватить в объектив всю Вселенную (а также, насколько нам известно, включает бесконечное число кадров, отделенных бесконечно малыми промежутками). Разумеется, пленка – это не просто куча отдельных кадров. Они должны быть составлены в правильном порядке, иначе фильм попросту не будет иметь смысла. В этом и заключается роль времени. Про какие-то события мы можем не просто сказать, что «вот это произошло», и «вот это тоже произошло», и «вот тот случай тоже имел место». Мы можем сказать, что первое событие произошло до второго, а третье – после него. Время не просто метка на каждом из возможных экземпляров мира; оно обеспечивает порядок, помещая каждый из экземпляров на свое место в правильной последовательности.

Конечно же, в кадре настоящего фильма никогда не присутствует целая Вселенная. Любой фильм монтируется: одна сцена или угол съемки внезапно сменяются другим. Попробуйте представить себе фильм, в котором такой переход происходит после каждого кадра, то есть каждый последующий кадр содержит совершенно новую сцену. Его невозможно было бы смотреть: происходящее на экране казалось бы нам случайной мешаниной изображений. Кажется, существует какой-то авангардный французский фильм, снятый как раз с использованием такой техники.

Настоящая Вселенная совсем не похожа на авангардный фильм. Мы чувствуем определенную непрерывность движения времени: если сейчас у вас на коленях сидит кошка, существует вероятность, что она может спрыгнуть и уйти, однако вы навряд ли задумываетесь об опасности того, что любимая Мурка через мгновение попросту дематериализуется. На микроскопическом уровне непрерывность не абсолютна: частицы могут появляться и исчезать или, по крайней мере, при определенных условиях трансформироваться в частицы другого типа. Однако реальность не подвергается каждое мгновение массовым изменениям.

Этот феномен непрерывности заставляет взглянуть на «мир» с новой точки зрения. Вместо множества разбросанных тут и там в пространстве вещей, постоянно меняющих конфигурацию, мы разом начинаем думать о целой истории мира или любой его составляющей. Мурка теперь для нас не совокупность упорядоченных клеток и жидкостей, а существо, прожившее целую жизнь – от момента рождения и до смерти. История объекта (кошки, планеты, электрона) во времени определяет его мировую линию – траекторию, которую объект прочерчивает в пространстве с течением времени.[3]3
  Для того чтобы не казаться слишком абстрактными, мы периодически будем использовать выражения, указывающие на направленность времени: «время течет», «мы перемещаемся в будущее» и т. д. Строго говоря, одна из наших задач – объяснить, почему подобный язык кажется таким естественным, в противовес формулировкам наподобие «существует настоящее, а также существует будущее», которые кажутся слишком напыщенными. Гораздо проще и полезнее иногда позволять себе некоторые вольности в изложении; это также дает нам возможность дополнительно поразмыслить над достоверностью предположений, на которых базируются привычные речевые обороты.


[Закрыть] Мировая линия объекта представляет собой всего лишь полный набор позиций, которые он когда-либо занимал в мире, отмеченных определенными моментами времени.

Рис. 1.1. Мир, упорядоченный по моментам времени. Объекты (включая людей и кошек) остаются в пространстве от момента к моменту, определяя тянущиеся сквозь время мировые линии