Фальсификация космологического происхождения времени. Часть II

 

Еще один возможный способ фальсифицировать (проверить) космологическое происхождение времени зависит от верности инфляционной теории, то есть идеи о том, что в первую миллионную долю секунды Вселенная расширялась со скоростью, многократно превосходящей скорость света. Период такого ускорения предшествовал нынешнему периоду ускорения, и если четырехмерная концепция пространства-времени верна, то расширяться, по идее, должно было не только пространство, но и время. Имеем ли мы возможность наблюдать первую миллионную долю секунды Большого взрыва?

Как ни поразительно, ответ – «может быть». Сейчас о самом раннем доступном для нас периоде после Большого взрыва позволяет судить такое средство зондирования, как микроволновое (реликтовое) излучение; картина его распределения во Вселенной соответствует времени примерно через полмиллиона лет после начала. Но некий потенциальный сигнал возник раньше, в первую миллионную долю секунды: это гравитационное излучение. Есть надежда, что очень скоро мы научимся регистрировать первичные гравитационные волны[273]и они позволят взглянуть на картину, значительно более близкую к моменту творения, возможно, даже в пределах периода, который необходим для наблюдения инфляции. Чтобы увидеть гравитационные волны, нужно посмотреть на обусловленную ими картину микроволнового космического излучения; в первую очередь на его поляризацию.

Некоторое время кое-кто из физиков считал, что нам удалось наблюдать именно это. Первый отчет об открытии таких гравитационных волн был сделан в марте 2014 года проектом под названием BICEP2 (Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2)[274]. Этот проект измеряет микроволновое излучение со станции, расположенной на южном полюсе, где экстремальные холода вымораживают из атмосферы водяные пары, мешающие наземным измерениям. К несчастью, результат оказался ложной тревогой; скорее всего, прибор наблюдал помехи от излучения, создаваемого космической пылью.

Сейчас планируются новые, более высокоточные измерения, и есть вполне реальная надежда, что скоро мы действительно увидим гравитационные волны из очень молодой Вселенной, буквально из периода инфляции. И не исключено, что удастся отличить чисто пространственное расширение от расширения, в которое вовлечены и пространство, и время.

 

Будущее физики

 

Иногда мне хочется, чтобы Платон оказался прав и все эти вопросы можно было решить в ученых беседах и чистых размышлениях, а абсолютным арбитром истины стал разум. Но история физики говорит, что Платон ошибался. Нам необходимо сохранять контакт с реальным физическим миром, как Антею нужно было касаться земли.

Квантовая запутанность уже с нами и никуда не денется. «Жуткое дальнодействие» уже не пустые рассуждения, а экспериментальный результат, продемонстрированный Фридманом и Клаузером, а также многочисленными последующими экспериментами. Несмотря на то что мы не можем передавать вещество или информацию быстрее скорости света, мгновенный коллапс волновой функции – неудобная проблема, наводящая на мысль, что какой-то другой подход мог бы выявить новые, неожиданные аспекты. Я лелею надежду, что кто-нибудь сумеет переформулировать квантовую физику так, чтобы исчезла нужда в амплитудах вероятности. Когда я учился в Беркли, теоретик Джеффри Чу попытался сделать это с помощью подхода, который он называл «теорией s -матриц». В некоторых важных отношениях его работа привела к созданию современной стандартной модели; цель не была достигнута, и устранить квантовые амплитуды и волновые функции не удалось. Тем временем дальнейшие работы по поиску совершенно новых подходов были отложены в долгий ящик из-за необычайного успеха стандартной модели элементарных частиц. Стандартная модель – лучшая за всю историю физики теория, если говорить о ее способности делать точные предсказания, которые затем подтверждаются экспериментально[275].

Так зачем же что-то менять в теории квантовой физики, если она так замечательно работает? Несмотря на успех стандартной модели, думаю, эта теория еще будет переформулирована. Когда это произойдет, амплитуды перестанут коллапсировать со сверхсветовой скоростью, а позитроны (осмелюсь предположить) не будут больше считаться ни дырками в бесконечном море частиц с отрицательной энергией, ни электронами, движущимися назад во времени. Это был просто удобный способ рассматривать их в контексте пространственно-временных диаграмм, где течение времени полностью отсутствует.

Еще одним огромным шагом в развитии квантовой физики, к тому же отчаянно необходимым, должна стать концепция измерения. Мало кто из физиков на самом деле верит, что для измерения действительно необходимо человеческое сознание. Шрёдингер привел убедительный пример с котом. Но что же такое измерение? Роджер Пенроуз утверждает, что существует некий микромеханизм, часть природы, которая проводит множество измерений. Квантовое состояние, приведшее к возникновению в процессе Большого взрыва структуры, которую мы наблюдаем, не должно было ждать, пока Пензиас и Уилсон откроют реликтовое микроволновое излучение, а Млечный Путь не застыл неподвижно во Вселенной до того момента, когда моя группа вычислила скорость его движения. (Кстати, в какой момент он должен был двинуться – когда аппарат измерил анизотропию или когда я взглянул на данные?) Луна была на небе и до того, как Эйнштейн посмотрел на нее. Какой-то естественный механизм уже заставил волновую функцию – суперпозицию бесконечного числа возможных вселенных – коллапсировать задолго до появления человека (или живого мира).

Развитие техники сделало экспериментальные исследования в области теории измерений намного более реальными. Давно уже для создания запутанных фотонов не нужны пучки атомов кальция; их можно получать, освещая лазерным лучом специальный кристалл, к примеру BBO (бета-борат бария, β-BaB2O4) или KTP (титанил-фосфат калия, KTiOPO4). В результате эксперименты по исследованию квантовых измерений движутся вперед семимильными шагами.

Один из наиболее интересных результатов получен при изучении «отложенного выбора», когда сначала собираются измерения по всем состояниям поляризации и только потом полученные данные анализируются. В подобных экспериментах проверяется, действительно ли измерение неразрывно связано с присутствием человека и его решением, и результаты указывают, что это не так. Хорошо, в этом нет ничего удивительного, но для настоящего прорыва необходимо найти что-нибудь неожиданное, какой-то сюрприз, каким стал для физиков в свое время эксперимент Майкельсона−Морли.

Новые лазерные методы дали возможность тестировать запутанность на гораздо б о льших расстояниях, чем те, с которыми пытались работать Фридман и Клаузер. На первой полосе New York Times от 22 октября 2015 года был заголовок: «Прости, Эйнштейн, но “жуткое дальнодействие”, кажется, реально». Группа исследователей из Делфтского технического университета в Нидерландах проверила сверхсветовые эффекты, связанные с запутанностью двух электронов на двух разных концах университетского кампуса, то есть на расстоянии, превышающем километр. И вновь копенгагенская интерпретация с ее сверхсветовым действием могла праздновать победу.

Наблюдение гравитационной волны в 2015 году аппаратом LIGO позволяет предложить третье испытание теории сейчас – теории возникновения времени. Когда две черные дыры сливаются воедино и коллапсируют, вокруг них локально должно генерироваться новое время, что можно заметить по возрастанию задержки между предсказанным и наблюдаемым сигналом. Единственная волна, которую пока удалось зарегистрировать, слишком неопределенна для проверки этого предсказания, но если бы нам удалось пронаблюдать множество подобных событий – или более близкое событие с более мощным сигналом, то присутствие или отсутствие этой задержки могло подтвердить или опровергнуть теорию сейчас.

 

 

Глава 25

Смысл понятия сейчас

Все детали пазла на месте. Как выглядит картина целиком?

 

 

И небеса ведь над былым не властны;

Что было, то прошло, я прожил день прекрасно[276].

 

Джон Драйден (1685)

 

Эйнштейн сделал первый серьезный шаг в поисках смысла понятия сейчас, когда понял, что пространство и время пластичны. Леметр применил уравнения Эйнштейна к Вселенной в целом и разработал замечательную модель, в которой пространство расширяется. Несколько лет спустя, когда Хаббл это подтвердил экспериментально, модель Леметра – независимо от него разработанная Фейнманом, Робертсоном и Уокером – стала общепринятой: именно так в настоящее время все космологи интерпретируют Большой взрыв.

Головоломка начала складываться, но дело тормозили несколько ошибок – деталей, насильно втиснутых на чужие места. Одну из таких ошибок сделал Эддингтон, когда отнес стрелу времени на счет возрастания энтропии. В 1928 году, предлагая свою гипотезу, он не знал, что главными вместилищами энтропии служат неизменное микроволновое (реликтовое) излучение и поверхности черных дыр на далеком краю наблюдаемой Вселенной. Как указал Шрёдингер, цивилизация невозможна без локального снижения энтропии, но такое локальное снижение, при подходе Эддингтона, не играет никакой роли в энтропийной стреле времени.

Еще одной ошибочно вставленной на место деталью пазла оказалась неверная интерпретация пространственно-временной диаграммы. Она не показывает ни течения времени, ни момента сейчас и представляет собой удобный повод уйти от этих вопросов. Некоторые теоретики даже интерпретируют отсутствие на диаграмме этих параметров как указание, что такие концепции в принципе не имеют смысла, это просто иллюзии, не играющие в реальной жизни никакой роли. Ошибка такого представления – то, что вычислительный инструмент интерпретируется в нем как глубокая истина. Вообще, это фундаментальная ошибка физикализма: если что-то невозможно измерить количественно, значит на самом деле этого нет. Мало того, все основано на крайнем фундаменталистском варианте физикализма: если этого нет в наших нынешних теориях, значит этого не существует.

Третья ошибка связана еще с одним аспектом физикализма: предположением Эйнштейна и других ученых, что прошлое может и должно полностью определять будущее. Движущей идеей здесь был принцип детерминизма, согласно которому физика должна быть полной. Если квантовая физика не позволяет предсказать точное время радиоактивного распада, то это вопрос квантовой физики: проблема, которую необходимо устранить. Как правило, это предположение отрицает свободу воли, способность человека самостоятельно делать выбор.

Стоит вынуть из картинки неверно вставленные детали – а некоторые из них вообще не имеют отношения к этому сюжету, – и остальное встанет на место естественным образом. Расширяется как пространство, так и время. Элементы времени, в которых квантовая физика уже отработала посредством загадочного процесса измерения, сути которого мы пока не понимаем, – это то, что мы называем прошлым. Мы живем в прошлом ровно настолько же, насколько и в настоящем, но уже случившееся не можем изменять. Сейчас – это тот особый момент времени, который только что возник в процессе расширения четырехмерной (пространство-время) Вселенной как часть продолжающегося до сих пор четырехмерного Большого взрыва. Под течением времени мы подразумеваем непрерывное добавление новых мгновений – тех, которые и создают у нас впечатление, что время движется вперед в непрерывном творении новых сейчас.

Сейчас – единственный момент, когда мы можем оказать какое-то воздействие, направить рост энтропии прочь от себя и таким образом организовать локальное снижение уровня энтропии. Это и станет источником экспансии жизни и цивилизации. Чтобы направить энтропию таким образом, мы должны обладать свободой воли – способностью, которую физикалисты называют иллюзорной, хотя аналогичное поведение встроено в самую суть современной теории квантовой физики.

Существование свободы воли можно было бы фальсифицировать (опровергнуть), если бы нам удалось обнаружить сверхсветовые тахионы – те самые частицы, которые в некоторых системах отсчета будут создавать ситуацию, когда следствие предшествует причине, его породившей. Возможно, изучая запутанность как функцию направления (параллельно или перпендикулярно направлению собственного движения Млечного Пути), мы обнаружим, что для причинности существует особая, выделенная система отсчета. Первый кандидат на эту роль – система Леметра, единственная СО, в которой все сейчас по всей Вселенной создается одновременно. Если что-то подобное подтвердится, придется модифицировать теорию относительности.

Можно представить, что когда-нибудь удастся доказать: принцип неопределенности ошибочен, неопределенность присутствует только в нынешней физической теории, а в более полной версии, которая придет ей на смену, никакой неопределенности уже не будет. Но эксперимент Фридмана−Клаузера, наглядно продемонстрировавший реальность запутанности как явления, подсказывает, что «жуткое дальнодействие» никуда не денется. Дело не в том, что неполна какая-то конкретная физическая теория; неполна сама физика. Это очевидным образом следует из того факта, что физика сама по себе не смогла бы выяснить, и тем более доказать, что число √2 иррационально. Это очевидно также из того, что ясные и четкие, легкие для понимания концепции, составляющие основу нашего восприятия реальности (к примеру, как выглядит синий цвет?), не входят в компетенцию физики.

Попытки приписать всякое альтруистическое поведение инстинкту выживания – неважно, идет речь о выживании наиболее приспособленных организмов или наиболее приспособленных генов – следует считать гипотезами, спекулятивными попытками дать псевдонаучное обоснование морали, основанное на физикалистской догме, что все можно объяснить с помощью науки. Это недоказанное допущение, основанное на единичных разрозненных свидетельствах; по классу оно в подметки не годится ни дарвиновской эволюции (за которой стоит громадный массив данных), ни выводам на основе убедительных научных постулатов, таких как теория относительности или квантовая теория. Физикализм может быть весьма полезен в качестве рабочего принципа профессии физика, точно так же, как вера в капитализм может помочь в управлении экономикой. Но не стоит заблуждаться и считать, что, поскольку физикализм и капитализм успешно повышают уровень жизни и помогают, скажем, выигрывать войны, они, соответственно, представляют истину целиком, во всей ее полноте.

Отказ от физикализма заставляет внимательнее приглядываться к источнику эмпатии и размышлять над ним. Любим ли мы своих детей и внуков только потому, что они несут в себе те же гены, что и мы, или это нечто более глубокое, связанное не только с признанием, но и с ощущением реальности душ близких людей? Идеи этики, морали, добродетели, справедливости и сопереживания, разница между добром и злом – все это может быть привязано к фундаментальному восприятию эмпатии – явлению, лежащему по ту сторону гена и физики.

Свобода воли – это способность использовать нефизическое знание для принятия решений. Задача свободной воли – всего лишь выбор между несколькими доступными вариантами будущего. Свобода воли не останавливает роста энтропии, но может контролировать доступные состояния – а это придает энтропии направление. Свобода воли может быть использована как для того, чтобы разбить чашку, так и для того, чтобы изготовить новую. С помощью свободы воли можно как начать войну, так и найти путь к миру.

 

* * *

 

Во многих ситуациях самое сложное – задать верные вопросы. Трудно предсказать, где произойдет новый прорыв в физической науке, кого осенит гениальная идея. Эйнштейн показал, что время – вполне подходящий объект для физического исследования. Мне кажется, он не разобрался со смыслом понятия сейчас по той простой причине, что заранее отказался принять представление о неполноте физики.

Может быть, разобраться в характере взаимодействия между теорией относительности и квантовой физикой или глубинным смыслом измерения удастся еще очень нескоро, но эти вопросы, безусловно, заслуживают дальнейших усилий в этом направлении. Думаю, для успеха здесь вряд ли потребуется сложная математика или заумная философия. Тот, кому удастся совершить прорыв в этой области, сделает это, скорее всего, с помощью нескольких очень простых примеров; не исключено, что ему для этого понадобится всего лишь алгебра – и, возможно, какие-то ссылки на часовую стрелку часов и то, куда она указывает. Может быть, это произойдет, когда какой-то простой эксперимент даст неожиданный результат. Я прогнозирую, что следующий прорыв будет как возвращение в детство; просто кто-то сумеет взглянуть на реальность по-новому и заметить в физике то, что мы, сами того не понимая, всегда считали истиной; после этого он перевернет это нечто с ног на голову. Кто станет новым Эйнштейном? Может быть, вы?

 

 

Приложения

 

Приложение 1

Математика относительности

 

Это приложение предназначено для тех, кто хотел бы видеть и понимать алгебру и конкретные расчеты, стоящие за теми результатами, которые мы обсуждали в тексте.

В специальной теории относительности каждому событию соответствуют положение в пространстве x и время t. Чтобы не усложнять ситуацию, давайте считать остальные пространственные координаты – y и z – равными нулю. Обозначим координаты и время событий во второй системе координат, движущейся относительно первой со скоростью v, заглавными буквами X и T. Эйнштейн определил, что верные отношения x, t, X и T задаются преобразованиями Лоренца:

 

X = γ(x − vt)

T = γ(t − xv / c ²),

 

где c – скорость света, а коэффициент замедления времени гамма представлен греческой буквой γ и задается как γ = 1/√(1 − β²), где греческая буква β (бета) представляет отношение скорости объекта к скорости света (β = v / c). По умолчанию в этих уравнениях считается, что особое событие (0, 0) в обеих системах отсчета имеет одинаковые координаты.

Хендрик Лоренц был первым, кто записал эти уравнения и показал, что Максвелловы уравнения электромагнетизма им удовлетворяют. Но только Эйнштейн сумел понять, что они представляют реальные изменения в поведении пространства и времени, а затем и применить их для вывода новых уравнений физики. Уравнения Максвелла при этом изменять не потребовалось, а вот уравнения Ньютона пришлось менять, и Эйнштейн заключил, помимо всего прочего, что масса движущихся объектов увеличивается (я говорю здесь о релятивистской массе, рассчитываемой как γ m) и что E = mc ².

У преобразования Лоренца есть замечательное свойство: при решении его уравнений относительно x и t получаются уравнения одинакового вида, за исключением знака при скорости. (При решении используется довольно хитрая алгебра, и придется использовать приведенное выше определение γ, но попытайтесь.) Вот результат:

 

x = γ(X + vT);

t = γ(T + X v / c ²).

 

В сравнении с предыдущими уравнениями изменение знака (с − на +) – это именно то, чего и следовало ожидать, поскольку по отношению ко второй СО первая система движется со скоростью − v. Тем не менее кажется поразительным, что уравнение имеет тот же вид. Я бы ни за что не догадался, что так получится. Этот факт – часть чуда теории относительности, согласно которой все инерциальные системы отсчета равно годятся для записи уравнений физики.

 

Растяжение времени

 

А теперь рассмотрим растяжение времени. Мы будем пользоваться той же терминологией, что и в примере с парадоксом близнецов, о котором шла речь в главе 4. Напомню, что Мэри там отправляется к далекой звезде, тогда как Джон остается дома. Назовем первую систему отсчета системой Джона, а вторую, которая движется относительно первой со скоростью v, системой Мэри. (Это их собственные системы отсчета.) Рассмотрим два события: 1-й и 2-й дни рождения Мэри. Обозначим их время и место в системе Джона как x 1, t 1 и x 2, t 2. Место и время этих же событий в системе Мэри обозначим как X 1, T 1 и X 2, T 2.

А теперь подставим эти величины в уравнения Лоренца. Воспользуемся второй системой:

 

t 2 = γ(T 2 + X 2 v / c ²);

t 1 = γ(T 1 + X 1 v / c ²).

 

Вычтя второе уравнение из первого, получим:

 

t 2 − t 1 = γ[ T 2 − T 1 + (X 2 − X 1) v / c ²].

 

Возраст Мэри, измеренный в системе отсчета Мэри, составит T 2 − T 1. В этой системе отсчета Мэри не движется, поэтому X 2 = X 1, то есть X 2 − X 1 = 0. Поэтому уравнение упрощается до вида:

 

t 2 − t 1 = γ(T 2 − T 1).

 

Можно записать это уравнение в еще более простом виде, если использовать обозначение Δ t = t 2 − t 1 и Δ T = T 2 − T 1. (Δ – заглавная греческая буква дельта, которая часто используется для обозначения разностей. Вслух Δ t читается как «дельта тэ».) С использованием этого обозначения уравнение принимает вид:

 

Δ t = γΔ T.

 

Это и есть растяжение времени. Промежуток времени между двумя событиями в системе отсчета Джона больше, чем промежуток времени между теми же событиями в системе отсчета Мэри, в γ раз. В примере с парадоксом близнецов, описанном в главе 4, коэффициент γ равнялся 2, так что Мэри, чтобы постареть на 8 лет, потребуется (в системе отсчета Джона) 16 лет.

 

Линейное сжатие

 

А теперь посмотрим на линейное сжатие, или изменение длины. При измерении расстояния между объектами в любой системе отсчета мы отмечаем положение (координаты) объектов в один и тот же момент времени и вычитаем одно из другого. Расстояние между двумя одновременными событиями (t 2 = t 1) в собственной системе отсчета Джона составляет x 2 − x 1. Применим первую систему уравнений Лоренца к этим двум событиям:

 

X 2 = γ(x 2 − vt 2);

X 1 = γ(x 1 − vt 1).

 

Вычтя второе уравнение из первого, получим:

 

X 2 − X 1 = γ[ x 2 − x 1 − v (t 2 − t 1)].

 

Поскольку для этого примера два события одновременны в системе отсчета Джона, t 2 = t 1, множитель (t 2 − t 1) = 0. При подстановке этого значения уравнение упрощается до вида:

 

X 2 − X 1 = γ(x 2 − x 1).

 

Расстояние между двумя событиями в собственной системе отсчета Джона составляет x 2 − x 1; обозначим эту величину Δ x. Длина того же объекта в собственной системе отсчета Мэри (в которой объект покоится) составляет X 2 − X 1; обозначим это Δ X. Получаем уравнение:

 

Δ x = Δ X /γ.

 

Это и есть уравнение линейного сжатия. Если длина объекта в собственной системе отсчета составляет Δ X, то при измерении в другой системе отсчета эта длина изменится в 1/γ раз. (Обратите внимание: γ всегда больше 1, поэтому длина, то есть линейный размер объекта уменьшится.)

 

Одновременность

 

Временн а я разница между двумя событиями равна t 2 − t 1 = Δ t. В другой системе отсчета эти события происходят в моменты времени T 2 и T 1, а временн о й интервал в этой системе отсчета составит T 2 − T 1 = Δ T. Мы также обозначим разницу координат двух событий (то есть расстояние между ними) в системе Джона Δ x, а расстояние между ними в системе Мэри Δ X. Воспользовавшись первым преобразованием Лоренца для времени, получим:

 

T 2 = γ(t 2 − x 2 v / c ²);

T 1 = γ(t 1 − x 1 v / c ²).

 

Вычитаем одно уравнение из другого и подставляем Δ t, Δ T и Δ x:

 

Δ T = γ(Δ t − Δ xv / c ²).

 

В особом случае, когда в системе Джона оба события происходят одновременно (то есть когда Δ t = 0), уравнение упрощается до вида:

 

Δ T = −γΔ xv / c ².

 

Замечательность результата в том, что Δ T – необязательно нуль. Это значит, что в собственной СО Мэри эти события необязательно одновременны, хотя в собственной СО Джона они происходят в один и тот же момент времени. Если я обозначу расстояние между двумя событиями Δ x = − D (знак здесь может быть как плюс, так и минус, в зависимости от расположения x 1 и x 2), уравнение примет вид:

 

Δ T = γ Dv / c ².

 

Если ни v, ни D не равны нулю, Δ T тоже не равно нулю, и это означает, что два события не одновременны в системе Мэри. Это «временн о й скачок», который возникает у отдаленного события при переключении с одной системы отсчета на другую. Скачка не возникает, если D = 0, то есть если два события происходят в одной точке (скажем, если Джон и Мэри вновь соединятся). Δ T может быть положительным или отрицательным, в зависимости от знаков D и v.