В Annalen der Physik вышла статья двух ученых, которые утверждают, что силы тяготения недостаточно, чтобы заставить все объекты во вселенной двигаться в одном и том же направлении: прошлое — настоящее — будущее. По их мнению, стрела времени возникает у наблюдателей.
Прошлое. Настоящее. Будущее.
В физике это одно и то же. Но у меня, у вас и у всех остальных время движется в одном направлении: от ожиданий через ощущения в память. Эту линейность называют стрелой времени, и некоторые физики полагают, что она движется таким образом лишь из-за того, что люди и прочие существа с аналогичной нервной системой наблюдают это движение.
Вопрос о стреле (оси) времени существует уже долгое время. Ясности ради надо сказать, что вопрос не в том, существует ли время, а в том, в каком направлении оно движется. Многие физики считают, что оно возникает тогда, когда крошечные частицы, в отдельности подчиняющиеся странным правилам квантовой механики, начинают взаимодействовать и проявлять такие свойства, которые можно объяснить при помощи классической физики. Но сегодня в журнале Annalen der Physik — том самом, где Эйнштейн публиковал свои знаковые статьи об общей и частной теории относительности, вышла статья двух ученых, которые утверждают, что силы тяготения недостаточно, чтобы заставить все объекты во вселенной двигаться в одном и том же направлении: прошлое — настоящее — будущее. По их мнению, стрела времени возникает у наблюдателей.
Это возвращает нас к одной из самых важных проблем в физике, заключающейся в соединении квантовой и классической механики. В квантовой механике частицы могут иметь суперпозицию. То есть, один электрон может существовать в любом из двух мест, и никто не может определить это место наверняка, пока не увидит его. Где может находиться этот электрон — определяется по вероятности. И проверяется экспериментально.
Но правила меняются, когда электроны входят во взаимодействие со многими объектами, скажем, с группой молекул воздуха, или декогерируют, превращаясь в такие вещи как пылинки, самолеты или бейсбольные мячи. Здесь в свои права вступает классическая механика, и сила тяготения становится важна. «Положением электрона, каждого атома управляет вероятность», — говорит физик из Калифорнийского университета в Беркли Ясунори Номура (Yasunori Nomura). Но когда они взаимодействуют с более крупными объектами, или превращаются в вещи типа бейсбольного мяча, эти индивидуальные вероятности объединяются, и шансы на сохранение суперпозиции у всего этого сочетания электронов уменьшаются. Вот почему мы никогда не видим, как мяч исчезает из перчатки полевого игрока на левом фланге и одновременно летит к верхней штанге.
Этот момент, когда физика элементарных частиц сливается с классической механикой, называется декогеренцией. С точки зрения физики, именно в этот момент направление времени становится математически важным. Поэтому большинство физиков полагают, что ось времени появляется из декогеренции.
Самой заметной теорией, объясняющей декогеренцию, является уравнение Уилера-ДеВитта. Оно появилось в 1965 году, когда физик по имени Джон Уилер (John Wheeler) из-за задержки рейса был вынужден сидеть в аэропорту в Северной Каролине. Чтобы убить время, он предложил встретиться своему коллеге Брайсу ДеВитту (Bryce DeWitt). Встретившись, они занялись тем, чем обычно занимаются физики: говорили о теории и играли с цифрами. Эта пара придумала уравнение, которое, по мнению Уилера, стерло все грани между квантовой и классической механикой (У ДеВитта на сей счет оставались сомнения).
Эта теория несовершенна. Но она важна, и большинство физиков считают ее важным инструментом для понимания тех странностей, которые лежат в основе декогеренции и так называемой квантовой гравитации.
И вот где странностей становится больше. Уравнение Уилера-ДеВитта не включает переменную времени, что само по себе совсем не странно. Время это нечто такое, что невозможно измерить само по себе. В физике его измеряют как соотношения между местонахождением объекта… во времени. И это странно. Но оно создает рамки для связывания вселенной воедино.
А вот ученые, написавшие статью в Annalen der Physik, говорят, что в уравнении Уилера-ДеВитта эффект гравитации начинает действовать слишком медленно, чтобы учитывать его в универсальной оси времени. «Если посмотреть на примеры и сделать расчеты, получается, что уравнение не объясняет, как возникает направление времени», — говорит соавтор этой работы, биолог и большой эрудит Роберт Ланца (Robert Lanza). (Ланца создал теорию биоцентризма, утверждающую, что пространство и время это построения, возникающие из-за биологических сенсорных ограничений.) Иными словами, эти юркие квантовые частицы должны обладать способностью сохранять свое свойство суперпозиции до того, как начнет действовать гравитация. Скажем, если гравитация слишком слаба и не может сохранить взаимодействие между молекулами, которые декогерируют в нечто большее, значит, она не в состоянии заставить их двигаться в одном и том же направлении по оси времени.
Если эти расчеты не подтверждаются, то остается наблюдатель, то есть мы. Время движется, потому что люди в биологическом, неврологическом и философском отношении ощущают его именно так, а не иначе. Это такая крупномасштабная версия мысленного эксперимента с котом Шредингера. Удаленный уголок вселенной может перемещать будущее в прошлое. Но в тот момент, когда человек направляет туда телескоп, время начинает соответствовать потоку прошлое — будущее. «В своих работах об относительности Эйнштейн показывает, что время относительно для наблюдателя, — говорит Ланца. — Мы в своем исследовании идем дальше, утверждая, что наблюдатель по сути дела создает его».
Вообще-то эта теория не нова. Итальянский физик Карло Ровелли (Carlo Rovelli) писал о ней в своей работе, опубликованной в прошлом году на открытом сайте по физике ArXiv. Кроме того, она не без изъянов. Номура выделяет один из них. Как установить, реально ли это представление о «времени наблюдателя»? «Ответ зависит от того, можно ли концепцию времени определить математически, не включая в данную систему наблюдателей», — говорит он. Авторы утверждают, что вычесть наблюдателя из уравнения невозможно, поскольку уравнения по умолчанию составляют и анализируют люди.
По словам Номуры, авторы также не учли то обстоятельство, что вся вселенная существует в среде, носящей название пространственно-временной континуум. «Поэтому, когда мы говорим о пространстве-времени, мы ведем речь о декогерентной системе». Он не заходит слишком далеко и не утверждает, что авторы ошибаются, поскольку физика это по-прежнему неполная наука. Однако Номура не согласен с теми выводами, которые авторы делают на основе своих расчетов. А все толкования в физике относительны — как и время.
Ник Стоктон
