Возвращение пространства и времени

 

До XX века западный мир обычно воспринимал время в поэтическом смысле как нечто, существующее только потому, что нам необходимо, чтобы оно существовало в нашей жизни. Философ Жан-Поль Сартр описывал время как «особый вид разделения» между событиями в жизни. Именно это разделение создает так называемое «объединяющее деление».

Греческие философы были одними из первых, кто пытался дать определение времени. Например, Платон в своей работе «Тимей» описывает, как время создавалось наравне с небесами для особой цели: «(Создатель) стремился создать Вселенную бесконечной, насколько это было возможно», – пишет Платон. Но признавая, что жизнь во Вселенной не будет разделять бесконечное отношение к Вселенной, Платон утверждал, что Создатель «решил создать движущуюся картину бесконечности и при создании небес Он сделал эту картину бесконечной, но движущейся в соответствии с числом, в то время, как сама бесконечность находится в целостности, и эту картину мы называем временем»16. Из данного описания мы видим, что Платон верил в то, что время произошло одновременно с рождением Вселенной и было гарантией создания вечного творения.

С рождением науки в XVII веке время начало принимать другое значение. Когда Исаак Ньютон описал законы движения в 1687 году, он признавал, что его теории, а также его уравнения, были основаны на времени. Поэтому для того, чтобы определить природу вещества, от которого зависела его работа, он определил чистое время как нечто, которое «течет ровно безо всякого отношения к чему-либо постоянному»17.

Другими словами, Ньютон воспринимал время как абсолютную величину. Время – это сущность, не зависящая от Вселенной или происходящих в мире событий. Такое восприятие времени работает, как будто существуют независимые часы, работающие где-то за пределами Вселенной, постоянно отсчитывающие непрерывный поток времени. Идеи Ньютона быстро получили признание, так как они, казалось, хорошо работали – настолько хорошо, что он фактически изобрел исчисление: целую математическую систему, основанную на его понятиях времени.

Выводы теории Ньютона относительно времени как абсолютной величины до сих пользуются популярностью. Если его идеи верны, то это значит, что нам следует вычислить расположение каждой частицы во Вселенной. И если мы сможем узнать расположение каждой частицы и скорость ее перемещения, тогда мы сможем вычислить их точное расположение в любой другой момент времени.

С признанием идей Ньютона Вселенную начали воспринимать как большой механизм, созданный из частиц, движение которых из одного места в другое можно проследить. Это механическое представление о Вселенной и нашем организме, которое привело к существующему в настоящее время разделению между восприятием мира как отдельных частиц (считающихся абсолютными в классической физике) и восприятием мира в качестве частиц энергии, описанных при помощи теории вероятностей (квантовая физика).

С появлением теории относительности Эйнштейна в 1905 г. эти поэтические точки зрения навсегда изменились. Вместо восприятия времени как отдельной сущности Эйнштейн предложил такую радикальную теорию, что даже ученые были вынуждены пересмотреть основу физики для того, чтобы понять мысль Эйнштейна. Основой теории Эйнштейна являлось следующее утверждение: время – это часть Вселенной, и оно не может быть отделено от пространства, в котором оно существует.

Другими словами, время и пространство – это две части одного и того же явления. Время не может быть отделено от пространства, в котором оно существует, так же, как две нити становятся тесно связанными друг с другом в пряже. Именно пространство и время в совокупности (названные Эйнштейном пространство-время) создают область за пределами нашего знакомого мира трех измерений: длина, ширина, высота. Он назвал эту область четвертым измерением. С признанием идей Эйнштейна время стало чем-то большим, нежели обычное философское понятие. Неожиданно оно стало природной силой, изучением которой пришлось заняться ученым.

В то время как опубликование теории относительности принадлежит Эйнштейну, идея переплетения времени и пространства на самом деле принадлежала одному из его коллег и друзей, Герману Минковскому. На 80-й ассамблее немецких естествоиспытателей и физиков в 1908 году Минковский описывал развитие идей Эйнштейна. Минковский начал программу со следующих ныне известных слов:

 

«Взгляд на пространство и время, который я хочу вам описать, произошел из экспериментальной физики и, следовательно, является обоснованным. Пространство и время – радикальные понятия. Следовательно, пространство и время сами по себе обречены на полное исчезновение, и только совместное существование сохранит их независимую подлинную сущность»18.

 

 

Рис. 12. Что такое пространство-время? На что оно похоже? Ученые часто объясняют настоящее понятие при помощи изображений, где волны пространства переплетены, и черные дыры и гравитация планет придают форму волнам. Благодаря тому, что невозможно разделить время и события в жизни, на самом деле мы видим вокруг себя пространство-время в качестве повседневного мира. От волн океана до сидящего рядом с вами человека, все, что воспринимается нами как наш мир, и есть пространство-время Вселенной, застывшее в настоящий момент времени.

 

Поскольку понятие относительности Эйнштейна вместе с дополнениями Минковского привели к одной из наиболее революционных идей в науке, термин той реальности, которую описывал Минковский, в настоящее время известен как пространство-время Эйнштейна-Минковского. Эйнштейн знал, то, что он предложил в своих первоначальных работах об относительности, было сложным. В письме Генриху Зенгерру в 1915 году он писал: «Теория прекрасна вне всякого сравнения. Однако только один коллега смог понять ее и использовать ее»19. (Тот коллега был математик Дэвид Хилберт.) Однако после возникновения теория относительности начала распространяться. Внезапно все начали обсуждать настоящую теорию, и более 30 лет спустя Эйнштейн недоумевал, почему его идеи о пространстве и времени находят такой отклик у общества.

Например, в письме Филиппу Франку в 1942 году Эйнштейн писал: «Я никогда не понимал, почему теория относительности встретила такой живой и по-настоящему страстный отклик среди широкого круга людей». В другом письме к другу и коллеге Марселу Гроссману Эйнштейн рассказывал, насколько его идеи относительности распространились среди широкой публики: «Сейчас каждый водитель и каждый официант спорят по поводу справедливости теории относительности»20.

Придав абсолютно новое значение нашему пониманию времени, Эйнштейн описал загадочную природу времени, объяснив, что «время не может быть определено абсолютно, и между временем и скоростью распространения сигнала (скорость волны) существует неделимая связь»21. Эти слова навсегда изменили наше понимание времени и происходящих в нем событий, существовавшее на протяжении 300 лет. Сегодня мы продолжаем обсуждать смысл этих слов, и множество вопросов, возникших в результате идей Эйнштейна, до сих пор не нашли ответов.

 

«Проблема» времени

 

Возможно, следующие вопросы являются наиболее затруднительными для ученых:

1. Реально ли время?

2. Почему время двигается только в одном направлении – вперед?

Несмотря на то, что они могут прозвучать как вопросы, которые можно услышать в первый день занятий на курсе философии в колледже, ответы на них являются ключом к пониманию календаря майя и загадки 2012 г. Большинство ученых серьезно занимается настоящими вопросами. Причина интереса заключается в следующем: для того чтобы ученые смогли продвигаться дальше в постижении величайших загадок физики и Вселенной, на эти вопросы должны быть найдены ответы.

Такое стремление вознаграждается. Недавние исследования предъявили новое доказательство, заставившее физиков по-новому взглянуть на Вселенную. Новое понимание точно ведет к тому, что необходимо нам для решения загадки 2012 года. Поэтому мы внимательно рассмотрим каждый вопрос и увидим результат нового доказательства.

 

1. Реально ли время:

Если мы зададим этот вопрос любому человеку, находящемуся в пробке на одной из американских автострад, то получим один и тот же ответ. Многие найдут прямую взаимосвязь между уровнем своего кровяного давления и временем, которое уходит у них на дорогу на работу или домой. Вы получите такой ответ: «Да! Я готов поспорить, время реально!» Учитывая точку зрения, согласно которой наш мир такой, каким мы его ощущаем, они абсолютно правы.

Время настолько реально, насколько мы считаем, что оно реально. Однако в то время, как «время часов» отсчитывает минуты, это заставляет нас перейти от одного стоп-сигнала к другому; возможно, существует другое время, с которым мы имеем дело: время, которое является емкостью для происходящих в мире событий. Несмотря на то что Эйнштейн, когда задавался этим вопросом, не имел дело с часами пик, именно такой вид времени был выбран Эйнштейном для рассмотрения с другой точки зрения век назад, после чего все изменилось.

Хотя теории Эйнштейна 1905 и 1915 годов несомненно привели нас к новому восприятию времени, они также создали проблему, над решением которой физики борются до сих пор. Затруднение заключается в следующем: законы, описывающие как мир в крупном масштабе Вселенной, так и падающие с деревьев яблоки (законы классической физики), не сочетаются с законами, описывающими микромир субатомных частиц, из которых и состоят яблоки и Вселенная (законы квантовой физики). Все зависит от того, что для нас означает время в нашей реальности. Настоящий вопрос настолько долго находится в изучении, что у физиков даже есть свой собственный язык для описания этой загадки… «проблемы» времени.

В 1967 году два лучших ума XX века предложили способ объединения квантового и классического миров. Физик Джон Уиллер (колледж университета Принстон, современник Эйнштейна) и Брюс Де Витт (университет Северной Каролины) опубликовали работу с уравнением, успешно объединяющим оба способа понимания мира в одну точку зрения, известную как уравнение Уиллера – Де Витта22. Для тех, кто пытался пересмотреть две великие теории физики, это оказалось хорошей новостью.

Хотя специфика уравнения Уиллера – Де Витта сложная, основная идея проста и заключается в восприятии Вселенной с точки зрения, объединяющей квантовый мир и классическую физику. Однако существует одно «но»: для того чтобы решить уравнение Уиллера – Де Витта, мы должны забыть о времени. Это правда: во время решения уравнения время просто исчезает из уравнения.

Другими словами: в то время, как нам кажется, что два лучших ученых XX века решили одну из величайших загадок истории науки, мы понимаем, что единственный способ решения уравнения – это сократить само понятие времени, явления, не дающего всем событиям произойти одновременно. Тогда о чем нам говорит такое открытие? Может быть так, что на глубинных уровнях реальности время вообще не существует?

Точно к такому выводу приводят исследования в немецком институте квантовой оптики Планка. Здесь Ференц Крауц при помощи лазерного излучения изучает квантовое время: самые мельчайшие промежутки времени, которые только можно представить. Работа Ференца сделала реальность лабораторного эксперимента похожей больше на сказочный мир воображения. В лаборатории Крауца происходящие во время исследования события появляются так быстро и в таком малом масштабе, что ученым приходится создавать новый словарь для их описания.

Например, аттосекунда – это измерение времени, равное одной квинтиллионной секунды, единица после 18 нулей. В этих невероятно маленьких промежутках времени ученые обнаружили пространство, где нет времени, область, где промежуток между двумя событиями ничего не значит. Оно называется «время Планка». Время Планка – это все, что происходит в промежуток 10–43 секунды или меньший промежуток (минус 10 с 43 нулями после). Для масштаба: одна единица времени Планка меньше, чем одна квинтиллионная одной квинтиллионной аттосекунды, описанной выше! По крайней мере, на сегодняшний день это самая малая единица времени, имеющая значение в физическом мире.

Это приводит нас назад к сущности времени и к тому, что происходит в интервалах, меньше чем время Планка. Суть заключается в том, что для вещей, происходящих ниже шкалы Планка, время исчезает. Другими словами, вещи, происходящие в таких маленьких масштабах, не имеют значения в нашем физическом мире. Это может привести к противоречивой идее, согласно которой время может быть не настолько важно, как мы думали, или время существует не так, как мы думали о нем в прошлом. Карло Ровелли, физик Средиземного университета в Марселе, Франция, подводит итог таким размышлениям: «Возможно, лучший способ понимания квантовой сущности – это отказаться от понятия времени – фундаментальное описание Вселенной должно быть вневременным»23.

Таким образом, Ровелли описывает, как далеко мы зашли в своих размышлениях относительно значения времени для нас. Несмотря на то что раньше мы думали, что время – это основа жизни и Вселенной, сейчас мы, возможно, понимаем, что времени, по крайней мере в некоторых местах, вообще не существует. Сейчас у нас есть все необходимое для того, чтобы задать вопрос, который открывал настоящую часть: Время существует на самом деле или это наше впечатление придает времени значение? Интересно то, что ответ для обеих частей вопроса один: «да». Все зависит от того, о каком уровне реальности мы говорим, а также где мы находимся в этой реальности.