Размышления

Почему физика уделяет времени так мало внимания

admin
Всего просмотров: 184

Среднее время на прочтение: 12 минут, 8 секунд


Фотография похоронной процессии Роберта Кеннеди, 1968 год. Фото: Пол Фуско/Magnum

Что есть время? Если меня никто не спрашивает об этом напрямую, я знаю ответ. Но если придется объяснить кому-то — я не буду знать ответа. Святой Августин, «Исповедь» (397-400 год нашей эры).

Из-за страха перед смертью родилось искусство повествования.

Эдуардо Галеано, «Зеркала: Истории почти всех» (2009 год)

У меня есть одно яркое детское воспоминание: мой пожилой дедушка машет мне на прощание с больничного крыльца. Почти наверняка мне вспоминается сон.

Если заглянуть в фотоальбомы моих родителей времен моего детства, то можно обнаружить фотографии одного события. На них присутствует вся семья: тётушки, дяди, двоюродные братья и сёстры; все они собрались на нашей ферме в северной части штата Нью-Йорк, чтобы отпраздновать пятидесятую годовщину свадьбы бабушки и дедушки. Вот и я на некоторых фотографиях вместе с братом: пара маленьких мордашек затесалась посреди улыбающихся великанов.

Мне вспоминается особенная атмосфера того вечера: тебя отправляют в постель, но ты до конца вечера наслаждаешься приятной болтовней взрослых, прячась на верхних ступенях лестницы. Я не помню, что происходило потом, но последующий визит в больницу мне не запомнился.

Много лет спустя отец рассказал мне, что в ту же ночь мой дедушка был доставлен в больницу и умер на операционном столе. В моей памяти прощание с дедом до сих пор заставляет тосковать меня по миру, где существует более законный порядок, где связь с любимыми не имеет границ на протяжении всего времени и пространства.

Главной целью только что появившейся науки и философии было удовлетворение такой тоски: выйти из бесконечного цикла времени и жизни, к которым мы привязаны, и бросить взгляд на то, что, по словам американского писателя французского происхождения Джорджа Стайнера, зовется «вечностью неподалеку». Наше человеческое чувство времени ощущается как непрерывная связь с ним: поток времени несет нас из прошлого в будущее, и мы никак не можем повлиять на его течение (замедлить или остановить время).

Течение времени, безусловно, — один из многих непосредственных аспектов нашего существования. Оно влияет на то, как мы воспринимаем себя и планируем свою жизнь. Наши воспоминания помогают нам не забывать о том, кто мы есть, а мысли — двигаться вперед к тому, кем мы бы хотели стать. Современное научное понимание природы времени становится все сложнее, но все же ему, несомненно, не хватает прорывных идей.

Все же современные физики редко спорят о том, что есть время и почему мы ощущаем его так, как ощущаем, запоминая события прошлого прошлом, но не будущего. Вместо этого они создают все более и более точные часы. На данный момент самые точные из них располагаются в Объединенном институте лаборатории астрофизики в Колорадо. Они измеряют колебания атомов стронция с точностью до 1 секунды в 15 миллиардов лет (а это, на минуточку, примерный возраст известной нам Вселенной). Это, конечно, впечатляет, но никак не приближает нас к ответу на вопрос «Что такое время?»

И задавая этот вопрос вне физической теории мы не делаем его бессмысленным. Течение времени все также остается реальным как часть нашего внутреннего опыта, просто немного иначе, по сравнению с протоном или галактикой. Является ли наше понимание течения времени своего рода просмотром игры, где вещи происходят в некоторый определённый момент, но не до или после, а мерцают во время того, что мы зовём «настоящим»? Или это сродни просмотру фильма, где вселенная изначально ограничена дискретным набором статических изображений, и мы, поддаваясь нашему несовершенному аппарату восприятия, воспринимаем действие как гладко протекающий временной процесс?

Теории Ньютона и Эйнштейна дают мало пояснений. Они обе увековечивают вселенные, в которых время неотличимо от пространства, и всё существует единовременно. Уравнения теории Эйнштейна позволяют различным наблюдателям расходиться во мнениях относительно длительности интервалов времени, но пространственно-временной континуум, столь любимый мистером Споком из сериала «Звёздный путь», сам по себе является инвариантом сцены, на которой происходят все трагедии мира. В квантовой механике, равно как и в теории Ньютона или релятивистской теории Эйнштейна, законы физики, которые управляют микромиром, выглядят одинаково, вне зависимости от движения вперёд и назад во времени. Даже инновационные рассуждения таких физиков, как Шон Кэрролл из Калифорнийского технологического института (Пасадена), который описывает время как самозарождающееся явление, возникающее из первозданного, вневременного состояния, касаются скорее того, что время делает, но не что есть время. Поток времени не фигурирует в современных физических теориях.

На протяжении большей части последних столетий осознанное знание о природе времени рассматривалось за гранью физики: проблема была настолько сложна, что её отложили для решения других неотложных задач. По мере того, как учёные продвигались всё дальше в космос и глубины сознания, вопиющий контраст между нашим восприятием течения времени и математическими теориями оставался в подвешенном состоянии.

Как такое могло произойти? Разве наука не испытывает влияние накопленного опыта? Это отсутствие единства может помочь понять, отчего многие студенты не только не понимают физику, но и категорически отвергают её.

Где картина мира, нарисованная физиками? Где жизнь? Где смерть? Где поток времени?

В 4 веке до н.э. греческий философ-атомист Демокрит уже обнаружил этот парадокс. Он утверждал, что путём тщательного наблюдения и рассуждения мы приходим к выводу, что чувства могут обмануть нас. Но такой вывод получен на основании чувств. Осознание этого факта привело к поистине сложному философскому пониманию о том, как мы познаём этот мир. Мы не наивно полагаемся на наши чувства, но эмпирически проверяем мысли о том, как устроен мир. Понимание этого принесло огромные плоды, один из которых — постоянное смирение.

Феноменология такого опыта, как наше внутреннее восприятие течения времени, принадлежит одновременно когнитивной науке и философии. Внешний мир — традиционно поле игры физики. И все же отделять внутренний мир от внешнего таким наивным образом неверно. В конце концов, именно мозг воспринимает физику. Обе стороны стремятся объединиться, хотя бы метафорически, дабы найти связи между миллиардами способов, которыми люди испытывают себя в мире.

Одной из сравнительных метафор для описания мозга является его представление как движка, производящего истории. В книге «Физика и философия: революция в современной науке» (Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science, 1958 год) немецкий физик Вернер Гейзенберг размышляет над тем, что язык и наше чувство мира переплетены.

Рассмотрим ведущие положения: наши органы чувств и мозг это результат долгих тысячелетий эволюции. Наша ДНК это вид памяти, которая отсылает к далёким временам, через взаимосвязь родитель-ребёнок, каждый из которых живет и умирает на этой планете. И каждый учится выживать в узком диапазоне пространственных, временных и энергетических координат. Наши гены, наши личные воспоминания и сама структура наших языков — все это кодированные формы знания о мире. Но это знание основано на чрезвычайно ограниченном физическом опыте индивида.

Язык бесконечно изменяем и предстаёт в самых разнообразных формах: от метафорической, представляющей воспоминания, сказки и волшебство, до логически прямой, высоко формализованной и плотно организованной формы.

Какая форма языка является наиболее полезной для разговоров о мире за пределами нашего повседневного опыта? Какой язык поможет нам проникнуть в сердце атома, выйти за пределы галактики и описать ход времени, который неумолимо тянет мир вперед? Гейзенберг утверждал, что это язык логики и математики, используемый в современной физике, поскольку он достаточно строг и формализован.

Построение связей мы ведем осторожно, шаг за шагом. Аналогично мы желаем найти своё место в мире, а не только познать его суть, но в то же время нам хотелось бы знать, как мы понимаем мир на самом деле. Для этого необходим более тонкий и образный язык поэзии и нарратива.

Современная когнитивная наука говорит, что наши воспоминания являются своего рода историями, которые, руководствуясь информацией из ДНК, создаёт наш мозг, формируя из «кирпичиков» сенсорных данных паттерны, основанные на нашем прошлом жизненном опыте. Некоторые из принципов, которые руководят этими воспоминаниями, являются основными для нашего чувства мира: гладкая геометрия трех пространственных измерений, ясное и очевидное различие между до и после, и течение времени. Современная физика ставит под сомнение гладкость пространства-времени, психологическое течение времени, и даже задаётся вопросом: почему мы помним прошлое, но не будущее?

Вопрос может показаться бессмысленным, но ведёт нас к сути дела.

Рассмотрим наше восприятие «настоящего». Это только на первый взгляд простой вопрос, и четко определенный момент времени. Мы, конечно, условились о некоторых частностях: настоящее время идет из будущего, а затем удаляется в прошлое. Наше восприятие «настоящего» состоит из смеси недавних воспоминаний и наших текущих чувств: что мы видим, слышим, осязаем, какие вкусы и запахи ощущаем. Эти чувственные восприятия не происходит мгновенно, а являются сигналами от стимулированных нервных окончаний. Они поступают в мозг, динамичную сеть, которая сама по себе не имеет глобальных часов. Мозг, похож на Дворец мечты из одноименного романа Исмаила Кадаре 1981 года: он полон бюрократии, интриг, сбора разведывательных данных от беспокойных провинций о сновидениях подданных Султана в надежде угадать их намерения. «Настоящее» это конструкт из тоскливой власти мозга Султана над ним самим: локальная теория о том, что происходит, сплетенная из кусочков информации от различных сенсорных провинций.

Как правило, мы не ощущаем смешение недалекого прошлого и ближайшего будущего, потому что наш мозг работает достаточно быстро, чтобы скрыть этот процесс, но бывают моменты, когда он изо всех сил борется, чтобы успевать реагировать. Именно поэтому в бейсболе питчеры могут поспевать за «быстрыми мячами», и это при том, что мяч, кажется, вдруг перепрыгивает через пространство между питчером и бэттером, а бэттер может ударить по так называемой «замершей линии», когда мяч летит настолько быстро, что кажется будто он вытягивается в линию: если мяч летит слишком быстро для мозга, тот иначе воспринимает движение.

Находясь на поле стадиона Camden Yards в Балтиморе, более чем в 120 метрах от домашней базы, Кирби Пакетт из команды Minnesota Twins запустил мяч прямо в меня. Прежде чем я смогла пошевелиться, прежде, чем я смогла сознательно воспринять мяч, пересекающий пространство между мной и игроком, он уже был передо мной, а затем упал в толпу несколькими рядами выше. Как физик, я знаю, что мяч следовал по ровной параболической траектории от начала и до конца. Но в тот день мяч, казалось, ринулся с места в карьер и упал еще до того, как я услышала звук удара о трибуну, до того, как я даже успела об этом подумать.

Вполне возможно, что наше восприятие течения времени подобно нашему восприятию цвета. Физик сказал бы, что цвет как неотъемлемое свойство нашего мира не существует. Свет имеет различные длины волн, но у него нет такого свойства, как «цвет». Различные объекты в мире излучают, поглощают и рассеивают фотоны — частицы света — с разной энергией. И только тогда, когда наш взгляд проходит через крошечную часть этого моря излучения и наш мозг принимается за его обработку, возникает «цвет». Это внутренний опыт, процесс присвоения имен, продукт деятельности нашего мозга, пытающегося собрать головоломку.

Таким образом, течение времени может быть историей, которую создает наш мозг, пытаясь понять хаос. В работе 2013 года физики Леонард Млодинов из Калифорнийского технологического института и Тодд Бран из Университета Южной Калифорнии идут еще дальше и утверждают, что любой физический объект, который имеет характеристики памяти, как правило, является частью термодинамической стрелы времени, которая, в свою очередь, определяется поведением огромного количества частиц. Согласно этой теории, нет ничего удивительного в том, что мы помним прошлое, а не будущее, даже несмотря на то, что микроскопические законы природы одинаковы для путешествия вперед или назад во времени, а прошлое и будущее существуют одновременно. Свойство больших систем изменяться в сторону увеличения энтропии — меры беспорядка — обычно сравнивают с тем, как горячие или холодные объекты приходят в тепловое равновесие с окружающей средой. Увеличение энтропии означает, что память о прошлом динамически устойчива, в то время как память о будущем — нет.

В этой интерпретации мы не можем видеть будущее не потому, что это невозможно в принципе, а потому что это так же маловероятно, как, например, увидеть, что разбитое окно восстанавливается или что холодный чай в чашке вбирает в себя энергию атомов в комнате и самопроизвольно закипает. Статистически это крайне, крайне маловероятно.

Мы также можем думать о себе как о визуальном проявлении хаоса, как об истории, рассказанной светом. Массивная скульптура Квантовое облако (1999–2009) британского скульптора Энтони Гормли стоит на пирсе недалеко от Купола тысячелетия в Лондоне. Она представляет собой комбинацию из плотно сплетенных трехмерных стальных стержней, расположенных полуслучайным образом, которые в центре сходятся в призрачную человеческую фигуру. Для наблюдающего вполне естественно отождествлять себя с этой фигурой, но каждый понимает скульптуру Гормли по-своему. Так кто же этот «я» в облаке?

Подобным образом наше чувство собственного «я» происходит, по существу, из наших воспоминаний, которые кажутся непрерывными и долговечными. Тем не менее, эти воспоминания должны появляться как история, которую мозг составляет из чего-то менее структурированного — хаоса — где понятия «до», «сейчас» и «после» имеют весьма расплывчатые границы.

Использование термина «квантовый» в работе Гормли отсылает нас к физике.
Как заметил американский физик Ричард Фейнман в своей кандидатской диссертации в 1942 году, правила временнóй эволюции в квантовой механике могут быть переосмыслены, ибо частицы, такие как электроны, движутся всеми возможными путями от начальной до конечной точки в соответствии с квантовыми правилами перехода, возникающими посредством некоторого усреднения этого микроскопического хаоса. С этой точки зрения, мир имеет неприлично огромное количество историй, каждая из которых существует вечно, даже если и не воспринимается нами. Интерпретация «суммирования по путям» Фейнмана теперь является стандартным инструментом в фундаментальной физике, и даже используется в весьма отдалённых от теоретической физики областях. Недавний поиск в Google по запросу «континуальный интеграл» дал без малого полмиллиона результатов.

Если подход Фейнмана дает хорошие экспериментальные результаты — а он дает — является ли это косвенным доказательством того, что все истории мира действительно существуют? Большинство физиков считают, что они боролись за то, чтобы понять Вселенную такой, какая она есть, а не просто разрабатывали вычислительные приемы, которые не отражали ничего, кроме их ума. Лишь немногие из них рассматривают возможность того, что любой возможный квантовый путь является самостоятельной, истинной реальностью. Так или иначе, только некоторые потенциальные возможности стали реальностью, а те или иные крупные системы, такие как человек-наблюдатель, мчатся из прошлого в будущее.

Так почему же мы помним прошлое, а не будущее? Возможно, ответ кроется в абсолютных непредсказуемости и непостоянстве реальности, и это еще мягко сказано. Ибо в мысленном взгляде современного физика, даже вакуум переполнен. Проведя свою профессиональную жизнь, глядя на природу через призму теоретической физики, я больше не могу избавиться от мысли, что природа может быть хаотической в своей сути. Теперь мне кажется, что она зажигает внутри нас огонек свободы не приравнивая случайность к ненастоящей свободе воли, а напоминая нам о том, что вопрос о нашей свободе еще не решен.

Ли Смолин из института теоретической физики Perimeter (Онтарио) утверждает, что ученые должны изменить подход, приняв течение времени как реальный факт и построив храм новой физики на этой основе. Британский физик Джулиан Барбур занимает противоположную позицию: выходя за рамки теорий Ньютона и Эйнштейна, в книге «Конец времен» он предполагает, что само время является иллюзией. Вместо этого Вселенная состоит из набора статических моментов, наподобие груды неразобранных фотографий, брошенных в обувную коробку. Каждая фотография содержит моментальный снимок мира во всей полноте, уникальную конфигурацию всех вещей: планет, галактик, шмелей, людей. Барбур дает совокупности всех возможных моментов выразительное название: «Куча».

Поскольку каждый момент в «Куче» является мгновением всего мира, она содержит ссылки на все другие моменты. Поэтому «обувная коробка» также содержит предполагаемую сеть контактов, ветвящихся нитей взаимосвязей. Следуя за одной нитью, можно было бы испытать ощутимое течение времени. Большинство нитей являлось бы изолированными путями, не имеющими никакого смысла или значения, и только немного нитей и их соседей были бы взаимно последовательными путями. Мы могли бы сказать, что такие пути рассказывают историю, или что они содержат осмысленные воспоминания о прошлом на каждом шаге. Семейство нитей, которые согласованы между собой, прочно, тогда как изолированные и несвязные нити неустойчивы.

Эта идея объясняется в двух покадровых видео, созданных Ти Трейси. Оба видео сняты без одной минуты в полночь 3 июня 2015 на Лас-Вегас-Стрип (участок бульвара Лас-Вегас, на котором находится большинство крупнейших гостиниц и казино агломерации Лас-Вегаса — прим. Newочём). Оба видео содержат идентичный набор из нескольких тысяч изображений. В первом скремблировалось время; второе дает изображения в оригинальном временном разрешении.

За видео A трудно следить, потому что нет ничего, чтобы давало бы цельную историю. Внимательный просмотр видео B, напротив, показывает многопоточную историю на интервале от 35 до 45 секунды. Кто-то окружен полицией. Машина скорой помощи появляется в кадре. Мы делаем разворот, и другой полицейский прибывает на 45 секунде. Зная дату, местоположение и приблизительное время, было бы, в принципе, легко узнать больше деталей из полицейских отчетов. Изображения, расположенные в хронологическом порядке в видео B, позволяют нам следовать за нитью рассказа через коллекцию изображений — «Кучу» Барбура — и делать более глубокие выводы об их значении. Последовательность изложения, которая есть в видео B, отсутствует в видео A.

«Куча» Барбура напоминает мне о фотографии, что я нашел среди вещей своих родителей, когда они уже постарели. К счастью, моя мать была все еще жива, чтобы рассказать мне о том времени. На фотографии оба моих родителя — двадцатилетние молодые люди, еще не женатые. Их запечатлели в ночном клубе в Нью-Йорке. Снимок времен Второй мировой войны, на фото они с друзьями, одетыми в униформу: все они были моряками-торговцами, как и мой отец. Той ночью он был одет как жиголо — находящийся в увольнении и весело проводящий время. Моя мать поразительно молода, курит сигарету, словно инженю. Другие мужчины вокруг стола собираются поехать в качестве конвоя куда-то в Северную Атлантику. Спустя неделю все те мужчины в униформе за столом окажутся мертвы.

Для меня та фотография имеет особый смысл, она связана с некоторыми воспоминаниями из жизни. Горе, которое мои родители, должно быть, чувствовали из-за того, что случилось с их друзьями — людьми, которых я никогда не встречал, унесенных потоком времени задолго до моего рождения. Повсеместные массовые смерти во время войны объясняют молчание, в котором меня воспитывали; молчание, как я теперь понимаю, полное воспоминаний. Глядя на фотографию сегодня, я уже знаю, кем станут мои родители, как мой отец оставит торговлю и купит ферму. Городской мальчик, ушедший в море, затем обоснуется далеко от воды. Кажется, на той фотографии я вижу причину этого: память о друзьях, утонувших в Северной Атлантике. Я могу понять беспокойство своего отца, его потребность стоять на твердой почве в опасном мире. Всю свою жизнь он рассказывал нам истории, так что о нем не забудут.

Он действовал по тому же самому увековечивающему импульсу, как древние Пифагорейцы, просто по-другому выражая. Он рассказал истории из страха перед смертью, как говорит Галеано. Мы склонны отгораживать науку из других областей, предполагая, что квантовая волновая функция или ряд релятивистских уравнений поля выражают существенно другой аспект времени, чем вид времени, которое воплощено в старых семейных рассказах. В процессе этого мы теряем из виду тот факт, что и научное теоретизирование и рассказывание историй, в глубине души, основаны на страхе перед смертью и жаждой вечности.

Прежде чем меня унесет течением времени, я хочу поделиться еще одним воспоминанием, снова как маленький ребенок. Я сижу под теплыми солнечными лучами на полу в гостиной нашего сельского дома, наблюдая спокойный хаос дрейфующих пылинок, маленькие цельные миры, рядом с моей спящей собакой, Кингом. Мы были, есть и будем лучшими друзьями. Всегда в мире.

Автор: Джин Трейси.
Оригинал: Aeon.

Перевели: Роман Вшивцев и Лидия Раулевская.
Редактировали: Артём Слободчиков и Роман Вшивцев.