Мы считаем само собой разумеющимся, что время реально. Но что, если это всего лишь иллюзия, причем относительная иллюзия? Время вообще существует?
Ключевые выводы
- Если вы хотите точно описать, когда и где что-то происходит, вам нужны четыре координаты: три пространственные и одна временная, то есть время.
- Эйнштейн учил нас, что время относительно для каждого и каждого наблюдателя, и не существует такого понятия, как «абсолютное время».
- Некоторые идут еще дальше и утверждают, что время - это всего лишь устойчивая иллюзия. Можно ли доказать, что время вообще не существует?
В философском смысле нас учат сомневаться и подвергать сомнению все. Даже реальность нас самих и наш собственный опыт подлежат обсуждению, поскольку мы должны сделать определенные предположения о том, насколько надежными являются наши сенсоры - и, если на то пошло, наши собственные чувства, - чтобы прийти к каким-либо удовлетворительным выводам. Конечно, некоторые вещи могут казаться реальными, но возможно ли, что эта видимость обманчива, и что количества или концепции, которые мы принимаем как должное, могут быть не чем иным, как очень убедительными иллюзиями?
Однако с физической, научной точки зрения такого рода вопросы приобретают другое значение. Мы извлекли много удивительных и противоречивых уроков из наших исследований времени. Время относительно, а не абсолютно. Время всегда движется вперед, а не назад, но у нас все еще нет объяснения стреле времени. Термодинамически Вселенная имеет стрелу времени, которая «течет» в том же направлении, что и возрастающая энтропия. А когда мы исследуем Вселенную на фундаментальном уровне, оказывается, что время вообще может быть не фундаментальным.
Но само существование? Очень, очень трудно лишить время этого свойства и все равно получить Вселенную, соответствующую тому, что мы наблюдаем. Вот почему.
Этот фрагмент моделирования структурообразования с масштабным расширением Вселенной представляет миллиарды лет гравитационного роста в богатой темной материей Вселенной. Обратите внимание, что филаменты и богатые скопления, образующиеся на пересечении филаментов, возникают в основном из-за темной материи; нормальная материя играет лишь незначительную роль.
Когда дело доходит до вопроса о существовании, физика очень проста и прямолинейна в отношении того, что она считает удовлетворительным ответом.
- Можешь измерить?
- Можете ли вы дать количественную оценку?
- Можете ли вы определить его математически непротиворечивым образом?
- Является ли она сама по себе наблюдаемой величиной, и зависят ли другие наблюдаемые величины от нее неразрывным образом?
Если все ваши ответы на эти вопросы утвердительны, выхода нет: вы получили количество, которое существует.
Причина проста: что касается реальности, «то, что реально», - это те вещи, которые сами по себе поддаются измерению, наблюдению, количественному определению и не являются патологическими. С точки зрения непрофессионала, патологией является то, что происходит, когда вы задаете разумный вопрос Вселенной, а в ответ получаете непоследовательную чепуху. Есть много вопросов, которые действительно приводят к патологическому поведению, и в этих случаях патологии указывают нам, что нам предстоит дальнейшая работа. «Что происходит в центральной сингулярности черной дыры?» «Что происходит с квантовыми флуктуациями на масштабах меньших планковской длины?» «Что происходит, когда масса движется через пространство-время, искаженное присутствием самой этой массы?» Все эти вопросы в настоящее время так же патологически, как деление на ноль.
Вблизи черной дыры пространство течет либо как движущаяся дорожка, либо как водопад, в зависимости от того, как вы хотите это визуализировать. На горизонте событий, даже если бы вы бежали (или плыли) со скоростью света, не было бы преодоления потока пространства-времени, затягивающего вас в сингулярность в центре. Никто не знает, что происходит в центральной сингулярности.
Тогда вы можете подумать, что, возможно, само время патологично. Конечно, мы можем измерить его, дать количественную оценку и даже наблюдать как его прохождение, так и его последствия. Но разве не важно, что ваши измерения того, «сколько времени прошло» между началом и концом события, полностью зависят от того, где вы находитесь и как вы двигаетесь, когда делаете эти наблюдения?
Например, если вы находитесь в движущемся поезде и снимаете световую волну с одного конца поезда на другой, вы получите значение того, сколько времени требуется свету, чтобы достичь дальний конец поезда. Однако если вы находитесь на платформе и наблюдаете, как человек в поезде стреляет светом из одного конца в другой, вы получите другой ответ.
Для человека в движущемся поезде они измерят, что должно пройти определенное время, чтобы свет дошел до дальнего конца поезда. Но для человека на земле они не только получат другой, более длинный ответ, но и сделают вывод, что человек (и, если на то пошло, все) в поезде на самом деле стареет медленнее, чем они. Для стационарного наблюдателя движущийся объект стареет медленнее, чем объект в состоянии покоя.
Световые часы, образованные фотоном, отражающимся между двумя зеркалами, определят время для любого наблюдателя. Хотя два наблюдателя могут не согласиться друг с другом относительно того, сколько времени проходит, они согласятся с законами физики и константами Вселенной, такими как скорость света. При правильном применении теории относительности их измерения окажутся эквивалентными друг другу, поскольку правильное релятивистское преобразование позволит одному наблюдателю понять наблюдения другого.
Это парадоксально? Это патология?
Нисколько. То, что время «относительно», не означает, что оно патологическое. Что касается нашего вопроса о путешествии света от одного конца движущегося поезда к другому, возможно, что поезд может остановиться, и наблюдатели «на земле» и «в поезде» могут снова встретиться. Оба их измерения будут разными по отдельности, но они будут постоянно отличаться друг от друга. Когда вы выполняете расчеты того, сколько времени проходит для одного наблюдателя относительно другого, каждый наблюдатель сможет правильно предсказать, что говорят не только его собственные часы, но и часы другого наблюдателя. Все, что для этого требуется, - это знание специальной теории относительности.
Да, вы получаете разные ответы на вопрос «Сколько времени прошло?» или «Когда произошло это событие?» или даже «Какое событие произошло первым?» в зависимости от того, где вы находитесь и как вы двигаетесь, но никто не может быть более «правильным» или «неправильным», чем кто-либо другой. Вместо этого нам просто нужно преобразовать наше представление о времени - в соответствии с законами относительности - чтобы оно соответствовало тому, что сделал бы вывод кто-то, находящийся в другом месте или движущийся с другой относительной скоростью.
Мяч в середине отскока имеет свою прошлую и будущую траектории, определяемые законами физики, но время для нас будет течь только в будущее. В то время как законы движения Ньютона одинаковы, независимо от того, движете вы часы вперед или назад во времени, не все законы физики ведут себя одинаково, если вы движете часы вперед или назад.
Итак, понятия «время относительно» недостаточно, чтобы утверждать, что времени не существует. Но может ли быть так, что, возможно, мы только воспринимаем время как существующее, и что оно на самом деле не реально?
Мы можем рассмотреть это с определенной точки зрения: рассматривая понятия симметрии в физике. В конце концов, законы физики, по крайней мере, в том виде, в каком мы их знаем, симметричны во времени. Если вы наблюдаете мяч, падающий под действием силы тяжести, вы понятия не имеете:
- вы наблюдаете, как время бежит вперед, когда сила тяжести тянет мяч вниз из брошенного положения высоко над тем местом, куда вы сейчас смотрите,
- или вы наблюдаете, как время движется вспять, как мяч, подброшенный вверх из более низкого положения, поднимается все выше и выше, поскольку сила гравитации сопротивляется его движению.
На самом деле почти все законы физики, включая движение, гравитацию, электромагнетизм и даже сильное ядерное взаимодействие, полностью обратимы во времени. Они одинаковы в прямом и обратном направлении во времени, и вы не можете различить, просто наблюдая, как разворачивается физическая система, что именно происходит.
Тяжелые, нестабильные элементы будут радиоактивно распадаться, обычно испуская либо альфа-частицу (ядро гелия), либо подвергаясь бета-распаду, как показано здесь, когда нейтрон превращается в протон, электрон и анти- -электронное нейтрино. Оба этих типа распада изменяют атомный номер элемента, образуя новый элемент, отличный от исходного, и приводят к меньшей массе продуктов, чем реагентов. Эти квантовые переходы являются спонтанными, но вероятностными и непредсказуемыми по своей природе, но всегда переводят всю систему в более стабильное состояние с более низкой энергией в целом.
Но есть два способа определить физическую разницу между движением вперед во времени и назад во времени. Во-первых, при рассмотрении реакций, протекающих под действием слабого ядерного взаимодействия, таких как радиоактивный распад.
Представим, что у вас есть тяжелое атомное ядро, полное протонов и нейтронов. Если в этом ядре имеется большое количество нейтронов для данного количества присутствующих протонов, есть шанс, что ядро подвергнется определенному типу радиоактивного распада: бета-распаду. Бета-распад - это то, что происходит, когда один из нейтронов в ядре распадается на протон, электрон и антиэлектронное нейтрино, и это происходит даже со свободными (несвязанными) нейтронами, которые не являются частью какого-либо более крупного атомного ядра.
Часто случается, что нейтрон распадается на протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. Но никогда не бывает, чтобы протон, электрон и антиэлектронное нейтрино спонтанно реагировали вместе, образуя нейтрон. На самом деле, во многих отношениях слабое взаимодействие является прототипом асимметричных во времени реакций в физике.
Когда лед помещают в жидкую воду, лед растает, а температура воды понизится. Конечное состояние полностью растаявшего льда не только приближает нас к тепловому равновесию, чем начальное состояние, но и из него можно извлечь меньше энергии, чем из начального состояния.
Второй способ, впрочем, большинству из нас даже более знаком. Каждый раз, когда вы:
- яичница,
- бросьте на землю полный стакан воды и посмотрите, как он разобьется,
- или просто откройте дверь между горячей комнатой и холодной,
вы создаете ситуацию, при которой будет термодинамическая стрела времени.
Возможно, вы уже слышали о концепции энтропии, которую часто неправильно определяют как «меру беспорядка» вашей системы. Но на самом деле происходит вот что: любая физическая система будет иметь внутри себя некоторый уровень градиентов энергии. Если у вас есть яйцо без яичницы, между белком (белком) и желтком существует градиент энергии; барьер вокруг желтка - это то, что удерживает все от равномерного перемешивания. В сыром яйце есть химическая потенциальная энергия, которая высвобождается - и образуются новые связи - если вы приготовите яйцо. В структуре стекла есть потенциальная энергия, и если его разбить, она высвободится.
Но, пожалуй, из всех примеров наиболее разумным способом говорить об энтропии является рассмотрение горячей и холодной комнат рядом друг с другом.
На этой иллюстрации показаны две стороны комнаты: горячая и холодная, с демоном между ними, способным открывать и закрывать перегородку между ними. Если перегородку открыть, газы смешаются.
Если у вас есть большое количество частиц на горячей стороне комнаты, все они будут находиться в так называемом тепловом равновесии друг с другом. Поскольку они отскакивают друг от друга и взаимодействуют, никакая часть горячей стороны не будет ни нагреваться, ни охлаждаться; нет градиента энергии для потока тепла из одной части этой комнаты в другую. (Холодная сторона обладает точно такими же свойствами, за исключением того, что тепловое равновесие наступает при гораздо более низкой температуре.)
Но что, если убрать перегородку, отделяющую горячую часть комнаты от холодной? Что происходит?
Ответ заключается в том, что горячие и холодные частицы будут смешиваться и создавать комнату с промежуточной температурой, в которой все частицы будут иметь одинаковую равновесную температуру. Прежде чем будет достигнуто равновесие, из системы можно извлечь энергию; потом нельзя. Когда мы говорим о состоянии максимальной энтропии, мы имеем в виду состояние, из которого больше нельзя извлечь энергию; система с максимальной энтропией не может совершать работу, как мы говорим в физике.
Система, настроенная в начальных условиях слева, с разделенными горячими и холодными комнатами, заставит каждую комнату достичь своего собственного теплового равновесия. Если перегородка, разделяющая две комнаты, открыта, газы в комнатах будут смешиваться, приобретая при этом энтропию.
Работа физически реальна; энтропия физически реальна; термодинамика физически реальна. Время, как измеримая, наблюдаемая и исчисляемая величина, ничем не отличается от любого из них.
Однако в этом обсуждении есть два важных предостережения. Хотя время реально, важно помнить о следующих фактах.
- Мы не знаем, что является причиной нашей воспринимаемой стрелы времени. Мы всегда наблюдаем, как время течет вперед, а не назад; мы осознаем течение времени и подчиняемся законам физики, движущимся вперед во времени, как и все физические объекты и величины. Но независимо от того, остается ли энтропия вашей системы постоянной, увеличивается медленно, быстро или даже искусственно уменьшается за счет ввода в нее энергии, воспринимаемая стрела времени никогда не перестанет течь и не изменит направление.
- Хотя время определенно реально, оно может быть фундаментальным, а может и не быть. При нашем нынешнем взгляде на Вселенную мы рассматриваем что-то вроде энтропии как производную величину и относимся ко времени как к фундаментальной величине. Однако с математической точки зрения можно рассматривать энтропию как фундаментальную величину, и тогда время ведет себя так, как будто оно может быть величиной эмерджентной. Мы еще недостаточно знаем о Вселенной, чтобы много говорить о потенциальной обоснованности этого подхода.
Когда квантовая частица приближается к барьеру, она чаще всего взаимодействует с ним. Но существует конечная вероятность не только отражения от барьера, но и туннелирования сквозь него. Вопреки интуиции это означает, что частица, помещенная в запечатанный ящик, согласно квантовым законам нашей Вселенной, может спонтанно оказаться за ее пределами.
Несмотря на популярную тенденцию подвергать сомнению природу времени, его физическая «реальность» не вызывает сомнений. Время - неотъемлемая часть Вселенной, и граница между событиями, которые были замечены или измерены, чтобы иметь окончательный результат, и событиями, исход которых еще не решен, - это лучший способ точно определить, что мы подразумеваем под момент «сейчас». Как выразился в эксклюзивном интервью с ним уважаемый физик Ли Смолин:
«в копенгагенской версии квантовой механики есть квантовый мир, есть классический мир и граница между ними: когда вещи становятся определенными. Когда неопределенное в квантовом мире становится определенным. И они пытаются сказать, что это фундаментальная вещь, которая происходит в природе, когда неопределенное становится определенным. И это то, что «сейчас». Момент сейчас, настоящий момент, о котором все эти люди говорят, что он отсутствует в науке и отсутствует в физике, есть переход от неопределенного к определенному».
Время может быть, а может и не быть фундаментальным, и наша воспринимаемая стрела времени может или не может (моя догадка «нет») быть связана с термодинамической стрелой времени. Но тот факт, что мы можем измерить, наблюдать и дать количественную оценку, должен положить конец любым сомнениям в его несуществовании.