Часть I
Удивительное время
Глава 1
Запутанная тайна
Великие философы имели весьма разноречивые и путаные представления о времени, но физика дала надежду на то, что мы поймем его
Время летит, как ветер;
Фрукты летят, как бананы.
Детская считалка
Вот вам факт о вас самих, который мало кто знает. Возможно, даже никто, кроме вас. Он состоит в том, что именно сейчас вы читаете эту книгу. Я могу быть даже более точным: именно сейчас вы читаете слово сейчас.
Более того, вы знаете, что это правда, хотя я об этом не знал и до сих пор не знаю. Вы читаете слово сейчас именно сейчас, а мне этот факт совершенно неизвестен, если только я не стою за вашей спиной и вы не указываете пальцем на те слова, которые прочитываете.
Сейчас – это очень простое и одновременно удивительное и таинственное понятие. Вы знаете, что оно означает, но его значение трудно объяснить без постоянного хождения по кругу. «Сейчас – это момент времени, который отделяет прошлое от будущего». Хорошо, а теперь попытайтесь дать определение прошлому и будущему, не используя слово сейчас. То, что вы подразумеваете под «прошлым» и «будущим», постоянно меняется. Только недавно чтение вами этого абзаца лежало в плоскости будущего. Сейчас большая часть этого события уже в прошлом.
Теперь уже весь абзац в прошлом (если только вы не пропускаете строчки). Сейчас относится ко вполне определенному времени. Но это время беспрерывно меняется. Именно поэтому мы используем часы. Они сообщают нам цифры, связанные с сейчас. Цифры называют «настоящее», или «реальное» время. Часы обновляют его непрерывно, обычно ежесекундно. Движение времени неостановимо. Мы можем занимать одно и то же место в пространстве, но не во времени. Мы движемся во времени, но не контролируем этот процесс. Конечно, если только путешествия во времени не станут возможными.
Смысл сейчас – одна из многих тайн, заключенных в этом странном явлении, которое называется временем. Замечательно, что сегодня мы так много знаем о нем, особенно благодаря причудливым и сверхъестественным понятиям, связанным с теорией относительности Эйнштейна. Но настолько же очевидно и то, что мы так мало знаем о фундаментальных характеристиках времени: что это вообще такое и как оно связано с окружающей нас реальностью. Эта книга – о времени. О том, что мы о нем знаем и чего не знаем.
Течет ли время? В 5 часов 12 минут утра 18 апреля 1906 года в Сан-Франциско произошло страшное землетрясение. Время этого природного катаклизма не изменилось; вы можете прочесть о нем в . То, что течет, движется, – это наше понимание сейчас. Сейчас движется, изменяется и продвигается во времени.
Или, может быть, имеет больший смысл говорить, что время течет мимо этого сейчас. Вообще описать смысл слова «движение» довольно трудно. Говоря, что движется автомобиль, мы замечаем его положение в один момент времени и затем – в другой момент времени. Скорость движения машины будет определяться делением расстояния на время, которое заняло его покрытие. Например, это может быть столько-то миль в час. Такой подход к описанию сейчас никуда не годится. Сейчас – это именно сейчас. Остановитесь на секунду, и сейчас останется именно сейчас. Разве это сейчас движется? Да, ход времени иллюстрируется тем обстоятельством, что значение сейчас постоянно меняется. С какой же скоростью движется время? Со скоростью секунда в секунду.
Есть еще третий взгляд. Он состоит в том, что каждый момент генерируется новое время, и именно это вновь возникшее время – то самое сейчас. Лежат ли в основе этих взглядов философские либо физические различия? Можно ли свободно выбирать один из них или в том или ином больше истины и смысла, чем в других? Этот вопрос мы также исследуем на страницах книги.
Давайте предположим, что время остановилось. Вы заметите это? Каким образом? Или, например, оно унеслось скачками вперед или изменило скорость своего движения каким-то другим образом. Сможете обнаружить разницу? Это, пожалуй, нелегко; по крайней мере, если бы вы использовали то изображение времени, которое часто встречается в кинематографе. Например, в фильмах «Темный город», «Клик: с пультом по жизни», «Интерстеллар» или «Лара Крофт: расхитительница гробниц». Восприятие нами момента сейчас, судя по всему, определяется количеством миллисекунд, необходимых для того, чтобы наши глаз, ухо или кончики пальцев послали в мозг сигнал, который он заметит, запечатлеет и запомнит. Для человеческого существа это несколько десятых секунды, для мухи – несколько тысячных секунды. Кстати, поэтому так трудно ловить мух. Для мухи ваша рука приближается словно в замедленной съемке, совсем как в фильме «Останавливающие время».
Скорость течения времени вопрос не только научной фантастики. Теория относительности дает некоторые вполне определенные примеры этого, скажем, в парадоксе о близнецах. Тот близнец, который путешествует в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, испытает более медленное течение времени, чем его брат, оставшийся на Земле. Оба одинаково ощутят течение времени, но его скорость для каждого будет разная. Ниже мы изучим этот странный парадокс детальнее.
Надежда на эвентуальное (возможное при соответствующих условиях, обстоятельствах. Прим. ред.) понимание сейчас основывается на том гигантском прогрессе, который сделала физика в XX веке. Но сейчас давайте вернемся в прошлое, чтобы взглянуть на сложности, с которыми сталкивались в этом вопросе древние.
Не поддающееся описанию сейчас
Труд Аристотеля под названием «Физика» доминировал в науке вплоть до Возрождения. Это была научная библия средневековой католической церкви. Отрицание некоторых положений Аристотеля привело Галилея к суду инквизиции. Четыре части своей «Физики» автор посвятил разбору идей о времени и сейчас и в результате сам оказался совершенно сбитым с толку. Он писал:
«Сейчас» не часть чего-то, поскольку часть есть мера целого, которое должно состоять из частей. Время же нельзя себе представить состоящим из многих «сейчас». Кроме того, «сейчас», которое кажется связывающим прошлое и будущее, – остается ли всегда одним и тем же или все время становится другим? Трудно ответить. Если оно все время другое и другое, и если разные части времени не одновременны (если только одна не содержит другую, а другая не содержится в первой, как более короткое время содержится в более длинном), и если «сейчас», которого нет, но которое существовало в прошлом и прекратило свое существование, то многие «сейчас» не могут существовать одновременно с другими, а предшествующее «сейчас» всегда должно прекращать свое существование.
Глубоки эти мысли или просто запутанны? Пытаясь быть точным в отношении сейчас, Аристотель запутывается в собственных словах. Мы до известной степени можем успокаивать себя тем, что даже такой почитаемый мыслитель находил этот вопрос непостижимым.
Блаженный Августин в своей «Исповеди» жаловался на неспособность понять, что такое течение времени. Он писал:
Что есть время? Если никто не спрашивает меня об этом, я знаю ответ; если я хочу объяснить это, то ничего не знаю.
Это сетование, написанное в V веке до н. э., отзывается и в нашем, XXI веке. Да, мы знаем, что представляет собой время. Так почему же не можем описать его? Каким тогда знанием о времени мы располагаем?
Загадка Августина частично проистекает из его утверждения о том, что Бог всемогущ, всеведущ и вездесущ. Из этого следует удивительное дополнительное заключение: Бог должен быть безвременен. Эта замечательная мысль подготовила основу для современной физики, описывающей поведение вещей пространственно-временными диаграммами, в которых ничего не сообщается о том, что время течет или что сейчас существует.
Для человека, говорит Августин, нет прошлого или будущего, а есть только три настоящих: «настоящее прошлых вещей, то есть память; настоящее существующих вещей – зрение; и настоящее вещей будущих – ожидание». (Не воодушевило ли это утверждение Диккенса на его «Рождественскую песнь в прозе: святочный рассказ с привидениями»?) Однако в других словах Августина сквозит неудовлетворенность таким объяснением. Он говорит: «Мое сердце жаждет раскрыть эту самую запутанную загадку».
Альберт Эйнштейн тоже был озабочен идеей сейчас. Философ Рудольф Карнап пишет в своей Intellectual Autobiography («Интеллектуальной биографии»):
Эйнштейн сказал, что проблема «сейчас» серьезно его беспокоит. Он объяснил, что испытание этого «сейчас» становится для человека чем-то особенным, принципиально отличающимся от прошлого и будущего, но это важное отличие возникает не в рамках физики. Тот факт, что этот опыт человека не может быть понят наукой, казался ему болезненной, но неизбежной уступкой природе. Он сделал вывод: «Вокруг проблемы “сейчас” существует нечто очень важное, что, однако, лежит вне сферы досягаемости науки».
Карнап не соглашается с этим заключением Эйнштейна, заявляя: «Поскольку, в принципе, наука может сказать все, что только может быть сказано, вопросов, оставшихся без ответов, не может быть». Однако человек, не соглашающийся с Эйнштейном, должен быть очень осторожен. Его раздумья, на первый взгляд, легко отвергнуть как эмоциональные и принять за не такие глубокие, как наши. Однако простые по форме утверждения Эйнштейна никогда нельзя отождествлять с простотой его мысли. Философы иногда убеждают себя, что достигают большой глубины мышления, когда пользуются вычурно-искусственными оборотами типа «хроногеометрический фатализм» (что, по существу, просто признание постоянства скорости света). Эйнштейн же, напротив, умел сказать серьезные вещи так, что их мог понять даже ребенок. Эта способность сделала его одним из самых цитируемых ученых всех времен.
Некоторые теоретики, вместо того чтобы воспринимать отсутствие понятия течения времени (как это делал Эйнштейн), понимают это как указание на существование какой-то более глубокой истины. Например, известный современный физик-теоретик, профессор Колумбийского университета Брайан Грин в книге The Fabric of the Cosmos утверждает, что «теория относительности объявляет нашу Вселенную эгалитарной (уравнительной. Прим. ред.), в которой каждый момент так же реален, как и любой другой». Он повторяет за Августином, что «в нас живет постоянная иллюзия прошлого, настоящего и будущего». Грин утверждает, что, поскольку теория относительности ничего не говорит о течении времени, такое течение должно быть всего лишь иллюзией, а не частью реальности. Для меня эта логика превратна. Подобный подход подразумевает, что вместо требования от теории объяснения наших наблюдений мы должны подгонять наблюдения под теорию.
Атеисты высмеивали Эйнштейна за то, что в свои последние годы он «отходил от физики», пристрастившись к религии. Но им не удавалось развеять его озабоченность тем, что наука неспособна дать ответы на фундаментальные вопросы мироздания: что такое течение времени и что такое сейчас. Многие ученые убеждены: то, что не может быть доказано физикой, нельзя считать частью окружающей нас реальности. А можно ли проверить подобные утверждения? Или они также представляют собой своеобразные религиозные верования? Философы назвали подобные догмы физикализмом. Есть ли у нас способ проверить и доказать, что физика может объяснить все явления в природе? Или такой веры ожидают от любого физика, как всегда, неформально, но жестко требуя принадлежности к христианству от любого потенциального кандидата на пост президента США? Если вы не согласны с физикализмом, то не рискуете ли быть осмеянным за свой сдвиг в сторону религии, как это произошло с Эйнштейном?
Сэр Артур Эддингтон уважаем среди физиков за большой вклад в науку – как в теорию, так и в экспериментальные исследования. Но больше всего его помнят по теории стрелы времени и за объяснения того таинственного обстоятельства, что мы помним прошлое, но не будущее. И даже несмотря на то, что Эддингтон предложил объяснение направления времени, он не понимал факта его течения. В книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира», 1928) он писал: «Великое свойство времени заключается в том, что оно идет вперед». И тут же сожалел: «Но это именно тот аспект времени, который физики иногда склонны отрицать».
В работе A Brief History of Time Стивен Хокинг даже не упоминает о загадке понятия сейчас. Его книга сосредоточена в основном на том, что мы знаем о времени и в чем современные теории ошибаются. Хокинг говорит о стреле времени, но не о его течении; об относительности времени, но не о тайне сейчас. Почти все последние книги, посвященные проблеме времени, в этом похожи на книгу Хокинга. Они делают акцент на возможные теории, которые объединили бы физические уравнения, а не на концепции, разъясняющие значение сейчас и течение времени.
Но в жизни всегда есть место надежде.
Нарушенная симметрия
Подход к пониманию концепции сейчас отправляет нас в путешествие по просторам абстрактной и удивительной физики, физики времени, смысла реальности и современных исследований свободы воли.
Мы начнем с обсуждения замечательного и странного поведения времени, которое граничит с невероятным, но между тем вполне определенно. Важнейшие прорывы в этом отношении были сделаны в начале 1900-х годов, когда Эйнштейн установил, что скорость течения времени зависит от скорости передвижения объекта и гравитации. Время эластично, растяжимо и даже способно на обратное течение. Эти его свойства настолько значительны, что используются в современных спутниках GPS. Если бы в системе GPS не применялись открытия Эйнштейна, такие спутники ошибались бы в определении нашего местоположения на много километров. У вас есть мобильный телефон? Тогда в кармане вы носите прибор, использующий теорию относительности.
Самые странные свойства времени обнаруживаются в черных дырах – тех таинственных объектах, которые сейчас ученые находят по всей Вселенной. Если вы упадете в черную дыру, будете расщеплены на мельчайшие части и (в соответствии с существующими теориями) совершите путешествие в бесконечность и даже дальше, что мы с вами позже обсудим. Посмотрите на черные дыры свежим взглядом, и вы увидите гораздо больше, чем просто черноту. И не надо падать в них, чтобы подвергнуть чудовищному стрессу свое ощущение реальности. На черные дыры распространяется стрела времени. Новые теории (пока не получившие подтверждения) утверждают, что в черных дырах (как и в «горизонте событий» в бесконечности) сосредоточена большая часть энтропии Вселенной.
Затем мы бросим взгляд на пострелятивистский мир, когда Эддингтон, размышляя над направлением времени, пришел к заключению, что оно определяется вторым законом термодинамики: то есть уровень хаоса в мире, измеряемый как его энтропия, повышается и будет расти всегда. Это странный закон. Он построен не на базе физики, а на том факте, что наша Вселенная исключительно хорошо организована, и законы вероятности говорят, что развиваться ей некуда, кроме как вниз, к увеличивающемуся беспорядку и случайностям и в конечном счете к холодной (тепловой) смерти. Это ли будущее нас ожидает? Необязательно. Растущий хаос во Вселенной парадоксальным образом сопровождается ее возрастающей упорядоченностью, которая связана с формированием планет, жизни и цивилизаций.
Я покажу, что энтропийному направлению движения времени есть серьезные альтернативы, включая некоторые таинственные аспекты квантовой физики, до сих пор непонятые. В наши дни часто делаются ссылки на «теорию измерений» (239 миллионов запросов в поисковой системе Google). Однако на самом деле подобной теории не существует. Наиболее драматическим открытием в науке об измерениях было подтверждение некоторых странных свойств квантовой запутанности, то есть явления, позволяющего предполагать наличие скоростей выше скорости света. Вполне возможно, что за еще не открытой «теорией измерений» может скрываться ответ на некоторые из вопросов, которые перед нами ставит время. Квантовая физика должна сыграть решающую роль в распутывании смысла понятия сейчас.
Некоторые люди полагают, что время – атрибут нашего сознания, которое никогда не может и не будет сведено к физике. Хотя многие физики верят, что вся окружающая нас реальность подвластна только их науке. Я покажу, что это не так. Что есть знание, такое же реальное, как и научные наблюдения, но которое никогда не было обнаружено экспериментально и не может быть подтверждено измерениями. Простым примером служит тот факт, что √2 не может быть представлен в виде целочисленной дроби. Другой пример – невозможность знать, как выглядит голубой цвет.
Можно ли назвать стрелу времени психологическим явлением? Если бы время повернуло назад, мы бы заметили это? Великий физик Ричард Фейнман показал, что мы можем рассматривать позитроны (частицы антивещества, служащие топливом для космических кораблей в научной фантастике, а сегодня используемые в медицине для диагностики) в качестве электронов, движущихся во времени вспять. Может ли и наше сейчас повернуть назад? Можем ли мы допустить такое?
В заключение я постараюсь показать, что течение времени, как и понимание таинственного и ускользающего от нас сейчас, относится к области компетенции науки – и не в понятии энтропии, а в космологической физике. Чтобы понять наше сейчас, мы должны объединить не только теорию относительности и Большого взрыва, но и осознать, что рост энтропии имеет свои границы. Нужно рассмотреть те идеи, которые предоставляет нам в этом отношении квантовая физика, особенно (и, возможно, наиболее удивительно) в смысле понимания свободы воли. Новое понимание свободы воли, хотя практически ненужное для объяснения сейчас, сыграет ключевую роль в осознании нами, почему же это сейчас так важно.
* * *
Вместе пространство и время обеспечивают сцену, где мы живем и умираем; на ней классическая физика делает свои предсказания. Однако до начала 1900-х годов сама эта сцена не была изучена как следует. Предполагалось, что мы должны обращать внимание на пьесу, на выведенные в ней персонажи, повороты сюжета – но не саму сцену. И появился Эйнштейн. Его гений состоял в том, что он понял сам и открыл остальным: сцена нашей жизни находится в пределах царства физики, а время и пространство обладают удивительными свойствами, которые можно изучать и использовать, чтобы предсказывать будущее. Даже несмотря на то что Эйнштейн тоже не смог понять смысла сейчас, его работа имела ключевое значение для обретения нами знания. Эйнштейн подарил физике время.
