|
|
Введение
Наверное, каждый мыслящий человек хоть раз в жизни задумывался о неумолимых тисках времени, «сжимающих» его настоящее между безвозвратно ушедшим прошлым и неизведанным будущим. Вот и философы вслед за физиками-теоретиками любят повторять, что важнейшим свойством времени является его темпоральная разворачиваемость.
Это означает, что текущий момент отличается как от зафиксированного прошлого, так и от расплывчатого будущего, являясь переходным мостиком между этими двумя состояниями.
Время, за которые вы читаете эти строки, тут же канет в Лету, таинственным образом превратившись из настоящего в прошлое, а его место займет пришедшее из загадочных далей будущее. Этот процесс вечного на протяжении нашей краткой жизни «кругооборота времен» поражает своей неизбежностью, и хотя мы как-то можем повлиять на текущие события, само время совершенно неподвластно нашим усилиям и стремительно движется все дальше и дальше. Как когда-то саркастически заметил Омар Хайям:
В Книге Судеб ни слова нельзя изменить.Тех, кто вечно страдает, нельзя извинить,Можешь пить свою желчь до скончания жизни:Жизнь нельзя сократить и нельзя удлинить.Чаще всего мысли о времени вызывают образ полноводной реки. Причем у большинства людей волны этой безбрежной глади несут наш мир из прошлого в будущее, у некоторой части (около четверти общего количества, по мнению социологов) – это более сложный образ потока событий, низвергающегося из будущего и уносящий мгновения настоящего в прошлое. И совсем уж единицами время воспринимается как сложный образ концентрических годовых окружностей, дисков и спиралей. При этом и первые, и вторые, и третьи сходятся в мыслях, что, в отличие от где-то рождающихся и исчезающих миров, безучастное ко всему время существует всегда и везде. И никакая сила не в состоянии повлиять на его ход – ни ускорить, ни замедлить.
Эта фундаментальная особенность времени всячески исследуется сегодня теоретической физикой, являясь наиболее очевидным свойством личной истории в повседневной жизни. Именно поэтому загадочный ход времени создает проблему не только в современной науки, но и таит загадку для каждого разумного существа во Вселенной. Ощущая ход времени, мы сознаем и временность своего существования, и невозможность остановить мгновение, сколь бы прекрасным оно ни было, и безвозвратную утрату бесценных мгновений жизни. Все это не внушает оптимизма и заставляет снова и снова конструировать модели «управляемого» потока времени. При этом несмотря на титанические усилия массы теоретиков общее положение дел во многом характеризует остроумное критическое замечание великого философа древности Аристотеля:
«А что такое время и какова его природа, одинаково неясно как из того, что нам стало известно от других, так и из того, что нам было известно раньше… Время или совсем не существует, или едва, будучи чем-то неясным…»
Его дополняет формула «темпорального парадокса» известного средневекового мыслителя Августина Блаженного:
«Прошедшее и будущее время также существуют, хотя и непостижимым для нас образом… Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время.»
«Бытие никак не вещь – замечал Мартин Хайдеггер в книге “Бытие и время”, – соответственно, оно не нечто временное, тем не менее в качестве присутствования оно все равно определяется временем.
Время никак не вещь, соответственно оно не нечто сущее, но остается в своем протекании постоянным, само не будучи ничем временным наподобие существующего во времени.
Бытие и время взаимно определяют друг друга, однако так, что ни первое – бытие – нельзя рассматривать как временное, ни второе – время – как сущее. Обдумывая все это, мы гоняем по кругу взаимопротиворечащих высказываний».
В нашем представлении время безнадежно разорвано на части, ни одна из которых не обладает реальностью. Этот разрыв трагичен. Всякое последующее мгновение несет смерть прошлому. Так представляет себе время Николай Бердяев в работе «Смысл истории»:
«Будущее есть убийца всякого прошлого мгновения; злое время разорвано на прошлое и будущее, в середине которого стоит некая неуловимая точка. Будущее пожирает прошлое для того, чтобы потом превратиться в такое же прошлое, которое в свою очередь будет пожираемо последующим будущим. Разрыв между прошлым и будущим есть основная болезнь, основной дефект, основное зло времени нашей мировой действительности.»
Так в чем же причина парадоксальности наших представлений о времени?
В течение тысячелетий время рассматривалось людьми как нечто вечное, неизменное, ни от чего не зависящее. И механика Ньютона, рассчитывая движение небесных тел на десятки лет вперед, предсказывая наступление солнечных и лунных затмений с точностью до долей секунды, тоже подтвердила эту вековечную уверенность.
В классической физике время является абсолютно свободным, ни с чем не связанным параметром. Это во многом соответствует нашим обыденным представлениям о времени. Мы часто думаем, что, в отличие от вселенных, которые рождаются и умирают, время, инертное и ко всему безучастное, существует всегда и везде. И никакая сила не в состоянии повлиять на его ход – ни ускорить, ни замедлить. Однако столетие назад родилась новая физика – и время тут же потеряло свою монолитную сущность…
И тем не менее до сих пор существует философское течение, в котором провозглашается, что времени просто не существует. Многие физики воспринимают это как нечто вроде околонаучного пиара, когда для привлечения всеобщего внимания нечто явно очевидное и важное объявляется как нереальное, что делает автора подобного «открытия» большим оригиналом. Но отчасти подобные идеи возникают из-за трудности в нашем понимании времени на фундаментальном уровне.
В чем-то обыденном время действительно кажется неуловимым, и возникает сильное искушение объявить его обыкновенной иллюзией. Однако подавляющее большинство ученых все же занимает противоположную позицию: время реально и должно рассматриваться как важнейшая часть природы окружающей физической реальности. Именно поэтому в последнее время появились такие экзотические разделы «темпоральных исследований», как квантовое время, время Мультиверса и хроноквантовая физика.
Ну и, конечно же, рассказывая о четвертом измерении пространства – времени, никак нельзя обойти вопросы: можно ли путешествовать во времени и с помощью машины времени переноситься в отдаленное будущее, возвращаться в прошлое и обратно в настоящее? Каков же может быть принцип действия такой фантастической машины? Что нужно, чтобы разрешить самые жгучие вопросы естествознания, например, побывать при зарождении жизни на Земле, узнать причину гибели динозавров или открыть «недостающее звено» эволюции – человекообезьяну? Не нарушат ли такие посещения весь последующий ход истории, как это произошло в рассказе Рэя Бредбери «И грянул гром»?
Образ времени несомненно является одним из самых востребованных в литературном творчестве писателей самых разнообразных жанров, поэтому в книге использованы в качестве дополнительного иллюстративного материала самые разнообразные тематические фрагменты из научно-популярных и научно-фантастических произведений.
Автор также считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность замечательному научно-популярному издательству «Страта», благодаря которому данная рукопись и увидела свет.
Глава 1. Темные воды Леты
Также и времени нет самого по себе,
но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках
совершалось…
Что происходит теперь и что
воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем
ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел
и покоя…
Лукреций Кар. О природе вещейЕще тысячелетия назад наши предки как-то осознали время силою своего разума и воображения, дали ему имя и даже научились его измерять. И как выясняется, обретенные ими знания вовсе не бесполезны для нас сегодня.
Если спросить современного человека о том, как он представляет себе время, то большинство скорее всего ответит, что для них зримый образ времени – это река времени Лета, которая несет наш мир в будущее и никогда не поворачивает свои воды вспять. В греческой мифологии Летой называлась одна из подземных рек, отделявших от мира живых мрачное царство усопших. Воды этой темной и медленной реки несли забвение. «Кануть в Лету» значит исчезнуть из памяти, быть поглощенным вечным забвением, ведь «Лета» – это и есть по-гречески «забвение».
Но в античности так считали далеко не все: многие древнегреческие философы придерживались мнения, что время циклично. Так, Прокл из самых общих соображений доказывал, что «…Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно». Его дополнял знаменитый Эпикур: «Время не поддается такому расследованию, как все остальные свойства предметов…»
Подобные философские идеи продержалась многие столетия, и даже средневековая инквизиция не смогла с ними окончательно разделаться. Разумеется, пытаясь давать точные оценки «длительности темпоральных процессов», древние мыслители во многом ошибались. Так, философская школа Платона полагала длительность «Великого года», то есть одного кольцевого цикла времен, почему-то в 36 тысячелетий. Смысл этого загадочного числа совершенно не ясен, хотя и в восточных мистических учениях ламаизма, буддизма и индуизма тоже можно встретить сходные оценки мгновения вечности. Но все-таки: как оно движется, это самое время, по прямой или по кругу?
«Никак! – решил этот вопрос Зенон. – Движения в мире нет…»
До нас дошли его удивительные парадоксы: «Если что-то движется, то оно движется либо в том месте, которое занимает, либо в том, где его нет. Однако оно не может двигаться в том месте, которое занимает (поскольку в каждый момент времени оно занимает все это место), но оно также не может двигаться и в том месте, где его нет. Следовательно, движение невозможно».
Факт противоречия между данными опыта, с одной стороны, и их мыслительным анализом, с другой, был выражен Зеноном в форме парадоксов-апорий. Наиболее известны его апории, направленные против возможности движения: «Дихотомия», «Ахилл», «Стрела».
Большинству современных читателей парадоксы Зенона знакомы в формулировке дихотомии (разделение надвое). Чтобы пересечь комнату, сначала нужно преодолеть половину пути. Но затем нужно преодолеть половину того, что осталось, затем половину того, что осталось после этого – и так далее. Это деление пополам будет продолжаться до бесконечности, из чего делается вывод, что пересечь комнату не удастся никогда.
Апория «Ахилл» еще оригинальнее. Древнегреческий герой Ахилл состязается в беге с черепахой. Если черепаха стартует немного раньше Ахилла, то ему, чтобы ее догнать, сначала нужно добежать до места ее старта. Но к тому моменту, как он туда доберется, черепаха проползет некоторое расстояние, которое нужно будет преодолеть Ахиллу. А за это время черепаха уползет вперед еще на некоторое расстояние. Поскольку число таких отрезков бесконечно, быстроногий Ахилл никогда не догонит черепаху.
Еще один парадокс называется «Стрела». Полет стрелы – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разное время находится в разных местах – но мы живем мгновениями. Значит, в каждое мгновение стрела находится в определенном, единственном положении. Она находится в данном месте точно так, как если бы она покоилась здесь всегда. А значит, полагал Зенон, ее никоим образом нельзя отличить от другой стрелы, которая действительно лежит в данном месте. А коль нельзя отличить движущуюся стрелу от летящей, значит, никакого движения и не существует…
Самый прямолинейный метод опровержения апорий Зенона – это привлечение практического опыта, вспомните стихи Пушкина:
Движенья нет, сказал мудрец брадатый.Другой смолчал и стал пред ним ходить.Сильнее бы не мог он возразить;Хвалили все ответ замысловатый.Но, господа, забавный случай сейДругой пример на память мне приводит:Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,Однако ж прав упрямый Галилей.Действительно, можно просто встать и пересечь комнату, обогнать черепаху или выпустить стрелу. Но в философских диспутах той поры применение опытных данных и практических наблюдений считалось неприемлемым. Проблема была разрешена только после создания Исааком Ньютоном и Готфридом Лейбницем дифференциального исчисления. Этот раздел математики оперирует понятиями «предел», «дифференциал» и «интеграл», позволяющими суммировать бесконечно малые величины.
В наше время одно из умозаключений Зенона приобрело вдруг совершенно необычное применение в квантовой физике. Будет ли уменьшаться вероятность распада атома в нестабильном состоянии, если достаточно часто измерять, распадается ли этот атом? Будет ли уменьшаться вероятность перехода атома из его начального состояния под влиянием фиксированного воздействия, если достаточно часто измерять, произошел ли этот переход? Утвердительный ответ квантовой теории на этот вопрос с классической точки зрения кажется совершенно невозможным, парадоксальным. Этот эффект изменения закона распада, вероятности перехода в зависимости от частоты измерения так и называется: квантовый эффект Зенона.
Следующий этап в постижении понятия «физическое время» связан с именем Галилео Галилея. Великий ученый одним из первых применил на основе практических наблюдений принцип мысленного эксперимента. Так, глубокие размышления над различными видами движения в окружающем мире привели Галилея к принципу относительности. По его словам, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, с полным основанием может считать, что книга, лежащая на его столе, находится в состоянии покоя. В то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а значит, у него есть все основания считать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль. Так движется ли в самом деле книга или лежит спокойно? Очевидно, что ответ полностью зависит от точки отсчета. Таким образом, получается, что мы еще раз возвращаемся к точке зрения Зенона, полагавшего, что движения нет вообще, поскольку в каждый отдельный промежуток времени его нельзя обнаружить.
Из принципа относительности Галилея следует, что между покоем и движением – если только оно прямолинейное и равномерное – нет принципиальной разницы. Тот же путешественник, находящийся в закрытой каюте корабля, движущегося по спокойному морю, не замечает никаких признаков этого движения. Мухи свободно летают по всей каюте. А если мячик подбросить вертикально, то он упадет прямо вниз, не стремясь оказаться поближе к корме.
С этой отправной точки, пользуясь понятиями скорости и ускорения, которые ввел его предшественник, и отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. В своих работах он установил, что существует связь между силой и ускорением: ускорение прямо пропорционально силе, воздействующей на тело. Однако Ньютон на этом не успокоился. Он искал силу, которая бы приводила в движение все небесные тела. И великий физик в конце концов отыскал ее. Эта сила – гравитационное воздействие, оказываемое массой тела, которое также ввел Ньютон. По его закону два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Закон всемирного тяготения одинаково эффективно действует по отношению к телам любого размера и в любом месте, будь то камень на Земле или далекая планета на просторах Вселенной.
Так родилась классическая механика. С помощью этой почтенной науки можно и сегодня успешно объяснять и предсказывать множество явлений – от мельчайших подробностей движения небесных тел, полета ракет и обращения искусственных спутников Земли до океанских приливов, вызываемых тяготением Луны и Солнца.
Однако чтобы измерять скорости и ускорения, производимые силами, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени точно так же, как геометрия – без пространства. Время в классической физике измеряется ритмично идущими часами, в самом общем случае показывающими некое абсолютное время, ход которого неизменен во всем окружающем мире.
На протяжении столетий казалось, что эта величественная классическая картина мироздания вечна и неизменна, как сам бег времени. Однако на пороге прошлого века наступили времена новой физики…
Глава 2. Релятивистские парадоксы
Контрамоция – это, по определению, движение по времени в обратную сторону. Как нейтрино. Но вся беда в том, что, если бы попугай был контрамотом, он летал бы задом наперед и не умирал бы на наших глазах, а оживал бы… А вообще-то идея хорошая. Попугай-контрамот действительно мог бы знать кое-что о космосе. Он же живет из будущего в прошлое. А контрамот-Янус действительно не мог бы знать, что происходило в нашем «вчера». Потому что наше «вчера» было бы для него «завтра»…
А. и Б. Стругацкие. Понедельник начинается в субботуСкромный служащий швейцарского патентного бюро в Берне Альберт Эйнштейн любил размышлять в свободное время над очень странными вопросами окружающей физической реальности. Еще в гимназии он задумывался о том, что будет, если «оседлать» луч света? Позже, студентом цюрихского Политехникума, он пытался понять: почему же неуловимый поток времени везде и всюду должен быть одинаков? Так постепенно он пришел к проблеме темпа времени в окружающей природе и его «контролируемости» при течении различных физических процессов.
Эти и другие необычные вопросы в конечном итоге привели великого теоретика к созданию одного из краеугольных камней современной физической науки – теории относительности. За этой знаменитой теорией с самого начала утвердилась слава физически трудно постижимой, а уж математически и совсем непонятной. Родился даже исторический анекдот, в котором утверждалось, что вначале гениальное творение Эйнштейна во всем мире понимали только три человека, включая самого автора. Затем количество «релятивистски просвещенных» увеличилось до двенадцати, но сам автор странным образом из этой дюжины выпал. Эйнштейн по этому поводу шутил: «С тех пор, как на теорию относительности навалились математики, я и сам перестал ее понимать».
Таким образом, закладывая фундамент современного релятивизма (на латыни – относительности), Эйнштейн постепенно пришел к выводу, что скорость света в пустоте, например в межзвездном вакууме, является одной из мировых констант. Она всегда близка к 300 тыс. км/с и парадоксально не складывается и не вычитается со скоростями других тел, поэтому ничто не может двигаться быстрее луча света.
Но если скорость света постоянна, то что же тогда произойдет при встрече на параллельных курсах двух фотонных звездолетов из фантастических романов, стремительно пожирающих пространство с субсветовой скоростью?
Альберт Эйнштейн (1879–1955)
Родился в Германии в 1879 г. Познакомившись с научно-популярной и философской литературой, увлекся математикой и физикой. Закончил цюрихский Политехникум. Устроился в бернское патентное бюро. В это время написал работы по статмеханике, физике молекул, броуновскому движению, квантовой теории фотоэффекта и Специальной теории относительности. Через десятилетие создал Общую теорию относительности, известную как теория гравитации Эйнштейна. После прихода к власти в Германии нацистов переехал в Принстон (США), где до конца жизни занимался единой теорией поля, пытаясь объединить электромагнитное и гравитационное взаимодействия.
Оказывается, что теория предсказывает очень многое, в том числе и изменение скорости… течения времени!
Чтобы понять этот в высшей степени необычайный вывод, давайте попробуем вслед за самим Эйнштейном провести важный мысленный эксперимент. Рассмотрим двух наблюдателей, один из которых стоит на переезде и смотрит на проносящийся мимо экспресс, а другой находится в купе движущегося поезда. Оба они фиксируют время прохождения световых сигналов вдоль вагона и к наблюдателю на переезде.
Пусть на передней и задней стенках вагона имеется по лампочке. Наблюдатель движущейся лаборатории находится посередине вагона, как раз между лампочками, на равном расстоянии от каждого источника света. Эксперимент построен так, что световые сигналы от этих ламп достигают движущегося и покоящегося наблюдателей строго одновременно, и именно в тот момент, когда они поравняются друг с другом. Какие выводы должен сделать из этого наблюдения каждый из экспериментаторов?
Физик в вагоне может рассуждать так: «Поскольку сигналы были посланы источниками, находящимися от меня на равных расстояниях, и пришли одновременно, значит, и испущены они были строго одновременно». Физик на переезде имеет полное право прокомментировать описываемое событие несколько иным образом: «Когда середина вагона поравнялась со мной, обе лампочки были от меня на одинаковом расстоянии. Но свет был испущен несколько ранее того момента, когда достиг меня, ведь световые лучи имеют конечную скорость. Отсюда следует, что в момент наблюдения передняя стенка вагона была ко мне ближе, и лампочка на задней стенке вспыхнула раньше».
В результате последующего анализа своих данных наши физики должны прийти к парадоксальному результату, показывающему, что время в движущемся поезде и на обочине дороги течет неодинаково. Время оказывается зависящим от скорости! Оно предстает совсем не абсолютным, а относительным…
В теории Эйнштейна, дополненной его студенческим преподавателем математики Германом Минковским, пространство и время становятся неразрывными. Они составляют «многообразие Минковского», где единое пространство – время состоит теперь не просто из точек и моментов, но из событий, и для описания места каждого из них в мире нужны уже четыре координаты. Движения частиц и тел в пространстве – времени представляются цепями событий и изображаются линиями, которые называются мировыми.
В пространстве Минковского эти движения мнимые: частицы и тела в действительности неподвижны, события не происходят, а прочно и раз и навсегда закреплены на своих местах, тех самых, что обозначаются тремя пространственными и одной временной координатами. Это относится ко всем событиям независимо от того, происходят они в прошлом или произойдут в грядущем.
Мировые линии
Известный американский ученый Джей Орир в своей «Популярной физике» описывает такой «парадокс близнецов». Предположим, что на Земле живут два близнеца в возрасте 20 лет, и один из них отправляется в космическое путешествие к звезде Арктур. Его субсветовой космолет летит со скоростью 0,99 скорости света и, преодолев два раза расстояние в 40 световых лет (до звезды и обратно), он возвращается на Землю через 11,4 года по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет 80,8 года. Так что брат, оставшийся на планете, должен очень постараться, чтобы дождаться возвращения межзвездного путешественника. Ведь ему к моменту возвращения корабля стукнет 108,8 года! Космический странник окажется моложе его на целую жизнь – 69,4 года!
Правда, на сегодняшний день единственные специалисты, которые могут воспользоваться выводами из теории Эйнштейна в своих практических целях, – это астрономы и физики-ядерщики. Ведь только элементарные частицы в сверхмощных ускорителях – циклотронах – достигают околосветовых скоростей.
Расстояния во Вселенной не случайно измеряются световыми годами. Световой год равен расстоянию, проходимому световым лучом за земной год. Стало быть, глядя на звезды, мы видим их не такими, какие они есть в настоящее время, а такими, какими они были много лет назад. Вполне возможно, что сегодня мы видим свет далеких небесных объектов, которых давно уже нет.
Не так давно астрономы открыли группу сверхдалеких квазизвездных объектов (квазаров) на расстоянии свыше 14 млрд световых лет. На основании этого ученым придется пересмотреть часть теории образования Вселенной. Ведь пока считалось, что наш мир образовался в Большом взрыве 15–20 млрд лет тому назад. Однако, если объекты удалены от нас на расстояние в 14 млрд световых лет, это равносильно тому, что мы наблюдаем их в период ранней юности Метагалактики, когда квазары еще не должны были образоваться. Астрономам остается только надеяться, что некоторую ясность в эти вопросы внесут новые обсерватории, выводимые на околоземные орбиты. Возможно, тогда и удастся рассмотреть таинственные истоки вселенской реки времени, истекающей из сингулярности (мнимой точки) Большого взрыва.
В рассказе о практических приложениях временных парадоксов теории относительности важная роль принадлежит физике элементарных частиц. Действительно, многие элементарные частицы, рождающиеся в столкновениях с атомными ядрами, живут очень недолго. Тем не менее их успевают много раз зафиксировать стоящие на пути чувствительные детекторы. Это происходит в полном соответствии с теорией относительности, ведь время их жизни в тысячи раз больше, чем у покоящихся собратьев. Так, сохраняя короткоживущие частицы в релятивистском «застывшем» времени, можно спокойно изучать их удивительные свойства, реакции с другими частицами и рассеяние на атомах.
Вот так совершенно фантастическое замедление времени уже является обыденной процедурой из области экспериментальной физики, оно прочно вошло в научный арсенал исследования микрочастиц, а для профессионалов даже потеряло некоторую часть своего очарования.
На самых мощных ускорителях потоки микрочастиц разгоняются до субсветовых скоростей. Релятивистское увеличение в несколько раз времени жизни таких частиц для некоторых из них является весьма существенным, поскольку только это и позволяет их надежно зарегистрировать.
Давайте совершим фантастическое допущение, что нам удалось построить космический аппарат, движущийся со сверхсветовой скоростью. Мы уже знаем, что для анализа релятивистских эффектов полет ракеты нужно рассматривать в двух системах координат. Одна (условно назовем ее первой) – это поверхность Земли, тот космодром, с которого стартовала ракета. В этой системе отсчета все происходит как обычно: ракета стартует, предположим, в полдень и при пятикратной скорости света достигает цели, например, в следующую полночь.
А вот с точки зрения наблюдателя во второй – релятивистской – системе координат порядок событий в первой системе отсчета может оказаться нарушенным. Как в кино при запуске пленки в обратном направлении, он увидит, что ракета от достигнутой ею цели направляется к месту старта.
Однако при всей своей необычности подобный мысленный эксперимент все же не лишен физического смысла. Здесь надо вспомнить гипотезу о существовании частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями, – тахионов. Такое предположение основано лишь на некоторых теоретических предпосылках. Но если такие частицы вдруг действительно существуют, не исключено, что время для них может течь навстречу нашему. То есть, говоря другими словами, прошлое и будущее таких частиц (с точки зрения стороннего наблюдателя) как бы меняются местами.
Из-за движения со скоростью больше скорости света мы не можем видеть тахион всегда. Только после того как тахион пройдет мимо нас, появляются два удаляющихся изображения тахиона. Черная линия соответствует фронту специального сверхсветового излучения (излучения Вавилова – Черенкова) – свечения, вызываемого в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде. Черенковское излучение широко используется в физике высоких энергий для регистрации релятивистских частиц и определения их скоростей.
Подобная ситуация блестяще описана в замечательном научно-фантастическом произведении Аркадия и Бориса Стругацких «Понедельник начинается в субботу». Речь там идет о загадке попугая, умирающего, исчезающего и возникающего вновь без всяких видимых причин, а также его таинственного хозяина – директора НИИЧАВО Януса Полуэктовича.
Вот какую гипотезу обратного хода времени, или «контрамоции», предлагают на страницах романа сотрудники НИИЧАВО: «…Если контрамоция теоретически возможна, значит, теоретически возможно нарушение причинно-следственного закона. Собственно, даже не нарушение, потому что закон этот остается справедлив в отдельности и для нормального мира, и для мира контрамота… А значит, можно все-таки предположить, что попугаев не три и не четыре, а всего один, один и тот же. Что получается? Десятого с утра он лежит дохлый в чашке Петри. Затем его сжигают, превращают в пепел и развеивают по ветру. Тем не менее утром одиннадцатого он жив опять. Не только не испепелен, но цел и невредим. Правда, к середине дня он издыхает и снова оказывается в чашке Петри. Это чертовски важно! Я почувствовал, что это чертовски важно – чашка Петри… Единство места!.. Двенадцатого попугай опять жив и просит сахарок… Это не контрамоция, это не фильм, пущенный наоборот, но что-то от контрамоции здесь все-таки есть… Для контрамота ход событий таков: попугай жив, попугай умирает, попугая сжигают. С нашей точки зрения, если отвлечься от деталей, получается как раз наоборот: попугая сжигают, попугай умирает, попугай жив… Словно фильм разрезали на три куска и показывают сначала третий кусок, потом второй, а потом уже первый… Какие-то разрывы непрерывности… Разрывы непрерывности… Точки разрыва…»
Далее герои романа начинают строить на основе идеи встречного хода времени любопытную гипотезу о природе Тунгусского метеорита…
Глава 3. Загадки четвертого измерения
Есть у времени такие свойства, которые ставят в тупик и классическую механику, и теорию относительности, и квантовую теорию. Эти теории многое сказали о времени, но они не способны ответить на первый и, казалось бы, самый простой из всех вопросов: почему время идет?
А. Д. Чернин. Физика времениВ последующих главах мы вернемся к исследованию временных парадоксов, задавшись, прежде всего, следующими вопросами: как смотрит физическая наука на теоретическую возможность создания машины времени? В чем принципиальные особенности движения материального тела по течению времени и против него?
Ну и, конечно же, нам предстоит продолжить разговор о новых исследованиях физиков и узнать, как обстоит дело с путешествиями во времени сегодня. Мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются, и то, что вначале казалось совершенно нереальным, с течением времени становится обыденностью. Но тут возникают новые вопросы:
? Что нужно, чтобы построить машину времени?
? Когда этого можно ожидать?
? Как далеко в этом направлении продвинулась наука?
Но главным среди них все же остается вопрос:
? Что по своей сути представляет собой время? Ведь для того чтобы построить машину времени, надо понять сущность времени и научиться управлять его течением. И именно отсюда начинаются все трудности…
Но все-таки это дело не такое уж безнадежное, как может показаться вначале. Современная наука знает о сущности времени не так мало. Более того, теория предсказывает, что некоторые виды «машины времени» могут издавна существовать в окружающем нас мире. И здесь продолжают накапливаться задачи:
? Как их обнаружить?
? В чем состоят принципы их существования?
? Как именно они работают?
? Какую практическую пользу мы можем иметь от них?
? Насколько правы в своих предположениях фантасты?
К глубокому сожалению, на нашем уровне познания мироздания любые проекты по перемещению материальных объектов во времени являются всего лишь более или менее удачными умозрительными построениями.
Классическая физика говорит, что существует лишь одно измерение, а также одно временное пространство. В соответствии с этой точкой зрения, изменение события в прошлом может теоретически обратно изменить историю. Эта теория порождает проблемы «временных парадоксов», о которых было написано в предшествующей главе. Далее мы обратимся к ним с несколько иной точки зрения.
Тем более поразительным был вывод из теории относительности, созданной в начале прошлого века, о том, что время зависит от скорости движения – пассажиры быстро мчащегося авто заметят, что их хронометры все больше и больше отстают от часов, укрепленных на стенах автовокзалов, мимо которых проносится автомобиль. И чем больше его скорость, тем заметнее запаздывание.
Причина этого удивительного явления долго оставалась загадкой. Ответ дала лишь теория тяготения Эйнштейна, объяснившая, что замедление времени связано с искривлением окружающего пространства. Из теории гравитации Эйнштейна следует, что время только кажется инертным и безучастным к проходящим в мире процессам, в действительности же на него действуют силы тяготения. Чем они сильнее, тем более вялым, медленнее текущим становится время. Образно говоря, под действием тяготения река времени перестает быть прямолинейной. Она изгибается, растягивается, скручивается.
Чтобы понять, в чем дело, вспомним широко известный в физике факт: силы инерции – перегрузки, возникающие при ускорении или торможении, например лифта – эквивалентны силе тяжести.
Вспомним, как нас прижимает к спинке сиденья на аттракционе «Русские горки», когда поезд кабинок резко ускоряет движение на подъеме. И если мы изолированы в кабине космического корабля, то никогда не сможем определить – сели ли мы на какую-то планету и на нас действует ее гравитация, или корабль уносится в космическое пространство с каким-то постоянным ускорением.
Поэтому при тренировках космонавтов состояние орбитальной невесомости моделируется их «парением» в салоне пикирующего самолета: земное притяжение при этом полностью компенсируется противонаправленной силой инерции.
Теперь понятно, что на замедление хода часов в движущемся транспорте действуют силы инерции, возникающие при его разгоне. Чем они больше, тем больше его скорость и тем заметнее разница времени между покоящимися и движущимися часами. Несомненно, что открытие зависимости времени от скорости движения и полей тяготения стало одним из самых важных научных достижений прошлого века. Оно позволяет нам в определенных пределах управлять ходом времени, а отсюда уже недалеко и до машины времени, с помощью которой можно так искривить поток времени, что он вынесет нас в будущее или в прошлое.
Так, если экипаж звездолета, который исследовал окрестности коллапсара, – черной дыры с невообразимо гигантскими полями тяготения, вернется домой, он застанет своих ровесников, знакомых и родственников глубокими стариками, живущими в том далеком будущем, до которого членам экипажа еще предстоит дожить. Итак, перед нами первая модель машин времени, созданных самой природой, – черные дыры, или замерзшие звезды, правда, их внешняя оболочка может перебрасывать материю только в сторону будущего.
В научно-фантастических романах часто можно встретить ситуацию, когда очередная сверхцивилизация, овладев законами тяготения, использует мощные генераторы гравитационных волн. Для такого высокоразвитого разума совсем нетрудно было бы построить и компактную машину времени – что-то вроде «универсального блока» из многотомной эпопеи Василия Звягинцева «Одиссей покидает Итаку» или кабины «голема» из романа Василия Головачева «Схрон». Впрочем, мы далеко не случайно остановили внимание на произведениях этих авторов. Редко где еще можно встретить столь тщательно выписанную сложнейшую систему «хронопереходов» между разными временами и эпохами, и даже пришельцев, живущих в «обратном» времени.
Несмотря на фантастичность подобных путешествий, возможно, когда-нибудь их удастся осуществить. История науки убеждает нас в том, что если какая-то возможность разрешена законами природы, то ее осуществление – лишь вопрос времени. Однако сегодня мы еще очень далеки от этого. Честно говоря, мы даже не знаем, как подступиться к практической разработке гравитационной машины времени. Современная техника хорошо умеет генерировать самые различные электромагнитные поля. Это может быть и видимый свет, и радиоволны, и лучи лазеров, уже научились создавать даже пучки неуловимых частиц нейтрино.
Схема фотонного звездолета
1 – отражатель фотонов излучения, возникающего при аннигиляции материи и антиматерии; 2, 4 – защитные экраны; 3 – баки с горючим (антиматерией, подвешенной в магнитном поле); 5 – оранжерея; 6 – производственные помещения; 7 – кают-компания; 8 – специальные и жилые каюты; 9 – обсерватория, научный центр; 10 – космоботы; 11 – ракетопланпланетолет
Но вот как построить мощный генератор гравитационного излучения, который мог бы изменять силу поля тяготения, – этого пока никто не знает. Впрочем, существует обходной путь: заменить гравитацию силами инерции.
Такие силы мы создавать умеем. Как уже говорилось, движущиеся часы идут медленнее неподвижных, и экипаж летчиков станет моложе команды диспетчеров на аэродроме. В обычных условиях это различие, понятно, совершенно ничтожно. Чтобы оно стало заметным, скорость движения должна быть близка к скорости света. Например, космонавты, безостановочно в течение целого года летящие по орбите со скоростью несколько тысяч километров в час, «омолодятся» всего лишь на доли секунды.
Другое дело, если мы находимся на борту уже упомянутого фотонного звездолета, мчащегося с половинной скоростью света. Здесь сдвиг в будущее составит уже около полутора месяцев. Ну, а для путешествия в далекое будущее потребуется скорость, мало отличающаяся от световой.
Разгоняясь почти до скорости света, придется затратить огромное количество энергии. Ресурсов известных нам источников энергии, включая ядерную и термоядерную, для этого недостаточно. Поэтому практическое осуществление подобных полетов прежде всего связано с поиском новых источников энергии. Одним из самых перспективных проектов, обсуждаемых уже много десятилетий, является использование фотонного привода, испускающего реактивную струю мощного светового излучения при аннигиляции материи и антиматерии.
Глава 4. Атомы времени
В последние десятилетия физики и математики задаются вопросом: не из дискретных ли частей состоит пространство? Действительно ли оно непрерывно – или больше похоже на кусок ткани, сотканной из отдельных волокон? Если бы мы могли наблюдать чрезвычайно малые объекты, то увидели бы атомы пространства, неделимые мельчайшие частицы объема? А как быть со временем: плавно ли происходят изменения в природе – или мир развивается крошечными скачками, действуя словно компьютер?
Л. Смолин. Атомы пространства и времениКакие бы проблемы времени мы ни рассматривали, так или иначе возникают вопросы об элементарных составных частях – частицах времени. Ведь еще основатели атомистики, древнегреческие философы Левкипп и Демокрит обсуждали в ходе очень давнего философского диспута реальность атомов времени. К подобному представлению о структуре времени философы и физики периодически обращались на всем протяжении истории. Важные соображения здесь принадлежат великому французскому математику Рене Декарту, который пришел к парадоксальному выводу о том, что для перехода нашего мира из мгновения в мгновение нужны силы, которые и создали Вселенную.
В настоящее время мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Всем известно, что свет в конечном итоге состоит из фотонов. Причем никто особо не удивляется тому, что фотону свойствен дуализм: в одних случаях он ведет себя как материальная частица, в других – как электромагнитная волна. Более того, если мы углубимся в дебри современной квантовой физики, то в конце концов обнаружим, что микрочастица по своей природе не является, вообще-то говоря, ни тем и ни другим.
В пользу дискретности времени, по мнению многих теоретиков, свидетельствует то обстоятельство, что момент настоящего как еще не пришедшее будущее и уже ушедшее прошлое сводится к точке. Однако физическое явление в объективных материалистических моделях должно иметь протяженность!
Во всяком случае на сегодняшнем этапе развития теории физики полагают, что элементарной первоосновой Вселенной могут оказаться кварки – гипотетические частицы, о которых уже рассказывалось и которые пока никому не удалось экспериментально наблюдать. А если их действительно не обнаружат, то вполне возможно, что физики-экспериментаторы попробуют разделить и их…
Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Точно этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые смогли бы фиксировать эти частицы. Можно лишь предположить, что фундаментальной длине физического пространства должен соответствовать своеобразный атом времени – его квант. Оценку этого кванта можно получить простым делением диаметра ячейки пространства на скорость света. На этих невообразимо малых расстояниях должны действовать законы еще не известной нам физики. Именно в таких масштабах сверхмалое может объединяться со сверхбольшим, и наша Вселенная – переходить в иные миры.
Никто не знает, как выглядят воображаемые атомы времени, но если они реально существуют, то вполне возможно, что «хроноквантовое время» внутри них свернуто в замкнутые циклы. Эти циклы могут не только играть важную роль в процессах взаимного превращения материи и энергии, но и объяснить многие загадочные обстоятельства рождения нашего мира.
Тем не менее опыт всей физики учит, что время, существующее «само по себе», маловероятно. Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающем нас мире. А значит, вполне вероятно, что на него как на физический параметр должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 10 миллиардов джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, смогут обеспечить едва ли миллиардную долю этой энергии. По всей вероятности, подобный ускоритель будет построен не скоро, ведь для его работы понадобятся огромные энергетические ресурсы.
Удивительные дискретные (т. е. делимые на отрезки) свойства времени четко проявляются при излучении энергии атомами. В квантовом явлении излучения нельзя указать точное начало и окончание этого акта во времени. Время, за которое происходит это явление, выступает перед нами как цельный отрезок. У нас нет способов различить в нем отдельные ранние и поздние моменты и вообще разделить его на отдельные части. Опытные исследования различных эффектов в мире квантов и элементарных частиц показывают, что в пределах чувствительности самой современной аппаратуры дискретность потока времени не обнаружена. Не обнаружены пока и основополагающие ячейки пространства.
Квантовые состояния объема и площади
Главный вывод теории петлевой квантовой гравитации относится к объемам и площадям. Рассмотрим область пространства, ограниченную сферической оболочкой В. В соответствии с классической (неквантовой) физикой ее объем может выражаться любым действительным положительным числом. Однако, согласно теории петлевой квантовой гравитации, существует отличный от нуля абсолютный наименьший объем (примерно равный кубу длины Планка, т. е. 1099 см3), а значения больших объемов представляют собой дискретный ряд чисел. Аналогично, есть ненулевая минимальная площадь (примерно квадрат длины Планка, или 1066 см2) и дискретный ряд допустимых площадей большего размера. Дискретные спектры допустимых квантовых площадей и квантовых объемов в широком смысле похожи на дискретные квантовые уровни энергии атома водорода.
Л. Смолин. Атомы пространства и времениМного интересных следствий можно получить из гипотезы о неделимом атоме времени. Если она справедлива, то время течет не плавно и непрерывно, а, по образному выражению видного исследователя физики времени, профессора А. Д. Чернина, «отдельными одинаковыми толчками, как кровь в артерии». В обычных условиях, по его словам, эти толчки времени совершенно неразличимы из-за немыслимо малой их длительности.
В современной науке любое исследование физических свойств времени все чаще связывается с принципами квантовой механики. Так, в картине мироздания физики вполне определенно выделяют минимальные размеры ячеек пространства, называя их «фундаментальной длиной» – квантами пространства. Предполагаемая величина этих гипотетических «атомов пространства» реально совершенно невообразима, она представляет собой дробь с 33 нулями в знаменателе. Если бы мы увеличили размер таких клеток пространства до одного сантиметра, то диаметр атома возрос бы до 30 миллиардов световых лет, в два раза превзойдя размер Метагалактики. Атом – это минимальный реально наблюдаемый в электронный микроскоп объект, следующий за ним на пути в глубины материи – атомное ядро. Если повторить увеличение, ядро атома превратится в галактику, свет по которой будет путешествовать 300 000 лет.
Еще труднее представить себе элементарный «атом времени» – хроноквант. Его длительность в секундах выражается дробью уже с 44 нулями в знаменателе. Именно столько времени требуется на то, чтобы свет прошел расстояние, равное фундаментальной длине – кванту пространства.
Согласно теории со странным названием «петлевая квантовая гравитация», пространство и время действительно состоят из дискретных частей. Расчеты, выполненные в рамках этой концепции, описывают простую и красивую картину, которая помогает нам объяснить загадочные явления, относящиеся к черным дырам и Большому взрыву.
Но главное достоинство упомянутой теории заключается в том, что уже в ближайшем будущем ее предсказания можно будет проверить экспериментально: мы обнаружим атомы пространства, если они действительно существуют.
Представьте себе тяжелый шар, помещенный на резиновый лист, и маленький шарик, который катается вблизи большого. Шары можно рассматривать как Солнце и Землю, а лист – как пространство. Тяжелый шар создает в резиновом полотне углубление, по склону которого меньший шарик скатывается к большему, как будто некоторая сила – гравитатация – тянет его в этом направлении. Точно так же любая материя или сгусток энергии искажают геометрию пространства – времени, притягивая частицы и световые лучи; это явление мы и называем гравитацией.
Модель земной гравитации
В те же десятилетия, когда зарождалась квантовая механика, Альберт Эйнштейн разработал Общую теорию относительности, которая представляет собой теорию гравитации. Согласно ей, сила тяготения возникает в результате изгиба пространства и времени (которые вместе образуют пространство – время) под действием материи.
По отдельности квантовая механика и Общая теория относительности Эйнштейна экспериментально подтверждены. Однако еще ни разу не исследовался случай, когда можно было бы проверить обе теории одновременно. Дело в том, что квантовые эффекты заметны лишь в малых масштабах, а для того, чтобы стали заметны эффекты Общей теории относительности, требуются большие массы. Объединить оба условия можно лишь при каких-то экстраординарных обстоятельствах.
Помимо отсутствия экспериментальных данных существует огромная концептуальная проблема: Общая теория относительности Эйнштейна полностью классическая, т. е. неквантовая. Для обеспечения логической целостности физики нужна квантовая теория гравитации, объединяющая квантовую механику с Общей теорией относительности в квантовую теорию пространства-времени.
Физики разработали множество математических процедур для превращения классической теории в квантовую. Многие ученые тщетно пытались применить их к Общей теории относительности.
Кстати, термин «петлевая» был введен из-за того, что в некоторых вычислениях использовались маленькие петли, выделенные в пространстве-времени.
Согласно теории петлевой квантовой гравитации, пространство подобно атомам: числа, получаемые при измерении объема, образуют дискретный набор, т. е. объем изменяется порциями. Другая величина, которую можно измерить, – площадь границы, которая тоже оказывается дискретной. Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема.
Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка очень мала: 10–33 см; она определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной. Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, или 10–66 см2. Наименьший возможный объем, отличный от нуля, – куб длины Планка, или 10–99 см3. Таким образом, согласно теории, в каждом кубическом сантиметре пространства содержится приблизительно 1099 атомов объема. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной (1085).
На что же похожи кванты объема и площади? Быть может, пространство состоит из огромного количества крошечных кубов или сфер? Все оказывается далеко не просто.
Вот как описывает проблему визуализации известный квантовый теоретик Ли Смолин. Вообразите область пространства, по форме напоминающую куб. На диаграмме мы изображаем ее как точку, представляющую объем, с шестью выходящими из нее линиями, каждая из которых изображает одну из граней куба. Число рядом с точкой указывает величину объема, а числа рядом с линиями – величину площади соответствующих граней.
Поместим на вершину куба пирамиду. У наших многогранников есть общая грань, и их следует изобразить как две точки (два объема), соединенные одной из линий (грань, которая соединяет объемы). У куба осталось пять свободных граней (пять линий), а у пирамиды – четыре (четыре линии). Аналогично можно изобразить любые комбинации различных многогранников: объемные полиэдры становятся точками, или узлами, а плоские грани – линиями, соединяющими узлы. Математики называют такие диаграммы графами.
Квантовые состояния объема и площади
В нашей теории отбрасываем рисунки многогранников и оставляем только графы. Математика, описывающая квантовые состояния объема и площади, обеспечивает нас набором правил, указывающих, как линии могут соединять узлы и какие числа могут располагаться в различных местах диаграммы. Каждое квантовое состояние соответствует одному из графов, и каждому графу, удовлетворяющему правилам, соответствует квантовое состояние. Графы представляют собой удобную краткую запись возможных квантовых состояний пространства.
Диаграммы гораздо больше подходят для представления квантовых состояний, чем многогранники. В частности, некоторые графы соединяются такими странными способами, что их невозможно аккуратно преобразовать в картину из полиэдров. Например, в тех случаях, когда пространство изогнуто, невозможно изобразить многогранники, стыкующиеся должным образом, зато совсем нетрудно нарисовать граф и по нему вычислить, насколько искажено пространство. Поскольку именно искажение пространства создает гравитацию, диаграммы играют огромную роль в квантовой теории тяготения.
Для простоты мы часто рисуем графы в двух измерениях, но лучше представлять их заполняющими трехмерное пространство, потому что именно его они иллюстрируют. Но здесь есть концептуальная ловушка: линии и узлы графа не занимают конкретные положения в пространстве. Каждый граф определяется только тем, как его части соединяются между собой и как они соотносятся с четко заданными границами (например, с границей области B). Однако нет никакого непрерывного трехмерного пространства, в котором, как может показаться, размещаются графы. Линии и узлы – это и есть пространство, геометрия которого определяется тем, как они соединяются.
Описанные графы называются спиновыми сетями, потому что указанные на них числа связаны со спином. Спиновые сети олицетворяют фиксированные квантовые состояния объемов и площадей пространства.
Экспериментальная проверка
Когда в миллиардах световых лет от нас происходит гамма-всплеск, мгновенный взрыв порождает гигантское количество гамма-лучей. В соответствии с теорией петлевой квантовой гравитации фотон, движущийся по спиновой сети, в каждый момент времени занимает несколько линий, т. е. некоторое пространство. Дискретная природа пространства заставляет гамма-лучи более высокой энергии перемещаться немного быстрее. Разница ничтожна, но в ходе космического путешествия эффект накапливается миллиардами лет. Если возникшие при всплеске гамма-лучи разных энергий прибывают на Землю в разные моменты времени, то это свидетельствует в пользу теории петлевой квантовой гравитации.
Л. Смолин. Атомы пространства и времениОтдельные узлы и ребра диаграмм представляют собой чрезвычайно малые области пространства: типичный узел соответствует объему около одной длины Планка в кубе, а линия – площади порядка одной длины Планка в квадрате. Но, в принципе, спиновая сеть может быть неограниченно большой и сколь угодно сложной. Если бы мы могли изобразить детальную картину квантового состояния нашей Вселенной (т. е. геометрию ее пространства, искривленного и перекрученного тяготением галактик, черных дыр и пр.), то получилась бы гигантская спиновая сеть невообразимой сложности, содержащая приблизительно 10184 узлов.
Итак, спиновые сети описывают геометрию пространства. Но что можно сказать о материи и энергии, находящихся в нем? Частицы, такие как электроны, соответствуют определенным узлам, снабженным дополнительными метками. Поля, такие как электромагнитное, обозначаются аналогичными маркерами на линиях графа. Движение частиц и полей в пространстве представляет собой дискретное (скачкообразное) перемещение меток по графу.
В теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единство. При введении концепции пространства – времени в теорию петлевой квантовой гравитации спиновые сети, представляющие пространство, превращаются в так называемую спиновую пену. С добавлением еще одного измерения – времени – линии спиновой сети расширяются и становятся двумерными поверхностями, а узлы растягиваются в линии. Переходы, при которых происходит изменение спиновой сети (шаги, описанные выше), теперь представлены узлами, в которых сходятся линии пены.
Мгновенный снимок происходящего подобен поперечному срезу пространства – времени. Аналогичный срез спиновой пены представляет собой спиновую сеть. Однако не стоит заблуждаться, что плоскость среза перемещается непрерывно, подобно плавному потоку времени. Так же как пространство определяется дискретной геометрией спиновой сети, время задается последовательностью отдельных шагов, которые перестраивают сеть. Таким образом, время тоже дискретно. Время не течет, как река, а тикает, как часы. Интервал между «тиками» примерно равен времени Планка, или 10–43 с. Точнее говоря, время в нашей Вселенной отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, часы делают один «тик».
Глава 5. Квантовая хронофизика
Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия «раньше» и «позже». Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время – это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…
А. Д. Чернин. Физика времениКвантовая физика наглядно демонстрирует нам, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. В действительности и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. Причем чем более определенна одна величина, тем неопределеннее будет другая. Физики-теоретики даже сумели количественно выразить соотношение определенности и неопределенности и запросто им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. Ну а как быть со временем?
Этот вопрос тоже в немалой степени занимает внимание теоретиков. Следующий логический шаг – обнаружение квантов времени. Существуют ли они? Этого пока никто не знает – у нас нет приборов, которые бы смогли фиксировать эти частицы.
Единственное, на что мы пока можем положиться, – это опыт всей современной физической науки, который отрицает существование ньютоновского абсолютного времени, существующего как бы «само по себе». Оно всегда связано с явлениями, которые происходят в окружающей нас физической реальности. А значит, вполне вероятно, что и на время должны распространяться законы этого мира. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких частиц времени – хроноквантов. Однако если мы хотим серьезно порассуждать о возможности путешествий во времени, а тем более о неких агрегатах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки квантов времени. Некоторые расчеты показывают, что уменьшить неопределенность в данном вопросе смогут лишь эксперименты, при которых микрочастицы должны будут обладать энергиями порядка 109 джоулей. Однако самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, едва ли смогут выйти на рубежи даже миллиардной доли этой энергии. По всей вероятности, подобные ускорители, построенные на известных принципах разгона микрочастиц, вообще нельзя будет создать даже в отдаленном будущем, поскольку для их работы не хватит планетарных ресурсов.
Нильс Бор (1885–1962)
Выдающийся датский физик-теоретик, один из основателей квантовой и атомной физики, а также создатель «копенгагенской интерпретации квантовой механики», в которой существенное место отводится наблюдателю измерений. Основатель и бессменный директор знаменитого института теоретической физики в Копенгагене.
Довольно интересны в этом плане идеи «дискретной физики». В ее основе лежит своеобразная «дискретная философия». По мнению создателей, она представляется новым уровнем мышления о фундаментальных процессах в природе, объединяя мега– и микроскопические масштабы. Не без определенных оснований они считают, что как атомистическая в самом общем смысле теория «дискретная наука» логически приводит к экстремальному значению всех физических величин как конечных и дискретных. Это означает, что теоретически любые количественные соотношения могут быть представлены в целочисленном виде. Подобная «дискретная парадигма» в целом подразумевает, что природа не содержит каких-либо бесконечных последовательностей физических величин, так что ставится вопрос о естественных целесообразных границах применения самого математического аппарата исчисления бесконечно малых.
Если хронокванты действительно существуют, то само космологическое расширение Вселенной может быть связано с наличием хроноквантового генератора сдвига по времени. Тогда собственное время материальных объектов разделится на динамически наблюдаемую независимую и ненаблюдаемую абсолютную переменные. Значения данных компонент будут составлять конфигурационное пространство хроноквантового генератора сдвига, определяя течение любых процессов в нашем материальном мире.
В исторической ретроспективе метод модельной хронодискретизации можно связать с отдельными положениями квантовой волновой механики Шредингера – де Бройля. Это позволяет в качестве одного из вариантов развития принципов квантовой хронофизики рассматривать идеи о волновой функции Вселенной.
Предсказания квантовой механики фундаментально вероятностны по своей сути, что заставляет неоднозначно толковать их с точки зрения сохранения причинности. Здесь часто возникает путаница понятий в среде непрофессиональных физиков. Так, предсказания классической физики также вероятностны из-за сложности определения начального состояния и последующей эволюции многочастичных систем. В квантовой механике неопределенность принципиально следует из дополнительности квантовых свойств и классического описания как вероятностного характера законов Вселенной.
Здесь необходимо сделать небольшое отступление и обсудить предопределенность событий в нашей реальности. Ньютоновская механика породила лапласовский детерминизм. Для иллюстрации такого механического детерминизма Лаплас придумал своего демона. Демон Лапласа – это некое воображаемое существо, которое в некоторый момент времени знает с абсолютной точностью координаты и скорости всех частиц, может бесконечно быстро решать уравнения динамики, ну и, стало быть, знает все прошлое и все будущее Вселенной.
Фактически такую интерпретацию развивали Эйнштейн, Планк, Шредингер и их сторонники, когда утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории. Они ориентировали физиков на поиск такой теории микроявлений, которая по своей структуре и характеру законов была бы подобна классической механике или классической электродинамике. В этом русле строилась программа развития вероятностных представлений из теории микромира путем обнаружения «скрытых параметров», т. е. таких свойств элементарных частиц, знание которых позволило бы достичь их строго однозначного описания.
Против такой интерпретации выступили Борн, Бриллюэн и другие, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию. Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в современной физике не закончены до сих пор, тем не менее развитие квантовой механики существенно ослабило позиции сторонников «скрытых параметров».
Итак, мы не можем проследить траектории отдельных частиц и метаморфозы волновой функции сложных квантовых объектов. Из этого следует, что причинность в классическом и в квантовом смысле нарушается, но в более точном хроноквантовом смысле она может соблюдаться. Из максимально полно определенного темпорального начального состояния может быть получено единственно возможное, на данном хроноквантовом интервале, конечное состояние.
Известно, что пространство состояний квантовой системы линейно. Это значит, что наряду с любыми двумя ее состояниями возможным состоянием является также и их линейная комбинация (суперпозиция). Множество состояний классической системы не является линейным пространством. Классическая система может находиться в одном из возможных состояний, но нельзя придать никакого смысла сумме этих состояний. Здесь явственно наблюдаются признаки парадокса Шредингера, связывавшего детектирование суперпозиционных состояний с логикой макроскопических наблюдений.
Фактически переход квантового мира в мир классический связан с действием принципа усиления – это превращение суперпозиции состояний микросистемы в макросистему при квантовых измерениях с образованием запутанных состояний с макроскопическим количеством системных степеней свободы.
При усилении происходит взаимодействие квантовой системы (находящейся в состоянии суперпозиции) с другими системами (или степенями свободы), вызывающее запутывание (квантовую корреляцию) с ними. Затем и исходная система, и уже запутанные с ней взаимодействуют с еще большим количеством систем, вовлекая и их в запутанное состояние. Так происходит до тех пор, пока не образуется свойство, включающее огромное число систем или, по крайней мере, огромное число степеней свободы.
До сих пор в квантовой механике, которая возникла одновременно с теорией относительности, не стихают бурные споры о глубинных причинах вероятностной природы нашей реальности. Каких только самых невероятных гипотез нет на эту тему! Физики-теоретики говорят о мгновенном ветвлении нашей Вселенной на мириады миров, в каждом из которых экспериментатор получает разные результаты одного и того же опыта, и об управлении окружающей действительностью «сверхсознанием» наблюдателя, и даже о действии разумных элементарных частиц и атомов! Многие романы современных писателей-фантастов выглядят на этом фоне блекло!
Между тем гипотеза о неделимых хроноквантах может совершенно по-иному осветить данную проблему. Достаточно лишь предположить, что вероятность квантового события связана с моментом его реализации в границах выделенного хронокванта. И как только длительность микроявления выходит за рамки границ «атома времени», оно реализуется в нашем мире.
Глава 6. «Стрела времени»
Пространство-время – это эволюционирующая Блок-Вселенная, она продолжает эволюционировать вдоль каждой мировой линии, пока не достигает своего конечного состояния как неизменной Финальной БлокВселенной. Можно было бы сказать, что тогда время изменилось в вечность. Будущее сомнительно и неопределенно до тех пор, пока локальные определения того, что происходит, имело место на пространственно-временном событии «здесь и теперь», определяя настоящее на мировой линии в определенный момент; после того это событие оказывается в прошлом, становится неподвижным и неизменным, и уже новое событие на мировой линии определяет настоящее. Нет никакого уникального способа сказать, как это происходит относительно различных наблюдателей; анализ эволюции удобно основывать на привилегированных (связанных с материей) мировых линиях вместо поверхностей времени. Однако чтобы описать это в целом, будет удобно выбрать определенные поверхности времени для анализа, но они – выбор удобства, а не потребности.
Дж. Ф. Р. Эллис. Поток времениСовременные философы считают, что после атаки «вооруженных и очень опасных» физиков-теоретиков на мировоззренческий базис физической реальности наша Вселенная выглядит как-то не так. Сначала это утверждение кажется несколько странным, поскольку в распоряжении космологов имеется не так уж много вселенных для сравнения. Как узнать, на что должна быть похожа «правильная» Вселенная? Спустя долгие годы теоретических и наблюдательных исследований астрономы выработали достаточно четкое представление о том, что считать «нормой», и та Вселенная, которую мы видим сейчас, не совсем удовлетворяет этому представлению.
На сегодняшний момент ученые обладают достаточно полной, подробной и согласованной картиной происхождения и эволюции Вселенной. Согласно современному представлению, 13,7 млрд лет назад пространство-время было несравненно более горячим и плотным, чем, например, внутренние области современных звезд. Расширяясь, пространство охлаждалось и становилось более разреженным. Практически все имеющиеся наблюдения объясняются такой картиной, однако наличие некоторого количества странных и необъяснимых особенностей, прежде всего в ранней Вселенной, говорит о том, что в нашем понимании истории Вселенной есть белые пятна.
Очевидно, что фундаментальные законы физики действуют одинаково вперед и назад во времени. Однако мы ощущаем время движущимся только в одном направлении: из прошлого в будущее. Почему же так происходит?
Для объяснения этого факта необходимо произвести изыскания в предыстории Вселенной, в эпохе до Большого взрыва. Наша Вселенная может оказаться крохотной частью гораздо более обширной области пространства-времени, так называемого Мультиверса, который, по идее, должен быть симметричен во времени. Другими словами, в разных частях множественной Вселенной время может течь как вперед, так и вспять.
Среди таких необычных черт одна выделяется особенно ярко – это асимметрия времени во Вселенной. Физические законы микромира, во многом определяющие поведение Вселенной, одинаковы и в прошлом, и в будущем, но ранняя – горячая, плотная, однородная – сильно отличается от окружающего нас холодного, разреженного и разномастного пространства.
Вселенная начала свое развитие с обладающего большой упорядоченностью состояния и с тех пор становилась все более хаотичной. Необратимость этого процесса во времени (или просто асимметрию времени) символизирует стрела, всегда направленная из прошлого в будущее. «Стрела времени» играет важнейшую роль в нашей повседневной жизни, объясняя, почему мы, например, можем сделать из яйца омлет, но не наоборот, или почему в стакане воды никогда самопроизвольно не образуются кубики льда, или почему мы помним о событиях в прошлом, а не в будущем.
Происхождение «стрелы времени» может быть последовательно прослежено вспять – вплоть до времен очень ранней Вселенной, момента Большого взрыва. Можно сказать, что каждый раз, разбивая яйцо для омлета, мы проводим настоящий космологический эксперимент, подтверждая существование «стрелы времени». Подтверждая, но, как и вся современная космология, не объясняя причины ее наличия. Эта основная загадка той Вселенной, которую мы наблюдаем, намекает на существование гораздо большего пространства-времени, не доступного наблюдениям. Она добавляет веса гипотезе о том, что мы видим лишь малую часть мультимира, чья динамика поможет нам объяснить необычные свойства нашей локальной области.
Физики запрятали концепцию асимметрии времени в знаменитый второй закон термодинамики, гласящий, что энтропия замкнутой системы никогда не убывает. Грубо говоря, энтропия есть мера беспорядка системы.
В XIX веке австрийский физик Людвиг Больцман объяснил энтропию в терминах различия макро– и микросостояния объекта.
Сырое яйцо своим примером демонстрирует асимметрию времени: оно легко разбивается, но, однажды разбитое, уже не может снова стать целым – по той простой причине, что способов разбиться гораздо больше, чем собраться в целую конфигурацию. Если говорить языком физиков, разбитое яйцо обладает большей энтропией.
Энтропия характеризуется числом различных микросостояний, которые соответствуют одному и тому же макросостоянию (математически энтропия есть произведение числа микросостояний на логарифм этого числа). Существует гораздо больше способов упорядочить некий набор атомов в обладающую большой энтропией конфигурацию, чем способов упорядочить атомы в конфигурацию с низкой энтропией. Поясним на примере двух несмешивающихся жидкостей. Представьте, что вы добавили в кофе сливки. Существует огромное количество способов взаимного распределения молекул, при котором сливки и кофе окажутся полностью перемешанными, и сравнительно небольшое количество способов распределить их так, чтобы молекулы сливок сгруппировались, оказавшись, например, окруженными молекулами кофе. Более вероятно получить именно равномерную смесь – она обладает большей энтропией.
Таким образом, неудивительно, что в подавляющем большинстве процессов энтропия обладает тенденцией возрастать со временем. Количество состояний с высокой энтропией значительно превышает количество состояний с низкой энтропией; почти любое изменение системы ведет ее в состояние с более высокой энтропией на основе простых вероятностных принципов. Именно по этой причине сливки всегда смешиваются с кофе. Физически, конечно, возможно, что все молекулы сливок «сговорятся» расположиться одна за другой, но статистически это очень маловероятно: если бы вы ждали, пока молекулы сливок, случайно перегруппировавшись, без постороннего вмешательства образовали бы такую конфигурацию, вам пришлось бы ждать гораздо дольше, чем составляет современный возраст Вселенной. «Стрела времени» – это просто тенденция системы эволюционировать в направлении более вероятного состояния с более высокой энтропией.
Низкая и высокая энтропия зависят от ситуации. Физики судят о количестве энтропии в некоторой системе, основываясь на анализе эволюции этой системы во времени. Например, если разреженный и достаточно холодный газ «чувствует» гравитацию, то он эволюционирует как сгусток. Энтропия такой системы растет – так, у облака энтропия высока, даже если на первый взгляд оно кажется упорядоченным (т. е. визуально проявляет признаки системы с низкой энтропией).
В случае, если силами гравитационного взаимодействия можно пренебречь, газ в заданном объеме обладает низкой энтропией, если он концентрируется в углу, и высокой энтропией, если он разлетается во все стороны. Таким образом, разлет молекул газа действительно увеличивает энтропию.
Если вклад гравитации значим, реализуется обратная ситуация: газ увеличивает свою энтропию, сжимаясь в черную дыру. Таким образом, для гравитирующего газа предпочтительнее сформировать облако, а не разлететься.
Если рассматриваемый объем уже не фиксирован, а растет со временем, газ на начальной стадии сгущается в облака и формирует черную дыру, но потом черная дыра испаряется. Разлетающийся газ приводит к росту энтропии и к сильному разряжению пространства.
Однако объяснение того, почему состояния с низкой энтропией переходят в состояния с высокой, далеко не то же самое, что ответ на вопрос, почему энтропия возрастает во Вселенной. Вопрос остается открытым: почему в начале развития Вселенной энтропия была очень низкой? Этот факт кажется неестественным, поскольку состояния с низкой энтропией, как мы только что выяснили на простом примере, довольно редки. Даже если допустить, что современная Вселенная обладает неким средним уровнем энтропии, все равно невозможно объяснить, почему раньше энтропия была ниже. Среди всех допустимых начальных условий развития нашей Вселенной (при которых Вселенная к настоящему моменту времени развилась бы именно в то, что мы сейчас наблюдаем), подавляющее большинство обладало бы гораздо большей, а не меньшей энтропией.
Другими словами, природа бросает космологам вызов: не объяснить, почему завтра энтропия Вселенной будет больше, чем сегодня, но понять, почему вчера энтропия была ниже, чем сегодня, а позавчера ниже, чем вчера. Последний вопрос гораздо более сложен, чем кажется на первый взгляд, потому что мы можем проследить его логику на протяжении всего пути во времени вплоть до Большого взрыва – начала рождения времени в наблюдаемой Вселенной. Асимметрия времени – вопрос, на который должны ответить космологи.
Эволюция Вселенной
Ранняя Вселенная была ареной, где свершались великие события. Все частицы, составляющие наблюдаемую Вселенную, были сжаты в невероятно горячем и плотном крошечном объеме. Важно отметить, что частицы были распределены почти равномерно: средний контраст плотности составлял около 10–5. Постепенно, с расширением и остыванием Вселенной, гравитационное притяжение увеличивало этот контраст: области, в которых изначально было чуть больше частиц, сформировали звезды и галактики, области с небольшим недостатком частиц опустели, образовав войды (пустоты).
Гравитация стала основной силой, формирующей структуру Вселенной. К сожалению, у нас все еще нет четкого понимания эволюции энтропии в системе с учетом гравитационных взаимодействий, тесно связанных с геометрией пространства – времени. Построение единой картины мира есть цель многих современных физических теорий, например квантовой гравитации. В то время как мы можем связать энтропию среды с поведением составляющих ее молекул, мы не знаем, из чего состоит само пространство-время. Другими словами, трудно сказать, каким образом гравитационные микросостояния могут быть поставлены в соответствие каждому конкретному макросостоянию.
Не могут ли некоторые процессы при взаимодействии частиц обладать встроенной «стрелой времени»? Распады некоторых элементарных частиц, например нейтральных каонов, в определенном смысле чаще случаются в одном направлении времени, а не в другом. (Физикам нет нужды путешествовать назад во времени, чтобы выявить такую асимметрию – они просто выводят эту закономерность, изучая другие свойства частиц.) Но эти процессы обратимы, в противоположность росту энтропии, то есть они не объясняют «стрелу времени».
Стандартная модель физики частиц не представляется способной объяснить закон энтропии в ранней Вселенной.
Несмотря на указанные трудности, мы все же обладаем некими общими представлениями о том, как должна себя вести энтропия. В случае, если гравитацией можно пренебречь, как в примере с чашкой кофе, равномерное распределение частиц обладает высокой энтропией. Это условие есть состояние равновесия системы. Даже если частицы снова перегруппировались, то в макромасштабе ничего особенного не случится, поскольку частицы и до этого уже были основательно перемешаны. Однако если гравитацию нельзя исключить из рассмотрения и фиксировать объем, в котором эволюционирует система, то сглаженное распределение имеет сравнительно низкую энтропию. В последнем случае система очень далека от состояния равновесия. Наличие гравитации приводит к тому, что частицы группируются, образуя звезды и галактики, и энтропия, согласно второму закону термодинамики, значимо увеличивается.
Если мы захотим максимизировать энтропию в объеме, где гравитацией нельзя пренебречь, мы знаем, что произойдет: появится черная дыра. Черные дыры очень хорошо подчиняются второму закону термодинамики. Так же, как и горячие тела, для описания которых был сформулирован этот закон, черные дыры могут излучать частицы (испаряться) и обладают большим количеством энтропии. Одиночная черная дыра с массой, составляющей около миллиона солнечных (подобная той, что предположительно находится в центре нашей Галактики), имеет энтропию, в сто раз превышающую энтропию всех частиц в наблюдаемой Вселенной.
Черная дыра не обладает наибольшей возможной в природе энтропией, тем не менее ее энтропия – наибольшая, которая может быть заключена в заданном объеме. Объем пространства Вселенной, по-видимому, со временем неограниченно растет. В конце прошлого века астрономы установили, что наша Вселенная ускоренно расширяется. Наиболее простое объяснение этому наблюдаемому факту – наличие так называемой темной энергии, некоей формы энергии, которая существует даже в пустом пространстве и, насколько сейчас можно судить, не меняет своей плотности с его расширением. Наличие темной энергии – не единственно возможное объяснение ускоренного расширения, однако все попытки предложить что-то лучшее довольно быстро проваливаются.
Вселенная начала свое существование с плазмы высокой степени однородности и, согласно одной из космологических концепций, закончит свое существование, став почти пустым пространством. Если сказать кратко, то Вселенная эволюционирует от состояния с низкой энтропией к состоянию с высокой энтропией – конечному состоянию, которое физики называют «тепловая смерть». Однако такая модель не может объяснить, как возникло начальное состояние, обладающее низкой энтропией.
Если темная энергия не меняет своей плотности, Вселенная будет расширяться вечно. Удаленные галактики исчезнут из нашего поля зрения. Те же, что останутся вблизи нас, превратятся в черные дыры, которые будут испаряться в окружающую тьму, подобно тому, как высыхает лужа в жаркий день. Через миллиарды лет, возможно, останется действительно пустая Вселенная. Тогда и только тогда она и в самом деле будет обладать максимально возможной энтропией. Вселенная придет в состояние равновесия, и с этого момента в ней больше никогда ничего не произойдет.
Может показаться странным, что пустое пространство обладает гигантской энтропией. Это звучит примерно как утверждение, что самый захламленный рабочий стол в мире – это… абсолютно пустой стол. Ведь энтропия требует наличия микросостояний, а пустое пространство, на первый взгляд, не содержит ни одного. Однако в действительности пустое пространство обладает огромным количеством квантово-гравитационных микросвойств, сформировавшихся в ткани пространства – времени. Мы до сих пор с определенностью не знаем, что представляют собой такие состояния. Ученым неизвестно, как микросостояния объясняют энтропию черной дыры. Но тем не менее считается установленным, что в ускоряющейся Вселенной энтропия в доступном наблюдению объеме приближается к постоянному значению, пропорциональному площади границы этого объема. Энтропия, содержащаяся в этом объеме, огромна – ее гораздо больше, чем просто в материи в таком же объеме.
Вселенная начинает свое развитие из состояния с очень низкой энтропией: частицы гладко «упакованы» вместе. Вселенная эволюционирует, проходя через состояние с промежуточной энтропией: неоднородное распределение звезд и галактик, которое мы видим сегодня вокруг нас. В конце концов Вселенная достигает высокой энтропии: это почти пустое пространство, изредка пересекаемое низкоэнергетическими частицами.
Почему мы помним прошлое, но не помним будущее? Для формирования достоверной памяти требуется, чтобы прошлое было упорядочено – т. е. обладало низкой энтропией. Если энтропия высока, почти все «воспоминания» были бы случайными флуктуациями, совершенно не связанными с тем, что реально происходило в прошлом.
Почему же прошлое и будущее Вселенной так не похожи?
Для объяснения, почему наша Вселенная начала свое развитие из состояния с низкой энтропией, постулировать начальные условия оказывается совершенно недостаточным. Любое обоснование начальных условий может быть применимо и к конечным условиям. Иначе говоря, мы допустим логическую ошибку, считая, что прошлое Вселенной было каким-то особенным, поскольку последнее утверждение изначально являлось бы тем, что подлежало доказательству. Таким образом, либо мы должны считать глубокую асимметрию времени просто некоей данностью, абсолютным свойством нашей Вселенной, и избегать объяснений этого факта, либо более тщательно и терпеливо вникать в проблемы пространства и времени.
Проверяема ли теория Мультиверса?
Идея о том, что Вселенная простирается гораздо дальше, чем мы можем наблюдать, не является реальной теорией – это предсказание, сделанное на основе некоторых представлений квантовой теории и гравитации. По общему признанию, это предсказание невозможно проверить напрямую. Но все физические теории заставляют нас выходить за пределы того, что можно непосредственно наблюдать. Например, современная модель происхождения крупномасштабной структуры – сценарий инфляционной Вселенной – требует понимания физических условий до инфляции.
Многие космологи стараются связать асимметрию времени с космологической инфляцией, ранней эпохой экспоненциального расширения Вселенной. Инфляция предлагает простое и согласующееся с наблюдательными данными объяснение многих важных особенностей Вселенной. Согласно инфляционной модели, очень ранняя Вселенная была заполнена не частицами, а временной формой темной энергии высокой плотности – полем инфлатона. Эта энергия и вызвала расширение Вселенной с очень большим ускорением, после чего распалась, образовав высокотемпературную плазму, позже разделившуюся на привычные нам материю и излучение. Остался лишь слабый след темной энергии, который стал значимым только в современную эпоху.
Инфляционные схемы эволюции мироздания оказались довольно удачными по многим причинам. Однако с точки зрения объяснения асимметрии времени многие космологи полагают принцип инфляционного расширения в большой степени своеобразным теоретическим трюком. Ведь для того чтобы инфляция началась, сверхплотная темная энергия должна была обладать довольно специфической конфигурацией. Фактически ее энтропия должна была быть гораздо меньше, чем энтропия плазмы, на которую она распалась. Это означает, что инфляция в действительности ничего не решает: она «объясняет» состояние с необычно низкой энтропией (горячая, плотная, однородная плазма) путем привлечения предположения о предыдущем состоянии с еще меньшей энтропией (однородная часть пространства, доминированная сверхплотным инфлатоном). Это просто отодвигает решение проблемы на шаг назад, к вопросу о том, почему вообще была инфляция.
Один из доводов космологов в пользу привлечения инфляции для объяснения асимметрии времени – то, что начальная конфигурация темной энергии не кажется маловероятной. Во время инфляции Вселенная была меньше сантиметра в диаметре. Такая маленькая область не может обладать большим числом микросостояний, следовательно, не так уж невероятно, что Вселенная натолкнется на микросостояние, соответствующее инфляции.
К сожалению, это интуитивное заключение обманчиво. Ранняя Вселенная, даже такая крошечная, обладает ровно тем же количеством микросостояний, что и наблюдаемая сегодня. Согласно законам квантовой механики, общее количество микросостояний системы никогда не меняется. Ранняя Вселенная – точно такая же физическая система, как и поздняя, одно эволюционирует в другое.
Получается, что инфляция бессильна ответить на вопрос, почему прошлое отличается от будущего. Существует смелая и очень простая стратегия решения этой проблемы: возможно, далекое прошлое вообще никак не отличается от далекого будущего и тоже обладает высокой энтропией.
Если это так, то горячее плотное состояние ранней Вселенной не является действительным ее началом, а всего лишь представляет собой некоторое переходное состояние на пути эволюции.
Некоторые космологи предполагают, что Вселенная совершила «отскок». До этого события пространство сжималось, однако не пришло в состояние с бесконечной плотностью. Вместо этого благодаря неизвестным физическим причинам – квантовой гравитации, дополнительным измерениям пространства, суперструнам или чему-то еще – пространство стало расширяться, и такой переход от сжатия к расширению воспринимается нами сейчас как Большой взрыв. Однако и такой подход не объясняет происхождение «стрелы времени», и вот почему. Если в предыдущей Вселенной, до «отскока», энтропия по мере сжатия пространства возрастала, то в этом случае «стрела времени» должна растягиваться бесконечно в прошлое. Если же энтропия уменьшалась, то получается, что состояние с низкой энтропией реализовалось почему-то посередине истории Вселенной (в момент «отскока»). В любом случае мы снова остаемся без ответа, почему вблизи Большого взрыва энтропия была такой низкой.
Можно предположить, что Вселенная начала свое развитие из состояния с высокой энтропией, являющегося наиболее естественным. Хороший кандидат на такую роль – пустое пространство. Подобно любому состоянию с высокой энтропией, пустое пространство «предпочитает» оставаться неизменным, из чего сразу же возникает проблема: как же нам получить нашу сегодняшнюю Вселенную из замершего пустого пространства?
Решение может предоставить темная энергия. В ее присутствии пустое пространство уже не является пустым. Флуктуации квантовых полей порождают очень низкую температуру, гораздо меньшую, чем температура современной Вселенной, но все же не равную абсолютному нулю. В такой Вселенной все квантовые поля испытывают случайные флуктуации. Следовательно, если мы подождем достаточно долго, отдельные частицы или даже совокупности частиц будут флуктуировать до своего реального появления (это именно реальные частицы, в противоположность короткоживущим «виртуальным», которые пустое пространство содержит даже в отсутствии темной энергии). Рождаются не только частицы. Флуктуирует и темная энергия, порождая сгустки повышенной плотности. Если какой-то из сгустков оказался наделенным правильными свойствами, то он подвергнется инфляционному расширению и «оторвется», сформировав дочернюю вселенную. Наша Вселенная может оказаться «плодом» какой-либо другой вселенной.
В стандартном сценарии сгусток темной энергии образуется в сильно флуктуирующей Вселенной, в которой громадное большинство флуктуаций не производит ничего похожего на инфляцию. Возможно, что для Вселенной гораздо более вероятно флуктуировать прямо в горячую стадию, минуя инфляцию. Более того, с точки зрения энтропии было бы еще более вероятно флуктуировать напрямую в ту конфигурацию, которую мы видим сегодня, минуя 13,7 млрд лет космологической эволюции.
Концепция Большого отскока является одной из моделей циклического развития Вселенной, в результате которого периоды ее сжатия и расширения сменяют друг друга.
Конечный вневременной космос иногда называют блоковой Вселенной – статичным свертком из пространства и времени, в котором любое течение времени или передвижение в нем предположительно должно быть ментальным образованием или иной формой заблуждения.
Картина обратимого времени фундаментальной физики, лежащая в основе позиции Блок-Вселенной, просто не принимает такого рода явления во внимание, именно потому, что она не принимает во внимание ни ход времени в квантовых измерениях, ни то, как сложные явления возникают из лежащей в основе микрофизики, с появлением макроскопической стрелы времени в качестве основной особенности химии, биологии и человеческой жизни. Она не принимает всерьез физику и биологию реального мира, а скорее представляет идеализированный взгляд на вещи.
Чтобы принять во внимание поток времени, который происходит как в квантовом мире, так и в макромасштабах, мы должны изменить фотографии Блок-Вселенной таким образом, чтобы адекватно представлять причинность в этих контекстах. Как мы можем предусмотреть пространство – время и объекты в нем, разворачивающиеся во времени? Можно рассмотреть модель реальности как эволюционирующей Блок-Вселенной, с пространством – временем, постоянно растущем и включающем все больше событий с течением времени вдоль каждой мировой линии.
Какие мировые линии являются ключевыми? В конкретных реалистичных физических ситуациях будут предпочтительные линии, связанные со средним движением материи в настоящее время, в случае с космологией будут предпочтительные временные поверхности, связанные с безвихревым потоком материи. Это происходит, в частности, в случае идеализированных стандартных моделей космологии, где до тех пор, пока материя присутствует, существуют однозначные предпочтительные безвихревые и без сдвига мировые линии, которые являются собственными векторами тензора Риччи. Затем они образуют правдоподобный и наилучший базис для описания физических событий и эволюции материи: существует единственная физическая эволюция, определяемая по каждому такому семейству мировых линий со связанными уникальными поверхностями времени, которые инвариантны относительно симметрии пространства – времени.
Таким образом, в классическом случае время реки Леты катит свои волны вдоль каждой мировой линии. При этом в полном соответствии с житейской логикой прошлые события на мировой линии являются фиксированными, а будущие события – совершенно неизвестными. В потоке времени находится и само пространство – время – наша Вселенная непрерывно увеличивается с ускорением (некоторые космологи считают, что само ускорение также растет). Таким образом, и сама пространственно-временная структура определяется ходом эволюции.
Пространство-время – это блок-Вселенная, которая продолжает эволюционировать вдоль каждой мировой линии, пока не достигает своего конечного состояния как неизменной финальной Блок-Вселенной. Можно было бы сказать, что тогда время изменилось в вечность. Будущее сомнительно и неопределенно до тех пор, пока локальные определения того, что происходит, имело место на пространственно-временном событии «здесь и теперь», определяя настоящее на мировой линии в определенный момент; после чего это событие оказывается в прошлом, становится неподвижным и неизменным, и уже новое событие на мировой линии определяет настоящее. Нет никакого уникального способа сказать, как это происходит относительно различных наблюдателей; анализ эволюции удобно основывать на привилегированных (связанных с материей) мировых линиях вместо поверхностей времени. Однако чтобы описать это в целом, будет удобно выбрать определенные поверхности времени для анализа.
Многие физики примирились с идеей блоковой Вселенной, утверждая, что задача физика – описать, какова Вселенная с точки зрения отдельных наблюдателей. Чтобы понять разграничение между прошлым, настоящим и будущим, мы должны окунуться в эту Вселенную и спросить о том, как же наблюдатель представляет себе время.
Другие выражают резкое несогласие, утверждая, что задача физики – объяснить не просто процесс движения времени, но и его цель. Для них Вселенная не статична. Время движется физически. «Я уже сыт по горло этой блоковой Вселенной, – говорит Авшалом Элитзур, физик и философ, раньше работавший в университете Бар-Илан. – Я не считаю, что следующий четверг будет иметь ту же основу, что и этот. Будущее не существует. Не существует! Онтологически его нет».
Не так давно несколько десятков физиков-теоретиков, а также философов и ученых из других областей науки собрались в канадском Институте теоретической физики в Ватерлоо. На повестке дня конференции «Время в космологии» было много вопросов, и один из них касался реальности концепции Блок-Вселенной. Один из организаторов форума, видный квантовый физик Ли Смолин, известный критик идеи блоковой Вселенной, посвятил этому обширный доклад. Его позиция хорошо известна широкой аудитории по научному бестселлеру «Возвращение времени», а специалистам – по монографии «Сингулярная Вселенная и реальность времени», написанной в соавторстве с философом Роберто Унгером, также выступившим одним из организаторов конференции. В своей последней работе, отвечая на соображения Элитзура об отсутствии конкретики будущего, Смолин пишет: «Будущее нереально сейчас, и не может быть никаких окончательных фактов существования будущего. Что реально, так это процесс генерации событий будущего событиями настоящего.»
В бурных спорах обсуждались не только версия блок-Вселенной, но и разграничение между прошлым, настоящим и будущим; почему представляется, что время движется лишь в одном направлении; фундаментально оно или стихийно. Большинство подобных проблем, что неудивительно, остались нерешенными. Однако главной задачей физики времени было большинством голосов признан поиск примирения наших представлений о движении времени со статичной и, казалось бы, безвременной Вселенной.
Глава 7. Узлы и петли времени
В этом-то и заключается зерно моего великого открытия. Вы совершаете ошибку, говоря, что нельзя двигаться во Времени…
А теперь обратите внимание на следующее: если нажать на этот рычажок, машина начинает скользить в будущее, а второй рычажок вызывает обратное движение. Вот седло, в которое должен сесть Путешественник во Времени. Сейчас я нажму этот рычаг – и машина двинется…
Г. Уэллс. Машина времениМы уже знаем, что из формул теории гравитации следует, что время только кажется инертным и безучастным к проходящим в мире процессам, в самом же деле на него, как и на водяной поток, действуют силы тяготения. Чем они сильнее, тем более вялым, медленнее текущим становится время. Образно говоря, под действием тяготения река времени перестает быть прямолинейной. Она изгибается, растягивается, скручивается. И поскольку всякая кривая длиннее прямой, то временная дистанция между двумя событиями увеличивается – путь по петляющему темпоральному потоку оказывается намного длиннее прямолинейного временного канала.
Представить себе искривление времени весьма непросто, здесь может помочь симметрия между временной и пространственными координатами, которую установила теория относительности.
Время в ее формулах – всего лишь одна из четырех равноправных величин. Если представить себе, как искривляются пространственные координаты, то общий вид пространства Минковского будет напоминать спутанную ленту Мебиуса.
В научно-фантастической эпопее Василия Звягинцева «Одиссей покидает Итаку» рассказывается о враждебной космической сверхцивилизации аггров, которые, овладев законами пространства и времени, создали не только мощные генераторы гравитационных волн, но и сами существовали в потоке встречного нам времени. Для такой высокоразвитой цивилизации нетрудно было построить и компактную машину времени – что-то вроде универсального блока для мгновенной переброски через пространство и время размером с портсигар.
Правда, сама модель времени в романе выглядит достаточно противоречивой, напоминая дорогу с развилками – точками выбора, в которых мировая история может пойти по тому или иному пути. Особенно забавно читать о временных скафандрах землян – хроноскафах, в которых они воюют с агграми. Эти изделия являются продуктом уже третьей сверхцивилизации – форзейлей, и можно только сожалеть, что у автора не хватило фантазии для более детального описания их конструкции и принципа действия.
Рассказывая об удивительных парадоксах теории относительности, мы уже не раз отмечали, что открытие зависимости времени от скорости движения и полей тяготения является одним из самых важных научных достижений за всю историю человечества.
Это открытие впервые позволяет нам в определенных пределах строить схемы управления ходом времени и даже пытаться проектировать настоящие машины времени, с помощью которых можно было бы так искривить поток локального (местного) времени, что он вынесет нас в будущее или в прошлое.
Например, одна из наиболее известных конструкций внепространственного и вневременного перехода описана в очень солидном журнале «Успехи физических наук» видным астрофизиком Игорем Новиковым. Она представляет собой черную и белую (или две черных) дыры, соединенные топологической ручкой «кротовой норы» (пространственно-временным переходом). Длина ручки не определяется расстоянием между дырами во внешнем пространстве, и наблюдатели у входов А и В могут входить и выходить, и, возможно, проходить через ручку от дыры к дыре (горизонты событий отсутствуют). Дыры A и В могут двигаться друг относительно друга во внешнем пространстве при неизменной ручке.
В ином варианте машины дыра A неподвижна, а дыра В вращается вокруг нее на некотором расстоянии, причем все инерциальные силы, в том числе и в статической системе отсчета ручки, конечны. В ходе такого движения часы около В отстают от часов около A из-за релятивистского замедления, и по прошествии достаточного времени это отставание может стать сколь угодно большим. С другой стороны, если наблюдатель у входа В смотрит сквозь ручку на часы A, то ввиду пренебрежимо малой разделяющей дистанции он увидит часы А рядом. С этой точки зрения часы A все время идут, показывая то же время, что и В. Поэтому наблюдатель В, прошедший сквозь ручку, выныривает из отверстия A в то же время, что показывали часы В при его входе в отверстие В. Но с точки зрения наблюдателя A во внешнем пространстве часы В сильно отстали от часов A, поэтому наблюдатель В выныривает из A в далеком прошлом.
Двухмерный мир
С помощью рисунков замечательного шведского графика Мориса Эшера представим себе двухмерный мир в виде бесконечно тонкого листа бумаги, у которого две стороны слились в одну. В таком мире, так же как и в нашем, любые две отстоящие друг от друга точки соединяет множество тропинок, но среди них всегда есть самая короткая, и если мы хотим попасть в другую точку как можно скорее, нам следует воспользоваться именно этой дорожкой.
Изогнутый двухмерный мир
Для плоского листа непрямой путь не дает никакого выигрыша. Но если лист перегнуть пополам, то соединяющий начальную и конечную точки канал станет очень коротким и по сравнению с обычным путем переход сквозь него будет практически мгновенным.
Свернутая двухмерная вселенная
Жители двухмерной вселенной нигде не выходят за ее пределы, поскольку все точки – и на листе, и в канале, и на склонах воронок – принадлежат одной и той же двухмерной поверхности. Такой лист с переходными мостиками существует сам по себе, независимо от того, есть обнимающее его трехмерное пространство или же его вообще нет в природе.
Например, в фантастическом романе С. Снегова «Люди как боги» то и дело речь идет о том, как звездолеты землян и расы инопланетных «разрушителей» уходят в подпространство и неожиданно выныривают оттуда на расстоянии миллионов километров от места входа в подпространство. Как утки на поверхности пруда – нырнули у одного берега, сделались невидимыми и выскочили у другого берега.
Конечно, все эти разговоры о всякого рода поди гиперпространствах – всего лишь способ побудить нашу фантазию создать образ чего-то таинственно глубинного, почти мистического. И тем не менее писатели-фантасты не так уж далеки от истины, и вот в каком смысле.
Оказывается, в начале и в конце пути можно изогнуть, продавить пространство, образовав воронки и соединив их трубкой-каналом. Получится нечто похожее на ручку чемодана. Теперь из одной точки в другую можно попасть двумя способами – по поверхности листа и воспользовавшись каналом.
Почти мгновенный переход между двумя удаленными точками жители двухмерного мира вправе назвать проколом пространства, нуль-транспортировкой или каким-то другим термином из придуманных писателями-фантастами.
Вообще говоря, от двухмерного варианта вселенной легко перейти к нашему миру. И так же, как в двухмерной вселенной, в нашем мире для «проколов пространства» не нужно ни особого подпространства, ни окружающего мира большей размерности. Просто наш мир приобретает удивительное свойство – теперь далеко не всякий замкнутый контур можно стянуть в точку, тем более нельзя распутать петли и узлы обычным образом.
Согласитесь, свойство весьма удивительное – стоит представить себе, как были бы мы поражены, обнаружив вдруг, что нельзя распутать завязанные «бантиком» шнурки ботинок или скомкать и спрятать в карман лист бумаги!
Вообще говоря, существование машины времени означает наличие замкнутых линий времени. При этом коренным образом меняется проблема и само понятие глобальной причинности. Все дело в том, что при сохранении локальной причинности разделение событий в глобальном смысле на будущие и прошлые вдоль замкнутых линий времени невозможно.
Здесь еще раз можно вспомнить известные американские фильмы «Назад в будущее» и «Терминатор». Любопытно, но с точки зрения реляционного времени в последнем художественном произведении нет особо парадоксальных ситуаций. Терминаторы и Кайл Риз прибыли из мира, где действительно происходит война, но в конце второй серии создается мир, где главные герои живут без глобальной термоядерной войны. Исходные временные пространства все еще есть, хотя и в параллельном измерении. Во втором фильме подразумевается, что существуют лишь одно измерение и одно временное пространство.
Несомненно, бесполезно отправлять кого-то назад для изменения прошлого в многовариантном мире. К примеру, во второй серии изменяется прошлое, так что Судный день не наступает, но все зависит от того, как структурировано временное пространство. В результате, если путешественник изменяет событие в 1995 году (например, уничтожает процессор), то происходит переход в измерение (B). Заметьте, что ядерная война все равно произойдет в измерении (А), даже если событие будет изменено в прошлом! Вот так мы получаем: хорошую физику, но неудачную историю – или уйму парадоксов и хорошую историю. Что же требуется для того, чтобы осуществить такое путешествие?
Хотя мы привыкли, что многие предвидения фантастов постепенно сбываются и то, что раньше казалось совершенно нереальным, сегодня становится обыденностью, трудно ожидать постройки машины времени в обозримой перспективе. Ведь пока остается нерешенным главный вопрос о сущности самого времени, весьма трудно предложить приборы и методы для его управления, впрочем, и здесь свой след оставили некоторые «научные еретики».
В середине прошлого века ленинградский астроном Н. А. Козырев высказал оригинальную гипотезу о возможности превращения времени в энергию, из которой следовало, что время может буквально испускаться и поглощаться материальными телами. Кроме того, он же предложил серию подтверждающих опытов и даже попытался некоторые из них провести самостоятельно. Надо сразу же сказать, что идеи Козырева о существовании особого поля времени полностью противоречат всей современной науке! Конечно, Козырев прекрасно видел узкие места своей теории и все силы направлял на проверочные опыты. Естественно, что его прижизненные эксперименты всегда вызывали массу возражений и критики со стороны физиков, хотя их можно было бы и повторить. Всегда находились энтузиасты постановки «опытов Козырева», но объяснение их результатов до сих пор вызывает бурные споры среди специалистов.
В теории Козырева время действительно напоминает поток и даже обладает плотностью, при этом, омывая материальные тела, река времени оказывает на них действие как обычная струя жидкости. Более того, подобно тому, как водяная струя изменяется при столкновении с камнем, плотность времени тоже меняется при взаимодействии с веществом. По Козыреву, если в природе происходят необратимые процессы, которые невозможно «развернуть во времени» в обратном направлении, то вот тут и происходит изменение плотности времени. Если она увеличивается, то время истекает, а если уменьшается, то поглощается. Получается, что таяние снега, испарение жидкости или растворение сахара в чашке чая являются источниками времени. Тогда в веществах, расположенных рядом с такими источниками, временной поток будет поглощаться. Это может проявиться как упорядочение кристаллов, исчезновение в них дефектов, изменение электросопротивления и намагниченности разных материалов, и даже излечение живых организмов.
Действительно, эксперимент и квантовая теория доказали, что если бы окружающее нас пространство можно было рассмотреть в сверхсильный микроскоп, увеличивающий в триллионы триллионов раз, то мы увидели бы его заполненным «смогом» рождающихся и тут же исчезающих частиц. Другими словами, вакуум – это не чистая бестелесная протяженность, а особое состояние материи. Если это так, то похожими свойствами «особой субстанции» должно обладать и время, ведь теория относительности говорит, что пространство и время словно две проекции единого целого – расстояния в четырехмерном пространстве. Правда, такое пространство – не трехмерное, обычное, но это детали. Если одна проекция имеет материальные свойства, то они могут быть и у другой. Мысли о материальности времени высказывались задолго до квантовой механики и теории относительности. В древнейших философиях упоминалось о двух сущностях, составляющих основу мира, – аморфной вещественной, образующей тела, и бестелесной, невидимой и неощутимой, порождающей движение, переход от одного состояния к другому. На современном языке первая называется материей, вторая – временем.
Но в большинстве философий и физических теорий время нематериально. С точки зрения Козырева, метафора «река времени» имеет прямой смысл. В его теории время имеет плотность, а может, и другие свойства, которые надо еще открыть. Омывая материальные тела, река времени оказывает на них силовое воздействие. Встреться на пути «мельничное колесо», и поток времени приведет его в движение, т. е. время – активный участник событий. Оно ускоряет их или замедляет. Можно сказать, что у времени два типа свойств: пассивные, связанные с геометрией нашего мира (их изучает теория относительности), и активные, зависящие от его внутреннего «устройства». Это и есть предмет теории Козырева.
Плотность времени характеризует степень его активности. Плотность времени изменяется при взаимодействии с веществом (как водяная струя при столкновении с камнем). В некоторых случаях, например, при столкновении упругих шаров, которое происходит почти без потери энергии, процесс может идти как в прямом, так и в обратном направлении. Никаких качественных изменений тут не происходит, изменяется лишь кинематика. Можно считать, что плотность времени при этом тоже остается неизменной.
Иное дело – необратимые процессы, скажем, торможение тела силами трения или испарение жидкости. Точно провести их в обратном направлении, след в след повторяя все их промежуточные этапы, невозможно. По Козыреву – тут происходит изменение плотности времени.
Если она увеличится, это эквивалентно испусканию временной субстанции, т. е. творению времени. Если же его плотность снизилась, и процессы стали протекать менее энергично, значит, произошло поглощение времени. Вселенная в теории Козырева оказывается похожей на бескрайнее море-океан, в каких-то точках которого бьют большие и малые ключи, извергающие потоки времени, в других открыты канализационные стоки, втягивающие время. Там оно становится небытием.
Поскольку поток времени активно взаимодействует с веществом, следует ожидать, что на нем останутся отпечатки свойств и структуры тел, с которыми он «сталкивается». Унося с собой часть информации, время разупорядочивает тела, нарушает их внутреннюю организацию.
По Козыреву, любой процесс, связанный с потерей информации и увеличением хаоса, обязательно испускает поток испещренного информацией времени. Поглощаясь в окружающих телах, он увеличивает количество содержащейся в них информации и тем самым несколько упорядочит их структуру. Получается, любой деструктивный процесс связан со спусканием времени, а всякое упорядочивание сопровождается его поглощением. Тогда в веществах, расположенных по соседству с ними и поглощающих часть испущенного ими временного потока, должны устраняться дефекты кристаллических решеток, а у живых организмов восстанавливаться поврежденные генные структуры. Вблизи неравновесных процессов будет изменяться электрическое сопротивление металлов, которое сильно зависит от упорядоченности их структуры, там должны изменяться также теплоемкость, магнитные свойства и др. Как воды точат камни, текущая сквозь Вселенную река времени ежеминутно влияет на происходящие события в ней, перераспределяет содержащиеся в ней энергию и информацию.
Если бы астроном ограничился только теоретическими рассуждениями о сущности времени, то скорее всего о них сейчас помнили бы только несколько узких специалистов. Однако профессор Козырев смело рискнул дать точные указания, как следует проверять предсказания его теории. Считая, что любое движение можно разбить на линии и повороты как винтовое, напоминающее кружащийся в штопоре самолет, он предположил, что воздействие временного потока при переходе причины в следствие тоже связано с винтовым усилием. Иначе говоря, всякое вращающееся тело, будучи включенным в причинно-следственную связь, обязательно деформируется и, кроме того, создает пару сил, одна из которых приложена в точке расположения причины, а вторая – в точке следствия. Для быстро вращающегося волчка-гироскопа это будет означать необъяснимое смещение центра тяжести. Удивительно, но уже первые опыты дали положительные результаты!
В другом эксперименте взвешивался вращающийся гироскоп на аналитических весах, используемых химиками и фармацевтами. По теории Козырева, в зависимости от направления вращения вес гироскопа должен был изменяться. И снова эксперимент вроде бы дал подтверждение, правда, всего лишь на грани чувствительности в несколько тысячных процента.
Прошло много лет, и уже на пороге нашего столетия сотрудник Харьковского политехнического университета В. А. Голубев поставил целую серию оригинальных опытов, заменив механические гороскопы Козырева электрическими катушками индуктивности. Эксперименты с «индукторами Голубева» в очередной раз показали наличие труднообъяснимых эффектов, которые можно было бы в принципе сопоставить с выводами теории Козырева. Если допустить, что в этих опытах нет каких-либо скрытых ошибок, то их результаты трудно объяснить с помощью известных нам физических законов, и впереди можно ждать удивительные научные открытия.
Поток времен неумолимо стремится из прошлого в будущее, но давайте задумаемся: а что же направляет «стрелу времени»? По Козыреву, это глубинная генетическая связь матери – причины и дитя – следствия. Переход причины в следствие определяет направление процесса, а следовательно, и направление потока времени различает прошлое и будущее. Время втекает в систему через причину к следствию. Оно втягивается причиной и уплотняется там, где расположено следствие.
Большинство ученых склоняется к мысли, что дело тут – в неисчислимом количестве каналов, которыми всякий предмет и каждое явление связаны с окружением.
Даже те, которые выглядят полностью изолированными, непрерывно испускают и поглощают кванты различных полей, взаимодействуют с вакуумным «смогом». Можно без преувеличения сказать, что всякое явление в нашем мире прямо или косвенно связано со всеми другими. Это приводит к тому, что энергия и информация в процессах взаимодействия «растекаются» по многочисленным ручейкам-каналам, и собрать их обратно невозможно. Сделать это можно лишь приблизительно, сохранив самые широкие потоки и отсекая все остальное. Точнее всего это удается в «обратимых» процессах, хотя полная обратимость и абсолютная симметрия существуют лишь в абстракции. Необратимые процессы как раз и задают направление «стрелы времени». Мы приходим к мрачному выводу о постепенном, но неизбежном вырождении Вселенной, превращении ее в газ самых простейших, элементарных частиц, которым уже не на что распадаться и не во что переходить. К тому же космологическое расширение Вселенной («разбегание» галактик) делает его чрезвычайно разряженным. Все это следствие безудержного ускоряющегося разлета нашего мира, происходящего уже почти четырнадцать миллиардов лет с начала катаклизма Большого взрыва.
Выходит, нас ждет довольно унылое будущее, практически пустой, холодный и мертвый мир. Правда, расчеты говорят, что такое состояние наступит не скоро, через биллионы биллионов лет, по сравнению с чем сегодняшний возраст нашей Вселенной – просто мгновение.
Тем не менее Козырев не принимал идею тепловой смерти мира. По его мнению, неограниченному «растеканию» энергии и информации препятствуют процессы поглощения времени, играющие роль автоматического стабилизатора. Поглощая время, материальные системы восстанавливают уровень своей организации, и это обеспечивает бесконечный круговорот природы.
Подтверждение своей гипотезе Козырев видел в феномене многомиллиардного горения звезд. Подсчет количества нейтрино, освобождающихся в ходе реакций на звездах, указывает, что мощность ядерной топки, по-видимому, недостаточна для поддержания звездной энергетики на стабильном уровне, поэтому должны быть какие-то другие источники.
Объяснение механизму испускания и поглощения времени Козырев пытался найти в связи причины и следствия. Переход причины в следствие определяет направление процесса, а, значит, и направление потока времени различает прошлое и будущее.
Время втекает в систему через причину к следствию. Оно втягивается причиной и уплотняется там, где расположено следствие. Возникает логический круг: время определяется через причинность, а она зависит от времени. Породить можно лишь то, чего сначала не было, а потом стало. Как в поговорке: где начало того конца, которым кончается это начало? Правда, по причинным цепочкам событий всегда передается движение. Например, в механических явлениях – импульс и момент вращения. Казалось бы, этим обстоятельством можно воспользоваться для установления порядка. К сожалению, приобретение или потеря движения само по себе еще ничего не говорит о направлении процесса. Тело, с которым связана причина, может как потерять импульс – вспомним останавливающиеся при лобовом ударе бильярдные шары, – так и приобрести его (ружье, из которого сделан выстрел, испытывает отдачу). Козырев и другие ученые считают, что причинность имеет более глубокий и фундаментальный смысл, чем время. Но создать «вневременную» теорию причинности еще никому не удалось. Новая теория всегда выглядит противоречивой. Главное, чтобы все используемые ею величины и их связи можно было однозначно реализовать на опыте и проверить следствия. Теория Козырева этому требованию удовлетворяет.
Глава 8. Версии причинной механики
В точных науках направленность времени рассматривается как свойство физических систем, а не как свойство самого времени. В естествознании же направленность времени существует всегда и связана с принципиальным отличием причин от следствий. Логически совершенно необходимо рассмотреть и эту вторую возможность методами точных наук. С этой позиции время становится явлением природы, а не просто четверым измерением. Тогда промежутки времени, измеряемые часами, должны обладать еще некоторыми физическими свойствами <…> Значит, время как некая физическая среда может воздействовать на вещество, на ход процессов и связывать между собой самые разнообразные явления, между которыми, казалось бы, нет и не может быть ничего общего. Такой взгляд на время является совершенно правомерным. Но доказать его могут только строгие опыты физической лаборатории..
Н. А. Козырев. Об исследовании физических свойств времениМойры – сумрачные неподкупные богини судьбы из древнегреческого мифа. Одна бросает жребий, вторая ткет нить судьбы, а третья записывает все в Книгу Бытия. Они помнят прошлое – то, что уже совершилось и на что никак нельзя повлиять, держат в своих руках настоящее и предрекают будущее, которое по воле богов и жребия зависит от настоящего, настраивается им, как арфа мастером-музыкантом. На современном научном языке такая картина называется динамической концепцией времени. Она говорит о том, что, как и все на свете, события рождаются (становятся) и умирают (проходят). На этой концепции основана вся современная наука и все наши практические поступки. Не зря говорят: что посеешь, то и пожнешь; каждый из нас – кузнец своего счастья.
На механических системах – они самые простые – следует проверить предсказания новой теории. Заметим, что любое механическое движение складывается из смещения и поворота и может быть представлено как винтовое (движение штопора в пробку). Козырев предположил, что силовое воздействие временного потока при переходе причины в следствие тоже связано с винтовым усилием. Причина действует на следствие, а следствие сопротивляется «обратным винтом». Встречные давления при этом полностью гасят друг друга, вызывая внутренние напряжения, а периферические вращения создают пару направленных в противоположные стороны сил. Это похоже на то, как мы давим на руль велосипеда при повороте. Силы деформируют предмет и тоже вызывают в нем напряжения. Все эти напряжения как раз и есть та энергия, которую вносит в тело втекающий в него поток времени. Действуя на тело, время не может сдвинуть его с места, но способно развернуть. В этом смысле время родственно вращению, и можно сделать еще одно смелое предположение: не только время порождает вращение, но и любое вращение увеличивает плотность временного потока, создавая дополнительный «временной винт» вдоль своей оси.
Другими словами, предполагается, что всякое вращающееся тело, будучи включенным в причинно-следственную связь, обязательно деформируется и, кроме того, создает пару сил, одна из которых приложена к точке расположения причины, а вторая – к точке следствия.
Это очень важная гипотеза. Если предыдущие имели скорее философский, нежели физический, характер, то эту можно количественно проверить на опыте. Рассмотрим, например, быстро вращающийся волчок – гироскоп, прикрепленный к потолку лаборатории длинным эластичным подвесом. Ясно, что после того как затухнут качания такого необычного маятника, он вытянется вдоль вертикали: пока нет внешних причинных связей, дополнительный «временной винт» вращающегося гироскопа несколько его деформирует, но не смещает центра тяжести. Пара сил тоже «спрятана» внутри гироскопа. Ситуация изменится, если маятник включить в какой-нибудь внешний процесс, к примеру, установить на потолке, в точке подвеса, электровибратор, который будет служить причиной колебаний, передающихся по отвесу гироскопу.
Если верить причинной механике, в этом случае сразу же возникнет пара сил. Одна из них будет действовать на причину – вибратор, другая будет приложена к вращающемуся гироскопу, с которым связано поглощение колебаний (следствие). Отвес должен отклониться от вертикали.
Если вибратор укрепить на самом гироскопе, то есть поменять местами причину и следствие (колебания будут теперь поглощаться потолком комнаты), то направление «временного винта» изменится на обратное, и отвес тоже должен отклониться в противоположную сторону. Опыты подтвердили предсказания Козырева!
В другом эксперименте он взвешивал вращающийся гироскоп на аналитических весах, состоящих из центральной стойки и укрепленного на ней коромысла с подвешенными чашечками – одна для взвешиваемого предмета, другая – для уравновешивающих его гирек. Такие весы часто используют фотографы и аптекари.
Живите не в пространстве, а во времени,Минутные деревья вам доверены,Владейте не лесами, а часами,Живите под минутными домами,И плечи вместо соболя кому-тоЗакутайте в бесценную минуту.Какое несимметричное время!Последние минуты – короче,Последняя разлука – длиннее…Килограммы сыграют в коробочку.Вы не страус, чтоб уткнуться в бренное.Умирают – в пространстве.Живут – во времени.А. Вознесенский.Козырев – небесный интеллигентКогда нет внешнего процесса, все временные деформации опять-таки спрятаны внутри гироскопа, и его вес не зависит от вращения. Стоит, однако, включить вибратор, действующий на стойку весов, как сразу же возникнет пара сил: одна приложена к причине – вибрирующей стойке, вторая – к центру тяжести вращающегося гироскопа, и равновесие чашек нарушается. В зависимости от направления вращения гироскопа – по часовой стрелке или против – его вес должен уменьшиться или возрасти. И опыт снова подтвердил теорию.
Отклонения от обычной, «непричинной» механики невелики – всего лишь несколько тысячных процента, но они повторялись от одного опыта к другому. Кроме вибрационной использовались и другие причинно-следственные цепи. Маятник с металлической струной-подвесом и вращающийся гироскоп включались в сеть внешнего тока, в других случаях точка подвеса сильно нагревалась или охлаждалась, и Козырев всегда обнаруживал эффект, предсказанный его новой механикой. Похожие результаты получили и другие исследователи.
Если допустить, что в этих опытах нет каких-либо скрытых систематических ошибок, то их результаты нельзя объяснить с помощью известных физических законов, т. е. мы на пороге более фундаментальных открытий, чем теория относительности и квантовая механика.
В частности – наиболее удивительный результат Козырева о сигналах, приходящих к нам из будущего. Это означает, что в природе существует неизвестный нам быстродействующий информационный канал в прошлое и в далекое будущее. Вывод о том, что вес волчка зависит от направления его вращения, нельзя понять, если оставаться в рамках привычной нам физики. Излишку веса неоткуда взяться и некуда исчезнуть. И тем не менее опыт говорит, что вес меняется!
Козырев наблюдал этот удивительный феномен в тех случаях, когда на гироскоп действовала внешняя вибрация, которая, согласно его теории, как раз и создает поток времени, меняющий вес гироскопа. Однако небольшие отклонения от известных нам законов должны наблюдаться и без нее. Дело в том, что поток времени рождается сразу многими необратимыми процессами. Например, количественные результаты опытов заметно зависят от времени года – весной эффект сильнее, чем зимой или летом.
Дополнительный поток времени создает и вращение Земли, которая через гравитационное поле вместе с гироскопом включена во внешнюю причинную цепь. Вопрос лишь в величине эффектов и в необходимой для их обнаружения точности опытов.
Не так давно с этим явлением неожиданно для себя столкнулись японские физики, не зная, что почти буквально повторили опыт Козырева. Различие в том, что не было вибратора, зато они приняли ряд дополнительных мер предосторожности, уменьшающих возможность ошибок в эксперименте. Ученые обнаружили, что вес их гироскопа менялся в зависимости от направления вращения (по часовой стрелке или против). Те же опыты, выполненные в американской лаборатории, изменения веса не дали. Возможны какие-то ошибки в методике.
Козырев наблюдал, как по соседству со стаканом испаряющегося жидкого азота или сосудом, где происходит быстрая кристаллизация раствора, изменяется электрическое сопротивление проводников, даже если они отделены стеклянными и металлическими экранами. Удивительно изменяется скорость развития колоний бактерий в питательном бульоне.
Природа любит подшутить. Один радиолюбитель рассказывал, как однажды он едва не подал заявку на открытие влияния лунного света на работу телеантенн. В течение полугода он отмечал отчетливую корреляцию чувствительности своей расположенной на крыше дома антенны с фазами Луны. Всякий раз в полнолуние чувствительность «садилась», а когда на небе появлялся узкий серп месяца, вновь приходила в норму. Друзья-радиолюбители тщательно осматривали радиоаппаратуру и всякий раз убеждались в том, что изменения радиоприема действительно нельзя объяснить не чем иным, как влиянием Луны. Чудо природы! Разгадка нашлась случайно. Виновной оказалась кошка, которая в лунные ночи почему-то любила устраиваться вблизи антенны. И тем нарушала ее работу. Основное требование к научному эксперименту – его воспроизводимость.
В последнее время от тех, кто увлечен сбором фактов о телепатии, необыкновенных способностях экстрасенсов и других трудно объяснимых и практически невоспроизводимых явлениях, можно услышать мнение о том, что невероятная сложность некоторых наблюдений связана с их природой – крайней слабостью или редкостью излучаемых эффектов, что выводит их из круга строго количественной науки. Требование обязательной воспроизводимости, мол, закрывает общепринятые области принципиально новых явлений.
С этим нельзя согласиться. Выделение слабых и редко встречающихся событий из фона – обычная задача научного исследования. Например, изучая нейтрино, физики умудряются отфильтровать их от сотен тысяч и миллионов неинтересных событий, а создаваемые сейчас во многих лабораториях мира детекторы гравитационных волн будут выделять редкие толчки, изменяющие длины тяжелых многометровых цилиндров на величину, сравнимую с размерами атомов.
Согласно теории Козырева, потоки времени, испускаемые необратимыми процессами, частично поглощаются окружающими телами, увеличивая их энергию и массу. Новосибирские ученые проверили это с помощью гидростатического взвешивания. В этом случае исследуемый образец, гирька, подвешенная к плечу аналитических весов, погружается в сосуд с дистиллированной водой. Изменение баланса между весом образца и выталкивающей силой Архимеда сразу фиксируется движением стрелки весов.
Оказалось, что когда вблизи происходит испарение жидкого азота, остывает стакан горячей воды, в чашке чая растворяется сахар или рядом с весами находится человек, в организме которого постоянно происходит множество необратимых процессов, вес исследуемых образцов действительно изменяется – приблизительно на 1/1000 или 1/10000 долю процента – и медленно возвращается в норму после удаления «источника времени».
Исследовались образцы из различных материалов – металлов, дерева, угля, графита и т. д. В ряде случаев применяли экраны, защищающие образцы от непосредственного влияния сосудов с водой, азотом и др. Удивительный эффект изменения массы наблюдался во всех случаях!
Менялась не только масса погруженного в воду поплавка-гирьки, но и плотность самой воды. Для некоторых необратимых процессов она возрастала, для других – уменьшалась.
Измерения выполнялись в течение года. Как и предсказал Козырев, их результаты заметно менялись в зависимости от внешних условий, но характер вариаций был совсем не таким, как у атмосферного давления, влажности и температуры.
Если не прибегать к «причинной теории», то непонятно, как их объяснить. Попытки приписать их влиянию теплопередачи, абсорбции или другим известным физическим процессам оказались безрезультатными. Выводы удивительные. Однако самый поразительный результат при проверке причинной теории Козырева дали астрономические наблюдения.
Если допустить, что на свойства тел влияют необратимые процессы типа простого растворения сахара, то тем более должны сказаться явления, протекающие в недрах Солнца и других звезд. Согласно Козыреву, все они являются как поглотителями, так и интенсивными генераторами времени.
От каждого происходящего там события к нам на Землю должны прийти два сигнала: один бежит внутри пространства, по межзвездному вакууму, другой распространяется внутри «временной материи». Первый – это свет и радиоволны. От Солнца они идут к нам около 8 минут. Второй – неизвестный нам ранее темпоральный луч. Так как внутри времени нет другого времени, распространяться он должен мгновенно – с бесконечной скоростью.
Если верна теория Козырева, то в фокальной плоскости телескопа покажутся два пятна – световое, рассказывающее о прошлом, о том, какой была звезда в момент испускания ею наблюдаемого нами теперь света, и невидимое глазом темпоральное, характеризующее ее истинное положение на небе в данный момент. Чтобы узнать, где она расположена, нужно вычислить ее смещение за время движения светового луча. Телескоп нужно направить в рассчитанную таким образом точку небесной сферы, а в качестве чувствительного «глаза» использовать, например, какой-либо прибор для измерения электрического сопротивления проводника с током. Когда на этот проводник попадет пятно, в которое телескоп сфокусировал испускаемый звездой темпоральный луч, его сопротивление изменится, и мы узнаем об этом по движению стрелки включенного в цепь гальванометра. Очень простой и наглядный опыт! Козырев обнаружил предсказанный эффект.
Для Солнца и других звезд, находящихся на различных расстояниях от Земли, углы поворота телескопа разные, но всякий раз, направив его в расчетную точку неба, Козырев наблюдал темпоральный сигнал. Вместе с тем ко всем соседним направлениям стрелка гальванометра осталось безучастной.
Чтобы не оставалось сомнений в том, что на сопротивление проводника действует именно поток времени, а не световое излучение, на пути луча установили экран из черной бумаги или пластмассы. И стрелка гальванометра все равно отклонялась. Экраны прозрачны для времени, его задерживали лишь толстые, сантиметровые слои вещества. Опыт уверенно фиксировал «лучи времени». Новосибирские ученые повторили эксперименты и получили аналогичный результат.
Давайте пофантазируем. Если допустить, что такие невероятные лучи существуют, можно было бы, допустим, создать сверхбыструю систему связи – кодировать темпоральный луч, ставя и убирая с его пути различные поглощающие экраны, и мгновенно передавать сообщения в любой уголок Вселенной. Можно изобрести «темпоральную электронику» и сверхмощные вычислительные машины.
В опытах новосибирских ученых замечено сильное воздействие темпоральных лучей на живые организмы. Если в фокальную плоскость телескопа, куда сфокусировано темпоральное пятно, поместить колонию микроорганизмов, то несколько минут облучения намного увеличивает их жизненную активность, скорость размножения. А как будет действовать мощный луч, «луч смерти»?! И это не все. Оказывается, часть темпоральных лучей приходит к нам из… будущего. Другими словами, они несут информацию о событиях, которым еще только предстоит произойти.
Первым такие лучи заметил Козырев. Просматривая в телескоп различные направления, он неожиданно обнаружил в дополнение к уже найденному еще один, невидимый глазом, луч. Он исходил из точки, в которую звезда еще только должна прийти, – она будет там, когда до нее добежит световой луч, испущенный в данный момент на Земле.
Вывод явно противоречил нашим представлениям о свойствах окружающего мира, но измерения доказали, что подобная картина имеет место для всех звезд. Каждая из них испускает три луча: световой луч в прошлом, темпоральный из мгновенного настоящего и еще один такой из будущего. Лишь редкие звездочки ограничивались одним световым. Можно думать, они пребывают в относительно спокойном состоянии, когда интенсивность рождающих временной поток неравновесных процессов там невелика.
Опыты Козырева и новосибирцев убеждают нас в том, что все это – только иллюзия, на самом же деле мир, все заполняющие его предметы и все события существуют все сразу в своем прошлом, настоящем и будущем.
Ничто не рождается вновь, все существует от века – это так называемая статическая концепция времени. Ее корни уходят в далекое прошлое. Еще древнегреческие философы за много веков до нашей эры пытались доказать, что мир неизменен, что «настоящее» – это всего лишь метка, которую передвигает наше сознание. Как тень на циферблате солнечных часов, который существует независимо от нее, сразу весь, со всеми двенадцатью цифрами – часами.
Теоретическое обоснование этой, непривычной для нас, концепции ее немногочисленные приверженцы увидели в работах немецкого математика Германа Минковского, который показал, что уравнения механики и электродинамики можно записать так, что пространственные координаты x, y, z и время t будут входить в них совершенно симметрично. С математической точки зрения они равноправны, точнее, почти равноправны, так как временная координата всегда входит умноженной на мнимую единицу i. Козырев считал, что в своих астрономических опытах ему удалось на практике подтвердить существование «четырехмерья», где будущее существует наряду с настоящим, поэтому нет ничего удивительного в том, его можно наблюдать из нашего «сейчас».
Правда, предложенная Минковским запись уравнений не противоречит и обычной, динамической концепции. Она устанавливает лишь математическую симметрию пространства и времени, т. е. порядок, в каком должны располагаться пространственно-временные координаты событий, но ничего не говорит о самом существовании последних.
По правилам Минковского, можно узнать, как расположены друг относительно друга в четырехмерном пространстве прошлое, уже совершившееся и будущее – еще не ставшее событием. Ну а то, что все события уже заранее «встроены» в наш мир, – это отдельная гипотеза.
Ее можно было бы считать доказанной, если согласиться с тем, что в опытах с телескопом мы действительно имеем дело с лучами из будущего. Тогда динамическую концепцию времени пришлось бы отбросить и нужно было бы признать, что окружающий нас мир, а вместе с ним и мы сами, существуем окостенелыми, неизменными в своем вечном бытии.
Это весьма странный мир. Каждый предмет в нем должен быть тиражирован в бесконечном количестве экземпляров – всякому моменту времени свой собственный. Что-то вроде длинной непрерывной колбасы. Пересечение «колбас» – события, каждое из которых уже реализовано во всех деталях, а мы – всего лишь безвольные окостенелые куклы на четырехмерной сцене бытия. Никакой случайности – все заранее предопределено и предписано!
Едва ли природа устроена таким странным образом…
Чтобы избежать абсолютной окостенелости, Козырев предположил, что мир событий реализуется лишь в своих главных чертах, детали же остаются неопределенными, поэтому приходящее к нам изображение будущего всегда несколько размыто. С полной отчетливостью мы можем наблюдать его лишь для обратимых событий, в остальных же случаях имеется некоторый «люфт», позволяющий вносить поправки.
Имея в своем распоряжении картину будущего, хотя бы и несколько «замыленного», можно в нашем настоящем совершить такие изменения, которые нужным для нас образом исправят ход будущих событий. А поскольку по отношению к прошлому наше настоящее само является будущим, то с помощью мгновенных темпоральных сигналов можно повлиять и на прошлое – что-нибудь там «подтереть» или «подчистить».
Конечно, это сразу же приведет к трудностям – перепутаются многие причинно-следственные цепи, а входящие в них причины то и дело будут меняться местами со следствиями.
Можно было бы выпутаться из этого хаоса, если предположить, что существует не одно, а сразу множество параллельных будущих, и переход от одного к другому происходит всякий раз, когда подправляется прошлое. Такой фантастический мир, образно говоря, похож на четырехмерное дерево с общим стволом-прошлым и множеством выходящих из него ветвящихся сучьев будущего.
Многие, наверно, читали научно-фантастический роман А. Азимова «Конец Вечности», где люди живут как раз в таком сложном мире, а «подчистки» прошлого, которыми занимаются ученые и политики, то и дело приводят к аномалиям и парадоксам.
Трудно поверить, что мы живем в таком ужасном мире…
Каков же итог?
Итак, сегодня перед нами картина: на одной чаше научных «весов» обескураживающие контрольные взвешивания вращающихся гироскопов, парадоксы с причинностью, на другой – опыты Козырева и новосибирских ученых с измерением масс и «темпоральные пятна» под телескопом. Что тяжелее? Мое мнение: чаша с гироскопами и причинностью кажется более тяжелой. Удивительные явления под телескопом имеют, возможно, иное объяснение, не связанное со временем. Но есть и другие точки зрения.
Можно, конечно, по-разному относиться к парадоксальным построениям «пулковского мечтателя», как называли Козырева коллеги. Однако нельзя отрицать поэтичность образа его мироздания.
Идея ученого о превращении времени в энергию с вытекающим выводом о силовом поле времени настолько противоречит нашим представлениям, что ее относят к научной фантастике. Физики улыбаются: мол, знаменитому астроному, открывшему вулканизм Луны, чьи заслуги отмечены многочисленными дипломами и медалями, позволительно иметь не совсем научное хобби. Опыты Козырева, хотя и давали часто разные количественные результаты, можно было повторить. Вопрос, как истолковать: это сигнал о поразительных процессах или физический «ребус»? Спор длится уже более полувека.
Глава 9. Метагалактическое метро
В объективном мире ничего не происходит, в нем все просто существует. Лишь по мере того, как взор моего сознания скользит по линии жизни (мировой линии) моего тела, для меня оживает часть этого мира подобно мгновенному изображению в пространстве, которое непрерывно меняется во времени.
Г. Вейль. Этюды о симметрииГипотеза путешествий во времени настолько фантастична, что серьезные ученые стараются особо не рекламировать свои построения в этой области. Однако физики-теоретики занимаются ею вполне профессионально вот уже несколько десятилетий. Считается, что сама принципиальная схема действия машины времени пришла в науку из фантастики с появлением одноименного романа Герберта Уэллса. Впоследствии многочисленные подражатели и последователи Уэллса отработали эффектный способ отправки своих героев к далеким мирам и в другие времена через гипер– или подпространство (у братьев Стругацких эта процедура называется нуль-транспортировкой). Тем не менее долгое время идея была чисто литературным приемом, не имея реального физического обоснования.
Ситуация изменилась после того, как знаменитый астроном и научный фантаст Карл Саган решил написать роман о межзвездных путешествиях. В ходе литературной работы Саган твердо решил не заниматься пустым фантазированием, а создать на страницах своей книги транспортное устройство, полностью соответствующее общепринятым физическим концепциям. Для обсуждения деталей он обратился к видному физику-теоретику Кипу Торну, известному своими работами в области теории гравитации и космологии.
Торна весьма заинтересовали идеи Сагана, и он поручил двум своим аспирантам выполнить необходимые вычисления. К тому времени уже давно было известно, что уравнения теории относительности имеют решения, из которых вытекает возможность существования пространственно-временных каналов. Такие решения обнаружили в свое время еще сам Альберт Эйнштейн и работающий вместе с ним Натан Розен. Впрочем, даже немногочисленные, в те годы, физики-теоретики полагали, что так называемые мостики Эйнштейна – Розена вряд ли существуют в реальности и уж точно малопригодны для космических путешествий. Однако Торн и его сотрудники убедительно математически доказали, что пространственно-временной канал можно не только искусственно создать, но и поддерживать его в открытом состоянии. Для этого вход в подпространственный туннель необходимо заполнить экзотическим антигравитационным веществом наподобие уэллсовского кейворита из романа «Первые люди на Луне», оказывающим негативное давление на свое окружение. Подобная субстанция должна иметь отрицательную массу и, следовательно, отталкиваться от обычной материи – иначе говоря, антигравитировать. Созданная с ее помощью «червоточина» в пространстве – времени связала бы отдаленные области нашей Галактики и даже межгалактические просторы. Естественно, поскольку пространство и время в теории относительности жестко связаны, должна существовать возможность использовать такую «кротовую нору» и как машину времени.
В результате сотрудничества Сагана и Торна появился научно-фантастический бестселлер «Контакт», который вскоре положили в основу одноименного фильма. Ну, а соответствующие исследования коллектива физиков-теоретиков под руководством Торна породили многочисленные публикации, вызвавшие сильный научный резонанс.
Работы Торна заставили вспомнить не только о мостиках Эйнштейна – Розена, но и о «кротовых норах», «червоточинах» и «червячных ходах» американского физика, одного из участников проекта создания атомной бомбы Арчибальда Уилера. Червоточина – это туннель в пространстве – времени, стабилизированный так называемой фантомной материей, которая не дает туннелю схлопнуться. Эта материя обладает отрицательной плотностью энергии.
Насколько правдоподобны подобные построения физиков-теоретиков? Существуют ли в действительности червячные ходы в пространстве – времени, или же это всего лишь нереализуемые математические фантазии? Но если верно второе, то почему они не реализуются, коль скоро не противоречат законам природы? И самый главный вопрос: можно ли предложить какие-либо реальные эксперименты, вплоть до создания искусственных подпространственных «кротовых нор», пусть даже в отдаленном будущем, когда наша цивилизация станет достаточно развитой и мощной?
Модель червоточины на примере согнутого листа бумаги прекрасно иллюстрируют один из героев фильма «Интерстеллар». По его словам, если проделать отверстие карандашом, то муравей-землянин не будет блуждать по листу, а мгновенно попадет на его другую половину. Такой прокол пространства служит обоснованием для всяческих нуль-транспортировок, телепортаций и трансгрессий из фантастических произведений.
Когда речь идет о поиске подпространственных червоточин, первое, что обращает на себя внимание, это черные дыры – бездонные гравитационные провалы сколлапсировавших «замерзших звезд». По мнению астрофизиков, многие свойства коллапсаров говорят о том, что воронки таких звезд вполне могут быть входными порталами червоточин пространства – времени. Если это так, то можно (пока еще чисто умозрительно) попытаться приспособить их для путешествий в пространстве и времени, ведь время в их окрестностях останавливается лишь для внешнего наблюдателя, а для космонавтов, устремившихся в жерло черной дыры, все будет идти своим чередом, и никакого замирания процессов они не заметят.
Эта гипотеза особенно интересна тем, что астрономические теории предсказывают существование удивительных объектов с прямо противоположными коллапсарам свойствами. Такие белые дыры еще более загадочны, чем черные, и должны неудержимо извергать вещество. Нырнув в зев черной дыры, звездолет мог бы вынырнуть из диска ее белой сестры в какую-нибудь пространственно-временную область нашего мира или совсем в другую вселенную, связанную с нашей лишь узкой горловиной червячного лаза.
Вообще говоря, тут просматриваются два варианта фантастического будущего. Первый – из «Контакта» и «Интерстеллара» – это создание некого «подпространственного метро», позволяющего мгновенно перемещаться на парсеки и столетия. Второй – не ждать милостей от природы, а оснастить звездолет генератором черных дыр. Дело в том, что теоретически в невообразимых глубинах пространства – времени (в масштабах «планковской длины», равной 1,62x10–35 метра, что в 1020 раз меньше атомного ядра) бушует удивительнейшая «квантовая пена», насыщенная сверхмикроскопическими черными дырочками – микроколлапсарами. Опять же теоретически, если поймать микроколлапсар и насытить его энергией, он вырастет в черную дыру, пригодную для путешествий через гиперпространство.
Сюжет фильма «Интерстеллар» включает полет корабля «Эндюранс» через портал искусственного коллапсара, возникший в окрестностях Сатурна. Далее отважные земляне попадают в кротовую нору, где встречают «пятимерных существ», которые переправляют их в чужую галактику. Наша это Вселенная или иная – понять невозможно. Во всяком случае, даже если это один из миров Мультиверса, там действуют те же физические законы.
Любопытно, что профессор Торн почему-то никак не обыграл весьма любопытный момент выхода из «подпространственного туннеля», а ведь это самый загадочный элемент межгалактического туннелирования. Черные дыры знают все, многие астрономы считают их открытыми, а вот белой дыры никто еще не наблюдал…
В «Интерстелларе», в отличие от «Контакта», много внимания уделяют темпоральным парадоксам. Из Общей теории относительности следует, что чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время. С другой стороны, согласно Специальной теории относительности, чем быстрее летишь, тем медленнее стареешь относительно неподвижного наблюдателя. Отсюда следует и знаменитый «парадокс близнецов», сообразно которому моложавый космонавт может вернуться к своему пожилому брату, оставшемуся на Земле. Кстати, российский космонавт-рекордсмен С. Крикалев, кружась на орбите со скоростью более семи километров в секунду, за 803 суток «отыграл у вечности» не менее 0,02 секунды.
В фильме червячный ход выбрасывает «Эндюранс» в десяти световых миллиардолетиях от Солнечной системы у чудовищной черной дыры Гаргантюа, равной по массе ста миллионам солнц. Радиус дыры сравним с земной орбитой, а ее аккреционный диск из притянутого вещества простирался бы чуть ли не до пояса астероидов. Из-за колоссальной гравитации коллапсара час на поверхности планеты Миллер равен семи годам.
После приключений на планетах системы Гаргантюа главный герой и его робот на двух зондах устремляются в сердцевину черной дыры за научными данными. В теории катастрофический перепад сил тяготения должен был бы скрутить, растянуть и разорвать астронавта и робота на бесчисленное множество фрагментов. Однако Торн считает, что чудеса практики могут опровергнуть любую теорию, и позволяет отважным исследователям легко проникнуть через горизонт событий – точку невозврата для всего, что попадает внутрь черной дыры. Предложено и своеобразное объяснение: гигантские размеры Гаргантюа минимизируют разрывающие приливные силы, так что при очень большом радиусе горизонта событий и его вращении с определенной скоростью есть шанс проникнуть невредимым в таинственные глубины коллапсара.
Внутри вращающейся черной дыры исследователи находят пятимерную вселенную. Тут надо вспомнить, что еще академик Сахаров в своих удивительных космологических работах предложил многолистную модель Вселенной, которую затем дополнил несколькими временами. В ней Андрей Дмитриевич на совершенно новом научном уровне рассмотрел очень старую идею Теодора Калуцы. Для построения единой теории поля, над которой начал тогда работать Эйнштейн, Калуца в 1921 году предположил, что физическое пространство имеет не три, а четыре измерения, дополненные пятым – временем. При этом Калуца допустил, что четвертое пространственное измерение «свернуто» в сверхмикроскопические размеры и не может быть зафиксировано приборами.
Идеи Калуцы восторженно восприняли не только физики-теоретики, среди которых был и великий Эйнштейн, но и писатели. Так, Герберт Уэллс ввел многомерное пространство в роман «Люди как боги». В этой утопии выдающийся фантаст предложил очень необычную для того времени систему мироздания: «Как в трехмерном пространстве бок о бок может лежать любое число практически двухмерных миров, подобно листам бумаги, точно так же многомерное пространство, которое плохо приспособленный к таким представлениям человеческий разум еще только начинает с большим трудом постигать, может включать в себя любое число практически трехмерных миров, лежащих, так сказать, бок о бок и приблизительно параллельно развивающихся во времени».
Вселенная Уэллса напоминает книгу, каждый лист которой оказывается новым миром. Путешествовать тут можно по «книжному корешку», соединяющему вместе все миры. Долгое время этот зримый образ множественного мироздания, или Мультиверса, вдохновлял научных обозревателей и писателей-популяризаторов, но все считали его лишь блестящей выдумкой. Затем на экраны вышли голливудские блокбастеры «Филадельфийский эксперимент» и «Контакт», после которых иные времена и измерения попали на телевидение в сериалы «Секретные материалы», «Хранилище 13» и «Теория Большого взрыва».
Использованию огромных черных дыр для космических путешествий отдал дань и Станислав Лем. В романе «Фиаско» он придумал способ обратить время, чтобы экипаж межзвездного корабля вернулся на Землю в свое время, а не спустя много тысячелетий.
Можно сказать, что и в «Интерстелларе» вся картина запутана в петлях времени. При этом время, проецируясь из пятимерного пространства, описывает такую петлю, что начинает проявляться феномен «двойников». Главный герой из глубины сверхпространства смотрит на самого себя в прошлом, затем мы видим, как он когда-то реагировал на «потустороннее» проявление своего пятимерного образа, что и привело его в межгалактическую экспедицию. Там он попал в черную дыру и увидел себя… Петля замкнулась!
Это происходит почти так, как это описывает Станислав Лем в «Звездных дневниках Ийона Тихого», с одной лишь существенной разницей – в «Интерстелларе» (как, впрочем, и в «Филадельфийском эксперименте») петля времени образовалась в результате воздействия черной дыры, а не фантастических темпоральных вихрей, и это уже допускается современной наукой. Как подобное может происходить в земных условиях? Однозначного ответа на этот вопрос пока нет.
Однако скорее всего выпадение из реального хода времени в данном случае связано с перемещением не в параллельное пространство, а в некую зону искривления пространственно-временного континуума, в некий «временной мешок», черную дыру, где не существует даже времени.
Маршрут перехода по кротовой норе
В дальнейшем выяснилось, что для пространственно-временных путешествий больше всего подходят именно довольно узкие «червоточины», получившие название лоренцовских, по имени видного голландского физика Хендрика Антона Лоренца – одного из создателей теории относительности.
Вообще говоря, существуют червячные ходы двух различных типов: квантового и полуклассического. Квантовые ближе к кротовым норам, подчиняясь как уравнениям теории относительности, так и принципам квантовой механики, они очень неустойчивы. Путешественник, попавший в такой подпространственный туннель, рискует в любой момент оказаться в замкнутом пространстве, причем открыться канал может в совершенно невообразимую точку пространства – времени. А вот полуклассические червоточины практически более устойчивы, поскольку пространство – время, в котором они пролегают, хоть и сильно искривленное, но все же не пузырящееся. Поскольку их поведение более предсказуемо, долгое время считалось, что они лучше подходят для перемещений во времени и пространстве.
Однако в науке элементарная логика часто подводит, и группа американских ученых сумела показать, что именно полуклассические «норы» могут быть в высшей степени нестабильны. Это означает, что даже если бы удалось построить устройство, открывающее такую червоточину в нужное время и в нужном месте, оно тут же перестало бы работать. А вот именно на квантовые червоточины этот вывод не распространяется, они способны действовать достаточно долго, чтобы пропустить через свою горловину космический корабль со всеми его пассажирами. Но делать окончательные выводы еще рано. Квантовый червячный ход также часто будет работать с совершенно непредсказуемым результатом. Если вам надо лететь к Веге, вы можете попасть к Сириусу, а то и вовсе очутиться у динозавров. В общем, пока еще ученые не придумали конструкцию достаточно надежных кротовых нор для космической машины времени.
Исследования теоретиков также показывают, что антигравитационный материал с отрицательным давлением, необходимый для облицовки стен подпространственных туннелей, во многом похож на таинственную темную энергию, благодаря которой космическое пространство расширяется с возрастающей скоростью. Физическая природа этой энергии пока еще не понятна. А ведь от ее свойств зависит судьба нашего мира. Так, не исключено, что в далеком будущем темная энергия может просто разорвать в клочья всю обычную материю от галактик до атомов. Однако есть и более оптимистичные сценарии будущего, в которых темная энергия потеряет стабильность и саморазрушится.
Мостики Эйнштейна – Розена чем-то напоминают подземные уличные переходы. Различие лишь в том, что подпространственные каналы соединяют не только разные части нашей Метагалактики, но и разные времена. Двигаясь вдоль червоточины, можно попасть как в отдаленный участок Вселенной, так и в другую временную эпоху. Космическая система кротовых нор, подобная описанной в романе Сагана, могла бы служить своеобразной транспортной сетью, которая позволила бы быстро переноситься из прошлого в отдаленное будущее и обратно – в наше настоящее и в прошлое.
Однако насколько правдоподобны выводы физиков-теоретиков? Существуют ли в действительности червячные ходы в пространстве – времени, или же это всего лишь нереализуемые математические фантазии? Но почему они не реализуемы, ведь опыт убеждает нас в том, что в мире реализуемо все, что не противоречит законам природы!?
Здесь стоит вспомнить об очень любопытном факте: кажущееся нам пустым пространство физического вакуума только кажется пустым. При очень большом увеличении оно похоже на шевелящуюся мягкую губку или кипящую мыльную пену, где вспыхивают и мгновенно гаснут всплески полей, а окружающее пространство – время под действием их тяготения искривляется и скручивается в микроскопические пузырьки и раковины, в которых возникают многочисленные воронки и перемычки червоточин. Правда, размеры их невообразимо малы – песчинка для них так же велика, как для нас сама Метагалактика. Естественно, что ни один современный прибор не может зафиксировать следы таких объектов. Исследовать их математики и физики-теоретики могут лишь умозрительно, строя компьютерные модели.
В научно-фантастической литературе часто рассказывается о самых экзотических способах преодоления пространства и времени. Там можно встретить и проколы трехмерного евклидова пространства, и нуль-транспортировки, не говоря уже о прыжках в подпространство и вневременных лифтах. Родилась даже своеобразная тактика будущих космических сражений, когда звездолеты землян уходят в подпространство и через мгновение неожиданно выныривают оттуда прямо у баз инопланетян, оставив позади себя миллионы километров. Как современные субмарины: нырнули, сделались невидимыми – и вынырнули у кораблей противника.
Разумеется, писатели и журналисты, рассказывающие о подпространственных перемещениях, зачастую просто создают образ чего-то таинственного и непонятного. И тем не менее фантасты часто бывают не так уж далеки от истины. Представим себе двухмерный мир – что-то вроде бесконечно тонкого листа бумаги, у которого две стороны слились в одну.
В таком мире, как и в нашем, любые две отстоящие друг от друга точки соединяет множество тропинок, но среди них всегда есть самая короткая и, если мы хотим попасть в другую точку как можно скорее, нам следует воспользоваться именно этой дорожкой.
Если же в начале и в конце пути изогнуть, продавить пространство, образовав воронки, и соединить их трубкой-каналом, то мы получим мгновенный переход между двумя удаленными точками для жителей двухмерного мира. Вот такой канал мы вправе назвать проколом пространства, нуль-транспортировкой и другими терминами, придуманными писателями-фантастами. При этом подобные подпространственные переходы нигде не будут выходить за пределы своей двухмерной вселенной, поскольку все точки – и на листе, и в канале, и на склонах воронок – принадлежат одной и той же двухмерной поверхности. Если свернуть такой лист в цилиндр, то канал перехода будет напоминать ручку чашки. В трехмерном пространстве он существует сам по себе, независимо от того, есть ли обнимающее его трехмерное пространство или же его вообще нет в природе.
И вот что еще особенно важно: плоский двухмерный мир может иметь одну пространственную, а вторую временную координату. Тогда проколы из пространственных превратятся в пространственно-временные, которые соединяют точки с разными временами и служат тоннелями для путешествий в иную историческую реальность.
Несмотря на кажущуюся мистичность, многие физики уверены в осуществимости таких проектов, поскольку они основываются на принципах квантовой теории. Трудно пока еще говорить о конкретных деталях строения «внепространственного метро» будущего, но реальность его осуществления в том или ином варианте практически не вызывает сомнений.
Все эти вопросы – на грани научной фантастики, однако сегодня их серьезно обсуждают и сами ученые, поскольку это помогает лучше понять особенности современной теории и представить себе гипотетические возможности космических цивилизаций.
Серьезный анализ возможностей внепространственных переходов пока доступен только математике, поскольку ее формулы – единственный способ, позволяющий обрисовать контуры воображаемых миров и сложные пространственно-временные структуры. Посвященные этим вопросам научные работы напоминают лес формул, но если не претендовать на большую строгость и пользоваться наглядными образами, то общая постановка вопросов и результаты исследований могут быть доступны и далеким от теоретической физики читателям.
Глава 10. Кипящая пустота
Вселенная вечной инфляции состоит из расширяющегося «моря» ложного вакуума, в котором постоянно зарождаются «островные вселенные», подобные нашей. Таким образом, инфляция – это никогда не прекращающийся процесс. Он закончился в нашей собственной островной вселенной, но будет неограниченно продолжаться в других отдаленных областях. Однако если инфляция бесконечна в будущем, то, вероятно, ей не нужно и начало в прошлом. Получается вечно инфлирующая вселенная без начала и конца, что исключает неразрешимые проблемы, связанные с происхождением космоса.
А. Виленкин. Мир многих мировРождение нашей Вселенной, по мнению большинства ученых, началось со сверхплотного вакуумподобного состояния «ложного вакуума» при гигантской температуре. Вопрос о том, что было до возникновения космологической сингулярности Большого взрыва, решается различными физическими школами по-разному. Ясно лишь одно, что именно космологическая сингулярность является истоком реки времени. Согласно современным принципам квантовой физики, время в космологической сингулярности должно распадаться на кванты, так что сам по себе вопрос о досингулярном состоянии (чего?) теряет часть своего смыслового содержания.
Здесь у исследователей хроноквантов еще достаточно неясных моментов. Например, один из ведущих космологов современности академик Игорь Новиков считает, что вблизи сингулярного начала начал существует своеобразная квантовая пена или, иначе говоря, «квантовые флуктуации пространства – времени». В этом удивительном состоянии возникают и мгновенно исчезают виртуальные (мнимые) черные и белые дыры и целые коконы замкнутых миров. Это сверхмикроскопическое бурное кипение пространства – времени напоминает непрерывную генерацию-аннигиляцию виртуальных частиц в физическом вакууме. Ситуацию сильно осложняет и неоднозначная структура пространства, которое в столь малых масштабах и при столь высоких энергиях, вполне возможно, является многомерным. И вот эти дополнительные измерения, которых мы не замечаем из-за того, что они скручены (компактифицированы) в окружающей нас реальности, вблизи сингулярности могут во многом определять течение физических процессов.
Возможно, когда-нибудь наша цивилизация научится подводить к микродырам вакуума мощные потоки энергии, увеличивая их до нормальных размеров. Тогда из них можно будет конструировать разнообразные транспортные системы для телепортаций (мгновенных перемещений) во времени и пространстве.
Картина, конечно, фантастическая, но у нее есть один неожиданный аспект. Некоторые пространственные пузырьки только снаружи, для внешнего наблюдателя, выглядят как ультрамалые объекты, а изнутри, измеренные с помощью их собственных эталонов длины и времени, представляют собой огромные космические миры – вселенные. В принципе, хотя на первый взгляд это кажется совершенно невероятным, может оказаться так, что наш мир – один из таких пузырьков. Во всяком случае современная физика вполне допускает такую возможность. А раз так, то в нашем мире могут быть скрытые червоточины для космических путешествий. Поэтому, возможно, нам не придется вытягивать их из вакуума, вместо этого нужно поискать их в окружающем пространстве.
Когда речь идет о поиске подпространственных червоточин, первое, что обращает на себя внимание, – это бездонные провалы сколлапсировавших «замерзших звезд».
Свойства коллапсаров просто удивительны, например, наброшенную на черную дыру петлю нельзя стянуть в точку. Дело в том, что поле тяготения «замерзшей звезды» настолько велико, что время вблизи нее не просто замедляется, как около любого массивного тела, а практически останавливается. Естественно, что и все процессы, в том числе и стягивание петли, замирают, становясь бесконечно долгими. А это и является первым признаком входа в подпространственный туннель.
Астрофизики считают, что многие свойства коллапсаров говорят о том, что воронки «замерзших звезд» вполне могут быть входными порталами червоточин пространства – времени. Если это так, то можно (пока еще чисто умозрительно) попытаться приспособить их для путешествий в пространстве и времени, ведь время в их окрестностях останавливается лишь для внешнего наблюдателя, а для космонавтов, устремившихся в жерло черной дыры, все будет идти своим чередом, никакого замирания процессов они не заметят.
К сожалению, есть большие сомнения в реальности подобных путешествий. Дело в том, что гравитационные поля вблизи условных поверхностей сфер гравитационных радиусов черных и белых дыр неимоверно велики, и их сила быстро растет по мере того, как звездолет втягивается внутрь подпространственного канала. Они сначала закрутят и вытянут корабль в длинные нити, а затем разорвут их на мельчайшие частички. Даже в земных условиях, где тяготение сравнительно невелико, силы притяжения на поверхности планеты и на орбите ее спутника значительно отличаются. На поверхности Земли они вызывают многометровой высоты морские приливы и отливы, ну а в недрах застывших звезд – коллапсаров – перепады гравитационных сил просто чудовищны. Им не могут противостоять и распадаются на части не только атомные ядра, но и элементарные частички. И спастись никак нельзя, возврат невозможен, ведь даже лучи света черная дыра не выпускает за свои пределы.
Вращающаяся и микроскопическая черные дыры
Некоторые астрофизики считают, что есть определенные надежды на вращающиеся коллапсары. В этом случае связанные с вращением центробежные эффекты отчасти компенсируют притяжение, и это может сделать входной портал проходимым. Однако расчеты других физиков-теоретиков показывают, что при этом подпространственная червоточина становится крайне неустойчива и под действием стягивающих гравитационных сил может мгновенно схлопнуться. Сквозь нее нельзя проскочить, даже со скоростью света! К тому же происходящие внутри процессы перестройки вакуума порождают мощные потоки смертоносной радиации.
Как видно, естественные коллапсары – не очень-то подходящие элементы для создания машин времени. Но если нельзя воспользоваться свойствами «замерзших звезд» в пространстве, может быть, удастся сконструировать искусственный подпространственный портал?
Сразу же после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности, австрийский физик Л. Фламм нашел математические решения, описывающие два мира, соединенные подпространственным каналом. Позднее такие решения изучал сам Эйнштейн и особенно подробно – американский физик Дж. Уилер в связи с теорией элементарных частиц и пенообразного микропространства. Все эти работы завершились неутешительным выводом о том, что, образовавшись естественным или искусственным путем, соединяющий миры канал будет сначала расширяться до некоторого максимального размера, а затем сожмется в тончайшую нить.
Затем, как мы уже знаем, к расчетам приступил Торн. Результат вычислений получился именно такой, какой и предсказывали герои романа, – изготовленный из антигравитирующего вещества переходной канал был устойчив, а действующие в нем силы лишь незначительно отличались от земного тяготения. Правда, для этого конструкция канала должна удовлетворять определенным условиям, но это уже дело техники.
Существует много проектов организации «мобильных» подпространственных переходов. Так, предлагается выпускать по курсу звездолета торпеды со сверхмикроскопическими коллапсарами, затем обстреливать торпеды излучением сверхмощных лазеров, накачивающих энергию в растущие черные дыры.
Важно, что физические законы не запрещают создание таких конструкций, остальное – задача космических зодчих будущего, если, конечно, в их распоряжении найдется экзотический антигравитирующий материал с отрицательной энергией.
А можно ли создать такое вещество, которое будет обладать свойством антигравитации и иметь отрицательную энергию? Энергия вещества складывается из энергии, связанной с массой составляющих его частиц, и энергии давления и натяжений, связанной с внутренними взаимодействиями. В одних случаях – скажем, в баллоне сжатого газа – она положительна, в других, например в ядре атома железа, отрицательна; как известно, для расщепления ядра на части необходимо совершить определенную работу. Однако во всех обычных веществах – твердых, жидких, газообразных – энергия, связанная с массой, больше энергии взаимодействий, и суммарная энергия вещества всегда положительна. В экзотическом же веществе, которое нужно для сооружения червоточин, первое место занимает отрицательная энергия внутренних натяжений.
Впрочем, если мы не можем создать подобные условия на нашей планете, надо поискать их где-то во Вселенной. Так, многие исследователи самым настоятельным образом советуют внимательно присмотреться к физическому вакууму, то есть к космической пустоте, которая окружает все небесные тела. Судя по всему эта пустота может оказаться вовсе не так пуста, как казалось еще недавно. На сегодняшний день под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни полей, ни частиц. Это состояние возможной наименьшей энергии, но в вакууме все время протекают самые различные превращения. Разобравшись в них, мы сможем более детально разобраться в сути окружающего нас мира, особенно в таком загадочном физическом понятии, как время.
Еще совсем недавно физики были убеждены в том, что подобных веществ не бывает. И это, по-видимому, так, если оставаться в рамках классической физики. Однако в области квантовых явлений ситуация иная. Благодаря всплескам случайных полей, рождению пар частица – античастица энергия на очень короткое время может стать несколько большей или меньшей ее среднего, классического значения. Расчеты Торна и его коллег показали, что если вход и выход подпространственного канала окружить шарообразным металлическим экраном, то соответствующего снижения энергии вакуума внутри канала будет вполне достаточно для того, чтобы удержать его от схлопывания и сделать проходимым для путешественников.
Конечно, проблемы этим не исчерпаны. Нужно еще придумать сам способ построения кротовых нор.
Глава 11. В глубинах Мультиверса
Доказательство существования параллельных вселенных, совершенно не похожих на нашу, может оказаться за пределом возможностей науки. За последние десятилетия в космологии появилось новое поле научной деятельности, увлекшее многих ученых. Расширяющаяся вокруг нас Вселенная может оказаться не единственной: нас могут окружать миллиарды других вселенных. Возможно, наш мир представляет собой лишь часть Мультимира.
Дж. Эллис. Существует ли Мультимир на самом деле?Не успели затихнуть бурные дискуссии вокруг машин времен из замерзших сколлапсировавших звезд (иногда их называют Т-агрегаты Сагана – Торна), как появилась теоретическая работа больших энтузиастов хронофизики: теоретика Давида Дойча и философа Майкла Локвуда. Авторы не только рассмотрели различные варианты путешествий во времени, но и предложили оригинальные решения для возникающих парадоксов.
Художественный образ Мультиверса
Вот один из таких парадоксов, широко распространенный в научной фантастике, например он встречается в романе Айзека Азимова «Конец Вечности». Итак, литературный критик, увлеченный творчеством модного писателя, отправляется в прошлое и посещает автора еще до написания им прославленных произведений. Он показывает его будущие сочинения, а тот, не поверив критику, присваивает свои же книги, приобретая тем самым известность и славу. Парадоксальный логический круг замыкается, ведь трудно понять – кто же написал упомянутые книги, если они бесконечно циркулируют по кругу времени из будущего в прошлое и обратно. Следующий круг временных парадоксов у Азимова связан с самим изобретателем машины времени, на которой основана организация «Вечность» и чертежи которой сама эта «Вечность» доставляет ему из будущего.
Все эти парадоксы, привлекшие внимание ученых, философов и писателей после выхода романа Герберта Уэллса «Машина времени», породили устойчивое мнение, что такие путешествия принципиально невозможны. Впрочем, теория относительности не отрицает возможность путешествовать в будущее. Для этого необходимо совершить полет в космос с околосветовой скоростью. Тогда путешественники могут вернуться через много лет более молодыми, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Но теория относительности не допускает путешествий в прошлое с нарушением принципов причинности.
Как вообще объясняет физика невозможность подобных нарушений? В теории относительности положение любого объекта описывается четырьмя координатами – тремя пространственными и одной временной. Эти четыре координаты указывают так называемую мировую точку в пространстве Минковского.
Четырехмерное пространство (специалисты называют его также многообразием, или континуумом) Минковского, мягко говоря, трудно представить. Но если свести движение в физическом трехмерном пространстве в перемещение относительно одной оси координат, допустим, Х, то проекцию пространства Минковского легко изобразить в виде прямого угла, одна сторона которого – время, а другая – пространство. Мировой линией в пространстве – времени Минковского называется линия точек четырехмерного пространства или событий, принадлежащих одному и тому же объекту. Если объект покоится, его мировая линия будет вертикальна (координата Х остается постоянной). Для прямолинейно и равномерно движущегося объекта его мировая линия будет прямой. При реальном ускоренно-замедленном движении объекта мировая линия имеет вид извилистой траектории. Любопытно, что с чисто пространственно-временной точки зрения вся биография человека изображается таким вот извилистым червячком (а не линией, ведь тело человека занимает определенный объем), хвост которого совпадает с местом и временем его рождения, а передний конец непрерывно ползет вперед и вперед.
Согласно Общей теории относительности, массивные тела искривляют рельеф пространства – времени. Это явление известно нам как всемирное притяжение. Но вместе с искривлением пространства – времени могут искривляться и все мировые линии, становясь замкнутыми. Двигаясь по таким замкнутым линиям, объект из будущего неминуемо встретится с самим собой в прошлом и сможет повлиять на уже прошедшие события.
Существование в природе замкнутых мировых линий в свое время исследовал немецкий математик Курт Гедель. Замкнутые мировые линии, известные в научно-популярной и фантастической литературе как петли времени, появляются в окрестности массивных черных дыр. Так, из предыдущей главы мы знаем, что Кип Торн показал возможность образования петель времени в туннеле, соединяющем систему «замороженных звезд». Другой английский космолог Ричард Готт, развивая теорию суперструн (согласно которой все микрочастицы образованы сверхмалыми струнами – квантовыми суперструнами), доказал, что прохождение таких струн сквозь друг друга должно порождать петли времени. К сожалению, пока еще неизвестно, существуют ли суперструны в действительности.
Убедившись, что петли времени не противоречат теории относительности, физики попробовали избавиться от логических парадоксов путем введения неизвестного нам закона природы, запрещающего вмешиваться в собственное прошлое.
Более радикальное объяснение невозможности парадоксов предложил знаменитый британец Стивен Хокинг. Используя сочетание теории гравитации с квантовой механикой, описывающей движение элементарных частиц, он показал, что квантовые эффекты должны вызвать разрушение тех петель времени, которые предсказываются уравнениями Эйнштейна. Поэтому теория замкнутых мировых линий обязательно должна учитывать квантовые эффекты.
Мы уже рассказывали о кипении физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства – времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории, пространство – время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий.
Квантовая физика описывает поведение элементарных частиц статистически. Эта врожденная «статистичность» микрообъектов является одной из самых трудных загадок природы. На микроуровне в любой момент времени можно указать лишь вероятность того или иного физического процесса. Этот вывод очень трудно осознать, и даже великий Эйнштейн до самого конца жизни пытался его оспорить и найти наглядное объяснение этой загадочной статистичности.
Одна из самых необычных попыток объяснить вероятностный характер квантовой механики была предпринята в середине прошлого века американским физиком Хью Эвереттом, который предложил теорию «множественных вселенных». Согласно этой теории, существует не одна, а сразу множество вселенных, в точности подобных нашей по физическому составу материальных тел. Если мы наблюдаем за распадом какого-то радиоактивного элемента и видим, что этот распад произошел, скажем, через пять минут, то это верно только для данной вселенной. В другой, «параллельной», вселенной его копия распадется через десять минут, а в третьей – через пятнадцать. Иными словами, вероятность распада соответствует множеству вселенных, в которых копия распадается через данное время; сам же радиоактивный элемент ведет себя вполне однозначно и никакой статистичностью не обладает.
С самого начала вокруг теории Эверетта возникла бурная дискуссия. Ведь для тех квантовых расчетов, которыми пользуются физики при описании своих экспериментов с элементарными частицами и при создании различных квантовых приборов, совершенно безразлично, верна теория Эверетта или нет. Но вот для квантовой гравитации, которой занимаются Хокинг и Торн, такая теория может означать очень многое.
А вот решить парадоксы путешествий во времени она может легко. Например, в той ситуации, которая описывается в романе Айзека Азимова, точка встречи критика и писателя представляет собой особый узел Мультивселенной, в котором сходится множество вселенных-копий. В зависимости от того, какое действие произведет критик по имени Соня в прошлом, она и все, что ее окружает, оказываются в той или иной из этих копий. Следует лишь заметить, что прошлое и будущее в каждой из этих копий будут различными.
Остается главный вопрос: будут ли возможными путешествия во времени, если успешно решатся временные парадоксы? Тот же Стивен Хокинг говорит по этому поводу следующее: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является тот факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего». Но сторонники теории Мультиверса отвечают, дескать, путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться «толпы визитеров». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами – только не с нами, а с нашими копиями.
В семидесятых годах Хокинг допустил, что черные дыры будут постепенно исчезать из-за квантовых эффектов у их горизонта событий, испуская энергию в виде излучения. Эта гипотеза, между тем, породила проблему для теоретиков. Суть ее в том, что испарение черных дыр и рождение излучения подразумевает, что почти вся информация о квантовом состоянии частиц, поглощаемых черной дырой, за исключением их массы, заряда и скорости вращения, будет безвозвратно теряться, что противоречит законам квантовой физики.
Однако сейчас Хокинг думает по-другому. По мнению ученого, часть поглощенной черными дырами информации будет просачиваться наружу в виде фотонов с почти нулевой энергией, остающихся на месте испаряющейся черной дыры – это явление он называет «мягкие волосы». Таким образом, информация будет храниться на границе этой области, называемой горизонтом событий. Фотоны будут выступать переносчиками информации с данными о свойствах частиц, «съеденных» черной дырой.
«Черные дыры не являются вечной тюрьмой, как ранее думали, – говорит Хокинг. – Если вам кажется, что вы попали в черную дыру, не сдавайтесь. Есть выход». Однако, согласно его теории, не произойдет возврата в наш мир, в исходную точку: субъект окажется в некоем ином, альтернативном пространстве.
В книге известного теоретика Брайана Грина «Скрытая реальность» ведущие ученые обсуждают эту «сверхкоперниканскую революцию». Не только наша планета одна среди многих, но и сама наша Вселенная – всего лишь песчинка в масштабах космоса; одна среди бесчисленных вселенных, каждая из которых не похожа на другие. Слово «мультимир» (в последнее время его заменил термин «Мультиверс») многозначно. Размер космологического горизонта, т. е. области, доступной астрономическим наблюдениям, составляет около 42 млрд световых лет. Однако у нас нет причин полагать, что Вселенная ограничивается этой областью. Дальше могут простираться другие, и их может быть бесконечно много. Каждая обладает различным начальным распределением вещества, но одинаковыми для всех физическими законами. Практически все космологи принимают такую гипотезу строения мультимира. Космолог Макс Тегмарк называет ее «Уровень 1».
Однако нашлись и те, кто придерживается более радикальной гипотезы, которая заключается в том, что вселенные Мультиверса могут быть совершенно различными, с разными законами физики, разными историями и, возможно, даже с разным количеством пространственных измерений. Большинство таких вселенных стерильно, но некоторые могут быть пригодны для жизни. Главный вдохновитель этого «Уровня 2» – Александр Виленкин. В бесконечном множестве вселенных есть бесконечное множество галактик и, следовательно, бесконечное множество планет и даже бесконечно много людей с вашим именем, читающих сейчас эти строки.
Подобные утверждения делались не раз с античных времен. Однако теперь концепция Мультиверса претендует на статус научной теории, положения которой могут быть математически строго сформулированы и экспериментально проверены. Многие физики и философы относятся к этому скептически, ведь трудно представить, как можно было бы доказать существование вселенных, лежащих за пределами нашей.
А что, если миры никогда не ветвятся? Предположим, что существует только один – тот самый, в котором мы живем, где все мировые линии линейно упорядочены и все предметы сохраняют свое тождество, то есть остаются такими, какие они есть.
Глава 12. Многомерное время
Там многие странные вселенные дрейфуют подобно пузырькам пены по реке времени.
А. Кларк. Стена мракаПочему в нашем мире не два, не три, а только одно время? Почему оно одномерно? У пространства три измерения – длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно – длительность?
Может, так сложилось только в нашем участке бесконечно разнообразной Вселенной, а в других как-то иначе? Интересно, как выглядят многомерные миры?
А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем – родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время?
Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям, и что при этом произойдет?
Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что это будет сравнимо с космологическим коллапсом – Большим хлопком или Большим разрывом, – который ожидает по некоторым сценариям нашу Вселенную?
Чем больше мы с вами узнаем про удивительное четвертое измерение в нашей реальности, тем больше возникает вопросов, и тем сложнее они становятся. Правда, время – настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит нас в новую реальность совершенно фантастических и трудновообразимых явлений.
Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии – это самая общая характеристика любых происходящих вокруг нас изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математика время – всего лишь параметр, нумерующий последовательность следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос: почему все последовательности многообразных событий определяются только одной, откладывающейся на линии, величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными параметрами или объема с тремя?
Можно было бы начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений: было четыре мировые оси – три пространственные, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира? Прежде всего, сколько должно быть дополнительных временных осей?
Однозначно ответить на этот вопрос очень трудно, ведь никаких ограничений на число пространственных и временных «сторон света» формально не существует. Академик Сахаров, удивительно многогранный ученый, в одной из своих статей развил теорию о бесконечном числе временных переменных, различающихся по виду их проявления в материальном мире. Так, он писал, что природа настолько многообразна, что, в принципе, позволяет существовать, например, мирам с одной или двумя пространственными и несколькими временными переменными. Конечно, все эти миры будут сильно различаться по своим свойствам: в одних могут существовать устойчивые атомы и образовываться сложные молекулы – основа жизни, в других будет своеобразная мешанина из элементарных частиц или какие-либо еще неизвестные нам формы материи и ее организации…
Есть и более глубокие соображения, основанные на изучении явлений в ультрамалых областях, где частицы, по-видимому, могут перемещаться быстрее света, и противопоставление пространства и времени теряет смысл – в зависимости от точки зрения пространство может стать временем, а время приобрести свойства пространства.
Единственный мысленный зонд, который может проникнуть в подобную фантастическую реальность – это сложнейшие математические формулы. Только с их помощью можно нарисовать картины новой Вселенной. Если писатели и художники-фантасты путешествуют по мнимым мирам с помощью своего воображения, то математики и физики-теоретики используют для этого интеллектуальные приемы на основе математических законов и физических принципов. Конечно, мы не будем продираться сквозь частокол математических символов и воспользуемся уже готовыми результатами, стараясь понять их с помощью нестрогих, но зато наглядных аналогий.
Ученые столетиями исследуют различные свойства окружающей нас материальной реальности, все дальше отодвигая границы Метагалактики. Вообще говоря, за все время научных исследований из всех окружающих нас предметов, включая сотни новых элементарных частиц, физикам не попался ни один, у которого бы наблюдались признаки дополнительных временных измерений. Можно предположить, что вектор времени, с которым в чудовищных процессах Большого взрыва родился ограниченный участок Вселенной, раздувшийся затем в окружающий нас мир, с высокой степенью точности одинаков у всех заполняющих его материальных тел. Объекты с иным ходом времени могут залететь к нам лишь с далеких окраин Метагалактики.
Размеры только что родившейся в квантовой неоднородности Вселенной были невообразимо малы – порядка элементарной частицы или даже еще меньше. Естественно, что ее отдельные участки вначале интенсивно взаимодействовали между собой и их вещество бурно перемешивалось. Следовательно, и время, во всей нашей Вселенной сформировавшись как процесс в самом начале, далее течет везде одинаково. Если это так, то объекты с другими временными векторами могут рождаться лишь в процессах, протекающих внутри нашего мира.
Итак, какое же впечатление произведет на нас многомерный мир, существуй он в реальности? Вначале он должен показаться похожим на наш четырехмерный. Однако внимательно приглядевшись, мы бы заметили, что некоторые тела движутся непривычно быстро, почти мгновенно перемещаясь в пространстве. Зная расстояние между точками и определив время движения по земному хронометру, мы бы обнаружили, что скорость некоторых тел превосходит световую. Это настораживает, поскольку физики уже давно установили, что сверхсветовые тела, будь они действительно в природе, можно было бы заставить двигаться вспять по времени – из настоящего в прошлое. Направление их движения зависит от точки зрения наблюдателя. Неподвижный наблюдатель увидит, что сверхсветовые осколки взорвавшегося снаряда, как им и положено, разлетаются в стороны и, замедлившись, падают на землю. А тот, кто наблюдает в движении, увидит все в обратном порядке: лежавшие на земле осколки поднимаются в воздух, летят навстречу друг другу и собираются в целый снаряд, который стремительно втягивается в ствол орудия! Картина явно абсурдная, тут нарушено одно из основных свойств материального мира – причинно-следственная связь, а попросту говоря – причина и следствие перепутали свои места.
Фантастический многовременной полет
Многие времена в одном мире легко представить на примере полета звена фантастических самолетов. Пусть одно время определяет высоту полета, второе – скорость, третье – взаимное расстояние, а четвертое – количество топлива
Сверхсветовые движения в многовременном мире – всего лишь иллюзия, возникающая в результате неправильного измерения скорости. Мы отсчитываем время по хронометру нашего времени, а оно течет медленнее. Вдоль своих траекторий оба времени текут одинаково, однако по часам, движущимся по другой траектории, они выглядят растянутыми или сжатыми в зависимости от скорости и направления движения.
С похожим эффектом мы уже встречались в теории относительности, там ход времени зависит от того, по каким часам его измерять. Со сверхсветовыми иллюзиями мы иногда встречаемся и в повседневной жизни. Например, скорость, с которой скользит по стене отраженное зеркалом пятно света, может принимать любые значения, вплоть до бесконечности, но ни энергия, ни вещество при этом не перемещаются и никаких нарушений причинности не происходит. Еще один пример – неоновая реклама, в которой буквы вспыхивают независимо одна от другой, и нам кажется, что каждая из них зажигает следующую: здесь неоновый сигнал также может бежать с любой скоростью.
Итак, чтобы выяснить, многовременная ли у нас Вселенная, нужно искать где-нибудь в космосе или в микромире среди элементарных частиц объекты, скорость которых выглядит как сверхсветовая. И такие объекты, оказывается, давно уже известны астрономам! Некоторые светящиеся тела на звездном небе и вправду движутся быстрее света. В том, что это так, сегодня нет никаких сомнений – это не ошибка наблюдений, а твердо установленный факт. Вот только экспериментальная информация о свойствах этих тел пока еще невелика, и все их удается объяснить оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени.
Вообще говоря, тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение – в момент пересечения его и нашей траекторий. Чуть раньше оно было еще в нашем прошлом, мгновение спустя оно окажется в нашем будущем. Если тело обладает необходимым устройством, то, находясь в прошлом, оно может послать нам радиограмму или просигналить световым зайчиком о своем прибытии и, в частности, сообщить нам время и координаты точки пересечения траекторий, чтобы не вынырнуть из прошлого внутри какого-либо другого материального тела, ведь тогда может произойти настоящая космическая катастрофа.
Правда, так будет, если наше временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве – это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где-то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из «временного далека» мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас в глубинах космоса…
В нашем мире мы привыкли видеть астрономические источники света – Солнце и звезды столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни. В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко приблизится к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.
Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее пяти миллиардов лет.
Как видим, многовременной мир, на первый взгляд, столь похожий на наш, на поверку оказывается обладателем удивительных свойств. Предметы там исчезают и появляются, как привидения, а звезды взрываются от случайно вдруг вынырнувшего внутри них иновременного вещества.
Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов прежде всего привлекают внимание к вопросам баланса энергии в многовременном мире. Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты будут компенсировать друг друга – вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.
Например, в абсолютно пустом пространстве из вакуума могут родиться две частицы с противоположно направленными друг к другу векторами энергии и общим балансом, равным нулю. Это может происходить в каждой точке бесконечного пространства – физики называют подобные явления распадом вакуума. Для внешнего наблюдателя такие процессы выглядели бы как неудержимый мгновенный взрыв пустоты с образованием бесконечно большого количества вещества.
Ученые уже очень давно обратили внимание на удивительный факт: уравнения физических теорий построены так, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправно. Получается, что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния, однако каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни это не так. Реальное время течет только в одном направлении.
Энергия времени по идее должна быть просто колоссальна. Если при атомных взрывах и в ядерных реакторах выделяются доли или, в самом лучшем случае, проценты запасенной в веществе энергии, то энергия временных трансформаций может быть равной всей энергии вещества. Так, при повороте временной траектории килограммового тела на один градус выделится энергия, вырабатываемая в течение недели всеми электростанциями нашей планеты.
Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии, и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.
Уже несколько десятилетий многие ученые уверены, что в космосе наряду с веществом должно быть и антивещество. Одно время даже тщательно анализировали вспышки метеоров в ночном небе, рассчитывая обнаружить среди них следы аннигиляционных взрывов кусков космического антивещества в земной атмосфере. Однако физики научились изготавливать античастицы и строить антиатомы на гигантских ускорителях – коллайдерах. Поскольку реликтовых тел с повернутыми временными траекториями тоже, по-видимому, нет в природе, можно ли повторить историю антивещества и научиться самим производить «материю с иным временем» в земных условиях?
К сожалению, ситуация тут принципиально иная. Античастицы рождаются при столкновениях обычных частиц, нужно только разогнать их до достаточно больших энергий – таких, чтобы наряду с античастицей всякий раз могла образоваться и компенсирующая ее античастица с противоположными качествами параметров, в частности зарядом.
Задача, в общем-то, техническая. Другое дело – частицы с повернутым временем. Векторы их энергии обязательно должны иметь компоненты, перпендикулярные нашему времени, – ведь если таких компонентов нет, то все энергетические векторы, а значит, и временные траектории, вдоль которых они направлены, параллельны нашей и мы имеем дело с одновременными телами. А если у частицы компоненты вектора энергии положительные, т. е. она, как и положено, движется вперед по времени – от прошлого к будущему, – то у компенсирующей частицы энергетические компоненты отрицательные (противоположные), и она будет двигаться вспять по времени, что, как мы видели выше, строго запрещено. Все это означает, что с помощью одновременных тел вектор времени повернуть нельзя. При столкновениях одновременных частиц всегда рождаются только одновременные частицы. Получается, что с помощью земных материалов нельзя построить завод для производства вещества с иным временем.
Вектор времени можно повернуть там, где не действует закон сохранения энергии и для рождения иновременного тела не нужно компенсирующего партнера. Такие процессы могут протекать в очень сильных гравитационных полях, например, вблизи черных дыр. Могут быть и другие возможности – космос еще плохо исследован. Больше надежд на то, чтобы встретить иновременные частицы в глубинах микромира. Благодаря квантовым скачкам энергия там на некоторое время может стать неопределенной, а на очень глубоких уровнях утрачивает свой смысл само направление полета «стрелы времени» вместе с противопоставлением прошлого и будущего.
Итак, пока что анализ гипотез о многомерных временах еще далеко не закончен. Математики, физики-теоретики и космологи продолжают выдвигать самые разнообразные предположения о временной структуре нашего мира. Многое говорит о том, что наша Вселенная действительно многомерна не только в пространстве, но и во времени. Просто пока еще дополнительные временные координаты глубоко скрыты от наших приборов.
Глава 13. Модели иных времен
Почему мы помним прошлое, но не помним будущего? Законы науки не отличают прошлого от будущего… Однако в обычной жизни существует огромное различие между движением вперед и назад во времени.
С. Хокинг. Будущее пространства и времениПространство в интерпретации математики состоит из точек (заметим – безразмерных, поскольку точка сама по себе является всего лишь математическим понятием), причем место какой-либо точки в нашем трехмерном пространстве определяется длиной, шириной, высотой – тремя координатами. Время состоит из моментов, оно одномерно, то есть для обозначения любого момента хватает всего одного числа. В реальности речь должна идти не о тысячах изображений одной вещи, но о великом множестве копий каждого предмета, участвующего в событиях. Любой из нас, если природа следует статической концепции времени, должен иметь на своей мировой линии впереди и позади себя тьму-тьмущую двойников, добавочных экземпляров самого себя. То есть двойниками-то они, конечно, являются только тогда, когда находятся сравнительно недалеко друг от друга во времени. Чем глубже в прошлое, тем явственнее ваши двойники молодеют, чем дальше в будущее – тем старше они становятся.
Такую картину мира иногда сравнивают с кинолентой: каждый ее кадр существовал и до того, как увеличенным попал на экран, но зритель-то видит его именно в этот и только в этот момент. На каждом кадре – одна из многих тысяч групп изображений, составляющих кинофильм, но существует каждый кадр отдельно.
Однако тут сами слова «прошлое» и «будущее» утрачивают свой привычный смысл: ведь прошлым мы называем ушедшее, исчезнувшее, будущим – то, что появится. А чтобы разобраться в порядке событий во времени, нужно только установить их последовательность друг относительно друга – одно из них случилось раньше другого, но позже третьего.
Модель на основе противоположных взглядов составляет динамическую модель времени, и большинство из нас в обыденной жизни твердо ее придерживается, зная, что прошлого уже нет (хотя оно скрыто в настоящем, которое выросло из прошлого), а будущего еще нет (хотя оно в том же настоящем заложено). В динамической модели прямо говорится о прошлом, настоящем и будущем, события не сосуществуют, а сменяют друг друга, возможное становится действительностью, реальность текуча, мир движется и развивается. Но в этой модели также есть свои трудности и логические противоречия.
Статическая и динамическая модели времени спорят друг с другом очень давно. Еще Платон находил, что для нашего земного мира справедлива динамическая концепция; а в божественном и вечном «мире идей» время соответствует статической модели. В начале прошлого столетия, с появлением теории относительности, интерес к статической модели снова возрос.
Десятки крупных философов отстаивали важность одной концепции и выводимость из нее другой. Но и не меньше было число высоких авторитетов, которые придерживались прямо противоположного мнения. Пока еще ни одной из моделей времени не удалось одержать убедительной победы. Сейчас бесполезно делать какие-либо прогнозы, но безусловно правы физики, утверждающие, что реальное время в окружающей действительности взаимосвязано с масштабом рассматриваемых явлений, и ни одна его модель не исчерпывает себя полностью.
В свое время Нильс Бор полагал, что утверждения, противоположные действительно глубоким истинам, – тоже глубокие истины. Подтверждением словам Бора может служить введенный в физике принцип корпускулярно-волнового дуализма, в соответствии с которым один и тот же микрообъект может быть описан по-разному, и как волна и как частица. А что касается статической и динамической моделей времени, то они в сущности противоположны, но их можно рассматривать как взаимодополняющие.
В философии времени есть еще пара противоборствующих моделей. Одна из них основана на концепции субстанциональной, а другая – на реляционной. В субстанциональной модели время – особая сущность, «субстанция», некий поток, который несет все, что есть в мире, причем существует независимо от вещей.
Пространство и время как особые сущности выступают, например, в картине мира, созданной Ньютоном. Здесь они образуют сцену, на которой разыгрываются физические явления; причем точно так же, как сцена остается на месте и после ухода актеров, так пространство и время должны сохраниться в классическом мире и в случае полного исчезновения материи. На это обращал особое внимание Эйнштейн, подчеркивая, что в мире теории относительности с исчезновением материи не стало бы ни пространства, ни времени. Они являются лишь производными от материи, зависят от нее.
В реляционной, или относительной, схеме каждый момент времени выражает только отношение к предшествующему и последующему состояниям, подобно тому, как относительным является положение каждой скалы в горной гряде.
Время в теории относительности согласуется с обеими концепциями, как со статической, так и с реляционной. Любая из составляющих тех пар моделей времени, о которых у нас шла речь, терпеть не может вторую составляющую той же пары, но легко сочетается с любой из представительниц пары другой. Каждая модель времени характеризуется определенным набором свойств, и эти свойства могут сочетаться или не сочетаться со свойствами, присущими другой модели.
Ярким примером сказанному служат построения Стивена Хокинга, исследующего противоречия между инвариантностью к направлению времени законов науки и огромным психологическим различием между прошлым и будущим в нашем сознании. Хокинг рассматривает три «стрелы времени»: термодинамическую, проявляющуюся в увеличении энтропии, космологическую, проявляющуюся в том, что Вселенная расширяется, а не сжимается, и психологическую, вследствие которой мы помним прошлое, а не будущее.
В ряде своих работ Хокинг излагает оригинальную идею о двух взаимно дополненных временах: действительном, в котором пространство – время обладает метрикой Минковского, и мнимом, в котором пространство – время является евклидовым четырехмерным многообразием. Мнимое время Хокинга уже не является необратимым временем, оно окончательно становится одним из измерений пространства, относительно которого можно двигаться как вперед, так и назад. При этом окружающее нас трехмерное пространство становится безграничной сферой, вписанной в евклидовое четырехобразие. В такой «темпоральной модели» нет границ и особых точек, поэтому процессы раздувания и сжатия Вселенной оказываются физически неразличимыми, как движения по поверхности сферы к экватору и от него.
Темпоральный мир Хокинга включает неизменное направление термодинамической стрелы как в фазе расширения, так и в фазе сжатия. Но расширение характеризуется «сильной стрелой». Напротив, в фазе сжатия беспорядок увеличивается очень мало. Далее Хокинг рассуждает следующим образом: нам – наблюдателям Вселенной – для интеллектуальной деятельности, направленной на уменьшение энтропии, требуется ее существенное увеличение (сильная термодинамическая «стрела времени») в окружающей нас среде. Из этого следует вывод о невозможности существования тех, кто наблюдает Вселенную в стадии ее сжатия.
Это красивая, хоть и не во всем доказанная теория. И тем не менее модель Стивена Хокинга не получила широкого распространения. Возможно, это связано с тем, что она не дает прямых ответов на вопросы о сущности времени и его связи с физическими законами. Время в модели Хокинга, как и в других геометрических моделях, присутствует изначально в виде линейной упорядоченности значений аргумента тех функций, которыми описываются эти законы. Однако вопрос о связи законов физики и геометрии с линейным порядком цепи событий и распределением состояний в ней не рассматривается. Если даже удастся доказать, что раздувание Вселенной, увеличение энтропии и характерная асимметрия нашей памяти взаимно согласованы, этот ансамбль будет свидетельствовать лишь о существовании в уже заданном времени взаимосвязанных необратимых процессов.
В свою очередь друг и коллега Хокинга Роджер Пенроуз считает, что необратимость времени объясняется временной асимметрией процедуры редукции волновой функции. При этом он относится к числу тех теоретиков, которых не удовлетворяет копенгагенская трактовка квантовой механики, предложенная Бором. С его точки зрения редукция волновой функции происходит по объективным причинам, не зависящим от сознания наблюдателя. Модель квантового времени Пенроуза базируется на следующих основных положениях: редукция волновой функции применима только в направлении от прошлого к будущему. Эта процедура пригодна только для расчета вероятностей будущих событий, исходя из прошлых. Процедура редукции не зависит от присутствия наблюдателя и его сознания. Редукция волновой функции происходит вследствие такого искривления пространства – времени, при котором неизбежно нарушаются правила квантовой линейной суперпозиции. Пенроуз считает, что именно в этом случае суперпозиция комплексных амплитуд в принципе допустимых альтернатив заменяется набором вероятностно-взвешенных реальных, из которых одна фактически имеет место.
Свою модель Пенроуз иллюстрирует на примере простого квантового эксперимента: вероятность регистрации фотона фотоэлементом при условии излучения фотона источником равна в точности одной второй, но вероятность излучения фотона источником при условии, что фотоэлемент зарегистрировал фотон, заведомо не равна половине.
Как считает Пенроуз, его схема действия квантового времени проявляется при сближении квантового объекта с измерительным прибором или иным объектом до масштаба кванта тяготения – гравитона. Таким образом, для описания квантовых процессов в искривленном пространстве – времени Общей теории относительности математический аппарат квантовой механики просто не подходит.
Выдающийся бельгийский физик и философ Илья Пригожин считал, что все парадоксы времени связаны с наличием на макро– и микроуровнях динамического хаоса, определяемого потоками энтропии как меры упорядочения окружающих нас явлений и процессов. Его темпоральная модель реальности сводится к тому, что все динамические системы, населяющие наш мир, делятся на два больших класса. Одни из них являются обратимыми, которые могут быть описаны в терминах траекторий, а другие – необратимыми, или хаотическими, которым соответствует несводимое описание. Несводимость описания хаотических систем означает невозможность перехода от вероятностного описания их поведения к детерминированному описанию в терминах траекторий.
Для космологических представлений времени Пригожин использовал образную феноменологическую модель переохлажденной жидкости на границе кристаллизации. В подобной метастабильной среде могут наблюдаться флуктуации температуры и плотности, приводящие к образованию микроскопических кристалликов. Такие кристаллики крайне неустойчивы и то появляются, то снова растворяются. Но вот несколько метастабильных микрокристалликов случайным образом сливаются вместе, запуская процесс агрегатного перехода. Так образуется крупный кристалл, и система теряет устойчивость, переходя в твердое агрегатное состояние. Согласно Пригожину, в состоянии агрегатного квазиравновесия «стрелы времени», управляющей макроскопическими эффектами, просто не существует. Она возникает только вместе с процессом фазового перехода, который приводит к необратимому образованию кристаллической среды. По словам Пригожина: «Аналогично, очень малая вероятность критической флуктуации в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нем в латентной, потенциальной форме, но проявляется только когда неустойчивость приводит к рождению новой Вселенной. В этом смысле время предшествует существованию Вселенной».
В данной модели обратимый динамический процесс не может претендовать на роль референта времени из-за отсутствия в нем требуемой асимметрии. Однако неустойчивый необратимый процесс хотя и обладает требуемой асимметрией, не может быть использован для измерения времени. Его состояния не могут быть использованы в качестве численных значений моментов времени вследствие экспоненциального расхождения любых, сколь угодно близких вначале, траекторий и их бесконечного перепутывания, как это имеет место в странных аттракторах.
Сам автор данной темпоральной гипотезы считал: «Чтобы вопросы, задаваемые нами системе, имели физический смысл, они должны допускать устойчивые, т. е. грубые, ответы. Именно поэтому в подобных ситуациях мы вынуждены обращаться к статистическому описанию, остающемуся в силе при произвольных временах». Но для получения статистического описания требуются эксперименты и устойчивые измерения во времени. Не существует статистического описания чего-либо вне времени или в один единственный момент времени. Иными словами, несводимое описание неустойчивого динамического процесса уже подчинено временному определению статистического метода. Во всех случаях это временное определение достигается с помощью устойчивых обратимых периодических процессов, которые сами по себе требуют изначального определения во времени.
Критики модели термодинамического времени Пригожина указывают, что, как правило, динамические процессы не могут быть определены вне времени. Поэтому «стрела времени» не может быть следствием физических законов, описывающих динамику классических, релятивистских или квантовых систем. Впрочем, подобные соображения, подкрепленные умозрительными доводами, и сами по себе представляют лишь спекуляции в научном плане…
Наряду с темпоральными моделями Хокинга и Пенроуза физики бурно обсуждают и гипотезу времени известного квантового теоретика Дэвида Дойча, назвавшего ее «первой квантовой концепцией». Его идеи в целом базируются на знаменитой многомировой интерпретации квантовой механики Хью Эверетта. Согласно идее Дойча, настоящий момент, который мы называем «сейчас», не статичен, он постоянно «движется» в нашем восприятии в направлении будущего.
Это движение Дойч и называет потоком времени. Вся загадочность времени, по мнению автора «первой квантовой концепции», проистекает из его основного логического свойства – этой самой нестатичности «сейчас». Хотя предполагается, что «сейчас» – это множество одновременных событий, тем не менее не имеется ни малейшей, даже чисто умозрительной, возможности проверить эту гипотезу обозреть и, тем более, измерить «сейчас», ведь «сейчас» не имеет длительности. Дойч утверждает, что причина противоречивости общепринятой модели времени в том, что она не имеет смысла сама по себе. Бессмысленной, с его точки зрения, является идея предполагаемого движения настоящего момента в направлении будущего или предполагаемого движения нашего сознания от одного момента к другому.
Дойч критически рассматривает точку зрения операциональной копенгагенской трактовки квантовой теории, согласно которой реальность представляет собой суперпозицию альтернатив. Данные квантовые вероятности эволюционируют в пространстве, согласно уравнению Шредингера, вплоть до момента взаимодействия с прибором. После самого акта измерения наблюдатель получает возможность осознать одну из множества альтернатив. При этом сама апелляция к наблюдателю, никак не входящему в физические уравнения, делает данную идею в высшей степени парадоксальной.
С точки зрения многомировой концепции состояние каждого наблюдателя надлежит считать «расщепляющимся», так как наблюдатель как бы существует во множестве своих реплик, каждая из которых живет своей жизнью и обладает различным житейским опытом. Соответственно, и мир наблюдателя как бы расщепляется на множество (в принципе бесконечное) миров. И это шизофреническое (расщепляемое) состояние оператора преследует его при каждом измерении, производимом над окружающей реальностью. В таком представлении вероятность квантового состояния отражает относительное количество миров, где это состояние встречается, т. е. уже не является «потенциальностью». Парадокс коллапса волновой функции устраняется, но ценой чудовищного размножения ветвей мира при каждом новом акте осознания реальности наблюдателем.
Время в модели Дойча – это не последовательность текущих моментов, а нечто иное. Как считает сам автор данной квантовой концепции: «Наша интуиция относительно свойств времени в общем смысле истинна. Определенные события действительно являются причинами и следствиями друг друга <…> Мы существуем во множестве вариантов, во вселенных, называемых моментами».
Согласно этой модели мироздание представляет собой бесконечное множество вселенных, которые и являются моментами времени. Отдельные вселенные или их подмножества могут выступать в качестве причин и следствий по отношению к другим вселенным. Именно эта причинно-следственная связь порождает интуитивное чувство течения времени. Мультиверс Дойча не состоит из последовательности моментов, но концепция причины и следствия обретает в нем совершенный смысл. В обычном пространстве – времени (не Мультиверсе) причинно-следственное отношение является свойством не только самих причин и следствий, но и их вариантов, существующих лишь в нашем воображении. По мысли Дойча, в Мультиверсе варианты действительно существуют в различных соотношениях, и они подчиняются определенным детерминистическим законам.
Несмотря на экстравагантность, «первая квантовая концепция времени», как и другие, менее шокирующие идеи, опирается на все ту же геометрическую модель реальности. Это проявляется в самом понятии вселенной-момента. Действительно, что собой представляет подобный объект? Согласно многомировой концепции это множество одновременных сущностей – событий в одном из множеств параллельных пространств – времен.
Оппоненты Дойча считают, что именно здесь заложено серьезное внутреннее противоречие рассматриваемой модели. Ее автор утверждает, что множество вселенных Мультиверса не сосуществует одновременно, а проявляется по ходу измерений оператора. Но тогда может возникнуть проблема одновременности событий в отдельно взятой вселенной. Ведь наше субъективное ощущение присутствия в одной из вселенных Мультиверса обусловлено лишь тем, что сущности, населяющие ее, влияют на нас в большей степени, чем сущности, населяющие иные вселенные. Это означает, что отношение, которым определяется отдельно взятая вселенная, отличается от взаимного отношения различных вселенных лишь количественно. Тогда откуда будет вытекать такое существенно качественное отличие свойств – одновременность и неодновременность?
Совершенно неясно, чем обусловлена внутренняя конфигурация одновременных сущностей вселенной-момента. Каков механизм ее образования? Почему, допуская, что времени как отношения порядка на множестве моментов не существует, нельзя допустить такой «крамольной» мысли, что объективно не существует пространства как геометрического отношения на множестве событий в один единственный момент времени?
С другой стороны, при описании своей модели Дойч многократно говорит об ощущениях наблюдателя. Но при этом сам по себе механизм восприятия реальности сознанием наблюдателя в концепции не прописан. Известные модели этого механизма представляют его как процесс в уже существующем потоке времени. Но такой подход абсолютно неприемлем в рассматриваемой модели. Что в таком случае имеет в виду автор «первой квантовой концепции времени», когда говорит об ощущениях наблюдателя?
Дээвид Дойч (родился в 1953)
Британский физик-теоретик, один из пионеров в области квантовых вычислений и пропагандист эвереттовской многомировой интерпретации квантовой механики.
В своей теории Дэвид Дойч исследует не только модель времени, но и концепцию машины времени. Схема его рассуждений такова. Согласно принципу Тьюринга (для абстрактных компьютеров, имитирующих физические объекты и процессы), существует абстрактный универсальный компьютер, алгоритм действия которого включает моделирование любого физически возможного процесс. Далее Дойч задается простым вопросом: может ли существовать программа, описывающая темпоральные перемещения материального объекта?
Если бы достоверно было известно, что такой программы не существует, то принцип Тьюринга означал бы, «что путешествие во времени физически невозможно (поскольку он гласит, что все физически возможное можно передать с помощью некоторой программы)». Дойч не видит иных препятствий к возможности существования подобной программы, кроме известных парадоксов путешествия во времени. Центральная идея «первой квантовой концепции времени», заключающаяся в отождествлении множества вселенных Мультиверса с множеством моментов времени, позволяет ему построить модель путешествия в прошлое, свободную от парадоксальных петель времени. На этом основании Дэвид Дойч делает вывод: «Путешествие во времени, возможно, будет однажды достигнуто, а возможно, и нет, но оно не парадоксально».
В данном случае стоит отметить, что критики машины времени Дойча считают его анализ реалистичности идеи путешествия во времени несколько односторонним. Сосредоточив свои усилия на доказательстве отсутствия в нем парадоксов, он оставил без внимания саму возможность существования программы, передающей это путешествие. Для анализа этой возможности обычно рассматриваются некоторые аспекты моделирования универсальным компьютером Тьюринга путешествия на пять минут назад в прошлое, описанного Дойчем в книге «Структура реальности».
С этой целью можно представить себе, что малейшее изменение состояния универсального компьютера регистрируется неким прибором. Итак, программа компьютера воссоздает образ лаборатории накануне запуска машины времени в 12:00. К этому времени в памяти прибора зарегистрировано некоторое количество событий, произошедших в универсальном компьютере. В 12:05 оператор входит в цилиндр машины времени с вращающейся дверью. К этому времени прибор регистрирует увеличение событий, произошедших в компьютере за истекшие пять минут. Совершив один оборот с вращающейся дверью, экспериментатор вновь входит в лабораторию, но уже в прошлом, а именно в 12:00.
Спрашивается, что покажет регистрирующий аппарат в этот момент времени? Если программа компьютера точно представляет рассматриваемый процесс, то он должен показать исходное число событий, произошедших к 12:00. Если же он зафиксирует любое иное число событий, то это будет неточным представлением мира, в котором оказался экспериментатор. Допустим, что в тот момент, когда оператор вновь попал в лабораторию, выйдя из машины времени, в компьютере Тьюринга совершится еще больше событий (а программа будет при этом демонстрировать лабораторные часы, показывающие 12:00). В таком случае имеем банальное «прокручивание» в сознании разочарованного экспериментатора ранее отснятого клипа, но никак не представление путешествия во времени. Получается, что, в отличие от истинного путешествия во времени, наблюдатель, хоть и видит часы, показывающие время в прошлом, тем не менее ясно осознает, что сам он по отношению к показаниям этих часов находится в будущем. Его интуиция основана на правильном подсчете событий. Если ей (интуиции) известно, что одному из моментов соответствует большее число событий, чем второму, то никаким способом ее не убедить в том, что первый момент наступил раньше второго.
Но чтобы программа точно представляла перемещение на пять минут в прошлое, она должна сначала увеличить количество событий, а затем уменьшить до исходного значения. Возможно ли нечто подобное? Нет! В мире не существует физического объекта и математической программы, способных уменьшить хоть на единицу количество произошедших в нем событий. В качестве примера можно привести число «тиканий» любых часов, которое всегда увеличивается. Но «тиканье» часов – это и есть метка некоторого количества событий в мире.
Следовательно, мы приходим к неутешительному выводу. Программы, точно передающей путешествие во времени, не существует в принципе, а значит, согласно принципу Тьюринга, путешествие во времени физически невозможно, поскольку невозможно передать его с помощью какой-либо программы.
Здесь заложен запрет более глубокий и сильный, чем тот, который содержится во втором начале термодинамики. Любой процесс в физической и виртуальной реальности может развиваться лишь в направлении увеличения количества событий.
Традиционная философия, опирающаяся на геометрическую модель реальности, вполне удовлетворяла запросам науки, пока мы не спрашивали себя о причинах физических законов, о принципах их постижения нашим сознанием и о том, какую роль во всем этом играет время. Но, задав себе подобные вопросы, мы подобно Августину Аврелию замечаем, что уверенность в нашем понимании природы реальности иллюзорна. Создав геометрическую модель реальности, мы, ослепленные ее успехом, решили, что пространство рождает все – и законы взаимодействия, и «стрелу времени». Тем не менее теория, которая бы подтвердила это предположение, так и не создана до сих пор.
Магия настоящей науки способна творить чудеса! Именно таким предстает лейтмотив недавно вышедшей монографии видного кибернетика Л. М. Пустыльникова, выдающегося специалиста в области теории управления системами с распределенными параметрами. В своей книге профессор Пустыльников рассказывает об удивительной «Управляющей парадигме мира», дающей ключи к управлению самим пространством – временем.
Профессор Пустыльников и его коллеги А. Г. Бутковский и О. И. Золотов решили объединить в математических моделях принципы теоретической физики и теории управления – кибернетики. Так возникла междисциплинарная область исследований, включившая в себя математику, теоретическую и математическую физику, техническую кибернетику, а также теорию управления.
Прежде всего перед исследователями встал вопрос, который до них задавали многие математические светила: как получается, что математика, возникшая от счета собственных пальцев, может так прекрасно описывать окружающий мир? Ответом здесь может служить своеобразный «Закон 100-процентной эффективности математики», выдвинутый в свое время А. Г. Бутковским. В нем говорится: как для любой реальности существует описывающая ее математическая структура, так и для любой математической структуры где-то существует соответствующая реальность.
В те времена подобные теории вызывали волны критики, а сегодня они полностью укладываются в поразительную модель Мультиверса. В этой схеме многомирового мироздания нас окружают бесконечно разнообразные вселенные. Среди них теоретически можно найти все что угодно: от полностью мертвых миров до волшебных земель, населенных сказочными существами. Эти миры могут проявлять себя в нашем пространстве через «провалы космического пространства», как писал об этом Ефремов в «Часе быка».
Давно были угаданы области отрицательной гравитации в космосе, но лишь три века назад они получили свое объяснение, как провалы из нашего мира в Тамас, или в нуль-пространство. Иногда в них бесследно исчезали звездолеты иных цивилизаций, не приспособленные для движения в нулевом пространстве. Еще большей опасности подвергается звездолет прямого луча. При малейшей ошибке в уравновешивании полей он рискует соскользнуть или в наше пространство Шакти, или в пространство Тамаса. Из Тамаса вернуться невозможно. Мы просто не знаем, что делается там с нашими предметами. Происходит ли мгновенная аннигиляция, или же все активные процессы так же мгновенно замирают, превращая, например, звездолет в глыбу абсолютно мертвого вещества (это новое понятие вещества тоже явилось следствием открытия Тамаса).
Отсюда и родилась удивительная концепция, получившая название «Управленческая, или кибернетическая, парадигма мира». В ней утверждается, что все окружающие нас явления основаны на схеме управления с обратной связью, содержащей некие регуляторы, естественно присутствующие в природе и обществе. При этом часто наблюдаемые в природе флуктуации, как отклонения от равновероятных процессов, являются не чем иным, как ошибками, или погрешностями, работы этих регуляторов.
Таким образом возникает оригинальная, «управленческая» точка зрения на физико-кибернетическое устройство мироздания. Она не только помогает понять, как построить формально-логические «скелетоны» фундаментальных законов природы, но и указывает на фантастический путь к их рукотворному изменению.
Предлагается рассматривать понятие пространства, его геометрию и законы движения как конструкции, необходимые для отображения этой реальности в сознании наблюдателя. Отдельно взятое событие (момент времени) при таком подходе не может быть содержательно интерпретировано. Только последовательности событий может быть поставлен в соответствие некий объект (в простейшем случае – точка) в пространстве. А в таком случае все свойства реальности, в том числе и геометрические, изначально содержатся в закономерностях чередования моментов времени. И все они могут быть схематизированы кибернетическим образом!
Ну, а каким же предстает время не в той или иной теории, а в действительности? Какая его модель точнее, вернее, справедливее, полнее? Похоже, что на последний вопрос ответить довольно трудно. И даже не потому, что он преждевременен. Само по себе время – это больше и сложнее, чем его модели. Наш мир достаточно многогранный, в нем есть простое и сложное, сходное и противоположное. Каждое новое открытие, каждая достаточно обоснованная гипотеза способствуют уточнению того, что же такое время.
Впрочем, есть веские причины считать, что подход к подобным вопросам содержится в новых книгах профессора Пустыльникова «Кибернетика физики», «Законы физики как объекты управления», «Физико-кибернетический принцип взаимности» и «Физико-кибернетический принцип взаимности и формирование физической реальности», которые он недавно представил на суд научной общественности. Ведь в данном случае речь впервые идет о принципах выживания человечества в грядущих космических катастрофах планетарного, галактического, метагалактического и даже вселенского масштаба путем искусственного изменения… самой физики времени!
Глава 14. Релятивистское Зазеркалье
При любом взаимодействии частица, имеющая отрицательную энергию и движущаяся в конечном (начальном) состоянии реакции обратно во времени, должна интерпретироватьс я как соответствующая античастица, имеющая положительную энергию и движущаяся вперед во времени в начальном (конечном) состоянии реакции.
В. С. Барашенков. Тахионы. Частицы, движущиеся со скоростями больше скорости светаОдной из главных констант в науке вообще, и физики времени в частности, является скорость света. Эта фундаментальная постоянная не только принципиально ограничивает нашу скорость передвижения в материальной среде, но разделяет мир частиц на две неравные части. Большую часть составляют тардионы, они обладают массой покоя и движутся медленнее света. Вторую категорию составляют люксоны, они лишены массы покоя и передвигаются исключительно со световой скоростью, сюда же входят и сами частицы света, или кванты электромагнитного излучения – фотоны.
Есть и еще один неформальный класс гипотетических частиц, куда входят такие неоткрытые объекты, как гравитоны, передающие действие силы гравитации, и тахионы, летящие со сверхсветовыми скоростями.
Последние теоретически предсказал в 1967 году американский физик Джеральд Фейнберг (независимо от индийского теоретика Эннакала Сударшана).
Вот только сами тахионы с тех пор, как их теоретически открыли, так и не попались на глаза ученым. Их свойства приходится описывать заочно, причем первое, что бросается в глаза, – это запрет на существование сверхсветовых скоростей в теории относительности. Хотя, строго говоря, это неверно, ведь, по теории Эйнштейна, лишь тела, обладающие массой, не могут обогнать свет. Тахионы, лишенные массы покоя, вполне вписываются во все уравнения этой теории и разве только, как шутят физики, «противоречат ее духу».
Шутки шутками, но если тахионы удастся обнаружить, в этом не будет ничего удивительного. В физике не раз бывало так, что элементарная частица, рожденная на кончике пера, вскоре начинала жить самостоятельной жизнью в лабораториях экспериментаторов. Так было с позитронами, антипротонами, нейтрино и кварками. Все они были вначале описаны, а потом найдены. Вот и свойства тахионов достаточно подробно предсказаны сторонниками их существования.
Схематичные модели тахионов:
а) Тахионы, как и фотоны, не могут находиться в состоянии покоя; их масса покоя является величиной мнимой; б) теряя энергию, тахион лишь увеличивает свою скорость. Когда его энергия близка к нулю, скорость движения становится бесконечно велика. И, наоборот, поглощая энергию, тахион замедляет свое движение; теперь его скорость близка к световой; в) в мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое. Быть может, если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с безукоризненной точностью.
В научной фантастике с помощью сверхсветовой тахионной связи информация из будущего направляется в прошлое, чтобы повлиять на еще не произошедшее. Таким образом, тахионы являются совершенно незаменимыми деталями для любой машины времени. Вот только можем ли мы, состоящие из тардионов, ставить эксперименты с элементами, сложенными из совсем иной материи? Не запрещено ли это законами природы?
В действительности, проектирование тахионных устройств сразу же приводит к парадоксам, например, если запрограммировать тахионный силовой агрегат так, чтобы он взорвался в определенное время, получив предварительный приказ, отправленный после взрыва. Но если машина в самом деле получит предварительную команду и спустя некоторое время взорвется, то никакой приказ никогда не отправится из прошлого. А если этого не произойдет и она не взорвется, в этом случае приказ будет отправлен… Возникает цепь логических неувязок, связанных с тем, что устройство взорвется, если… не взорвется.
Подобные неувязки обычно служат главным возражением против существования тахионов. Если бы к нам беспрерывно прилетали вести из будущего, мир превратился бы в хаос, в котором исчезло бы всякое представление о причинах и следствиях. И хотя большинство физиков твердо придерживается такого мнения, все же вполне возможно, что ученые не совсем точно представляют себе все возможности мира тахионов?
А вообще, всегда ли мы правы, стремясь дойти в происходящем до сути – до четкой картины причин и следствий? Некоторые исследователи полагают, что уже в опытах наших современников удается проникать в таинственный мир тахионов. Время от времени из какой-нибудь научной лаборатории приходит известие о том, что в эксперименте удалось достичь сверхсветовой скорости. Однако всякий раз оказывалось, что результаты опытов были несколько иными, более прозаичными.
Если же тахионы никак не взаимодействуют с материей, то и обнаружить их нельзя. Мир тахионов, образно говоря, «параллелен» нашему миру; они не пересекаются друг с другом. Мы можем описывать тахионы на языке математики, но эти формулы не оживут для нас ни в одном эксперименте.
Но отбрасывать саму идею тахионов нельзя, говорят энтузиасты. Тахионы могут существовать отнюдь не перечеркивая теорию Эйнштейна, а вписываясь в нее – пусть даже на сверхсветовых скоростях! Но ведь, согласно законам теории относительности, по мере приближения скорости любого тела к скорости света масса этого тела катастрофически возрастает, так как вместе со скоростью тела растет и его энергия.
Запрет на достижение сверхсветовых скоростей распространяется на обычные частицы, которые обладают массой покоя и двигаются с досветовыми скоростями. А в случае тахионов такой запрет не действует – их масса покоя является величиной мнимой, и движутся они только быстрее света, потому что не могут двигаться медленнее или точно с той же скоростью. В принципе здесь нет ничего необычного, ведь мы не удивляемся тому, что частицы света – фотоны – рождаются сразу же при движении со скоростью света.
Тахионы имеют еще одно необычное свойство. При взаимодействии с окружающей средой они не теряют энергию, а приобретают ее, при этом не замедляются, а ускоряются! А если каким-нибудь способом сообщить тахиону дополнительную энергию? Скорость станет меньше. Но чтобы снизить скорость до светового барьера, этой энергии понадобится так же много, как и обычной частице для разгона. Итак, чем тахион быстрее, тем он беднее энергией.
Вообще говоря, тахионы не столь уж невозможно парадоксальны. Физика знает не менее удивительные ситуации. Например, у фотона масса покоя равна нулю, и тем не менее фотон реален. И в ходе эксперимента удается измерять время существования тахионов, фиксируя вполне реальные энергию и импульс.
Можно в очередной раз удивляться тому, как современная физика обращается со здравым смыслом. Но не будем забывать, что это не наука зачеркивает здравый смысл, это сегодняшний здравый смысл выступает против себя вчерашнего. Тахионы появились, разумеется, как частицы гипотетические, но теоретически исследовать их стали только после того, как выяснили, что законы физики не налагают на них прямого запрета. А искать их в экспериментах стали тогда, когда исследователи встретились с загадками, к которым в качестве отгадки вполне подошли бы тахионы.
Экспериментаторы пытались получить тахионы на мощных ускорителях. Но обычные частицы, что бы с ними на этих ускорителях ни проделывали, отказывались рождать тахионы (или же ученые просто не умели эти тахионы ловить).
Не нашли тахионы и в космических лучах. Между тем, по одной из гипотез, самые обыкновенные фотоны, частицы света, должны распадаться на тахионы и антитахионы. При этом получается, что Вселенная буквально насыщена потоками тахионов. Может быть, все дело в том, что мы не умеем их ловить, регистрировать, как совсем недавно не умели ловить нейтрино, еще раньше – позитроны, нейтроны, а до этого – даже обыкновенные радиоволны? Может, тахионы ищут не там?
Если тахионы все же взаимодействуют с обычным веществом, то тут-то и начинается подлинная фантастика. Потому что сам факт существования тахионов приводит к странным вещам, которые в определенных условиях должны происходить и со временем, и с причинно-следственной связью, той самой связью, на которой держится наш огромный мир. Речь идет о возможности путешествия в прошлое, правда, только для элементарных частиц (с визитом к Ивану Васильевичу /Грозному/ придется несколько повременить), хотя и при этом возможно, что причина и следствие поменяются местами во времени. Фантастика придумала много способов разрешить этот парадокс или хотя бы как-то обойти его.
Главным здесь является понятие «петля времени». Этот термин уже встречался в нашей книге и означает логический парадокс при совершении в прошлом действия, изменяющего уже состоявшееся настоящее. В научных трудах, посвященных физике микромира, также можно встретиться с понятием «петля времени», которое вытекает из определенных теоретических предпосылок. Но, как следует из формул, никакие превращения не нужны для образования петли времени, если мы имеем несколько связанных друг с другом источников тахионов. Каждый новый сигнал будет получен не позже, как следовало бы, а раньше предыдущего. Но самое любопытное – это то, что тахион при переходе к другой системе координат может оказаться в ней частицей с отрицательной энергией, а также то, что он может двигаться обратно во времени из будущего в прошлое.
Таким образом, тахионы, предстающие частицами, существование которых сразу возможно и невозможно, воплощают парадоксальность современной физики. Формально ученые принимают подобные частицы с отрицательной энергией за античастицы с положительной энергией, двигающиеся во времени в обычном направлении.
Аналогичным образом когда-то решил проблему позитрона знаменитый теоретик Поль Дирак. Он предложил рассматривать позитрон, то есть частицу с массой электрона, но заряженную положительно, просто-напросто как пустое место, дырку на сплошном фоне обычных электронов с отрицательным зарядом.
Поль Дирак (1902–1984)
Выдающийся британский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики.
Из этого многие ученые делают простой вывод: тахионов или нет, или их взаимодействие с обычными частицами невозможно. Другие ученые предлагают усложнить само представление о причинности, как уже усложнились в современной физике многие представления, считая, что в особых случаях следствие может опережать при – чину.
Однако никакие самые тонкие эксперименты не показали нам пока, что такое явление возможно. А критерием истинности любой теории является ее опытное подтверждение. Здесь у физиков есть устойчивое мнение, что если тахионы существуют, и связанные с ними парадоксы имеют место, то сфера их проявления – ультрамалые пространства и сверхкраткие временные интервалы. Тут возникает любопытный вопрос: а стоит ли иметь сверхсветовые скорости, чтобы прилагать их в таком масштабе?
Но, во-первых, силы, сжимающие атомное ядро, действуют тоже на очень маленьких расстояниях, однако лишь благодаря им существует окружающий нас мир материальных тел. И вполне может быть, что тахионы также играют в нашей Вселенной не менее важную роль. Ну, а во-вторых, теоретически изучаемые на тахионах парадоксы движения со сверхсветовой скоростью еще могут пригодиться на практике. Ведь обязательно придет время, когда ученые начнут практические исследования возможностей преодоления светового предела скорости.
Глава 15. Время сингулярного безвременья
Был ли Большой взрыв началом времени – или Вселенная существовала и до него? Лет десять назад такой вопрос казался нелепым. В размышлениях о том, что было до Большого взрыва, космологи видели не больше смысла, чем в поисках пути, идущего от Северного полюса на север. Но развитие теоретической физики и, в частности, появление теории струн заставило ученых снова задуматься о предначальной эпохе.
Г. Венециано. Миф о начале временЧто же можно сказать о времени до начала Вселенной? Возникло ли время вместе с нашим миром – или существовало «всегда»? Сегодня в среде физиков-теоретиков все больше кристаллизуется точка зрения, что время в сверхплотном состоянии космологической сингулярности принципиально меняет свои свойства. При рождении новых вселенных из вакуумной пены происходит формирование физических законов и изменение всех физических параметров включая размерности пространства и времени.
С давних пор философы спорят о том, есть ли у Вселенной определенное происхождение, или она существовала всегда. Общая теория относительности подразумевает конечность бытия – расширяющаяся Вселенная должна была возникнуть в результате Большого взрыва. Мы знаем, что живем в расширяющейся Вселенной. Так называемая стандартная модель, доминирующая в современной космологии, утверждает, что если бы мы двигались вспять по времени, то пришли бы к сингулярности – точке, которая содержит все вещество и всю энергию Вселенной. Однако стандартная модель не позволяет нам описать эту сингулярность потому, что законы физики неприменимы к точке, соответствующей бесконечно большой плотности вещества и энергии. Неудивительно, что патриарх современной космологии Джон Уилер утверждал, что Большой взрыв ставит нас перед лицом «величайшего кризиса в физике». Можем ли мы воспринимать Большой взрыв как реальное событие, и как можно примирить это событие с законами природы, обратимыми во времени и детерминистическими? Мы снова возвращаемся к проблемам измерения и необратимости, но теперь – в космологическом контексте.
Однако в самом начале Большого взрыва теория относительности не действовала, поскольку все происходившие в тот момент процессы носили квантовый характер. В теории струн, которая претендует на звание квантовой теории гравитации, вводится новая фундаментальная физическая постоянная – минимальный квант длины. В результате старый сценарий Вселенной, рожденной в Большом взрыве, становится несостоятельным.
Большой взрыв все же имел место, но плотность материи в тот момент не была бесконечной, а Вселенная, возможно, существовала и до него. Симметрия теории струн предполагает, что у времени нет ни начала, ни конца. Вселенная могла возникнуть почти пустой и сформироваться к моменту Большого взрыва или пройти несколько циклов гибели и возрождения. В любом случае эпоха до Большого взрыва оказала огромное влияние на современный космос. Еще древние греки ожесточенно спорили о происхождении времени. Аристотель отвергал идею о наличии некоего начала, объясняя это тем, что из ничего ничто не возникает. А поскольку Вселенная не могла возникнуть из небытия, значит, она существовала всегда. Таким образом, время должно бесконечно простираться в прошлое и в будущее. Христианские богословы отстаивали противоположную точку зрения. Так, Блаженный Августин утверждал, что Бог существует вне пространства и времени и может создавать их точно так же, как и другие аспекты нашего мира. На вопрос «Что Бог делал прежде, чем создал мир?» одиозный теолог отвечал: «Время само является частью Божьего творения, просто не было никакого прежде!».
Если мы будем просматривать космическую историю в обратном порядке, то увидим, как все галактики будто проваливаются в черную дыру и сжимаются в единственную бесконечно малую точку – сингулярность. При этом плотность материи, ее температура и кривизна пространства – времени обращаются в бесконечность. На сингулярности наша космическая родословная обрывается и дальше в прошлое простираться не может.
Условия вблизи нулевого момента времени, соответствующего началу Большого взрыва, настолько экстремальны, что никто пока не знает, как решать соответствующие уравнения. Тем не менее специалисты по теории струн берут на себя смелость высказывать догадки о том, что представляла собой Вселенная до Большого взрыва. Сейчас в ходу две модели.
Первую из них, известную как предвзрывной сценарий, физики-теоретики начали разрабатывать в последнее десятилетие прошлого века. В ней принцип темпорального дуализма объединяется с более известной симметрией обращения времени, в силу которой физические уравнения работают одинаково хорошо независимо от направления времени. Такая комбинация позволяет говорить о новых возможных вариантах космологии, в которых Вселенная, скажем, за несколько мгновений до Большого взрыва расширялась с такой же скоростью, как и через мгновение после него. Однако изменение скорости расширения в эти моменты происходило в противоположных направлениях: если после Большого взрыва расширение замедлялось, то перед ним – ускорялось. Короче говоря, Большой взрыв, возможно, был не моментом возникновения Вселенной, а просто внезапным переходом от ускорения к замедлению.
Прелесть такой картины состоит в том, что она автоматически подразумевает более глубокое понимание теории инфляции: Вселенная должна была пройти период ускорения, чтобы стать настолько однородной и изотропной. В стандартной теории ускорение после Большого взрыва происходит под действием введенного специально для этой цели инфлатона. В предвзрывном сценарии оно происходит перед взрывом как естественное следствие новых видов симметрии в теории струн.
В соответствии с такой моделью Вселенная перед Большим взрывом была почти идеальным зеркальным изображением самой себя после него. Если Вселенная безгранично устремляется в будущее, в котором ее содержимое разжижается до скудной кашицы, то она также бескрайне простирается и в прошлое. Бесконечно давно она была почти пуста: ее заполнял лишь невероятно разреженный хаотический газ из излучения и вещества. Силы природы, управляемые дилатоном, были настолько слабы, что частицы этого газа практически не взаимодействовали друг с другом.
Но время шло, силы возрастали и стягивали материю воедино. Случайным образом материя скапливалась в некоторых участках пространства. Там ее плотность в конечном счете стала настолько высокой, что начали образовываться черные дыры. Вещество внутри таких областей оказывалось отрезанным от окружающего пространства, т. е. Вселенная разбивалась на обособленные части.
Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр – не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства – времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной.
Спираль времени
Со времени создания теории Большого взрыва научное сообщество реагировало на необычную природу этой сингулярности, пытаясь полностью исключить Большой взрыв или рассматривая его как своего рода «иллюзию», возникающую вследствие использования некорректного понятия времени, или даже как чудо сродни библейским, о которых повествует Книга Бытия.
Как мы уже упоминали, обсуждать космологию ныне невозможно без обращения к теории относительности, «самой красивой теории в физике», как говорится в знаменитом курсе теоретической физики Льва Ландау и Евгения Лифшица. В ньютоновской физике, даже расшифрованной квантовой механикой, пространство и время заданы раз и навсегда. Кроме того, существует универсальное время, общее для всех наблюдателей. В теории относительности это не так; пространство и время становятся частью картины. Какие последствия имеет это обстоятельство для нашей собственной интерпретации?
В одной из своих последних книг «О времени» видный теоретик Пол Дэвис так комментирует влияние теории относительности: «Самое деление времени на прошлое, настоящее и будущее представляется лишенным физического смысла». Дэвис повторяет знаменитое высказывание Германа Минковского: «Таким образом, пространство само по себе и время само по себе обречены на то, чтобы превратиться в тени».
Здесь полезно привести известное высказывание Эйнштейна о том, что для убежденных физиков различие между прошлым, настоящим и будущим – иллюзия, хотя и стойкая. Но в конце своей жизни Эйнштейн, насколько можно судить, все же изменил свое мнение. В 1949 году издали сборник статей, посвященный Эйнштейну, в котором был материал выдающегося математика Курта Геделя, весьма серьезно воспринимавшего высказывание Эйнштейна о том, что время как необратимость – всего лишь иллюзия. Когда Гедель предложил Эйнштейну космологическую модель, в которой можно было вернуться в собственное прошлое, Эйнштейн отнюдь не пришел в восторг. В своем ответе Геделю он писал, что не верит в то, будто может «телеграфировать в свое прошлое». Эйнштейн даже добавил, что невозможность возвращения в прошлое должна привести физиков к пересмотру проблемы необратимости. Именно это и пытаемся сделать мы.
Во всяком случае мы хотим подчеркнуть, что переворот в физических представлениях, произведенный теорией относительности, не повлиял на наши предыдущие заключения. Необратимость, или течение времени, остается таким же «реальным», как в нерелятивистской физике. Возможно, мы могли бы даже утверждать, что необратимость играет даже большую роль, когда мы переходим к все более высоким энергиям.
Было высказано предположение, главным образом Хокингом, что на раннем этапе развития Вселенной пространство и время утрачивают всякое различие, и время становится «опространствованным». Но, насколько нам известно, никто не предложил механизм для такого опространствования времени и не указал, каким образом пространство и время могли возникнуть из того, что часто называют «пеной».
Сегодня у части теоретиков весьма распространена позиция, в которой Большой взрыв считается необратимым процессом в истинном смысле слова. На этой основе возникла группа гипотез, в которых довзрывная Правселенная, которую иногда называют квантовым вакуумом, испытывает на пути к нашей реальности своеобразный необратимый космологический фазовый переход. Необратимость должна была возникнуть вследствие нестабильности в Правселенной, вызванной взаимодействиями гравитации и вещества. Ясно, что в этих вопросах мы подходим к краю положительного знания в опасной близости к научной фантастике.
Тем не менее все больше космологов приходят к мысли, что необратимые процессы, связанные с динамическими эффектами, могли сыграть важнейшую роль в рождении нашей Вселенной. С подобной точки зрения время представляется вечным и неуничтожаемым даже в пучинах будущего Большого разрыва или Большого хлопка. Интуитивно это можно как-то понять, но очень трудно осмыслить, ведь все вокруг, начиная с нас самих и кончая Метагалактикой, имеет свой возраст, а вот у самого времени может не оказаться ни начала, ни конца.
Подобная философия сближает многие традиционные взгляды, бытующие в космологии. В основе тут лежит теория стационарного состояния, разработанная Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом. В ней рассматривается крайне неустойчивая вакуумная среда, квантовые флуктуации которой породили Большой взрыв и в конечном итоге всю нашу Вселенную.
Разумеется, как это уже не раз отмечалось, здесь просто невозможно избежать определенного спекулятивного элемента. Тем не менее, по мере развития квантовой космологии и хроноквантовой физики подходы, акцентирующие внимание на роли времени и необратимости, формулируются все более точно и универсально. При этом вряд ли кто-то будет спорить, что истина «в последней инстанции» по-прежнему остается для нас недосягаемой. Здесь можно привести мнение известного индийского специалиста в области космологии и астрофизики Джайянта Нарликара, отмечавшего, что современная астрофизика придерживается того мнения, что «наиболее важная космологическая проблема» была более или менее решена в этом столетии за исключением нескольких сюрпризов. Впрочем, написано это было еще в конце прошлого века, до открытия ускоренного расширения Вселенной и гравитационных волн.
Так когда же началось время? Наука пока не дает окончательного ответа. И все же, согласно двум потенциально проверяемым теориям, Вселенная – а значит, и время – существовала задолго до Большого взрыва. Если один из этих сценариев соответствует истине, то космос существовал всегда. Возможно, однажды он снова коллапсирует, но не исчезнет никогда.
Глава 16. Время в биологии и искусстве
Если существует бесконечно много миров, то должны существовать все возможные комбинации событий… Следовательно, где-то все должно быть верно… Где-то должна быть вселенная, в которой Гекльберри Финн – реальное лицо, проделывающее в точности то, что он проделывал в романе Марка Твена. Более того, существует бесконечно много миров, в которых Гекльберри Финн проделывает все возможные вариации того, что Марк Твен мог бы заставить его проделывать в своем романе… И в бесконечно многих мирах условия существования таковы, что у нас нет ни слов, чтобы описать их, ни сил, чтобы мысленно представить их себе.
Ф. Браун. Что за безумный мирСуществуют еще и очень странные результаты восприятия длительности событий человеческой психикой. Ведь у человека как бы два времени – неравномерное внутреннее, управляющее процессами в его организме, и абсолютное внешнее, измеряемое разными электронными и механическими часами.
Если немного поразмыслить над природой внутреннего времени, то окажется, что оно также распадается еще на два – биологическое и психическое. Биологическое время тесно связано с ритмами жизнедеятельности любого организма. Это легко проверить, прикоснувшись к пульсу на руке. Чем медленнее протекают жизненно важные процессы, тем реже бьется пульс, отражающий сердечный ритм, замедляется ток крови и работа головного мозга – человек, да и любой другой высший организм, впадает в сон.
Биологическое время может замедляться в широких пределах от сонливого состояния до полного анабиоза – пока еще фантастического состояния с очень редким сердечным ритмом. Время организма может и резко ускоряться в моменты сильного возбуждения. При этом в кровь начинает поступать адреналин – гормон мозгового вещества надпочечников. Адреналин участвует в реализации реакций типа «бей или беги», его выброс происходит при ощущении опасности, тревоге, страхе, травмах и шоковых состояниях.
Психическое время – это наше субъективное восприятие длительности чего-либо. Оно, конечно же, связано с биологическим временем, но связь эта довольно сложная и далеко неоднозначная. Так, длительный сон может психологически восприниматься, как одно мгновение, а неприятная медицинская процедура, кажется, длится целую вечность. Нам часто кажется, что в период мучительного ожидания чего-либо время просто «останавливается» – и наоборот, «пролетает» в радостных событиях.
Есть в психологии восприятия времени и очень необычные эффекты. К примеру, это происходит, когда во время сильнейшего эмоционального взрыва бурные потоки внутренних времен встречаются и как бы останавливают восприятие окружающего мира. Психологи знают много подобных случаев, да и автору в детстве «посчастливилось» побывать в подобной ситуации.
Время замедляется во время аварии или прыжка с парашютом. Это происходит потому, что мозг обрабатывает гораздо больше деталей за единицу времени. В памяти эти события тоже откладываются более детально.
В те далекие времена любимой забавой крымской детворы был спуск на очень высокой скорости по крутым дорожным серпантинам. В качестве средства передвижения мы использовали далеких предков современных скейтов – дощатые доски с роликами из подшипников. Как-то раз, разогнавшись до совершенно немыслимой скорости, наш караван встретил вынырнувший из-за крутого поворота грузовик. Кто-то успел затормозить, кто-то слетел на обочину, а моя доска катила прямо под колеса машины. В последний момент мне все же удалось каким-то чудом отвернуть от надвигающейся машины, и мой самокат, столкнувшись с бордюрным камнем, воспарил над придорожными кустами. Взлетев в воздух, я ощутил не страх, а совершенно неописуемое состояние какого-то лихорадочного восторга. Вблизи застыл грузовик с перекошенной маской ужаса и ярости физиономией водителя в окне, у обочины превратились в статуи с поднятыми руками и открытыми ртами мои приятели, вдали блестела бирюза моря, а подо мной, как на сильно замедленной съемке, поворачивалась земля с кустами ежевики.
Сколько для меня длилось такое необычное состояние полета, сказать трудно, но точно не мгновения, ведь я успел зачем-то прочитать номер машины (мы тогда любили играть в отгадывание номеров), заметил, что у моего друга раскололась пополам доска, а недалеко от моего носа парит серый богомол. Я даже успел с сожалением подумать о том, что моя доска тоже наверняка расколется от удара и мне не удастся поймать редкого серого богомола, между которыми мы устраивали гладиаторские поединки. Затем что-то как будто «щелкнуло», и время приобрело свой обычный ход, мгновенно забросив меня в колючие кусты ежевики….
Повзрослев, я часто вспоминал свой чудесный полет в замедленном времени, и сейчас мне кажется, что секунды объективного полета при этом превратились где-то в «психологическую» минуту.
Наша экскурсия в загадочные дебри «живого» времени была бы неполной, если бы мы не вспомнили о братьях наших меньших. Действительно, в биологии даже существует раздел зоопсихологии, занимающийся «умственной» деятельностью животных, и зоопсихологи давно уже говорят о различном восприятии времени у различных животных.
Наверное, в «психическом» времени содержится еще много удивительных эффектов, и может быть, психологи даже когда-нибудь научатся «растягивать» его и «сжимать», но к настоящему физическому времени это, увы, не имеет ни малейшего отношения. А наш рассказ посвящен именно объективному времени, существующему совершенно независимо от того, есть ли осознающий его разум во Вселенной или нет.
Среди сотни научно-фантастических фильмов, рассказывающих о путешествиях в прошлое и будущее, выделяется несколько блокбастеров. Это прежде всего вышедшие три десятилетия назад «Терминатор», «Назад в будущее» и более современные «Петля времени» с «Патрулем времени». Особенно выделяется сюжет австралийского фильма, в котором главный герой Итана Хоука, как «вневременной полицейский» отправляется в прошлое, чтобы предотвратить преступления, которые, оказывается, он сам и совершил, запутавшись в «узлах времени».
В роли таинственного временного агрегата на экране можно встретить и полицейскую будку («Доктор Кто»), и переоборудованный спортивный автомобиль («Назад в будущее»), и некий энергетический шар («Терминатор»), и механизм, заключенный в скрипичный футляр («Патруль времени»). А чаще всего писатели и сценаристы, не мудрствуя лукаво, просто снабжают своих персонажей неким прибором, заключенным в наручные часы.
Головокружительные перипетии подобных «полетов во вчера и завтра» полностью противоречат здравому смыслу, что выяснилось еще при появлении уэллсовской «Машины времени», которая также выдержала несколько экранизаций. К примеру, создатель «машины времени» вполне может «улететь в прошлое» и уничтожить свой аппарат. А как же тогда объяснить сам факт «прыжка во вчерашний день»? Кроме того, появляется множество исторических парадоксов. Скажем, стоит помешать карьере одного амбициозного артиллерийского офицера – и мы никогда не узнаем об эпохе наполеоновских войн.
Для тех же, кто считает, что будет очень аккуратным «хрононавтом», существует «эффект бабочки» из рассказа Рэя Брэдбери «И грянул гром». Там герои отправляются в доисторические времена, осторожно передвигаясь по «антигравитационной» дорожке, но один из путешественников все же случайно наступает на бабочку. Раскручивается пружина причин и следствий, и вот герои возвращаются в иной мир – от правописания слов до исхода выборов.
Рассказ Брэдбери часто цитируется в теории хаоса, где мельчайшие изменения среды могут иметь непредсказуемые последствия. Это, конечно, еще одно серьезное возражение для путешествий в прошлое без риска ненамеренно изменить ход истории.
Многие темы в современной научной фантастике выглядят только на первый взгляд невероятными. Так, искусственный интеллект, превосходящий человека, может появиться уже в первой половине нашего столетия, а межзвездные полеты и встреча с внеземным разумом вполне возможны в конце века. А вот путешествия в прошлое полностью противоречат общепринятым научным представлениям. Дело в том, что физики называют «схемой линейного времени».
Согласно этой модели, нашим миром управляет принцип причинности, согласно которому причина раз и навсегда предшествует следствию. Если бы путешественник во времени изменил как-то прошлое, то это фундаментальный принцип был бы нарушен, и нашу окружающую реальность стали бы сокрушительно изменять всяческие логические причинно-следственные парадоксы. Причем выглядели бы они намного страшнее, чем в голливудских фильмах-катастрофах. Фактически в «квантовый миг» прибытия машины времени в прошлое наша Вселенная исчезла бы, и на ее месте появилось бы что-то трудно вообразимое.
Впрочем, современная наука также содержит определенную долю «физико-математической фантастики», допуская те же «квантовые скачки в пространстве – времени».
Заключение
Время не может возникнуть из невремени.
И. Пригожин, И. Стенгерс. Время, хаос, квант. К решению парадокса времениВ свое время нобелевский лауреат Стивен Вайнберг одну из глав своей книги «Мечты об окончательной теории» так и назвал: «Против философов». Другой не менее известный физик, нобелевский лауреат Мюррей Гелл-Манн, высказался следующим образом: «Философия мутит воду и затуманивает важнейшую задачу теоретической физики – отыскивать согласованную работоспособную структуру». Наличие же у физика четкой философской позиции, по мнению Гелл-Манна, может стать причиной «отвержения какой-нибудь хорошей идеи».
Все это относится в первую очередь к основным темпоральным теориям в физике. В них наша Вселенная предстает устойчивым образованием, в котором создается только иллюзия движения времени. Однако некоторые физики надеются, что вот-вот на смену ей придет некоторая всеобщая и универсальная физика времени.
Эйнштейн как-то назвал своего друга Микеле Бессо «лучшим слушателем» научных идей в Европе. Они вместе учились в Цюрихском политехникуме и впоследствии работали в патентном бюро в Берне. Когда Бессо умер, Эйнштейн, предчувствуя, что его время также подходит к концу, написал ныне известное письмо семье Бессо. «И вот он покинул этот странный мир чуть раньше меня, – писал Эйнштейн о смерти своего друга. – Это не значит ровно ничего. Для нас, убежденных физиков, разграничение между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь неизменно устойчивая иллюзия». Утверждение Эйнштейна было не просто попыткой утешить родных друга. Многие физики спорят о том, что позиция Эйнштейна зиждется на двух столпах современной физики: шедевре Эйнштейна, Общей теории относительности и на Стандартной модели физики частиц. Лежащие в основе этих теорий законы симметричны во времени: описываемая ими физика остается неизменной вне зависимости от увеличения или уменьшения переменной под названием «время». Более того, они ничего не сообщают нам о точке, определяемой нами как «сейчас» – заданном моменте (как он нам представляется), но довольно неопределенном, если говорить о Вселенной в целом.
Представление о том, что прошлое, настоящее и будущее – всего лишь иллюзии, хотя и неискоренимые, – непосредственно вытекает из Специальной теории относительности, которая отрицает абсолютность, универсальность настоящего момента времени. И утверждает, что одновременность относительна: два события, происходящие в одно и то же время для наблюдателя в одной системе отсчета могут оказаться разнесенными во времени с точки зрения наблюдателя, находящегося в другой системе отсчета.
Кроме того, подлинными принято было считать реально существующие материальные объекты, а разум, чувства, эмоции воспринимались как нечто эфемерное, субъективное и мимолетное. Но образ единой мировой линии, о котором мы уже рассказывали, позволяет перейти от механистического понимания окружающей действительности к осознанию того, что все – и свершившееся, и прочувствованное, и продуманное – так или иначе сосуществует и остается навсегда в недрах Вселенной.
Согласно общей теории относительности, время обусловлено состоянием системы в целом. Это существенное обобщение понятия времени, данное Эйнштейном, важно для развивающихся систем. Физики предпочитают рассматривать время как нечто единое, подобное пересеченной местности, на которой располагаются как прошедшие, так и будущие события. Такое представление о природе времени полностью исключает существование некоего особого момента, называемого настоящим, а также и процесса непрерывного превращения будущих событий в настоящие, а затем и в прошедшие. Короче говоря, никакого течения, или потока времени, для физиков не существует. Неразбериха, возникающая в спорах о ходе времени, часто связана с тем, что его сопоставляют с так называемой «стрелой времени».
Говорят, нельзя дважды войти в одну и ту же реку. Хотя необратимых физических процессов в природе много, физики отрицают отсутствие обратимости как таковой – все гораздо сложнее.
Мы живем по неправильным часам со стрелками, бегущими по кругу. Подобное представление о времени давно устарело, утверждают физики-теоретики – и предлагают иную модель часов. Вместо круглого циферблата стоило бы взять за основу спираль, где одна стрелка одновременно движется в прошлое, и наоборот – из прошлого в будущее, а другая – из настоящего в прошлое и из прошлого в настоящее. На каждом отдельном участке двойной спирали, где слева прошлое, а справа будущее, время, казалось бы, необратимо, но это лишь локальная необратимость. На деле любая произвольно взятая точка прошлого рано или поздно сольется с точкой, плывущей из будущего. То есть стрелки идут навстречу друг другу из прошлого и будущего, встречаясь в настоящем.
Чем же так важна физика времени?
Скорее всего именно она когда-нибудь позволит превратиться землянам из робинзонов космоса, отдаленных от других миров пропастью пространства, в покорителей просторов Галактики, а затем и Метагалактики.
Глоссарий
Анамезон – вещество с разрушенными мезонными связями ядер атомов, обладающее близкой к световой скоростью истечения (фантастическое).
Аннигиляция – процесс, при котором частица и ее античастица, сталкиваясь, взаимно уничтожают друг друга.
Античастица – у каждой частицы материи есть соответствующая античастица. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы.
Большой взрыв – сингулярность в момент возникновения Вселенной.
Большой разрыв – распад самой ткани космоса под влиянием ускоренно расширяющейся Вселенной.
Большой хлопок – сингулярность в конечной точке существования Вселенной.
Виртуальная частица – в квантовой механике – частица, которую невозможно зарегистрировать непосредственно, но существование которой подтверждается эффектами, поддающимися измерению.
Гамма-излучение – электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, испускаемое при радиоактивном распаде или при соударениях элементарных частиц.
Геодезическая линия – самый короткий (или самый длинный) путь между двумя точками.
Чистая (метрическая) сингулярность – сингулярность в пространстве – времени, не находящаяся внутри черной дыры.
Горизонт событий – граница черной дыры.
Гравитационное взаимодействие – самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий, обладающее большим радиусом действия. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы материи.
Закон сохранения энергии – закон науки, согласно которому энергия (или ее массовый эквивалент) не может ни создаваться, ни уничтожаться.
Квант – минимальная порция, которой измеряется испускание или поглощение волн.
Квантовая механика – теория, разработанная на основе квантово-механического принципа Планка и принципа неопределенности Гейзенберга.
Квантово-механический принцип Планка (закон излучения Планка) – состоит в том, что свет (или любые другие классические волны) может испускаться или поглощаться только дискретными порциями – квантами – с энергией, пропорциональной их частоте.
Космогония – раздел астрономии, изучающий происхождение и развитие планет и Солнечной системы в целом, звезд, галактик и т. д.
Космологическая постоянная – введенная Эйнштейном математическая вспомогательная величина, учитывающая тенденцию пространства – времени к расширению.
Космология – наука, занимающаяся изучением Вселенной как целого.
Красное смещение – покраснение света, испускаемого удаляющимися от нас космическими объектами в результате эффекта Доплера.
Масса – количество вещества, содержащееся в теле. Мера инерции тела или степень его сопротивления ускорению.
Мнимое время – время, измеряемое в мнимых единицах.
Первичная черная дыра – черная дыра, возникшая на очень ранней стадии развития Вселенной.
Поле – нечто, существующее во всех точках пространства и времени, в отличие от частицы, которая существует только в одной точке в каждый момент времени.
Принцип исключения Паули – две одинаковые частицы со спином 1/2 не могут (в пределах, которые даются принципом неопределенности) обладать одновременно и одинаковыми положениями в пространстве, и разными скоростями.
Пространственное измерение – любое из трех пространственно-подобных измерений пространства – времени, т. е. любое измерение, кроме временного.
Пространство – время – четырехмерное пространство, точки которого отвечают событиям.
Световые единицы расстояния (световой год, минута, секунда) – дистанции, проходимые светом за интервал времени (год, минуту, секунду).
Световой конус – поверхность в пространстве – времени, которая ограничивает возможные направления световых лучей, проходящих через данное событие.
Сильное взаимодействие – самое сильное и самое короткодействующее из четырех фундаментальных взаимодействий. Благодаря сильному взаимодействию кварки удерживаются внутри протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны, собравшись вместе, образуют атомные ядра.
Сингулярность – точка пространства – времени, в которой кривизна его становится бесконечной.
Событие – точка в пространстве – времени, которая определяется положением в пространстве и во времени.
Стационарное состояние – состояние, не изменяющееся со временем: вращающийся с постоянной скоростью шар находится в стационарном состоянии, потому что, несмотря на вращение, в каждый момент он выглядит одинаково.
Теорема о сингулярности – теорема, в которой доказывается, что при определенных условиях сингулярность должна существовать и что, в частности, началом Вселенной должна быть «безвременная сингулярность».
Теория великого объединения – теория, объединяющая электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия.
Фон микроволнового излучения – излучение, возникшее при свечении горячей ранней Вселенной (называется реликтовым). Оно сейчас испытывает такое сильное красное смещение, что регистрируется не в виде света, а в виде волн микроволнового диапазона (радиоволны с сантиметровыми длинами волн).
Фотон – квант света.
Частично-волновой дуализм – лежащее в основе квантовой механики представление о том, что не существует различия между частицами и волнами, частицы могут иногда вести себя как волны, а волны – как частицы.
Черная дыра – область пространства – времени, из которой ничто, даже свет, не может выйти наружу, потому что в ней чрезвычайно сильно действие гравитации.
Электрический заряд – свойство частицы, благодаря которому она отталкивает (или притягивает) другие частицы, имеющие заряд того же (или противоположного) знака.
Оглавление
Введение Глава 1. Темные воды Леты Глава 2. Релятивистские парадоксы Глава 3. Загадки четвертого измерения Глава 4. Атомы времени Глава 5. Квантовая хронофизика Глава 6. «Стрела времени» Глава 7. Узлы и петли времени Глава 8. Версии причинной механики Глава 9. Метагалактическое метро Глава 10. Кипящая пустота Глава 11. В глубинах Мультиверса Глава 12. Многомерное время Глава 13. Модели иных времен Глава 14. Релятивистское Зазеркалье Глава 15. Время сингулярного безвременья Глава 16. Время в биологии и искусстве Заключение Глоссарий
