Книга Краткая теория времени - Карло Ровелли

Отсутствие времени

Сегодня новая идея, принесенная нам квантовой гравитацией, заключается в том, что пространства не существует. Существует же только гравитационное поле, которое, как я говорил, сформировано из облаков вероятности для зерен, связанных между собой сетью. Сопоставляя эту мысль со специальной теорией относительности, приходишь к заключению, что отсутствие пространства подразумевает также и отсутствие времени – ведь время и пространство внутренне связаны. Это именно то, что можно заметить в самих формулировках теории квантовой гравитации: t, обозначающего время, нет ни в уравнении Уилера – Девитта, ни где-либо еще в структурных основаниях теории.

Времени не существует. Следовало бы научить мир мыслить во вневременных понятиях, хотя на интуитивном уровне это и сложно.

Но что значит «времени не существует»?

В классической физике, той, что преподают в школах, время появляется почти во всех уравнениях. Это переменная, обозначенная t. Такие уравнения говорят нам о том, как нечто меняется с ходом времени и позволяют предсказать то, что произойдет в следующий момент, если мы знаем, что произошло в прошлом. Точнее будет сказать, что мы измеряем некоторые переменные, например, положение A какого-то объекта, амплитуду B качающегося маятника, температуру C какого-либо тела и т. д. Уравнения показывают, как изменяются переменные A, B, C. То есть они выражаются как функции, зависящие от времени, A(t), B(t), C(t) и т. д. Но откуда взялась такая манера описывать вещи?

Галилей был первым, кто понял, что движение объектов по Земле можно описать уравнениями, выражающимися функциями от переменной времени t, – A(t), B(t), C(t) – и написал эти уравнения. Его труды стали продолжением размышлений, начавшихся с идей Коперника. Галилей первым очень серьезно отнесся к мысли о движении Земли, и здесь исток его гениальной интуиции. Астрономия тогда показала, что есть четкие закономерности, управляющие движением небесных тел и позволяющие точно предсказывать положение звезд на небе. Галилей понял, что, поскольку Земля такая же планета, как другие, и поэтому является частью неба, должны существовать законы, управляющие движением тел на Земле. Он их искал, и он их нашел.

Первый закон земной физики, сформулированный Галилеем, описывал, как предметы падают на землю. Это очень просто: расстояние x, пройденное падающим объектом, пропорционально квадрату времени t2. То есть за два одинаковых промежутка времени объект проходит расстояние в четыре раза больше. Это в целом и описывается формулой x = (1/2)at2, где a – некое число (ускорение), а множитель 1/2 появился по историческим причинам. Галилей открыл эту закономерность эмпирическим путем, изучая, как движется ядро, скатывающееся по наклонной плоскости. Чтобы открыть этот закон, Галилею понадобилось измерить две величины: путь х, пройденный ядром по наклонной плоскости, и время t. Для последнего ему, конечно, еще понадобился инструмент – часы.

Но во времена Галилея не было точных часов. Он сам в молодости открыл способ создать их. Он заметил, что колебания маятника, какова бы ни была его амплитуда, большая или нет, всегда имеют одну и ту же продолжительность. Поэтому он мог измерить время, просто подсчитывая число колебаний маятника. Переменная t, обозначающая время, исчислялась числом колебаний маятника.

Согласно легенде, озарение Галилея посетило в Пизанском соборе, когда он наблюдал за медленным качанием подвешенного светильника, который и по сей день там находится. Это, конечно, неправда, светильник повесили намного позже, но история красивая. Галилей наблюдал за движениями светильника во время религиозной службы, которая, должно быть, не очень сильно его интересовала, и считал число ударов сердца. Начиная счет в разные моменты и при разном колебании светильника, все затихавшем, он обнаружил, что на каждое колебание все равно приходится одинаковое число ударов сердца. Отсюда он заключил, что все колебания имеют одинаковую продолжительность.

Рисунок 8. Галилей открывает, что разные колебания одного маятника имеют одинаковую продолжительность, считая для этого удары пульса, когда над ним медленно раскачивается светильник Пизанского собора.

A posteriori история кажется красивой, но если поразмыслить над ней повнимательнее, она пробуждает сомнения, источник которых – в самом корне проблемы времени. Ведь откуда Галилей мог знать, что все удары пульса имеют одну и ту же длительность? Несколькими годами позже медики стали измерять пульс своим пациентам, используя часы, механизм которых основывался не на чем ином, как на быстро движущемся маятнике с короткой осью. Итак, пульс используется для того, чтобы измерить колебания маятника, а потом другой маятник – для того, чтобы измерить пульс? Разве это не порочный круг? И что отсюда следует?

А следует отсюда то, что мы никогда не считаем само время. Мы считаем физические переменные (колебания, удары сердца, движение Солнца и много чего еще) и сравниваем одну из таких переменных с другой. Поэтому мы на самом деле высчитываем функции A(B), B(C), C(A) и т. д. И сегодня это не менее верно, чем во времена Галилея. Наисложнейшие часы имеют в основе действия циклические явления (энергетические колебания атома цезия, к примеру), и в них просто подсчитывается число циклов. Циклы имеют намного более устойчивую и точную величину, чем колебания маятника или сердечный ритм, но, как и прежде, мы «считаем» природные явления, а не само время.

И тем не менее полезно представить, что существует переменная t, «настоящее время», к которому у нас нет доступа, но которое скрыто за всем остальным. Мы пишем все уравнения для различных физических переменных как функций от этого не подлежащего наблюдению t. Эти уравнения описывают, как изменяется что-то, будучи функцией от t (сколько времени длятся колебания, сколько времени занимает каждый удар пульса). Но в действительности мы с самого начала считали, как одни переменные меняются по отношению к другим (сколько ударов сердца в одном колебании, сколько колебаний в одном обороте Земли), и выбрали наиболее устойчивую переменную для измерения других: секунда всегда определяется как некое количество циклов какого-либо природного явления. Потом, сравнивая предсказания, которые этот метод позволял делать относительно того, за чем мы вели наблюдение, мы сделали вывод, что эта сложная схема хороша. И что в особенности практично использовать переменную t, хотя мы никогда не можем напрямую ее измерить. Иными словами, существование универсальной переменной «время» – это скорее постулат, чем результат наблюдений.

Ньютон обнаружил, что этот метод позволяет объединить очень много чего, он формализовал и установил как правило этот способ действий в науке. Он открыто утверждал, что мы не можем изменить «настоящее» время t, но если предположим, что оно существует, это даст нам возможность построить крайне эффективную схематическую модель для понимания и описания природы.