Текст книги "Пространство, время и движение. Величайшие идеи Вселенной"

Автор книги: Шон Кэрролл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 18 страниц)

Гипотеза о прошлом

Энтропия возрастает, поскольку путей (микросостояний) к ее увеличению больше, нежели чем к уменьшению. Как можно заметить, такое утверждение предполагает, что изначально энтропия была низкой. Эта идея, которая известна как гипотеза о прошлом, вместе с предложенной Больцманом связью микро– и макромира дает нам возможность понять, что скрыто за вторым законом термодинамики.

Некоторую ясность можно внести, снова сравнив время с пространством. Мы четко видим, что существует стрела времени, но не существует «стрелы пространства». Можно отличить «верх» от «низа», но лишь потому, что живем мы рядом с Землей, и она влияет на нас силой тяжести. Для космонавта, парящего в невесомости, все стороны одинаковы.

Давайте подумаем. Здесь, на Земле, некая стрела пространства имеется, позволяя нам отличить верх от низа. Но это не работа законов физики, а следствие особой конфигурации материи рядом с нами, наличия большой, влияющей на нас планеты. Это случайность. Но может быть, то же самое происходит и со временем?

Такое возможно, а на самом деле именно так и есть. Допустим, мы знаем, что в данный момент энтропия Вселенной низка. Тогда мы можем предсказать, что в будущем она повысится, а в силу обратимости законов физики – сделать вывод, что в прошлом она также была выше. То есть выходит, что мы живем в какой-то особый момент истории, в который энтропия аномально низка.

Никто не верит, что это правда. Фундаментальная симметрия между прошлым и будущим нарушается граничным условием, которое распространяется на историю Вселенной или, по крайней мере, на ее видимую часть и предполагает очень низкую начальную энтропию.

Наша Вселенная расширяется. Примерно 14 миллиардов лет назад все, что мы видим сейчас, было сжато в очень горячее, очень плотное, быстро расширяющееся тело. Лучшая теория современной науки (общая теория относительности Эйнштейна) позволяет, экстраполируя развитие Вселенной в прошлое, говорить о наличии «сингулярности» бесконечной плотности, с маркировкой «Большой взрыв». Это утверждение верно не потому, что такая сингулярность действительно существовала, а потому, что сама теория перестает работать. Когда-нибудь мы лучше поймем гравитацию и расширяющуюся Вселенную, и это, надеюсь, позволит нам выяснить, что же произошло в тот момент, который мы называем Большим взрывом.

Пока же мы можем порадовать себя лишь тем, что можем сказать, что было сразу после него. Об этот нам многое говорят и теория, и наблюдения. Вселенная состояла из горячей, плотной плазмы, равномерно распределенной по всему пространству.

По аналогии с газом в баллоне можно сказать, что в таком состоянии материя имеет максимальную энтропию. Однако Вселенная в целом, огромная и массивная, ведет себя совсем не так, как газ. Решающее значение приобретает гравитация, которая нарушает равномерное распределение: собирает материю в одних областях и опустошает другие. Именно так и происходило миллиарды лет: из равномерного состояния формировались звезды, галактики и скопления. При этом энтропия возрастала. При наличии сильной гравитации частицам проще образовывать сгустки, чем равномерно распределяться. Поэтому в любом начальном состоянии, если каким-то случайным образом выбрать его из числа возможных, Вселенная имеет неимоверно меньшую энтропию, чем в будущих.

Мы не знаем, почему Вселенная начала существование с низкоэнтропийного состояния, в котором гораздо меньше микросостояний, чем при высокой энтропии. Такое состояние должно быть чем-то обусловлено. Этот вопрос изучает космология, которую мы пока что оставим в стороне.

Важно то, что Вселенная, за которой мы наблюдаем, действительно развивалась из состояния с низкой энтропией, которая с тех пор постоянно растет. Именно этим мы и обязаны существованию времени. Рядом с Землей для нас существует стрела пространства. Точно так же рядом (если так можно сказать) с Большим взрывом существует стрела времени.

Ученым еще многое предстоит объяснить. Стрела времени проявляется в памяти, старении, причинности и многом другом. Мы говорим о «термодинамической» стреле времени, предполагаем, что именно в ней первооснова всех этих аспектов, но мы не показали этого на практике. Такие вопросы все еще остаются загадкой для исследователей.

Презентизм, этернализм, поссибилизм

На нарисованной нами картине мира стрела времени не обусловлена фундаментальными законами физики. Она является эпифеноменом – побочным продуктом того, что Вселенная началась в состоянии с низкой энтропией и постоянно стремится ее повысить. Направленность или течение времени не является частью фундаментальной архитектуры реальности, которая не делает различий ни между движением в прошлое или будущее, ни между разными моментами времени.

Здесь уместно заметить: с этим согласны не все. Рассказанная нами история, вероятно, ближе всего к «стандартной» точке зрения ученых и философов, которые размышляли о таких вещах. Однако она не является общепринятой. Физика здесь довольно хорошо изучена, но есть альтернативные философские взгляды. Если они окажутся верными, это когда-нибудь улучшит понимание физики. Поэтому следует их рассмотреть.

Снова встает вопрос в том, что следует считать «реальным». Когда мы говорили о пространстве, мы сравнивали две идеи: о том, что пространство – это отдельная субстанция сама по себе, и о том, что оно – лишь способ организации отношений между объектами. В любом случае нет оснований считать, что какие-то части пространства реальны, а другие – нет. При разговоре о времени такие основания выходят на первый план. Традиционно принято считать реальным только текущий момент времени, «настоящее»: прошлое уже прошло, а будущее еще не наступило. По сравнению с настоящим они нереальны.

Мнение о том, что реально лишь настоящее, называется презентизмом[13]13
  От англ. present – настоящее. – Примеч. пер.


[Закрыть], что и понятно. Противоположный ему взгляд – этернализм[14]14
  От англ. eternal – вечный. – Примеч. пер.


[Закрыть], сторонники которого говорят, что все моменты времени одинаково реальны, то есть рассматривают блочную вселенную, весь четырехмерный блок пространства-времени. Именно с этой точки зрения мы исходили в некоторых рассуждениях выше.

Презентизм и этернализм – не единственные варианты. Среди тех, кто склонен к презентизму, есть и такие, кто размышляет о разности между прошлым и будущим. Прошлое изменить нельзя, но есть уверенность в том, что наши поступки в настоящем могут повлиять на будущее. Отсюда возникает третья заманчивая точка зрения: поссибилизм[15]15
  От англ. possible – возможный. – Примеч. пер.


[Закрыть], или теория «растущего настоящего». Поссибилисты считают реальными и прошлое, и настоящее, но отказывают в этом будущему.

Не предлагая окончательных решений в споре между этими взглядами, можно признать, что каждый из них по-своему разумно обоснован. Презентизм ближе всего к нашему интуитивному, донаучному взгляду на мир. Этерналисты знают законы физики, видят, что они обратимы и сохраняют информацию, не наделяют настоящее каким-то особым статусом. Поэтому, говорят они, мы должны считать прошлое, настоящее и будущее равнозначными. Действительно, нам кажется, что время течет, а настоящее более реально, чем другие моменты времени. Но это следствие стрелы времени, которая сама является следствием роста энтропии.

На это презентисты покачают головой и посетуют, что их друзья-этерналисты из кожи лезут в попытках объяснить то, что находится прямо перед носом. Не проще ли, спросят они, объяснить течение времени, предположив, что время и вправду течет? Что время – это процесс изменения, а не всего лишь координата в четырехмерной реальности, которую мы едва ли себе представляем? Что реально лишь настоящее? Согласны, скажут поссибилисты, но если уж мы принимаем всерьез наше восприятие мира, давайте не будем столь близоруки и не будем ставить будущее и прошлое в равные условия.

Бытие и становление

Все эти споры тянутся в наше время из древности. Презентизм можно увидеть в трудах Гераклита, греческого философа, который подчеркивал превосходство изменения. Нельзя дважды войти в одну и ту же реку, ведь каждый раз это будет другая река. Более этерналистский взгляд появился немного позже у Парменида, который размышлял о вечной и бесконечной Вселенной. Иными словами, Парменид ставил во главу угла бытие, а Гераклит – его становление.

Различие между бытием и становлением отражается не только в противопоставлении презентизма и этернализма, но и в нашем понимании самих законов природы. Согласно одной из философских школ, они лишь удобный способ обобщения всего, что происходит в мире. Можно представить себе, как сложно описывать вселенную, перечисляя происходящее в каждый отдельный момент времени. Гораздо проще (хотя и все равно ужасающе сложно) сказать, что происходит в какой-то один момент, и заявить, что все остальные моменты связаны с ним законами природы. Такая точка зрения – юмеанство – получила название в честь шотландского философа Дэвида Юма, хотя не совсем понятно, можно ли считать юмеанцем его самого.

Альтернативная теория – антиюмеанство – также имеет много приверженцев, хотя ни один знаменитый философ не отстаивал ее настолько громко, чтобы дать ей свое имя[16]16
  Согласно недавнему исследованию, 31 % философов согласны с юмеанской точкой зрения на законы природы, 54 % не согласны, а еще 15 % ответили «другое». Д. Бурже (D. Bourget) и Д. Чалмерс (D. Chalmers) (2021), «Philosophers on Philosophy: The 2020 PhilPapers Survey», https://philarchive.org/archive/BOUPOP-3/.


[Закрыть]. Антиюмеанцы считают, что законы природы не просто описывают мир, но действуют, поддерживая его существование с течением времени. Они – не просто сторонние наблюдатели, но существуют помимо Вселенной, ответственны за нее в ее нынешнем виде.

Юмеанство удобно сочетается с этерналистским взглядом, в то время как антиюмеанцы, скорее всего, являются презентистами. Чтобы понять, как связаны их точки зрения, прибегнем к гипотетическим построениям: подумаем о том, каким бы был мир, будь он немного другим. («Я бы не стал есть столько салатов, если бы знал, каким вкусным окажется торт».) Такие построения можно считать рассуждением о других возможных мирах, разумных альтернативных версиях нашей реальности. Мы постоянно так делаем. Не думая о других мирах, мы не могли бы спорить о выборе, ответственности, морали и других понятиях, которые мы любим обсуждать.

Но подождите. Для юмианца все, что существует, – это реальная вселенная, а то, что мы называем «законами природы», – всего лишь полезные обобщения закономерностей, которые мы видим в ней. Они описывают мир, но не управляют им. Поэтому юмеанцы не могут рассматривать гипотетические миры, ибо нельзя представить себе другую вселенную, но с теми же законами физики. Антиюмеанцев это не беспокоит. Для них законы не просто обобщают происходящее, они управляют им, а значит, несложно вообразить картину, где те же самые законы привели к развитию другого мира из иных начальных условий.

В свою очередь антиюмеанцам сложно объяснить смысл их утверждения о том, что законы физики «управляют» тем, что происходит во времени. Знай мы все, что когда-либо происходило во вселенной, нам было бы трудно понять, чего нам не хватает. У юмеанцев часто закрадывается подозрение, что антиюмеанцы все еще оперируют устаревшими крипто-аристотелевскими взглядами, согласно которым у каждой части мира есть своя сущность и природа. Возможно, считать, что вещи происходят просто так, и полагать своей задачей описание этих вещей, – нормально.

Шесть. Пространство-время

Физика Ньютона разрешала нам говорить о времени и пространстве как о едином четырехмерном пространстве-времени, в котором происходят события. Но поступать так было необязательно: пространство и время независимы друг от друга, никто никогда их не путал. Когда же в начале XX века возникла теория относительности, разговор о пространстве-времени стал почти неизбежным. В этой теории пространство и время больше не имеют отдельных объективных значений. В реальности существует именно пространство-время, а его разделение на время и пространство – всего лишь условность, удобная для людей.

Теория относительности считается сложной для понимания главным образом потому, что мы интуитивно привыкли разделять время и пространство, думать о них как о разных вещах. В нашем представлении объекты имеют определенную протяженность в «пространстве», и это кажется вполне объективным фактом. А так как обычно мы перемещаемся намного медленнее, чем свет, законы дорелятивистской физики работают отлично, а значит, таких представлений нам вполне хватает.

Несоответствие между интуитивными представлениями и теорией и делает переход к пространственно-временной перспективе таким пугающим. Еще хуже становится от того, что теорию относительности обычно излагают по восходящему принципу, то есть начинают с обычного взгляда на время и пространство, а затем говорят, как они изменяются в новом контексте. Людям рассказывают истории о растягивающихся стержнях и искаженных часах. Это все точно технически, но заслоняет красоту и простоту основополагающих концепций.

Мы пойдем другим путем. Наш путь в специальную теорию относительности будет нисходящим: мы с самого начала будем серьезно говорить о едином пространстве-времени и делать выводы, которые можно сделать. Придется немного напрячь мозги, но в результате мы глубже поймем релятивистский взгляд на вселенную.

Рождение пространства-времени

Создание теории относительности обычно приписывают Альберту Эйнштейну. Однако его работа – лишь замковый камень огромного монумента теоретической физики, который строился с тех пор, как Максвелл объединил электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма. В середине XIX века Максвелл высказал идею о том, что свет – волна, колебания в электромагнитных полях, а значит, распространяется с определенной скоростью. Ученые того времени не до конца понимали, как поле может существовать само по себе и что же именно «колеблется» в световой волне.

Многие физики изучали гипотезу о том, что свет распространяется через среду, которую называли «светоносным эфиром». Однако никто из них так и не смог доказать, что он существует, а потому предлагались все более сложные доводы в пользу того, что светоносный эфир – субстанция необнаружимая. В 1905 году Эйнштейн заявил, что мы можем лучше понять законы физики без всякого эфира и он нам совсем не нужен. Все, что нам требовалось сделать, – принять совершенно новую концепцию пространства и времени. (Согласен, это непросто. Однако игра стоит свеч.)

Идеи Эйнштейна сейчас известны как специальная теория относительности. Ее основы изложены в работе «Об электродинамике движущихся тел», в которой доказана необходимость нового взгляда на длину и продолжительность. Ученый объяснил особую роль скорости света, предположив, что во Вселенной существует абсолютный предел скорости – скорость, с которой свет распространяется в пустом пространстве, и что она одинакова для всех, независимо от скорости того, кто измеряет ее значение. Но чтобы доказать эту теорию, Эйнштейну пришлось изменить привычные представления о времени и пространстве.

И все же он не предлагал объединить время и пространство в единое пространство-время. В 1907 году это сделал Герман Минковский, который когда-то работал профессором в университете. Место действия специальной теории относительности сегодня известно как пространство-время Минковского.

У многих из тех, кто впервые задумался о времени и пространстве как о едином четырехмерном континууме, возникает много вопросов. Какую форму имеет пространство-время? Оно плоское либо искривленное? Статичное или динамичное? Конечное или бесконечное? Пространство Минковского – плоское, статичное и бесконечное. Эйнштейн приложил много усилий к тому, чтобы включить в свою теорию гравитацию. В конце концов он понял, что пространство-время может быть динамичным и искривленным, а то, что мы ощущаем как гравитацию – влияние этой кривизны. В результате такого озарения появилась общая теория относительности.

Итак, специальная теория относительности говорит о плоском статичном пространстве-времени без гравитации, а общая – о динамичном пространстве-времени, кривизна которого порождает гравитацию. Обе теории считаются «классическими», хотя и заменяют некоторые принципы механики Ньютона. Для физиков слово «классический» не означает «нерелятивистский», оно означает «неквантовый». Несмотря на более сложное представление о времени и пространстве, в релятивистском контексте полностью сохраняются все принципы классической физики, включая возможность использовать динамику Гамильтона и принцип наименьшего действия.

Два определения времени

Знакомство со специальной теорией относительности обычно начинают с рассказов о «сокращении длины» и «растяжении времени». Эти понятия заслуживают уважения, но отражают старомодную тенденцию рассматривать время и пространство как отдельные фундаментальные понятия, хоть и более эластичные, чем мы привыкли.

Истина более глубока. Нам нужно расстаться с дорелятивистской привычкой разделять время и пространство, позволить им раствориться в едином пространстве-времени. Для этого лучше всего еще раз, более пристально посмотреть на то, что мы понимаем под временем. И лучше всего начать с нового взгляда на то, что мы думаем о пространстве.

Представьте себе две точки в пространстве: например, ваш дом и любимый ресторан. Каково расстояние между ними?

Ну, это как посмотреть, скажете вы, не задумываясь. Если напрямик, по идеальной прямой между точками, то будет одно расстояние. А если в реальности, где нужно петлять между зданиями, обходить препятствия, идти по улицам и переулкам, то расстояние будет совсем другим, и оно будет больше, чем при движении напрямик. Действительно, прямая – кратчайший путь между точками.

Теперь рассмотрим два события в пространстве-времени. На техническом жаргоне теории относительности «событие» – это точка во вселенной, которая определяется положением в пространстве и временем. Первым событием (обозначим его за А) будет «дома в шесть часов вечера», а вторым (событием B) – «в ресторане в семь часов вечера». Подумайте о том, как пройти из А в B. Слишком быстро идти нельзя, ведь если подойти к ресторану без пятнадцати семь, это не будет событие В. И чтобы оно наступило, придется подождать.

Раньше мы задавались вопросом о расстоянии между точками. Теперь подумаем, сколько времени прошло между событиями.

– Вопрос с подвохом? – спросите вы. – Если одно событие наступило в шесть часов, а другое в семь, между ними прошел ровно час.

– Не так быстро! – сказал бы Эйнштейн. – В довольно устаревшей, ньютоновской картине мира – естественно. Когда время абсолютно и универсально, а события разделяет один час, то больше тут не о чем говорить.

В теории относительности все по-другому. Теперь есть два разных представления о том, что мы понимаем под «временем». Прежде всего время – это координата в пространстве-времени, четырехмерном континууме. Если нам нужно указать точку в нем, удобно приписать каждой из них число, которое называется «временем». Именно это обычно имеется в виду, когда говорят «шесть часов вечера». Такая метка помогает определить точку, где происходит событие. Все хорошо понимают, что значит «встретимся в ресторане в семь часов вечера».

Однако теория относительности говорит, что время, реально затраченное на движение по мировой линии, обычно не совпадает с координатным временем и зависит от выбранного пути, точно так же как расстояние по прямой линии отличается от пройденного по реальной траектории. Человек ощущает количество времени, которое показывают часы у него на руке. Это и есть собственное время, проведенное в дороге. Но показания часов, как и показания одометра в машине, зависят от выбранного пути.

Это как раз одно из значений фразы «время относительно». Мы можем понимать время как координату в пространстве-времени или как личное время, проведенное в пути. Для времени, также как для пространства, эти понятия не обязаны совпадать. (Как отмечает историк Питер Галисон, Эйнштейн не случайно работал в швейцарском патентном бюро в те времена, когда бурно развивались железные дороги, а европейцы стали серьезно думать о времени в других городах континента и более точных часах.)

Инерциальные траектории требуют максимум времени

Время должно иметь какие-то отличия от пространства. Иначе мы говорили бы просто о четырехмерном пространстве, а не выделяли время как нечто особенное. Речь сейчас не о стреле времени: мы снова вернулись к простому миру, где мало движущихся частей и нет нужды беспокоиться об энтропии и необратимости.

Отличие заключается в следующем. В пространстве прямая линия – это кратчайший путь между двумя точками. В пространстве-времени, напротив, прямая траектория требует максимальных затрат времени на путь между двумя событиями. Именно эта противоположность и отличает время от пространства.

«Прямая траектория» в пространстве-времени представляет собой прямую линию в пространстве, движение по которой осуществляется с постоянной скоростью. Другими словами, это инерциальная траектория, ускорение отсутствует. Пусть у нас есть два события в пространстве-времени, то есть две точки в пространстве и соответствующие им моменты времени. Путешественник может идти от одной точки к другой напрямик и с постоянной скоростью (какой бы она ни была, лишь бы прибыть вовремя), или же может свернуть с нее на какое-то время, пройти по какой-то другой, отличной от инерциальной траектории, а затем вернуться обратно на прежний маршрут. При этом он пройдет пройти большее расстояние в пространстве, но потратит меньше времени.

Почему так? Потому что так говорит физика. Или, если хотите, потому что так устроена вселенная. На данный момент, при нынешнем состоянии наших знаний это не обоснованный вывод, а лишь одно из предположений, краеугольных камней, на которых строится физика. Возможно, со временем мы отыщем какой-то более интересный ответ.

Прямые линии в пространстве – это кратчайшее расстояние, прямые линии в пространстве-времени – это максимальные затраты времени. Более длинные траектории позволяют экономить время. Это звучит странно, но так все и есть. Будь по-другому, нам не был бы нужен Эйнштейн и его идеи.