Текст книги "Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности"

Автор книги: Брайан Грин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 14 (всего у книги 52 страниц)

Течёт ли время?

С точки зрения разумного существа, ответ очевиден. Когда я печатаю эти слова, я ясно чувствуютечение времени. Каждый удар по клавише открывает путь для следующего. Читая эти слова, вы, несомненно, тоже чувствуете течение времени, пока ваши глаза скользят по странице от слова к слову. Однако, несмотря на старание физиков, в законах физики ещё никто не нашёл убедительных свидетельств, подтверждающих это интуитивное ощущение течения времени. На самом деле, переосмысление некоторых выводов Эйнштейна из специальной теории относительности показывает, что время не течёт.

Чтобы понять это, вернёмся к описанию пространства-времени в виде буханки хлеба (в виде блока), представленному в главе 3. Вспомним, что ломтики, формирующие блок, являются моментами настоящего для данного наблюдателя; каждый ломтик представляет пространство в один момент времени с его точки зрения. Объединение, получаемое путём расположения ломтиков один за другим в том порядке, в котором наблюдатель переживает эти ломтики (временны́е слои), заполняет область пространства-времени. Если мы расширим этот взгляд до логического предела и представим, что каждый слой отображает всёпространство в данный момент времени в соответствии с точкой зрения одного наблюдателя, и если мы добавим любой возможный слой от древнего прошлого до отдалённого будущего, блок будет охватывать всю Вселенную на протяжении всего времени – пространство-время в целом. Каждое событие, независимо от того, где или когда оно произошло, представлено некоторой точкой в блоке.

Это схематически проиллюстрировано на рис. 5.1, но открывающаяся перспектива должна заставить вас почесать голову. «Внешний» ракурс рисунка, на котором мы видим целую Вселенную, всё пространство в каждый момент времени – это фиктивная точка наблюдения, которая никогда не будет дана никому.

Рис. 5.1.Схематическое изображение всего пространства в течение всего времени (представлена, разумеется, только часть пространства в течение части времени) отображает формирование некоторых первичных галактик, формирование Солнца и Земли, а также окончательную гибель Земли, когда Солнце раздуется до красного гиганта, как нам в настоящее время представляется наше отдалённое будущее

Мы все находимся внутрипространства-времени. Каждое событие, ощущаемое нами, всегда происходит в некотором месте пространства в некоторый момент времени. И поскольку рис. 5.1 должен описывать всё пространство-время, он включает в себя всю совокупность таких событий – ваших, моих, а также всех прочих. Если бы вы могли увеличить масштаб и вплотную рассмотреть всё приходящее на планете Земля, вы смогли бы увидеть Александра Великого на уроке у Аристотеля, Леонардо да Винчи, наносящего последние штрихи на портрет Моны Лизы, и Джорджа Вашингтона, пересекающего Делавэр; если бы вы продолжили просматривать изображение слева направо, вы смогли бы увидеть вашу бабушку, играющую ещё маленькой девочкой, вашего отца, отмечающего своё десятилетие, и ваш собственный первый день в школе. Глядя ещё дальше направо в изображение, вы смогли бы увидеть самого себя, читающего эту книгу, рождение вашей праправнучки, а немного дальше её инаугурацию в качестве президента. Из-за плохого разрешения рис. 5.1 вы не можете в действительности видеть эти моменты, но вы можете видеть (схематическую) историю Солнца и планеты Земля от их рождения из сгущающегося газового облака до гибели Земли, когда Солнце разбухнет до красного гиганта. Всё это там есть.

Бесспорно, рис. 5.1 – это воображаемая перспектива, вне времени и пространства. Это вид, открывающийся из ниоткуда и из никогда. Хотя это и так – хотя мы не можем на самом деле шагнуть за пределы пространства-времени и полностью окинуть взглядом Вселенную, – схематическое изображение рис. 5.1 даёт мощный способ анализа и прояснения основных свойств пространства и времени. В качестве начального примера интуитивное ощущение течения времени может быть живо описано, по аналогии с кинопроектором. Мы можем вообразить свет, освещающий один временной слой за другим, оживляя на мгновение слой в настоящем, – делая сам слой на мгновение настоящим, – только чтобы тотчас отпустить его снова в темноту, когда свет перейдёт к следующему слою. Уже сейчас в рамках этого интуитивного способа размышлений о времени видно, что свет освещает слой, в котором вы, находясь на планете Земля, читаете этослово, а теперь он освещает слой, в котором вы читаете уже этослово. Но, с другой стороны, в то время как этот образ соответствует ощущениям, учёные не в состоянии найти в законах физики что-либо, что воплощает такое перемещающееся световое пятно. Они не обнаружили физический механизм, который выделяет момент за моментом, делая его на мгновение реальным, – превращая момент в настоящее, – как механизм, всегда продвигающийся вперёд к будущему.

Совсем наоборот. Наряду с тем, что изображениена рис. 5.1, безусловно, воображаемо, имеется убедительное доказательство того, что блок пространства-времени – цельное пространство-время, а не последовательность временны́х слоёв – реален. То, что теория относительности рассматривает все моменты времени как равноправные, является не слишком популярным следствием трудов Эйнштейна. Хотя понятие настоящегоиграет центральную роль в нашем мировоззрении, теория относительности ещё раз ниспровергает нашу интуицию и объявляет, что каждый момент времени столь же реален, как и любой другой. Мы встретили эту идею в главе 3, когда размышляли о вращающемся ведре с точки зрения специальной теории относительности. Там же с помощью косвенных аргументов, аналогичных ньютоновским, мы пришли к заключению, что пространство-время является как минимум достаточным субстратом для обеспечения системы отсчёта с целью определения ускоренного движения. Здесь мы обсуждаем проблему с другой точки зрения и двигаемся дальше. Мы утверждаем, что каждая часть блока пространства-времени на рис. 5.1 существует столь же реально, как и любая другая, указывая, как полагал Эйнштейн, что реальность в равной степенивключает в себя прошлое, настоящее и будущее, и что воображаемое нами течение, выносящее один слой пространства-времени к свету, тогда как другие уходят в темноту, является иллюзорным.

Устойчивая иллюзия прошлого, настоящего и будущего

Чтобы понять точку зрения Эйнштейна, нам необходимо работающее определение реальности, алгоритм для определения, что существует в данный момент. Вот один общий подход. Когда я воображаю реальность, которая существует в этот момент, я рисую перед своим мысленным взором своего рода снимок, мысленное статическое изображение единой Вселенной на данный момент времени. Когда я печатаю эти слова, моё ощущение того, что существует прямо сейчас, моё ощущение реальности сводится к списку всех явлений: мои кухонные часы отбивают полночь; мой кот, растянувшийся в прыжке от пола к подоконнику; первый луч утреннего солнца, осветивший Дублин; шум в торговом зале Токийской фондовой биржи; слияние двух отдельных атомов водорода в Солнце; испускание фотона из туманности Ориона; последний момент жизни умирающей звезды, перед тем как она превратится в чёрную дыру, – которые имеются в данный момент в моём статическом мысленном изображении. Все эти события происходят прямо сейчас, поэтому я считаю их существующими прямо сейчас. Существует ли прямо сейчас Карл Великий? Нет. Существует ли прямо сейчас Нерон? Нет. Существует ли прямо сейчас Линкольн? Нет. Существует ли прямо сейчас Элвис? Нет. Никого из них нет в моём текущем списке настоящего. Существует ли прямо сейчас кто-нибудь, родившийся в 2300, или 3500, или 57000 г.? Нет. Опять-таки, никого из них нет в моём статическом мысленном изображении, никого из них нет в моём текущем временном слое, так что никого из них нет в моём текущем списке настоящего. Следовательно, я говорю без сомнений, что они в настоящее время не существуют. Таким способом я определяю реальность в любой заданный момент; это интуитивный подход, которым пользуются большинство из нас, часто неосознанно, размышляя о бытии.

Я воспользуюсь этой концепцией ниже, но имейте в виду один хитрый момент. Список настоящего – реальность при таком ходе мыслей – это забавнейшая вещь. Ничто из того, что вы видите прямо сейчас, не соответствует вашему списку настоящего, поскольку свету необходимо время, чтобы достичь ваших глаз. Всё, что вы видите прямо сейчас, уже произошло. Вы не видите слов на этой странице такими, какими они есть прямо сейчас; вместо этого, если вы держите книгу в тридцати сантиметрах от вашего лица, вы видите их такими, какими они были миллиардную долю секунды назад. Если вы осмотрите обыкновенную комнату, вы увидите вещи, какими они были от 10 до 20 миллиардных долей секунды назад. Если вы окинете взглядом Большой Каньон, вы увидите его противоположную сторону такой, какой она была примерно одну десятитысячную долю секунды назад. Если вы посмотрите на Луну, вы увидите её такой, какая она была полторы секунды назад. Солнце вы видите таким, каким оно было около восьми минут назад; звёзды, видимые невооружённым глазом, вы видите такими, какими они были, грубо говоря, от нескольких лет до 10 000 лет назад. Любопытно, что хотя мысленное замороженное изображение правильно представляет наше ощущение реальности, наше интуитивное ощущение «того, что находится там», состоит из событий, которые мы не можем почувствовать, на которые мы не можем повлиять или даже зафиксировать прямо сейчас. Вместо этого настоящий список реальности может быть составлен только постфактум. Если вы знаете, как далеко находится что-либо, вы можете определить, когда был испущен свет, который вы видите сейчас, и на основании этого вы можете определить, с каким из ваших временных сечений он был связан, в какой из уже прошедших списков настоящего он должен быть вписан. Тем не менее, и это главное, если мы используем эту информацию для составления списка настоящего для любого данного момента времени, непрерывно дополняя его по мере получения световых сигналов от всё более далёких источников, всё перечисленное в списке и есть те вещи, которые, как мы интуитивно представляем, существуют в данный момент.

Удивительно, что этот, кажущийся простым, путь размышлений приводит к неожиданно сильной концепции реальности. В соответствии с ньютоновским абсолютным пространством и абсолютным временем, как мы видели, замороженное изображение Вселенной для каждого человека в данный момент времени содержит в точности одинаковые события; сейчасдля каждого человека – это одно и то же сейчас, так что список настоящего для каждого человека в данный момент времени идентичен другим спискам. Если кто-то или что-то находится в вашем списке настоящего, значит, это обязательно есть и в моём списке настоящего для этого момента. Интуиция большинства людей всё ещё ограничивается этим образом мышления, но специальная теория относительности говорит совершенно иное. Посмотрите снова на рис. 3.4. Два наблюдателя в состоянии относительного движения имеют сейчас, которые отличаются: их сейчасрежут пространство-время под разными углами. И разные сейчасозначают разные списки настоящего. Наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, имеют разное представление о том, что существует в данный момент времени, и, следовательно, они имеют различные представления о реальности.

При повседневных скоростях угол между временными слоями настоящего двух наблюдателей ничтожен; именно поэтому в повседневной жизни мы никогда не отмечаем расхождения между нашим определением настоящего и чьим-либо ещё. По этой причине большинство дискуссий по поводу специальной теории относительности сосредоточиваются на том, что произойдёт, если мы будем двигаться с гигантской скоростью (близкой к скорости света), поскольку такое движение будет значительно усиливать все эффекты. Но имеется другой путь усиления расхождения между концепциями сейчасдвух наблюдателей, и я нахожу, что он чрезвычайно проясняет суть дела. Он основывается на следующем простом факте: если вы и я разрезаем обычную буханку под слегка различающимися углами, это слабо повлияет на получившиеся куски хлеба. Но если буханка огромна, результат будет иным. Точно так же, как малейшее раскрытие лезвий чудовищно длинных ножниц приведёт к большому расстоянию между концами лезвий, разрезание огромной буханки хлеба под слегка отличающимися углами даёт сечения, которые расходятся на гигантскую величину на далёких расстояниях от места пересечения временны́х слоёв. Вы можете видеть это на рис. 5.2.

Рис. 5.2.( а) В обычной буханке ломтики разрезаны под слабо различающимися углами, и расходятся не сильно. ( б) Но чем больше буханка, разрезаемая под тем же углом, тем расхождение больше

То же самое справедливо для пространства-времени. При повседневных скоростях временны́е слои, изображающие настоящее для двух наблюдателей в относительном движении, будут ориентированы под слабо отличающимися углами. Если два наблюдателя находятся рядом, это вряд ли приведёт к заметному эффекту. Но, как и в буханке хлеба, крохотные углы приведут к большим различиям между слоями при их сравнении на больших расстояниях. Большое расхождение между слоями пространства-времени означает существенное расхождение в том, какие события каждый из наблюдателей рассматривает как происходящие сейчас. Это проиллюстрировано на рис. 5.3 и 5.4 и показывает, что индивидуумы, двигающиеся друг относительно друга даже с обычными, повседневными скоростями, будут иметь всё более различающиеся представления о настоящем, если они находятся на всё большем расстоянии друг от друга.

Рис. 5.3.( а) Два наблюдателя в покое друг относительно друга имеют идентичное представление о сейчаси поэтому идентичные временны́е слои. Если один наблюдатель удаляется от другого, их временные слои – то, что каждый наблюдатель рассматривает в настоящий момент, – поворачиваются друг относительно друга; как показано, затемнённый слой настоящего для двигающегося наблюдателя поворачивается в прошлое покоящегося наблюдателя. ( б) Большее расстояние между наблюдателями даёт большее расхождение слоёв – большее расхождение в их концепциях сейчас

Рис. 5.4.( а) То же, что на рис. 5.3 аза исключением того, что когда один наблюдатель движется в направлении второго, его слой настоящегоповорачивается в будущее, а не в прошлое другого наблюдателя. ( б) Аналогично рис. 5.3 б– большее разделение в пространстве даёт большее отклонение в представлениях о настоящем для одной и той же относительной скорости – но с поворотом, направленным в будущее вместо прошлого

Рассмотрим конкретный пример. Представим, что Чуви находится на планете в далёкой-далёкой галактике – 10 млрд световых лет от Земли – и праздно сидит в своей комнате. Далее представим, что вы (просто сидящий и читающий эти слова) и Чуви не двигаетесь друг относительно друга (для простоты проигнорируем движение планет, расширение Вселенной, гравитационные эффекты и т. д.). Поскольку вы находитесь в состоянии покоя друг относительно друга, вы и Чуви полностью согласны по вопросам пространства и времени: вы будете разрезать пространство-время одинаковым образом, так что ваши списки настоящего будут в точности совпадать. Через некоторое время Чуви встаёт и отправляется гулять спокойным, расслабленным шагом в направлении прочь от вас. Это изменение в состоянии движения Чуви означает, что его концепция настоящего, его слой пространства-времени слегка повернётся (см. рис. 5.3). Это слабое изменение угла не окажет заметного влияния рядом с Чуви: различие между его новым сейчаси вашим сейчаскрайне мало. Но на гигантском расстоянии в 10 млрд световых лет этот ничтожный сдвиг в представлении Чуви о его сейчасусиливается (как в переходе от рис. 5.2 к рис. 5.3, но с главными героями, находящимися теперь на гигантском расстоянии друг от друга, которое существенно увеличивает сдвиг между их сейчас). Настоящее Чуви и ваше настоящее, которые были одинаковыми, когда он ещё сидел в комнате, сильно разойдутся в результате его медленного движения.

Рисунки 5.3 и 5.4 схематично иллюстрируют ключевую идею, но, используя уравнения специальной теории относительности, мы можем точно рассчитать, на сколько будут различаться ваши представления о сейчас. ^{59} Если Чуви уходит от вас со скоростью около 18 км/ч (у Чуви довольно быстрая походка), события на Земле, которые принадлежат его новому списку настоящего, будут событиями, которые произошли около 150 лет назад по отношению к вам! В соответствии с его концепцией настоящего – концепцией, до последней мелочи столь же правомерной, что и ваша, и до последнего момента полностью совпадающей с вашей, – вы ещё даже не родились. Если он двигается по направлению к вам с той же скоростью, угловой сдвиг будет противоположным, как схематично показано на рис. 5.4, так что его сейчасбудет совпадать с тем, что вы считаете происходящим в будущем через 150 лет! Теперь в соответствии с его сейчасвы больше не можете быть частью этого мира. А если вместо прогулки Чуви прыгнет в звездолёт Миллениум Фалькон, двигающийся со скоростью 1800 км/ч (меньше, чем скорость Конкорда), его настоящее будет включать события на Земле, которые, с вашей точки зрения, имели место 15 000 лет назад или будут происходить через 15 000 лет в будущем, в зависимости от того, летит он от вас или к вам. Если задать подходящий выбор направления и скорости движения, то Элвис, Нерон, Карл Великий, Линкольн или кто-нибудь, родившийся на Земле в момент, который вы называете будущим, будут частью его списка настоящего.

Несмотря на необычность, ничто из этого не приводит к противоречиям или парадоксам, поскольку, как мы объяснили выше, чем дальше что-то находится, тем дольше придётся ждать, чтобы получить испущенный этим чем-то свет, и с помощью этого света определить, что входит, а что не входит в определённый список настоящего. К примеру, даже если Джон Уилкс Бут [33]33
  Джон Уилкс Бут (John Wilkes Booth) убил президента Линкольна в театре Форда в 1865 г. (Прим. ред.)


[Закрыть], приближающийся к правительственной ложе в театре Форда, будет входить в новый список настоящего Чуви, если тот встанет и будет идти в сторону от Земли со скоростью около 17 км в час, ^{60} Чуви не сможет ничего предпринять, чтобы спасти президента Линкольна. На такой гигантской дистанции потребуется гигантское количество времени, чтобы получить и обменяться сообщениями, так что только потомки Чуви, миллиарды лет спустя, получат световой сигнал от той трагической ночи в Вашингтоне. Суть в том, что даже если его потомки используют эту информацию для внесения дополнений в громадную коллекцию прошлых списков настоящего, они обнаружат, что предательское убийство Линкольна входит в тот же список настоящего, который содержит подъём Чуви с кресла и его прогулку прочь от Земли. Они также обнаружат, что перед прогулкой список сейчасЧуви среди большого количества других вещей содержал и вас. Вы всё ещё находитесь на Земле XXI в. и читаете эти слова. ^{61}

Аналогичным образом возникают вопросы о нашем будущем, типа – «кто победит на президентских выборах США в 2100 г.?», которые кажутся полностью открытыми: более чем вероятно, что кандидаты на эти выборы даже ещё не родились, не говоря о том, чтобы начать делать карьеру. Но если Чуви поднимается из своего кресла и начинает движение в направлении Земли со скоростью около 11,5 км/ч, то его список настоящего будетвключать выборы первого президента США XXII в. То, что кажется совершенно неопределённым для нас, для него уже произошло. Опять-таки, Чуви не сможет узнать итоги выборов раньше, чем через миллиарды лет, поскольку это время необходимо нашему телевизионному сигналу, чтобы достичь Чуви. Но когда данные об итогах выборов достигнут потомков Чуви и они обновят его книгу истории, его коллекцию прошлых списков сейчас, они увидят, что итоги выборов входят в тот же список настоящего, в котором Чуви поднялся с кресла и отправился гулять по направлению к Земле. Этот список настоящего, отметят потомки Чуви, появляется моментом позже списка, который содержит вас в начале XXI в., в тот самый момент, когда вы дочитываете этот абзац.

Этот пример подчёркивает два важных момента. Первый: хотя мы использовали мысль о том, что релятивистские эффекты становятся очень заметными при скоростях, близких скорости света, но даже при малых скоростях релятивистские эффекты чрезвычайно усиливаются, когда рассматриваются очень большие расстояния. Второй: пример позволяет проникнуть в проблему: является ли пространство-время (буханка) действительно чем-то существующим или просто абстрактной концепцией, абстрактным объединением пространства прямо сейчасвместе с его историей и подразумеваемым будущим.

Вы видите, что концепция реальности, которую принимает Чуви, его замороженный образ текущего мгновения, ничем не хуже концепции реальности, которую принимаете вы. Так что если при определении того, что представляет собой реальность, мы не учтём его точку зрения, то получим чрезвычайно узкое представление. Для Ньютона такой равноправный подход не мог привести к каким-либо различиям, поскольку во Вселенной с абсолютным пространством и абсолютным временем слои настоящего совпадают для всех наблюдателей. Но в релятивистской Вселенной, нашей Вселенной, различия велики. Поскольку наша обычная концепция того, что существует прямо сейчас, включает только один слой настоящего – мы обычно видим прошлое, как уже ушедшее, и будущее, как ещё не наступившее, – то мы должны расширить этот образ, включив слой настоящего Чуви, т. е. мы должны включить такой слой настоящего, который, как показало обсуждение, может существенно отличаться от нашего собственного. Более того, поскольку начальное положение Чуви и его скорость движения произвольны, мы должны включить слои настоящего, связанные со всеми возможностями. Эти слои настоящего будут центрированы на положении Чуви или на положении некоторого другого реального или гипотетического наблюдателя в пространстве и будут поворачиваться на угол, который зависит от выбранной скорости. (Единственное ограничение следует из предела скорости, установленной светом, и, как объяснено в примечаниях, в использованном нами графическом представлении это соответствует ограничению угла поворота сорока пятью градусами по или против часовой стрелки). Как вы видите, на рис. 5.5 собрание всех слоёв настоящего заполняет солидную область пространственно-временно́й буханки. Фактически, если пространство бесконечно – если слои настоящего простираются в бесконечность, – то поворачивающиеся слои настоящего могут быть центрированы произвольно далеко, и поэтому их объединение заметает (при повороте) каждую точку блока пространства-времени. [34]34
  Отметим любую точку в блоке пространства-времени. Отрежем ломтик, который включает эту точку и пересекает наш текущий ломтик настоящего под углом менее 45°. Этот ломтик будет представлять ломтик настоящего – реальность– удалённого наблюдателя, который был сначала в покое относительно нас, как Чуви, а теперь двигается относительно нас со скоростью, меньшей скорости света. По построению этот ломтик включает (произвольную) точку в буханке, которую мы отметили. ^{222}


[Закрыть]

Рис. 5.5.Пример слоёв настоящего для различных наблюдателей (реальных или гипотетических), находящихся на различных расстояниях от Земли и двигающихся с различными скоростями

Итак: если вы принимаете идею, что реальность состоит из вещей в вашей замороженной мысленной картинке, представляющей текущий момент времени, и вы согласны, что ваше настоящее не более действительно, чем настоящее кого-то, кто располагается далеко от вас и кто может свободно двигаться, то реальность включает в себя все события в пространстве-времени. Существует весь блок пространства-времени. Точно так же, как мы представляем всё пространство реальносуществующим не только здесь, мы должны представлять и всё время реальносуществующим не только теперь. Прошлое, настоящее и будущее явно выглядят как различные сущности. Но, как сказал однажды Эйнштейн, «Как нас убедили физики, разница между прошлым, настоящим и будущим есть только иллюзия, хотя и стойкая» ^{62} . Единственная вещь, которая реальна, – это пространство-время в целом.