Текст книги "Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего"

Автор книги: Ли Смолин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 19 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]

Интерлюдия
Недовольство Эйнштейна

Блочная картина Вселенной в теории относительности стала последним шагом к устранению времени из физики. Но у самого Эйнштейна было двойственное отношение к исчезновению времени из картины мироздания, для создания которой он столько сделал. Он нашёл утешение в блочной модели и всё же остался недоволен. Мы знаем об этом из «Интеллектуальной автобиографии» Рудольфа Карнапа. Тот пересказывает беседу с Эйнштейном:

Однажды Эйнштейн сказал, что проблема понятия «сейчас» его всерьёз волнует. Он пояснил, что «сейчас» имеет для человека какой-то особенный смысл, чем-то принципиально отличается от прошлого и будущего, но что это важное различие не отражается и не может быть отражено в законах физики. То, что эта особенность не может найти своё место в науке, представлялось ему требующим болезненных, но неизбежных перемен.

Сам Карнап сомнений на этот счёт не испытывал:

Я заметил, что всё, что происходит объективно, может быть описано в науке. С одной стороны, временная последовательность событий описывается в физике. С другой стороны, особенности человеческого опыта по отношению ко времени, в том числе его различное отношение к прошлому, настоящему и будущему может быть описано и (в принципе) объяснено в рамках психологии.

Не представляю, что думал Карнап. Я не знаю, как науки вроде биологии и психологии могли бы объяснить наше ощущение времени в мире без времени[56]56
  Джим Браун объяснял мне, что Карнап имел в виду что-то вроде различия между первичными и вторичными эффектами. Мы видим красный цвет, но на самом деле это атомы вибрируют и излучают свет определённой частоты. Мы чувствуем, как время проходит, но в действительности мы – просто мировая линия в блочной Вселенной, обладающая способностью воспринимать и хранить воспоминания. Для меня это способ изложить проблему, но не решить её.


[Закрыть]. Эйнштейна, судя по всему, ответ Карнапа тоже не устроил: «Эйнштейн думал, что эти научные описания не могут удовлетворить потребности человека, что есть что-то важное за пределами современной науки»[57]57
  The Philosophy of Rudolf Carnap: Intellectual Autobiography. Ed. Paul Arthur Schillp. La Salle, IL: Open Court, 1963. Pp. 37–38.


[Закрыть].

Чтобы быть успешной, научная теория должна объяснить наши наблюдения природных явлений. Но элементарное наблюдение говорит, что всё в природе организовано во времени. Если наука должна объяснить всё, что мы наблюдаем в природе, разве не должна она включать наш опыт восприятия мира как непрерывного потока мгновений? Разве фундаментальная физическая теория не должна включать основные знания о том, как структурирован наш опыт?

Всё, что мы испытываем, каждая мысль, впечатление, поступки, намерения, – часть времени. Мир предстаёт в виде серии моментов. Мы не можем выбирать, в какой момент живём, не можем выбрать направление своего движения во времени. Нет возможности переместиться в будущее. Мы не можем влиять на скорость хода времени. В этом отношении время принципиально отличается от пространства. Кто-то возразит: события происходят каждое в определённом месте. Но у нас есть выбор, куда перемещаться в пространстве. Это важное различие: оно формирует наш опыт.

Эйнштейн и Карнап сходятся в одном: восприятие природы в виде серии моментов не является частью физической концепции природы. Будущее физики (и, можно сказать, физики будущего) сводится к простому выбору: согласиться с Карнапом в том, что в науке нет места для текущего момента, либо довериться интуиции величайшего учёного XX века и постараться нащупать путь к новой науке, в которой можно избежать «болезненных перемен».

Для Эйнштейна настоящий момент времени представлялся реальным и был частью объективного описания реальности. Он считал (как сообщает Карнап), что «в „сейчас“ есть нечто особенно важное, нечто такое, что находится за пределами науки». Не менее 60 лет прошло с того разговора. Мы многое узнали о физике и космологии. Достаточно много, чтобы привнести «сейчас», наконец, в физическое описание природы. Ниже я объясню, почему нынешние знания требуют, чтобы время стало центральной концепцией в физике.

В части I мы проследили 9 этапов устранения времени из физической концепции природы, начиная с открытия Галилеем законов движения и заканчивая вневременной квантовой космологией Джулиана Барбура. Вскоре мы увидим возвращение времени. Но для этого необходимо опровергнуть 9 доводов из части I.

Аргументы, вытекающие из ньютоновой физики и ньютоновой парадигмы:

1) «Замораживание» движения путём изображения прошлых наблюдений с помощью графиков;

2) Изобретение вневременной конфигурации пространства;

3) Ньютонова парадигма;

4) Довод в пользу детерминизма;

5) Обратимость времени.

Аргументы, вытекающие из специальной и общей теорий относительности Эйнштейна:

6) Относительность одновременности;

7) Блочная картина Вселенной и пространства-времени;

8) Начало времени в момент Большого взрыва.

Космологические доводы, вытекающие из расширения законов физики до масштабов Вселенной в целом:

9) Квантовая космология и конец времени.

Эти положения привели к взгляду на природу, в рамках которого отрицается реальность настоящего момента и вместо этого природа описывается в терминах блочной картины Вселенной. Время в этой картине рассматривается в качестве дополнительного измерения пространства, и причинная связь времён может быть заменена вневременной логикой событий. ОТО и механика Ньютона могут рассматривать историю, развивающуюся во времени, но это время представляется в смысле математической последовательности, лишённым ощущения текущего мгновения. В этих теориях время нереально. Я буду характеризовать такие теории как вневременные.

Действительно ли устранение времени – необходимая плата за научный прогресс? Указанные 9 доводов основаны на заблуждении, будто ньютонова парадигма (предполагающая, что мы можем предсказать состояние системы, если знаем её начальные условия и законы движения) может быть развёрнута до теории мироздания. Однако я покажу, что расширение ньютоновой парадигмы не может привести к приемлемой теории Вселенной. Это мощный метод в ограниченном пространстве, но в космологических масштабах он бессилен.

Самые веские доводы в пользу устранения времени сформулированы в рамках теории относительности. В главе 14 мы опровергнем их, а после рассмотрим, как изменятся физика и космология, принявшие гипотезу о реальности времени.

Часть II
Свет: возвращение времени

Глава 8
Космологическое заблуждение

До сих пор мы следовали дорогой мистики, стремясь выйти за пределы своего привязанного к времени опыта и открыть вечные истины. Мы узнали о значительном успехе ньютоновой парадигмы и увидели, что этот успех дался нам ценой устранения времени из физики. Далее мы увидим, что всё-таки не должны платить эту цену: ньютонова парадигма к Вселенной в целом неприменима. Нам нужна новая теория, в которой реальность времени является центральным элементом.

Вернёмся к истокам науки и обратимся к Анаксимандру (ок. 610–546 гг. до н. э.). Он первым стал искать причины природных явлений в самой природе, а не в капризах богов[58]58
  Rovelli, Carlo The First Scientist: Anaximander and His Legacy. Yardley, PA: Westholme Publishing, 2011.


[Закрыть]. В те времена даже самые знающие считали себя обитателями Вселенной, ограниченной двумя плоскостями. Под их ногами лежала земля, простирающаяся во все стороны. Над головой было небо. Во Вселенной существовало одно выделенное направление: вниз. Основной закон природы, подтверждённый опытом, гласил: всё падает. Единственным исключением было небо и закреплённые там небесные тела.

Когда люди попытались распространить этот закон на Вселенную, они столкнулись с парадоксом: если всё, что не закреплено на небе, падает, то почему не падает Земля? Её должно что-нибудь поддерживать. Одна из гипотез гласила, что Земля покоится на спине гигантской черепахи. Но что тогда поддерживает черепаху? Бесконечная башня, сложенная из черепах?

Анаксимандр понял: чтобы создать успешную теорию Вселенной и избежать reductio ad absurdum [доведения до абсурда] – бесконечной башни из черепах, – необходима концептуальная революция. Он выдвинул идею, вполне очевидную для нас, но шокировавшую современников философа: «вниз» – значит «по направлению к Земле». Дело не в том, что все предметы падают вниз, а в том, что все предметы падают на Землю. Это позволило бы Анаксимандру сделать ещё одно революционное открытие: что Земля круглая. Но он этого шага не сделал. И всё же переопределение «вниз» освободило путь представлению о Земле как о теле, парящем в пространстве. Анаксимандр предположил, что небо вокруг Земли: и под ногами, и над головой.

Это понимание существенно упростило космологию. Тот очевидный факт, что Солнце, Луна и звёзды восходят на востоке и заходят на западе, мог быть объяснён суточным вращением. Уже не было необходимости ежеутренне «порождать» Солнце и ежевечерне «убивать» его. После заката Солнце возвращается в исходную точку, скрытно проделав путь у нас под ногами. Представьте себе восхищение людей в тот момент, когда пришло понимание этого! Это избавило их от вечного беспокойства о том, что дух, ответственный за рождение Солнца, может в одно прекрасное утро проспать или просто оставить свой пост. Вклад в науку Анаксимандра был, возможно, гораздо значительнее, нежели вклад Коперника: он избавил людей от необходимости объяснять, на чём покоится Земля.

Философы, желавшие знать, на чём покоится Земля, ошибочно применяли локальный закон к Вселенной целиком. Их Вселенная содержала Землю и небо, а мы живём в бесконечном космосе с галактиками, но впадаем в ту же ошибку, и следствием её является бесконечная путаница в современной космологии. Хотя, кажется, нет ничего естественнее применения к Вселенной закона или принципа, который мы успешно применяем в мире подсистем, это значит впасть в космологическое заблуждение.

Вселенная отличается от любой своей части. Это не просто сумма частей. Все свойства объектов во Вселенной следует понимать с позиции их связи или взаимодействия с другими объектами. Но сама Вселенная есть сумма всех отношений, и она не может обладать свойствами, определяемыми отношением к другому, подобному ей объекту.

Земля во Вселенной Анаксимандра – единственное, что не падает, поскольку это то, куда всё падает. Точно так же Вселенная единственная не может быть объектом воздействия ничего внешнего по отношению к ней, потому что она и есть сумма всех действий.

Если уместно сравнение современной и древнегреческой науки, то из-за распространения локальных законов на Вселенную возникают парадоксы. Мы со своей верой в ньютонову парадигму не в состоянии найти ответ на два простых вопроса:

а) Почему именно эти законы? Во Вселенной действует определённый набор законов. Как были отобраны эти законы из всех, которые также, возможно, могли управлять миром?

б) Вселенная образовалась в результате Большого взрыва с определённым набором начальных условий. Почему именно этот набор? Пусть мы установили законы, но есть ещё бесконечное количество начальных условий, при которых Вселенная могла образоваться. Как выбраны реальные исходные условия из бесконечного множества возможностей?

Оставаясь в рамках ньютоновой парадигмы, невозможно даже начать отвечать на два этих фундаментальных вопроса, поскольку законы и начальные условия аксиоматичны по отношению к парадигме. Если физика останется в рамках ньютоновой парадигмы, мы никогда не получим ответ.

Мы привыкли считать, будто знаем, откуда берутся эти законы. Многие теоретики считали, что только одна математически последовательная квантовая теория может объединить четыре основные силы природы (электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы, гравитацию). Но если бы это было так, то ответ на вопрос, почему мы имеем дело с данными законами, гласил бы: лишь один из возможных наборов физических законов может породить мир, подобный нашему.

У нас достаточно доказательств, что теории, включающей всё известное о природе (по сути, теории, согласующейся с общей теорией относительности и квантовой механикой), не существует. В последние 30 лет наблюдается прогресс в теории квантовой гравитации. Учёные пришли к выводу, что мир, описываемый здесь в рамках всех подходов, не уникален. Наиболее развитым подходом в квантовой гравитации является петлевая квантовая гравитация, но и она допускает возможность широкого выбора элементарных частиц и сил.

То же справедливо и в отношении теории струн, которая, как ожидается, объединит теорию гравитации и квантовую физику. Есть свидетельства существования бесконечного количества струнных теорий, и многие из них зависят от большого набора параметров: чисел, которые могут быть заданы вручную и принимать любые значения, какие мы выберем. Все эти теории кажутся одинаково самосогласованными математически.

Подавляющее их число описывает миры со спектром элементарных частиц и сил, примерно соответствующих нашему миру. Однако сейчас нет ни одной теории струн, которая включала бы стандартную модель физики элементарных частиц (СМ). Сначала теория струн внушала надежду, что она станет уникальной фундаментальной теорией, точно воспроизводящей СМ и позволяющей делать предсказания для наблюдений за её пределами. Но в 1986 году Эндрю Строминджер разрушил эти надежды, обнаружив, что теория струн имеет огромное количество версий[59]59
  Strominger, Andrew Superstrings with Torsion // Nucl. Phys. B 274:2, 253–284 (1986).


[Закрыть]. Это побудило меня заняться проблемой отбора законов в нашей Вселенной и привело к концепции реальности времени.

Но – хватит о неразрешимых вопросах. А что насчёт дилеммы?[60]60
  Дилемма – это довод с двумя противоположными положениями, ни одно из которых не является приемлемым.


[Закрыть] Оказывается, дилемма содержится уже в понятии закона в ньютоновой парадигме. Когда мы говорим о «законе», речь идёт о множестве случаев. Если что-либо произошло один раз, это просто наблюдение. Но любое применение закона в любой части Вселенной предполагает приближение (как мы увидели в главе 4), потому что приходится пренебрегать всеми взаимодействиями между этой частью и остальной Вселенной. И многие подтверждаемые экспериментально случаи действия закона являются приближениями.

Чтобы применить закон природы без приближения, мы должны применить его ко всей Вселенной. Но ведь существует лишь одна Вселенная, и в таком случае у нас нет достаточных доказательств того, что некий закон природы здесь применим. Это можно назвать космологической дилеммой.

Космологическая дилемма не мешает нам применять законы природы (например, ОТО или законы Ньютона) к подсистемам Вселенной. Они работают практически во всех случаях и поэтому-то и называются законами. Но каждое из таких приложений закона является аппроксимацией, основанной на фантастическом предположении об отсутствии влияния остальной Вселенной на подсистему[61]61
  Кто-то возразит, что при построении космологических моделей в ОТО мы применяем уравнения Эйнштейна для всей Вселенной. Это не так. Мы применяем усечённые уравнения Эйнштейна для подсистемы, состоящей из Вселенной на большом масштабе. Малое (в том числе мы, наблюдатели) из моделируемой системы исключено.


[Закрыть]. Также ничто не мешает нам представить, что история нашей Вселенной – это решение, найденное в теории, такой как ОТО, и мир в ней описывает СМ. Но это нисколько не объясняет, почему именно данное решение было выбрано и затем реализовано в природе. И ни одно найденное решение не доказывает то, что существующие законы природы представляют собой комбинацию ОТО и СМ, потому что любое решение является приближением для множества законов[62]62
  Например, стандартная модель может быть улучшена путём добавления чрезвычайно массивных частиц, которые вряд ли могут влиять на большую часть истории Вселенной.


[Закрыть].

Чтобы показать, чем закон отличается от наблюдения, рассмотрим пример. В семье один ребёнок, Мира, и она любит мороженое – шоколадное. Впервые она попробовала именно шоколадное мороженое и с тех пор предпочитает его всем другим сортам. Родители Миры считают, что есть закон природы, в силу которого все дети любят мороженое. Но, не имея возможности наблюдать за другими детьми, они не могут убедиться в этом. Отец Миры верит и в закон, гласящий: дети предпочитают шоколадное мороженое. У матери другая гипотеза: дети предпочитают тот сорт, который впервые попробовали.

Обе гипотезы согласуются с данными. Родители Миры делают предсказания, которые могут быть проверены путём опроса других родителей. Следовательно, обе гипотезы могут считаться законами. Но предположим, что Мира – единственный ребёнок на планете. В этом случае нет возможности проверить, являются ли гипотезы её родителей законами.

Исходя из собственных познаний в биологии человека, родители Миры могут заявить, что дети любят всё, сделанное из сахара и молока. Но здесь они опираются на знания, полученные в результате изучения многих людей. И здесь аналогия перестаёт работать, поскольку в космологии мир лишь один. В науке Вселенная не может считаться единичным экземпляром из класса, потому что ни одно утверждение в отношении свойств этого класса нельзя проверить.

Теперь пример из физики. Первый закон движения Ньютона, гласящий, что все свободные частицы движутся по прямой, многократно подтверждён. Но каждый случай приблизителен, потому что ни одна частица во Вселенной не может быть подлинно свободной. Все частицы испытывают гравитационное воздействие со стороны всех остальных тел. Если бы мы хотели проверить закон точно, у нас не было бы возможности применить его.

Первый закон Ньютона в лучшем случае может служить приближением к другому, более точному закону. И действительно, он является частным случаем второго закона Ньютона, описывающего движение частицы под воздействием сил. Очень интересно: каждая частица во Вселенной гравитационно притягивает любую другую. Есть также силы, действующие между каждой парой заряженных частиц. Сил слишком много, чтобы их все можно было учесть. Чтобы проверить, является ли второй закон Ньютона точным, и предсказать движение лишь одной частицы, нам придётся учесть более 10⁸⁰ сил.

На практике, конечно, мы не можем сделать ничего подобного. Мы учитываем взаимодействие с одним или несколькими близлежащими телами и пренебрегаем всеми остальными. В случае притяжения, например, мы можем обосновать пренебрежение взаимодействием с далёкими телами, потому что их влияние мало. (Это не так очевидно. Хотя взаимодействие с далёкими частицами слабее, число далеко расположенных тел многократно превышает количество тел, расположенных вблизи.) В любом случае, никто не пытается проверить, является ли второй закон Ньютона абсолютно верным. Мы проверяем лишь приближение к нему.

Другая серьёзная проблема, связанная с экстраполяцией ньютонова понятия «закон» на мироздание, заключается в том, что существует одна бесконечная Вселенная – и множество вариантов начальных условий. Этому соответствует бесконечное количество решений уравнений предполагаемого космологического закона – решений, описывающих бесконечное множество возможных Вселенных. Но реальная Вселенная лишь одна.

Уже то, что у закона бесконечное число решений, заставляет заключить, что его следует применять к подсистемам Вселенной, наличествующим в огромном количестве версий. Полнота природы соответствует множеству решений. Поэтому, когда мы применяем закон к небольшой подсистеме Вселенной, свобода выбора начальных условий превращается в необходимую часть успеха приложения закона.

По той же причине, когда мы применяем закон, имеющий бесконечное число решений, к такой уникальной системе, как Вселенная, многое становится необъяснимым. Свобода выбора начальных условий обращается из преимущества в недостаток: возникают вопросы о Вселенной, на которые не отвечает теория, выражаемая этим законом (например, вопросы о любом свойстве Вселенной, зависящем от выбора начальных условий). Что думать о всех других историях, которые также являются решениями гипотетического космологического закона, но которые не происходят во Вселенной? Почему среди бесконечного числа решений лишь одно реализуется? Эти рассуждения приводят к выводу: мы ошиблись в том, какие законы природы могут работать на космологических масштабах. Тому есть три причины:

1) Утверждение, что закон распространяется на космологические масштабы, подразумевает огромное количество информации о предсказаниях, касающихся несуществующих Вселенных. Следовательно, для описания Вселенной необходимо нечто гораздо более слабое, нежели закон. Нам не нужны экстравагантные объяснения, опирающиеся на предсказания, которые нельзя проверить. Вполне достаточно объяснения, которое учитывает лишь то, что на самом деле происходит в нашей – единственной – Вселенной.

2) Обычные законы не могут объяснить, почему решение, которое описывает нашу Вселенную, единственно и описывает именно наш вариант мироздания.

3) Закон не может объяснять сам себя. Он не предлагает разумного обоснования, почему в природе реализуется именно этот, а не какой-либо другой закон.

Так что обычные законы природы применительно к Вселенной объясняют слишком много – и в то же время недостаточно.

Единственный способ избежать этих проблем – найти методы, выходящие за рамки ньютоновой парадигмы, новую парадигму, применимую в масштабах Вселенной. Если мы не хотим, чтобы физика уступила место мистике, мы должны изменить её методы.

Доводы в пользу устранения времени из физики основаны на предположении, что ньютонова парадигма может быть распространена на Вселенную. Если это не так, то доводы за устранение времени утрачивают силу. Отказываясь от ньютоновой парадигмы, придётся отказаться и от этих доводов. И тогда можно предположить, что время реально. Можем ли мы предложить истинную космологическую теорию, если мы примем реальность времени? Ниже я расскажу, почему ответ на этот вопрос – да.