Глава 17. Водовороты квантового времени

А что могло бы означать планковское значение времени (10-45 секунд)? Мы уже говорили о нем как об одном из кандидатов на роль «атома времени». В духе космологических соображений ее нужно, вероятно, понимать как квантовую неопределенность в момент начала расширения. Этот мельчайший отрезок времени должен тогда рассматриваться как нерасчленимый – внутри него нельзя выделить какие-то отдельные моменты, которым соответствовали бы те или иные «промежуточные» состояния Вселенной. Пусть это и не универсальный «атом времени», но это квантовая мера точности, с которой мы можем судить о времени в начальной Вселенной.

А. Д. Чернин.

Физика времени

Вернемся к представлениям кантовой теории гравитации, предсказывающей существование фундаментальных ячеек пространства – времени. Если с образом пространства, состоящего из скрученных в единый узел компактифицированных дополнительных измерений все более-менее ясно, то как быть с принципиально иной характеристикой мироздания – временем? Простая логика подсказывает, что если на планковских масштабах существуют «атомы пространства», определяющие эффекты квантовой гравитации, то им должны соответствовать некие «атомы времени». Величину этих самых малых, можно сказать фундаментальных отрезков длительности, легко определить, разделив условный диаметр ячеек пространства (10^–33 см) на самую большую скорость в нашей Вселенной – света (3¹⁰ см / с), что дает нам приблизительную величину порядка 10^–44 с. Представить себе отрезок времени, выражаемый сорока с лишним нулями после нуля и запятой очень трудно, да что там говорить – просто невозможно, однако из такой простенькой на первый взгляд модели дискретного времени следуют многие важные обстоятельства.

Прежде всего наличие «атомов времени» как-то должно учитываться в сценарии рождения нашего мира. Ведь родился он на планковских масштабах пространства – времени! В модели «вечной инфляции» инфлатон, как безмассовое поле, постоянно испытывает случайные квантовые скачки, порождающие новые Большие взрывы. Так возникает схема Мультивселенной, разделенной на экспоненциально большие области дочерних вселенных. В этих параллельных мирах плотность энергии поля инфлатона, достигая минимума своего эффективного потенциала, также начинает флуктуировать, генерируя очередную серию Больших взрывов с «внучатыми» вселенными, и так далее до бесконечности в полном соответствии с названием данного космологического сценария. Получается, что именно бесконечные квантовые флуктуации инфлатона и порождают то, что космологи называют космической или вселенской стрелой времени, управляющей течением всех процессов и явлений нашего мира. Причем эта квантовая космологическая стрела времени оказывается разделенной на фундаментальные отрезки длительности – хронокванты, или, как их еще иногда называют, хрононы.

В качестве еще одного примера можно привести замечательные теоретические построения академика Андрея Дмитриевича Сахарова, касающиеся определения физических величин для значения времени t < 0 относительно точки Большого взрыва (t = 0). Академик Сахаров предложил оригинальную космологическую модель возникновения квантового времени, отличающуюся от модели Фридмана тем, что в ней можно определить все физические величины для досингулярных значений событий.

Эту гипотетическую модель Андрей Дмитриевич назвал космологической моделью с поворотом квантовой стрелы времени. В подобной модели удается так сформулировать все законы физики, что они действуют при любом направлении течения времени, или, говоря по-научному, инвариантны при темпоральной инверсии. Для этого одновременно с изменением направления времени (Т-преобразование) происходит зеркальное отражение пространства (Р-преобразование), и все частицы меняются на античастицы (С-преобразование). В результате возникает всеобщий закон ТРС-инвариантности, на основе которого в далеком будущем наши потомки смогут создать ТРС-агрегат – машину времени и пространства.

В заключение стоит заметить, что у концепции хроноквантового времени есть и еще один крайне любопытный аспект, связанный с исследованиями соотношения неопределенности Гейзенберга, которые проводил в тридцатые годы прошлого века выдающийся советский теоретик В. А. Фок. Владимир Александрович настолько детально рассмотрел соотношение неопределенности для энергии и времени: ∆E∆t ~ ħ, что его даже иногда называют «соотношением Фока». Один из главных выводов академика Фока, впоследствии не раз возвращавшегося к своим рассуждениям, состоял в том, что квантуемость энергии силовых полей самым естественным образом вела к квантуемости некоего гипотетического поля времени – хронополя.

В своей хрестоматийной работе «Об интерпретации квантовой механики» советский физик прямо указывал, что именно квантовая природа времени и может в значительной степени объяснить вероятностный характер квантовой науки в целом. Проще говоря, величина темпорального интервала в хроноквантовом исчислении и определяет вероятность реализации того или иного квантового процесса. А вот здесь опять-таки было бы уместно вспомнить о полемике Бор – Эйнштейн, где новая концепция хроноквантового времени явно могла бы послужить еще одним аргументом со стороны творца теории относительности. Это прекрасно понимает и современный искатель «скрытого физического смысла» в природе квантовых явлений Роджер Пенроуз, прямо указывающий в своих статьях, что моделирование фундаментальных свойств пространства в виде «сверхфундаментальных» частиц, таких как планкионы, фридмоны или максимоны, прямо приводит нас к концепции времени с хроноквантами-хрононами.

Ну, а существуют ли «атомы времени» на самом деле? Пока мы еще очень далеки от исследования подобных глубин пространства – времени, но квантовая структура темпоральных процессов вполне может проявлять себя по крайней мере в трех случаях: в рождении нашего мира, далеких явлениях вблизи черных дыр квазаров и в тонких реакциях рассеивания-столкновения микрочастиц на гигантских ускорителях. Так, может быть, уже в самом ближайшем времени что-то на этот счет может подсказать анализ экспериментов на БАКе…

Академик Сахаров, развивая теорию пульсирующей Вселенной, много внимания уделял теории изначального момента рождения мироздания. И однажды ему в голову пришла невероятная мысль: а если процесс появления новых миров в пучинах Большого взрыва никогда не прерывается? Тогда появляется образ динамичного, можно даже сказать, «живого» Метамира, стремительно растущего, как луковица миров, где в каждое неизмеримо малое мгновение появляется листок новорожденной Вселенной.

Выдающийся мыслитель почему-то не стал достраивать столь необычный космологический сценарий и больше к нему не возвращался. Между тем в последнее время квантовая механика добавила много существенных деталей в возникающую на наших глазах физику времени. Эксперименты показали, что в мире существует удивительное явление квантовой нелокальности, когда частицы связаны друг с другом не силами, а особым квантовым образом. Когда-то подобное очень не нравилось Эйнштейну, который критически называл это «квантовой телепатией». Сейчас мало кто сомневается в эффекте «квантовой запутанности», приводящей к квантовой телепортации, тем более что на его основе собираются строить квантовые системы связи с совершенно фантастическими характеристиками.

Есть догадки, что существует и «хроноквантовая спутанность». Тогда миры, возникающие в сингулярности Большого взрыва, должны быть не только прошиты временными нитями, но и полностью повторять друг друга.

Теперь представьте себе бесконечную вереницу развивающихся одинаковых миров, нанизанных на стрелу времени. Что это будет напоминать стороннему наблюдателю?

Ну конечно же! Перед нами предстает хорошо знакомый образ «линейного времени», возникающий в детстве и сопровождающий всю оставшуюся жизнь. Классическая физика учит, что это мнимый образ, помогающий решать школьные задачи. А вот современная квантовая теория предлагает считать подобные модели вероятным образом множественного мироздания. И тогда возникает удивительный парадокс: оказывается, что лишь невообразимый хроноквант отделяет наш мир от предшествующей и соответственно последующей Вселенной, летящей вместе с нами в будущее. А вместе с этими мирами несутся по стреле времени и неисчислимые множества наших двойников… Может быть, подобная феерическая картина многомирья когда-нибудь подскажет сюжет для какого-нибудь писателя-фантаста, пишущего на тему «иных времен».

Это вполне соответствует общим положениям релятивистской квантовой космологии и концептуально близко как многомировой интерпретации квантовой механики эвереттовского толка, так и теории дочерних вселенных по инфляционным сценариям. Введение такой хронодинамической структуры атемпорального Мультимира достаточно тривиально, поскольку каждая из вселенных этого атемпорального ряда, с точки зрения внутреннего наблюдателя, представляет собой изолированный мир, а для внешнего наблюдателя-демиурга является последовательностью хроноквантовых кадров развития Вселенной, проецируемых в некотором иррациональном информационном пространстве абсолютных событий. Отдельный и достаточно актуальный вопрос составляет интерференционная дифракция границ ближайших соседей в строгой последовательности хроноквантовых миров. Основным здесь является гипотеза о наличии прямых связей между принципами хроноквантовой локализации микрообъектов и космологическими фазовыми переходами по схеме генерации последовательности континуальных образований в виде временных оболочек с мировыми линиями в пространстве реальных физических событий. Наподобие параллельных миров Эверетта – Уилера такие последовательные Универсумы распространяются по стреле времени от момента возникновения космологической сингулярности Большого взрыва.

Можно даже попытаться оценить число вселенных, реализованных после Большого взрыва до наших дней. Получается, что их количество составляет N = T / t (pl) ~ 10 ⁶⁰, где T – время существования нашего мира, t (pl) – планковское время.

Строгая последовательность подобных миров, являющихся абсолютными дубликатами нашей физической реальности, и будет в целом определять привычный образ физического времени. Подчеркнем, что, с точки зрения стороннего сверхъестественного наблюдателя-демиурга, совокупность миров составляет единую материальную историческую последовательность, по оси времени которой они, расширяясь, движутся. В системе отсчета отдельной Вселенной ординарный наблюдатель-гуманоид отметит прошедшие и наступающие события как абсолютное отражение собственной истории данной реальности. Для наглядности можно ввести и третью сущность – наблюдателей-демонов, способных видеть как бы изнутри всю череду миров квантового Мультиверса.

Вероятность квантовых переходов, ведущих к увеличению локальной плотности потенциальной энергии, может быть очень малой, но область, где они произошли, начинает расширяться значительно быстрее остальных, и квантовые флуктуации в ней приводят к рождению новых инфляционных областей. Это ведет к эффекту самовоспроизводства Вселенной, характерной для стандартных сценариев.

В инфляционной космологии при планковской плотности происходит локальное изменение количества компактифицированных измерений, и Вселенная оказывается разделенной на экспоненциально большие области различной размерности. Теория включает также возможность разделения Вселенной на несвязанные части из-за эффектов квантовой гравитации, при этом дочерние вселенные могут акцептировать комбинации частиц и полей, разрешенные законами сохранения.

В определенных сценариях за основу можно принять и теорию генерации дочерних вселенных, как процесс самовоспроизводства вселенных в квантовой космологии. К сожалению, все эти подходы основаны на различных начальных предположениях, и результаты их могут существенно различаться, хотя вполне возможно, что это является лишь временными трудностями.

Вот что говорит о современной картине развития Метагалактики видный современный космолог Александр Виленкин из Института космологии Университета Тафтса (США, штат Массачусетс):

Существует множество причин, позволяющих уверовать в бесконечность Вселенной. А раз так, значит, она состоит из бесконечного количества регионов, соизмеримых по масштабу с тем, который доступен для нашего наблюдения (80 млрд световых лет в поперечнике). Исходя из положений квантовой механики, можно сделать вывод, что число историй, которые могут произойти за конечный отрезок времени (начиная с Большого взрыва) – конечно. Под историями я понимаю не только историю цивилизаций, а любые события, которые могут произойти, вплоть до атомного уровня. Возможных историй невероятно много (грубо их количество можно оценить как 101 050), но важно то, что мы имеем дело с конечным множеством.

Таким образом, есть бесконечное количество регионов, подобных нашему, и только конечное количество историй, которые могут в них произойти. Следовательно, каждая возможная история произойдет в бесконечном множестве регионов. В частности, будет бесконечное количество регионов, чьи истории идентичны нашим. Так что, если вы не удовлетворены результатами президентских выборов, не отчаивайтесь: ваш кандидат пришел к власти в бесчисленном количестве земель.

Такая картинка Вселенной лишает нашу цивилизацию возможности претендовать на уникальность: таким, как мы, рассеянным по всему космосу, несть числа. Это, конечно, грустно, но, возможно, что все обстоит именно так…

Таким образом, применение принципа хроноквантовой реинтерпретации постулатов квантовой механики приводит к новым модификациям сценариев развития космологической сингулярности Большого взрыва. При этом исходные посылки не противоречат современным физическим представлениям о пространственно-временных соотношениях, а только расширяют квантово-космологическую парадигму. Особый интерес здесь составляют модельные исследования физического механизма космологических фазовых переходов, деструктурирующих метрику протопространства в псевдоевклидову метрику нашего мира.

Вполне возможно, что подобные космологические явления следует считать процессами третьего рода, т. к. при них происходит скачкообразная перестройка досингулярной метрики с возможным изменением симметрии пространства – времени. Это не только обусловливает качественный скачок в состоянии Мультиверса, но и определяет взаимно однозначное соответствие между симметрией исходной метрической фазы и вновь образующимися модификациями. Можно с известной степенью вероятности предположить, что такие переходы будут сопровождаться мультипликацией исходных фундаментально-элементарных метрических ячеек пространства – времени, определяемой некоторым первичным параметром реструктуризации. Последующее протекание скорее всего деструктирует метрику и изменяет состояние Вселенной непрерывным образом на основе трансформационных свойств критического параметра порядка.

Подобное расширение концепции возникновения квантового Мультиверса позволяет вернуться к вопросу о волновой функции Вселенной. Конструирование решений уравнения Шредингера для волновой функции всей Вселенной показывает, что эта волновая функция не зависит от времени, так как полный гамильтониан Вселенной, включающий гамильтониан гравитационного поля, тождественно равен нулю. Описание хроноквантовых Вселенных с помощью их волновых функций возможно сопоставить генерации подобных фридмонам квазичастиц. При этом вполне допустимо, что Мультиверс как целое неизменен во внешнем хронополе.

Концепцию эволюции Вселенной в образе мегагигантской квазичастицы – фридмона – можно попытаться понять, представив внешнее пространство иной размерности со стрелой времени и демоном-наблюдателем с часами, не принадлежащими Вселенной. Таким образом, весь мир формально можно разделить на две главные части, включающие демона-наблюдателя с его измерительными приборами и остальную Мультивселенную. Тогда волновые функции Мультивселенной будут определяться показаниями хронометра другого наблюдателя – демиурга, т. е. собственным временем внешнего наблюдателя, отсчитываемым на хроноквантовой стреле. Эта зависимость от времени в некотором смысле объективна: результаты, полученные различными внутренними обитателями Мультимиров, живущими в одном и том же хроноквантовом состоянии Вселенной, будут абсолютно совпадать.

Дискретная субстанция ячеек метрики континуума может рассматриваться как состоящая из частиц Планка – планкионов. Очевидно, динамика континуальной метрики должна определяться параметрами элементарных сущностей планкионов.

Таким образом, основные физические характеристики материи только проявляются в базовом подпространстве, а формируются в других подпространствах, предшествующих на стреле времени. Вследствие экспансии инфлатона можно ввести для замкнутой космологической модели понятие экстремального радиуса Мультиуниверсума, по достижении которого планкионные ячейки континуальной метрики начнут сжиматься вплоть до состояния с минимально возможной топологией внутреннего подпространства. Вполне естественно, могут существовать сценарии метастабильного равновесия, по которым радиус Вселенной стабилизируется вблизи некоторого квазиравновесного значения, а также неограниченной экспансии. Последние гипотетические построения наиболее проблематичны с точки зрения современной физики, т. к. допускают неограниченное увеличение инфлатона с катастрофическим падением плотности псевдоевклидова пространства.

Тем не менее с философской точки зрения одной из наиболее интересных и последовательных теорий, описывающих окружающую действительность, является многомировая интерпретация Эверетта – Уилера. Если попытаться дополнить эту интерпретацию гипотезой об атемпоральном характере последовательности эвереттовских миров, то мы получим оригинальный реляционно-субстанциональный образ явления, воспринимаемого нами как время. Этот небольшой, но принципиальный шаг приводит к достаточно интересной теоретической конструкции и может представлять собой новый аспект развития как для квантовой теории, так и для релятивистской космологии.

Естественно считать, что всякая новая теория, в том числе и хроноквантовая механика, представляет в своей основе лишь относительную истину, но это, конечно, не дает оснований для априорного непризнания внесенных ею новых идей и понятий. Хронофизические понятия в той или иной форме, несомненно, будут претерпевать дальнейшее развитие, но скорее всего их эволюция пойдет в сторону дальнейшего отхода от классических представлений квантовой механики.

Как же хроноквантовая космология описывает несущий нас в бесконечность поток времени?

Прежде всего, надо привыкнуть к мысли, что, если мы хотим построить полноценную модель квантового времени, объясняющую многие космологические и физические парадоксы, нам придется решительно отказаться от целого ряда «бытовых» штампов. Самое трудное – вникнуть в образ непрерывной динамики потока времени. В начале начал Большого взрыва мы «видим» непрерывные рождения вселенных, т. е. с высочайшей скоростью, через каждый хроноквантовый промежуток (напомним, что это часть секунды, выраженная дробью с 44 нулями в знаменателе), космологическая верфь «Сингулярность Мультиверсум» отправляет в путь по реке времени новый мир. Собственно говоря, эта практически бесконечная вереница вселенных, «сцепленных» квантовыми закономерностями, и составляет образ квантового времени.

Структура Мультиверса предстанет перед всепроникающим взором демиурга, парящего среди сполохов квантовых флуктуаций первичного скалярного поля инфлатона, наподобие «луковицы миров», где каждая из множественных вселенных представляет собой замкнутую оболочку изолированного мира. Ну, а в центре луковицы Мультимира демиург с любопытством зафиксирует призрачные сполохи главной вселенской тайны – космологической сингулярности Большого взрыва, в которую только что развилась одна из бесчисленных квантовых флуктуаций.

Впрочем, он тут же вспомнит полученный накануне свыше указ, подкрепленный статьей из солидного физического журнала, в котором прямо указывалось, что космологическую сингулярность следует считать самой обычной точкой бифуркации в процессе космического фазового перехода, правда, имеющего не совсем ясную природу и сопровождающегося непонятными изменениями пространственно-временного континуума. Довольно почесав кончиком хвоста за ухом и полистав пудовый фолиант, испещренный бесконечными формулами, с горящими на обложке литерами «М – теория суперструн», демиург решает, что в высших сферах наконец-то приняли что-то дельное, ведь иметь дело с бесконечными плотностями «сингулярной» материи и энергии и нечистой силе не очень-то приятно… Ну, а теперь, поскольку понятие главной космической сингулярности так удобно аннулировано простым волевым решением, можно попристальнее вглядеться в феерический процесс рождения новых миров, с немыслимой хроноквантовой частотой возникающих в катаклизме квантовых флуктуаций колеблющегося марева инфлатона.

Но уже через несколько миллиардолетий, устав от непрестанного мелькания возникающих, растущих и лопающихся пузырей вакуумной пены дочерних и внучатых вселенных, наш руководящий демон впадает в сладостную дремоту. Во сне ему, конечно же, видится образ Многомирья, так напоминающий пышную шапку пены над запотевшей пивной кружкой (образ известного английского теорфизика Ричарда Готта), что, проснувшись, он тут же решает передать эстафету наблюдения своим младшим собратьям – демонам, рассаженным по отдельным мирам, а самому отправиться несколько освежиться в одну из наиболее подходящих вселенных, славящуюся осенним элем, романами Клиффорда Саймака и заповедниками гоблинов.

В это время каждый из внутренних демонических наблюдателей уже успел вообразить себя кондуктором вагончика-мироздания, стремительно летящего по стреле-монорельсу времени в неизвестность. Внутри своего мира демон чувствует себя вполне комфортно, здесь течет свое время, рождаются и гибнут галактики и в общем-то идет нормальная эволюция локальной Вселенной. Однако скоро демону начинает досаждать периодическое хриплое мяуканье полуживого шредингеровского кота, клетка с которым вместе с портативной системой кошачьего полуумертвителя входит в обязательный набор демонического научного инструментария. Пошикав на вредное создание великого теоретика и подумав в очередной раз о том, чем же так досадило Шредингеру в свое время кошачье племя, демон тычет кочергой в кошачью клетку, отчего мяуканье переходит в хриплый пульсирующий вой.

Не выдержав оглушительного кошачьего концерта, младший бес садится писать длинную жалобу демиургу, сетуя на невозможные условия работы в присутствии кошмарного порождения одного из основателей квантовой механики, досаждающего своим шумным оживлением через каждый хроноквант потока времени. Скучающий в «небытии» демиург, только что вернувшийся с третьей планеты желтого карлика на окраине Млечного Пути, незамедлительно присылает ответ по сверхпространственной почте, от которого шерсть демона становится торчком, а хвост закручивается в спираль Мебиуса. Забыв о вредном коте, бес стремительно летит в тамбур своего вагончика-мироздания и распахивает дверь вселенского тамбура…

Тут его изумленному взору предстанет весь состав поезда-Мультиверса с клацающими буферами запутанных квантовых состояний и практически бесконечным количеством стрелок на каждом хроноквантовом стыке монорельса стрелы времени. С трудом придя в себя и отдышавшись, демон начинает осознавать, что не только мерцающая жизнь квантового кота, но и его личная судьба в реальности данного мира решается каждый хроноквант времени, локализуясь в полном соответствии с квантовой теорией в новую историческую последовательность хроноквантовых вселенных.

Ну а теперь мы немного отвлечемся от «квантовой демонологии» и заглянем в одну из работ, описывающих квантовое время Мультиверса. С точки зрения стороннего наблюдателя, совокупность миров Мультиверса будет составлять единую историческую последовательность, по оси времени которой они, расширяясь, движутся. В системе отсчета отдельной Вселенной внутренний наблюдатель отметит прошедшие и наступающие события как абсолютное отражение собственной истории данной реальности. Получается, что всеобщий принцип атомизма должен распространяться и на длительность событий в нашей Вселенной. Так что в этом смысле мы вполне можем говорить о возможности существования неких ячеек времени, частиц времени и даже поля времени – хронополя.

Таким образом, мы видим, что новые концепции квантового времени способны объединить множественные миры мироздания в единую структуру квантового Мультиверса. Например, Стивен Хокинг вводит понятие «мнимого времени», связывающего воедино все миры Мультиверса. В подобных теоретических схемах миры многомирья напоминают костяшки на бухгалтерских счетах, нанизанные на единую стрелу общего времени Мультиверса. Каждый хроноквант в сингулярности Большого взрыва возникает новый мир, отправляясь в путешествие по стреле времени. В этой практически бесконечной череде вселенных действует и собственное время, показывающее возраст каждого конкретного мира. Оно отражает перемещение по стреле времени, как спидометр автомобиля показывает время поездки по пройденному расстоянию при строго определенной скорости. Так связь «внешнего» и «внутреннего» времен образует единую структуру Мультиверса.

Строгая последовательность подобных миров, являющихся абсолютными дубликатами нашей физической реальности, и будет в целом определять привычный образ физического времени. Определенные логические предпосылки для дальнейшего развития данных представлений, как уже упоминалось, можно найти в интерпретациях теории Эверетта – Уилера – Девитта и в моделях Виленкина и Линде. С разработкой новой теоретической модели физического времени возникла возможность анализа существования практически бесконечного множества последовательных и вложенных вселенных как изолированных и в то же время абсолютно схожих частей единого Мультиверса.

Что же дает нового такая парадоксальная картина окружающей реальности и почему она начиная с середины прошлого века привлекает самое пристальное внимание физиков?

Во-первых, она дает возможность построить хотя бы приблизительную непротиворечивую картину возникновения нашей Вселенной с самой начальной «нулевой» точки, и даже более того, в определенном смысле заглянуть за занавес сингулярности Большого взрыва.

Во-вторых, наконец-то возникает непротиворечивая физическая концепция времени, включающая объяснение всех его спорных «узлов» и «петель»…