AstroClub5 Замороженная река
ТЕЧЕТ ЛИ ВРЕМЯ?
Время находится среди наиболее привычных, но, вместе с тем, наименее понятых концепций, с которыми человечество всегда сталкивалось. Мы говорим, что оно течет, мы говорим, что оно деньги, мы пытаемся сохранить его, мы раздражаемся, когда теряем его. Но что есть время?
Перефразируя святого Августина и судью Поттера Стюарта*, мы знаем его, когда мы видим его, но, несомненно, на заре третьего тысячелетия наше понимание времени должно быть глубже этого. В некотором смысле оно есть. В другом смысле его нет. Через столетия размышлений и решения головоломок мы достигли проникновения в некоторые из тайн времени, но многие остались. Откуда приходит время? Что означало бы иметь вселенную без времени? Может ли быть более чем одно временное измерение, точно так же, как имеется более чем одно пространственное измерение? Можем ли мы "путешествовать" в прошлое? Если можем, то можем ли мы изменить последующее развитие событий? Существует ли абсолютное, минимально возможное количество времени? Является ли время абсолютно фундаментальной составляющей в строении космоса или просто удобной конструкцией для организации наших восприятий, но не входящей в словарь, с помощью которого записаны наиболее фундаментальные законы вселенной? Может ли время быть производным понятием, возникающим из некоторой более основной концепции, которую еще предстоит открыть?
(*)"Святой Августин (354–430), считающийся одним из отцов-основателей Римской католической церкви, на чей-то вопрос: "Объясни, что такое Бог, определи Бога. Что ты имеешь в виду, когда ты произносишь слово "Бог"? ответил: "Это все равно как пытыться объяснить, что такое время. Я могу говорить о нем, но если вы просите его определить, объяснить, что это такое, я теряюсь."
Судья Верховного суда США Поттер Стюарт при жизни говаривал, что не может словами описать, что же такое порнография, но если он ее увидит, то без труда сможет распознать. – (прим. перев.)"
Поиск всесторонних и полностью убедительных ответов на эти вопросы находится в ряду самых амбициозных целей современной науки. К тому же большие вопросы отнюдь не ограничиваются только этими. Даже повседневное ощущение времени приоткрывает путь к некоторым наиболее острым загадкам вселенной.
Время и опыт
СТО и ОТО вдребезги разбили универсальность, исключительность времени. Эти теории показали, что каждый из нас подбирает осколки ньютоновского старого универсального времени и несет их с собой. Возникают наши собственные персональные часы, наш собственный персональный ведущий, безжалостно перетягивая нас от одного момента к следующему. Мы поражаемся теориям относительности, то есть вселенной, поскольку, хотя время наших персональных часов кажется тикающим неизменно и в согласии с нашим интуитивным чувством времени, сравнение с другими часами выявляет различия. Время для вас не обязано быть тем же самым, как время для меня.
Примем этот урок как данность. Но что представляет собой действительная природа времени для меня? Что представляет собой полная характеристика времени как переживаемого и ощущаемого индивидуально, без прямого сосредоточения на сравнениях с переживаниями других? Отражают ли эти переживания действительную природу времени? И что они могут нам сказать о природе реальности?
Наши ощущения учат нас и подавляющим образом, что прошлое отличается от будущего. Будущее, кажется, дарит нам богатство возможностей, тогда как прошлое связано с единственной ситуацией. С фактом, который в действительности произошел. Мы чувствуем способность влиять, воздействовать на будущее и формировать его в той или иной степени, тогда как прошлое кажется не подлежащим изменению. И между прошлым и будущим имеется скользкая концепция настоящего, темпоральная точка сосредоточения, которая сама пересоздается из момента в момент, подобно кадрам в кинофильме, когда они проносятся мимо сильного луча света от проектора и на мгновение становятся явными. Время кажется текущим в бесконечном, совершенно однородном ритме, достигая мимолетного пункта назначения в настоящем с каждым ударом барабанной палочки.
Наши ощущения также учат нас, что имеется несомненная однобокость того, как вещи раскрываются во времени. Совершенно не нужно плакать над пролитым молоком, поскольку будучи один раз пролитым, оно никогда не будет "пролито обратно": мы никогда не видели, что расплескавшееся молоко собирается воедино, поднимается с пола и сливается в чашке, которая устанавливается прямиком на кухонный стол. Наш мир, кажется, твердо придерживается однонаправленной стрелы времени, никогда не отклоняясь от фиксированного условия, что вещи могут начаться как это, а закончиться как то, но они никогда не могут начаться как то, а закончиться как это.
Наши ощущения, следовательно, учат нас двум всеобъемлющим вещам о времени. Первое, время кажется текущим. Это похоже на то, как будто мы стоим на берегу реки времени, как мощного несущегося мимо потока, подтягивающего будущее по направлению к нам, становящегося настоящим в тот момент, когда он достигает нас, и уносящегося прочь, когда он отступает вниз по течению в прошлое. Или, если это, на ваш вкус, слишком пассивный взгляд, перевернем метафору: мы движемся вместе с рекой времени, тогда как она непреодолимо несется вперед, увлекая нас из одного настоящего в следующее, тогда как прошлое отступает назад вместе с проходящим пейзажем, а будущее всегда дожидается нас вниз по течению. (Наши ощущения также обучали нас, что время может вызывать и некоторые более мягкие сравнения). Второе, время кажется имеющим стрелку-направление. Течение времени кажется происходящим одним образом и только одним образом в том смысле, что вещи происходят в одной и только в одной темпоральной последовательности. Если кто-нибудь даст вам ящик, содержащий короткую кинопленку о том, как разливается чашка молока, но кинопленка разрезана на отдельные кадры, то вы можете путем изучения этой кучи фотографий расположить кадры в правильном порядке без какой-либо помощи или инструкций со стороны изготовителя пленки. Время кажется имеющим внутреннее направление, следующее из того, что мы называем прошлым, по направлению к тому, что мы называем будущим, и вещи проявляют изменения – молоко разливается, яйца разбиваются, свечи сгорают, люди стареют – в универсальной ориентации вдоль этого направления.
Эти легко осознаваемые свойства времени генерируют некоторые из его наиболее дразнящих загадок. Течет ли время на самом деле? Если течет, то что в действительности течет? И как быстро происходит это течение материала времени? Имеет ли время на самом деле направление? Пространство, например, не проявляет наличия присущего ему направления – для астронавта в темном глубинном космосе понятия влево и вправо, назад и вперед, вверх и вниз все действуют на равных основаниях – так откуда возникает стрела времени? Если имеется стрела времени, является ли она абсолютной? Или есть вещи, которые могут эволюционировать в направлении, противоположном тому, в котором стрела времени кажется ориентированной?
Теперь построим наше текущее представление, сначала подумав об этих вопросах в контексте классической физики. Итак, для оставшейся части этой и следующей главы (в которых мы обсудим, соответственно, течение времени и стрелу времени) мы будем игнорировать квантовую вероятность и квантовую неопределенность. Тем не менее, многое из того, что мы изучим, переносится непосредственно на квантовую область, и в Главе 7 мы обсудим квантовую точку зрения.
Течет ли время?
С точки зрения ощущающего ответ очевиден. Когда я печатаю эти слова, я ясно чувствую, что время течет. С каждым нажатием на клавишу каждое настоящее дает путь следующему. Когда вы читаете эти слова, вы, без сомнения, чувствуете течение времени тоже, пока ваши глаза следуют от слова к слову по странице. Однако, как бы сильно физики не старались, никто не нашел в рамках законов физики убедительных улик, которые бы подтвердили это интуитивное ощущение, что время течет. Фактически, переработка некоторых выводов Эйнштейна из СТО делает очевидным, что время не течет.
Чтобы понять это, вернемся к описанию пространства-времени в виде батона хлеба, введенного в Главе 3. Повторим, что сечения, формирующие батон, таковы для данного наблюдателя; каждое сечение представляет пространство в один момент времени с его или ее точки зрения. Объединение, получаемое путем расположения сечения за сечением в том порядке, в котором наблюдатель переживает их, заполняет область пространства-времени. Если мы расширим этот взгляд до логических пределов и представим, что каждое сечение описывает все пространство в данный момент времени согласно точке зрения одного наблюдателя, и если мы включим все возможные сечения от древнего прошлого до удаленного будущего, батон будет заключать в себе всю вселенную на протяжении всего времени – целое пространство-время. Каждое событие, независимо от того, когда или где оно произошло, представлено некоторой точкой в батоне.
Это схематически проиллюстрировано на Рис.5.1, но следствия должны заставить вас почесать вашу голову. "Внешняя" переспектива на рисунке, в которой мы видим целую вселенную, все пространство и каждый момент времени, это фиктивная точка наблюдения, такая, которую никто из нас никогда не будет иметь.
Рис 5.1 Схематическое изображение всего пространства в течение всего времени (изображена, конечно, только часть пространства в течение части времени), показывающее формирование некоторых первичных галактик, формирование Солнца и Земли, а также завершающую гибель Земли, когда Солнце разрастется до красного гиганта, в чем мы в настоящее время видим наше удаленное будущее.
Мы все находимся внутри пространства-времени. Каждое переживание вы или я всегда получаем в некотором месте пространства в некоторый момент времени. И поскольку Рис.5.1 кажется описывающим все пространство-время, он включает в себя всю совокупность таких переживаний целиком – ваше, мое, а также всякого и всевозможного. Если бы вы могли увеличить масштаб и внимательно исследовать все приходящее на планету Земля и уходящее с нее, вы смогли бы увидеть Александра Великого, получающего урок от Аристотеля, Леонардо да Винчи, кладущего последние штрихи на портрет Моны Лизы и Джорджа Вашингтона, пересекающего Делавэр; если бы вы продолжили сканировать изображение слева направо, вы были бы в состоянии увидеть вашу бабушку, играющую еще маленькой девочкой, вашего отца, отмечающего свое десятилетие, и ваш собственный первый день в школе; глядя еще дальше направо в изображение, вы смогли бы увидет себя, читающего эту книгу, рождение вашей пра-пра-внучки, а немного далее ее инаугурацию в качестве Президента. Давая грубое разрешение Рис.5.1, вы не можете в действительности видеть эти моменты, но вы можете (схематически) видеть историю Солнца и планеты Земля от их рождения из сгущающегося газового облака до смерти Земли, когда Солнце разбухнет до красного гиганта. Все это там есть.
Бесспорно, Рис.5.1 есть воображаемая перспектива. Точка зрения, с которой мы наблюдаем, находится вне пространства и времени. Это взгляд из ниоткуда и из никогда. Даже при этих условиях, – даже если мы не можем на самом деле встать вне границ пространства-времени и полностью окинуть взглядом вселенную, – схематическое изображение Рис.5.1 обеспечивает убедительный способ анализа и прояснения основных свойств пространства и времени. Главное в том, что интуитивное ощущение течения времени может быть отчетливо описано в рамках данного рассмотрения как разновидность метафоры, использующей фильмопроектор. Мы можем вообразить свет, который освещает одно темпоральное сечение за другим, на мгновение оживляя сечение в настоящем, – делая само сечение на мгновение настоящим, – только чтобы тотчас отпустить сечение снова в темноту, когда свет удалится к следующему сечению. Прямо сейчас в рамках этого интуитивного способа размышлений о времени видно, что свет освещает сечение, в котором вы, сидя на планете Земля, читаете эти слова, а теперь он освещает сечение, в котором вы читаете это слово. Однако повторим, что, хотя этот образ кажется соответствующим ощущениям, физики не в состоянии найти хоть что-нибудь в законах физики, что воплотило бы такой движущийся свет. Они не нашли физический механизм, который бы отбирал момент за моментом, становящиеся на мгновение реальными, – становящиеся на мгновение настоящим, – как механизм, всегда продвигающийся вперед к будущему.
В самом деле все наоборот. Хотя картина Рис.5.1 определенно нереальна, имеются убедительные свидетельства, что пространственно-временной батон – полное пространство-время, а не последовательность сечений одно за одним, – реален. Менее широко оценено следствие трудов Эйнштейна, что реальность СТО трактует все моменты времени одинаково. Хотя выделение настоящего играет центральную роль в нашем мировоззрении, теория относительности еще раз ниспровергает нашу интуицию и объявляет нашу вселенную как вселенную равноправных моментов, в которой каждый момент времени реален настолько же, как и любой другой. Мы упорядочили эти идеи в Главе 3, когда размышляли о вращающемся ведре с точки зрения СТО. Там же через непрямые рассуждения, аналогичные ньютоновским, мы пришли к заключению, что пространство-время является чем-то, как минимум, достаточным для обеспечения точки отсчета для ускоренного движения. Здесь же мы обсуждаем проблему с другой точки зрения и движемся дальше. Мы утверждаем, что каждая часть пространственно-временного батона на Рис.5.1 существует на том же основании, что и любая другая, намекая на то, что, как верил Эйнштейн, реальность включает в себя прошлое, настоящее и будущее одинаково и что воображаемое нами течение, переносящее одно сечение к свету, тогда как другое уходит в темноту, является иллюзорным.
Устойчивая иллюзия прошлого, настоящего и будущего
Чтобы понять точку зрения Эйнштейна, нам необходимо выработать определение реальности, алгоритм, если хотите, для определения того, что вещи существуют в данный момент. Имеется один общий подход. Когда я обозреваю реальность, – что существует в этот момент, – я рисую перед своим мысленным взором разновидность моментального снимка, воображаемое статическое изображение единой вселенной прямо сейчас. Когда я печатаю эти слова, мое ощущение того, что существует прямо сейчас, мое ощущение реальности, сводится к списку всех тех вещей, – отбивания полночи на моих кухонных часах; моего кота, сорвавшегося и отправившегося в полет между подоконником и полом; первого луча утреннего солнца, осветившего Дублин; гвалта в торговом зале Токийской фондовой биржи; слияния двух отдельных атомов водорода в Солнце; испускания фотона туманностью Ориона; последнего момента жизни умирающей звезды, перед тем как она сколлапсирует в черную дыру, – которые имеются в данный момент в моем статическом воображаемом изображении. Все это вещи, происходящие прямо сейчас, так что это вещи, которые я объявляю существующими прямо сейчас. Существует прямо сейчас Карл I Великий? Нет. Существует прямо сейчас Неро? Нет. Существует прямо сейчас Линкольн? Нет. Существует прямо сейчас Элвис? Нет. Никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Существует ли прямо сейчас кто-нибудь, родившийся в 2300 или 3500 или 57000 году? Нет. Опять-таки, никого из них нет в моем статическом мысленном изображении, никого из них нет в моем текущем временном сечении, так что никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Следовательно, я говорю без колебаний, что они в настоящее время не существуют. Это то, как я определяю реальность в любой заданный момент; это интуитивный подход, который используют большинство из нас, часто неосознанно, когда размышляют о существовании.
Я использую эту концепцию ниже, но имейте в виду один хитрый момент. Список настоящего – реальность при таком образе мыслей – смешная вещь. Ничто из того, что вы видите прямо сейчас, не соответствует вашему списку настоящего, поскольку свету необходимо время, чтобы достичь ваших глаз. Любая вещь, которую вы видите прямо сейчас, уже произошла. Вы не видите слов на этой странице так, как они есть прямо сейчас; вместо этого, если вы держите книгу в футе от вашего лица, вы видите их такими, какими они были миллиардную долю секунды назад. Если вы оглядите обыкновенную комнату, вы увидите вещи, какими они были от 10 до 20 миллиардных долей секунды назад; если вы бросите взгляд на Большой Каньон, вы увидите его противоположную сторону такой, какой она была примерно одну десятитысячную долю секунды назад; если вы посмотрите на Луну, вы увидите ее такой, какая она была полторы секунды назад; для Солнца вы видите его таким, какое оно было около восьми минут назад; для звезд, видимых невооруженным глазом, вы видите их такими, какими они были грубо от нескольких лет до 10 000 лет назад. Это странно, хотя воображаемая статическая картинка охватывает наше ощущение от реальности, наше интуитивное ощущение "того, что находится не здесь", она 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 в настоящий момент и отсюда вы можете определить, с каким из ваших темпоральных сечений он был связан - на каком из уже прошедших списков настоящего он должен быть записан. Тем не менее, и это главный момент, если мы используем эту информацию для составления списка настоящего для любого данного момента, непрерывно дополняя его по мере получения световых сигналов от все более далеких источников, вещи, которые перечислены в списке, есть вещи, по поводу которых мы интуитивно верим, что они существуют в данный момент.
Удивительно, что этот кажущийся простым путь размышлений приводит к неожиданно всеобъемлющей концепции реальности. Вы видите в соответствии с ньютоновским абсолютным пространством и абсолютным временем, что статическая картина вселенной для каждого человека в данный момент времени содержит в точности одинаковые события; настоящее для каждого человека это одно и то же настоящее, так что список настоящего для каждого человека для данного момента времени идентичен другим спискам. Интуиция большинства людей все еще ограничивается таким образом мышления, но СТО рассказывает совершенно другую историю. Посмотрите снова на Рис. 3.4. Два наблюдателя, находящиеся в относительном движении, имеют каждый настоящее, – отдельный момент времени с точки зрения каждого, – которое отличается от другого: их "настоящие" режут пространство-время под разными углами. А разные "настоящие" означают разные списки настоящего. Наблюдатели, движущиеся друг относительно друга, имеют разное представление о том, что существует в данный момент времени, а следовательно, они имеют различные представления о реальности.
При повседневных скоростях угол между сечениями – "настоящими" двух наблюдателей – ничтожен; это именно то, почему в повседневной жизни мы никогда не отмечаем расхождение между нашим определением настоящего и чьим-либо еще. Под этой причине большинство дискуссий по поводу СТО сосредоточиваются на том, что произойдет, если мы движемся с гигантской скоростью – скоростью вблизи световой, – поскольку такое движение будет страшно усиливать эффекты. Но имеется другой путь усиления расхождения между концепциями реальности двух наблюдателей, и я нахожу, что он обеспечивает подход к вопросам реальности, чрезвычайно проясняющий суть дела. Он основывается на следующем простом факте: если вы и я разрезаем обычный батон под слегка различающимися углами, вряд ли это хоть как то повлияет на получившиеся куски хлеба. Но если батон гигантский, результат будет иным. Точно так же, как малейшее раскрытие лезвий чудовищно длинных ножниц приведет к большому расстоянию между концами лезвий, разрезание гигантского батона хлеба под слегка отличающимися углами дает сечения, которые расходятся на гигансткую величину на далеких расстояниях от места пересечения сечений. Вы можете видеть это на Рис. 5.2.
То же самое справедливо для пространства-времени. При повседневных скоростях сечения, изображающие настоящее для двух наблюдателей, находящихся в относительном движении, будут ориентированы только под слабо отличающимися углами. Если два наблюдателя находятся рядом, это вряд ли приведет к заметному эффекту. Но, точно так же, как в батоне хлеба, мельчайшие углы приведут к большим различиям между сечениями, когда их сравнение проводится на больших расстояниях. А для сечений пространства-времени большое расхождение между сечениями означает существенное рассогласование того, какие события каждый из наблюдателей рассматривает как происходящие сейчас. Это проиллюстрировано на Рис. 5.3 и 5.4, и это подразумевает, что индивидуумы, двигающиеся друг относительно друга, даже при обычных, повседневных скоростях, будут иметь все более различающиеся представления о настоящем, если они находятся на все большем расстоянии друг от друга в пространстве.
читать дальше >>> Оглавление