Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной [Ли Смолин] (fb2) читать онлайн

Ли Смолин Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

Моим родителям Полин и Майклу

С огромной благодарностью Роберто Мангабейра Унгеру за совместное путешествие

Все вещи происходят друг из друга,

И исчезают друг в друге

Согласно необходимости…

В соответствии с порядком времени.

— АНАКСИМАНДР, «О природе»

Предисловие

Что такое время?

Этот обманчиво простой вопрос является одной из наиболее важных проблем, встающих перед наукой, когда мы глубже исследуем основания вселенной. Все тайны, стоящие перед физиками и космологами, — от Большого Взрыва до будущего вселенной, от головоломок квантовой физики до объединения сил и частиц — сводятся к природе времени.

Прогресс науки отмечен освобождением от иллюзий. Вещество казалось гладким, но оказалось сделанным из атомов. Атомы казались неделимыми, но оказались построенными из протонов, нейтронов и электронов, первые и вторые из которых сделаны из еще более элементарных частиц, называемых кварками. Солнце, казалось, ходит вокруг Земли, но на самом деле наоборот — и когда вы перейдете к самой сути, оказывается, что все движется относительно всего остального.

Время наиболее распространенный аспект нашего повседневного опыта. Все, что мы думаем, чувствуем или делаем, напоминает нам о его существовании. Мы воспринимаем мир как течение моментов, которые составляют нашу жизнь. Но физики, как и философы, долго говорили нам (а многие люди так и думают), что время, в конечном счете, является иллюзией.

Когда я спрашиваю моих друзей, не имеющих отношения к науке, что, по их мнению, есть время, они часто отвечают, что его прохождение обманчиво и все, что бы ни было на самом деле реально, — истина, справедливость, божественность, законы науки — лежит вне него. Идея о том, что время это иллюзия, является философским и религиозным общим местом. На протяжении тысячелетий люди примиряли себя с трудностями жизни и с нашей смертностью с помощью веры в возможность окончательного бегства во вневременной и более реальный мир.

Некоторые из самых знаменитых наших мыслителей декларировали нереальность времени. Платон, величайший философ античного мира, и Эйнштейн, величайший физик современного мира, оба учили видению природы, в котором реальность не содержит времени. Они рассматривали наше чувство времени как случайность в наших людских обстоятельствах — случайность, которая скрывает от нас правду. Оба верили, что иллюзия времени должна быть преодолена, чтобы воспринять реальность и истину.

Раньше я верил в неотъемлемую нереальность времени. Более того, я пришел в физику потому, что по-юношески жаждал заменить ограниченный во времени человеческий мир, который я рассматривал как ужасный и неизлечимый, на мир чистой вечной истины. Позднее в жизни я открыл, что довольно приятно быть человеком, и необходимость в трансцедентном бегстве постепенно исчезла.

Более того, я больше не верю, что время нереально. Фактически, я переметнулся на противоположную точку зрения: Не только время реально, но и из того, что мы знаем или ощущаем, нет ничего более близкого к сущности природы, чем реальность времени.

Мои причины для такого разворота лежат в науке — и, особенно, в современных результатах физики и космологии. Я пришел к уверенности, что время есть ключ к смыслу квантовой теории и к ее возможному объединению с пространством, временем, гравитацией и космологией. Самое важное, я верю, что для придания смысла картине вселенной, которую нам приносят космологические наблюдения, мы должны по-новому принять реальность времени. Это то, что я имею в виду под возрождением времени.

Большая часть этой книги излагает научные аргументы в пользу веры в реальность времени. Если вы один из многих, кто верит, что время это иллюзия, я имею цель изменить ваши взгляды. Если вы уже верите, что время реально, я надеюсь дать вам лучшие основания для вашей веры.

Эта книга для каждого, поскольку нет никого, чьи размышления о мире не привели бы к вопросу, а как он видит время. Даже если вы никогда не задумывались над его смыслом, ваши мысли — тот самый язык, при помощи которого вы выражаете ваши соображения, — расцвечены античными сверхъестественными идеями о времени.

Когда мы принимаем революционный взгляд, что время реально, меняется и наш способ мыслей обо всем остальном. В особенности, нам придется смотреть на будущее неким новым способом, который живо выдвигает на первый план как счастливые возможности, так и опасности, грозящие человеческому виду.

Небольшая часть излагаемой в этой книге истории представляет собой персональное путешествие, которое привело меня к открытию времени заново. Мою изначальную мотивацию лучше всего описать не на языке науки, а на языке отцовства, через беседы, которые я вел со своим маленьким сыном, главным образом, когда я укладывал его в постель в конце дня. «Папа», — спросил он однажды, когда я читал ему, — «у тебя было мое имя, когда ты был моего возраста?» Это был детский прорыв к знанию, что было время до него, и поиск связи короткой еще истории его жизни с куда более длинной эпопеей.

Каждое путешествие несет урок для преподавания, и мой заключался как раз в осознании того, насколько радикальная идея содержится в простом утверждении, что время реально. Начиная мою жизнь в науке с поиска уравнения за пределами времени, я теперь верю, что глубочайший секрет вселенной, ее сущность лежит в том, как она развивается во времени момент за моментом.

* * *

Тому, как мы думаем о времени, присущ парадокс. Мы воспринимаем себя как живущих во времени, однако часто представляем, что лучшие аспекты нашего мира и нас самих переступают его пределы. Что-либо на самом деле правильно, уверены мы, не потому, что это правильно сейчас, а потому, что это всегда было и всегда будет правильным. Что делает принцип морали абсолютным, так это то, что он сохраняется во все времена и для всех условий. Мы кажемся одержимыми прочно укоренившейся идеей, что если что-либо ценно, то оно существует вне времени. Мы тоскуем по «вечной любви». Мы говорим о «правде» и «справедливости» как о понятиях, не имеющих отношения ко времени. Чем бы мы ни восхищались и кого бы ни уважали — Бога, математические истины, законы природы — все это мы наделяем существованием, переступающим пределы времени. Мы действуем внутри времени, но судим наши действия по вневременным стандартам.

В результате этого парадокса мы живем в состоянии отчуждения от того, что мы больше всего ценим. Это отчуждение влияет на каждое из наших стремлений. В науке эксперименты и их анализ ограничены временем, как и все наши наблюдения природы, однако, мы думаем, что мы получаем подтверждения независимости законов природы от времени. Парадокс также влияет на наши действия как индивидуумов, членов семьи и граждан, поскольку как мы понимаем зависимость от времени, так мы и думаем о будущем.

В этой книге я надеюсь по-новому разрешить парадокс жизни во времени и веры в вечность. Я предположу, что время и его прохождение являются фундаментальными и реальными и что надежды на неизменность истин и уверенность в вечности сфер суть мифология.

Принятие времени означает уверенность в том, что реальность состоит только из того, что реально в каждый момент времени. Это радикальная идея, в соответствии с ней отвергается любой вид вневременного существования или вечной истины — как в области науки, морали, математики, так и в области государственного правления. Все эти области должны быть переосмыслены в рамках их истинности внутри времени.

Принятие времени также означает, что наши базовые представления о том, как работает вселенная на самом фундаментальном уровне, неполны. Когда на следующих страницах я утверждаю, что время реально, я на самом деле говорю следующее:

— Все, что реально в нашей вселенной, реально в момент времени, который суть один из последовательности моментов.

— Прошлое было реально, но больше реальным не является. Мы, однако, можем объяснить и проанализировать прошлое, поскольку мы находим в настоящем свидетельства прошлых процессов.

— Будущее еще не существует и, следовательно, открыто. Мы можем обоснованно делать некоторые предсказания, но мы не можем предсказать будущее полностью. В самом деле, будущее может производить истинно новые явления, истинно новые в том смысле, что нет знаний прошлого, которые могли бы помочь их предвидеть.

— Ничто не выходит за пределы времени, даже законы природы. Законы не являются вечными и вневременными. Как и все остальное, они являются характерной чертой настоящего, и они могут эволюционировать во времени.

По мере чтения этой книги мы увидим, что эти гипотезы приводят к новому направлению фундаментальной физики — тому, которое, как я утверждаю, является единственным путем преодоления современных головоломок теоретической физики и космологии. Имеются также выводы о том, как мы должны понимать наши собственные жизни и как мы должны обходиться с вызовами, стоящими перед человечеством.

Чтобы объяснить, почему реальность времени влечет такие последствия как для науки, так и для вещей вне науки, я собираюсь противопоставить мышление в рамках времени с мышлением вне времени. Идея о том, что истина независима от времени и, тем или иным образом, лежит вне вселенной, столь распространена, что бразильский философ Роберто Мангабейра Унгер ссылается на нее как на «вечную философию». В этом заключалась сущность идеи Платона, выраженной в известном диалоге «Менон» в форме притчи о мальчике-рабе и геометрии квадрата, в которой Сократ утверждал, что все открытия суть просто воспоминания.

Мы думаем вне времени, воображая, что ответ на любой вопрос, о котором мы размышляем, лежит где-то там в некоторой вечной области вневременной истины. Состоит ли проблема в том, как быть лучшим родителем, супругом или гражданином, или какой может быть оптимальная организация общества, мы верим, что где-то там имеется нечто неизменно верное, и нам остается обнаружить это.

Ученые думают в рамках времени, когда мы понимаем нашу задачу как изобретение новых идей для описания вновь открытых явлений и математических структур для их выражения. Если мы думаем вне времени, мы верим, что эти идеи так или иначе существовали до того, как мы их изобрели. Если мы думаем во времени, мы не видим оснований предполагать такое существование.

Контраст между мышлением во времени и вне времени очевиден во многих областях человеческих мыслей и действий. Мы думаем вне времени, когда, находясь перед технологической или социальной проблемой, мы допускаем, что возможные подходы уже определены как набор абсолютных существующих заранее категорий. Любой, кто думает, что правильная теория экономики или политики была записана за столетие до настоящего, думает вне времени. Когда мы вместо этого видим цель политики в изобретении новых решений для новых проблем, которые появляются по мере эволюции общества, мы думаем в рамках времени. Мы также думаем во времени, когда мы понимаем, что прогресс в технологии, обществе и науке состоит в изобретении подлинно новых идей, стратегий и форм социальной организации — и верим в нашу способность делать такие изобретения.

Когда мы беспрекословно принимаем структуры, обычаи и бюрократизм наших разнообразных сообществ и организаций, как если бы они имели абсолютные основания для существования, мы оказываемся в ловушке вне времени. Мы заново вводим время, когда осознаем, что каждая особенность человеческой организации является результатом истории, так что все, ее касающееся, может служить предметом обсуждения и объектом усовершенствования через изобретение новых способов делать вещи.

Если мы верим, что задачей физики является открытие не зависящего от времени математического уравнения, которое охватывает каждый аспект вселенной, тогда мы верим, что правда о вселенной лежит вне вселенной. Это настолько привычная традиция мышления, что мы не способны увидеть ее абсурдность: Если вселенная это все, что существует, то как может что-то существовать вне нее, чтобы она описывалась с помощью этого чего-то? Но если мы принимаем реальность времени как очевидность, тогда не может быть математического уравнения, которое полностью охватывает каждый аспект мира, поскольку есть одно свойство реального мира, которым не обладает ни одно математическое уравнение, а именно, что речь всегда идет о некотором моменте.

Дарвиновская эволюционная биология является прототипом мышления во времени, поскольку она, по сути, является осознанием, что развитие природных процессов во времени может приводить к созданию подлинно новых структур. Могут возникать даже новые законы, когда возникают структуры, к которым они применимы. Например, принципы полового отбора не могли бы возникнуть до возникновения полов. Эволюционная динамика не нуждается в бескрайних абстрактных пространствах, подобных всем возможным жизнеспособным животным, последовательностям ДНК, наборам белков или биологическим законам. Лучше, как предложил биолог-теоретик Стюарт А. Кауфман, думать об эволюционной динамике как об изучении во времени для биосферы того, что может произойти следующим: то есть «соседней возможности». То же самое применимо для эволюции технологий, экономик и обществ.

Мышление во времени является не релятивизмом, а формой реляционализма — философии, которая утверждает, что самое верное описание чего-либо состоит в установлении его взаимосвязей с другими частями содержащей его системы. Истина может быть одновременно и ограниченной временем, и объективной, когда она касается объектов, которые существуют, будучи однажды созданными эволюцией или человеческим разумом.

На персональном уровне думать во времени означает признавать неопределенность жизни как необходимую цену самой возможности быть живым. Бунтовать против шаткости жизни, отвергать неопределенность, не допускать риск, воображать, что жизнь может быть организована так, чтобы полностью исключить опасность, означает думать вне времени. Быть человеком означает жить в подвешенном состоянии между опасностью и благоприятной возможностью.

Мы пытаемся как можно лучше преуспеть в неопределенном мире, чтобы заботиться о том, кого и что мы любим, а также наслаждаться в процессе сейчас и потом. Мы составляем планы, но мы никогда не можем полностью предвидеть, ожидают нас в будущем опасности или благоприятные шансы. Буддисты говорят, что мы живем в доме, все еще не замечая, что он охвачен огнем. Опасность может появиться в любой момент, и в обществах охотников-собирателей она присутствовала постоянно, но в современной жизни мы организуем вещи так, что опасность сравнительно редка. Сложной задачей жизни является мудрый выбор того, о каких опасностях из гигантского числа возможных действительно стоит беспокоиться. Это же можно сказать и о выборе того, что делать дальше, чтобы не упустить нужный шанс из всех шансов, которые приносит каждый момент. Мы выбираем, куда приложить свою энергию и внимание, — всегда в условиях неполноты знаний о последствиях своих действий.

Могли бы мы делать лучше? Могли бы мы преодолеть капризы жизни и добиться состояния, в котором бы мы знали если не все, то хотя бы достаточно, чтобы видеть все результаты наших выборов — как опасности, так и шансы? То есть, могли бы мы проживать на самом деле рациональную жизнь, без сюрпризов? Если время есть иллюзия, мы могли бы вообразить такую возможность, поскольку в мире, в котором время несущественно, не было бы фундаментальной разницы между знанием о настоящем и знанием о будущем. Осталось бы просто немного повычислять, чтобы получить решение. Несколько чисел, несколько формул можно было бы рассчитать и расшифровать, чтобы они сказали нам все, что нам нужно знать.

Но если время реально, будущее неопределимо из знаний настоящего. Нет пути бегства из нашей ситуации, нет спасения от сюрпризов, которые возникают из-за того, что мы живем, игнорируя большинство следствий наших действий. Неожиданности обязательно присущи структуре мира. Природа может подбросить нам сюрпризы, к которым нас не подготовит никакое количество знаний. Новизна реальна. Мы можем с помощью нашей фантазии создать последствия, не вычислимые из знаний настоящего. По этой причине для каждого из нас имеет значение, реально время или нет: Ответ может поменять то, как мы видим нашу ситуацию в поисках счастья и смысла во вселенной, которая большей частью нам не известна. Я вернусь к этим темам в Эпилоге, где я предположу, что реальность времени может помочь нам подумать о таких проблемах как изменение климата и экономический кризис.

Прежде чем мы начнем излагать главные аргументы книги, несколько слов в качестве совета.

Я попытался сделать аргументы этой книги доступными для массового читателя, не знающего основ физики и математики. Тут нет уравнений, и объясняется все, что вам необходимо знать, чтобы проследить за моими доводами. Важнейшие вопросы поясняются возможно более простыми примерами. Когда мы переходим к более сложным предметам, если возникают трудности, советую читателю поступить так, как учатся делать ученые, которые бегло просматривают текст или пропускают его до места, где он становится им более понятным. Читатели, ожидающие большего обоснования, могут также обратиться к нескольким приложениям, которые доступны онлайн на сайте www.timereborn.com. Читатель также может счесть полезным обратиться к Примечаниям, которые содержат цитаты и вспомогательные замечания как для непрофессионалов, так и для экспертов, и дальнейшие обсуждения, которые могут быть интересны некоторым читателям.

Мое собственное путешествие назад к понятию времени насчитывает более двадцати лет от моего осознания, что законы должны объясняться через их способность эволюционировать, через мои труды в области относительности, оснований квантовой механики и квантовой гравитации, которые, наконец, привели меня к описываемым в этой книге взглядам. Сотрудничество и неформальные беседы с несколькими друзьями и коллегами были существенны для моего продвижения по этой дороге; они детализированы в Благодарностях и Примечаниях, чтобы отметить мое использование результатов и идей других людей. Ни одно из указанных взаимодействий не было более важно, чем плодотворное и возбуждающее сотрудничество с Роберто Мангабейра Унгером, в ходе которого мы сформулировали главный аргумент и многие из следующих ниже ключевых идей^[1].

Читатели должны осознавать, что имеется много точек зрения на время, квантовую теорию, космологию и на другие подобные вещи, которые не обсуждаются в этой книге. Имеется обширная литература от физиков, космологов и философов, посвященная проблемам, которых я лишь касаюсь. Эта книга не претендует на академичность. Я в первую очередь сосредоточился на том, чтобы дать читателям, которые могут впервые знакомиться с этой областью дискуссий, один путь через их сложную территорию, высвечивая особые аргументы, которые являются фокусом этих дискуссий^[2]. Имеются (в качестве одного из примеров) целые книжные полки, заполненные трудами, анализирующими взгляды Канта на пространство и время, которые здесь не упоминаются. Я также не описываю некоторые взгляды современных философов. Я прошу прощения моих ученых друзей за эти пробелы и отправляю заинтересованных читателей к Библиографии, которая содержит подсказки для дальнейшего чтения по теме времени.

Ли Смолин

Торонто, Август 2012

Введение

Научное обоснование иллюзорности существования времени внушительно. Именно поэтому революционны последствия принятия точки зрения, что время реально.

Ядро аргументации физиков против времени основывается на способе нашего понимания того, что есть закон физики. В соответствии с этим доминирующим взглядом все, что происходит во вселенной, определяется законом, который точно диктует, как будущее развивается из настоящего. Закон абсолютен и, раз уж заданы условия текущего момента, нет свободы или неопределенности в том, как будет эволюционировать будущее.

Как объясняет своему наставнику Томасина, не по годам развитая героиня пьесы Аркадия Тома Стоппарда: «Если бы вы могли остановить каждый атом в его положении и направлении, и если бы ваш разум мог осмыслить все приостановленные таким образом действия, тогда, если бы вы были реально, на самом деле сильны в алгебре, вы могли бы записать формулу для всего будущего; и хотя никто не может быть настолько умным, чтобы сделать это, формула должна существовать точно так, как если бы он мог».

Раньше я верил, что моя работа как физика-теоретика заключалась в поиске этой формулы; сейчас я рассматриваю мою веру в ее существование больше как мистицизм, чем как науку.

Если бы Стоппард выписывал образ современного персонажа, он вынужден был бы заставить Томасину сказать, что вселенная подобна компьютеру. Законы физики суть программа. Когда вы подаете на ее вход существующие положения всех элементарных частиц во вселенной, — компьютер действует соответствующее количество времени и выдает вам на выходе все положения элементарных частиц в некотором будущем времени. В рамках этого взгляда на природу не происходит ничего, за исключением перегруппировки частиц в соответствии с вечными законами, так в соответствии с этими законами будущее уже полностью определено настоящим, как настоящее было определено прошлым.

Этот взгляд умаляет значение времени несколькими путями^[3]. Здесь не может быть сюрпризов, не может быть на самом деле новых феноменов, поскольку все, что происходит, сводится к перегруппировке атомов. Свойства самих атомов не зависят от времени, как и контролирующие их законы; ни те, ни другие никогда не меняются. Все особенности мира в будущем времени могут быть рассчитаны из конфигурации настоящего. Это значит, что прохождение времени может быть заменено вычислением, которое подразумевает, что будущее логически является следствием настоящего.

Эйнштейновские теории относительности дают даже более сильные аргументы в пользу того, что время несущественно для фундаментального описания мира, как я буду обсуждать в Главе 6. Относительность строго внушает, что вся история мира есть вневременное единство; настоящее, прошлое и будущее не имеют смысла вне человеческой субъективности. Время это просто другое измерение пространства, и смысл, который мы придаем ощущению проходящих моментов, суть иллюзия, за пределами которой есть вневременная реальность.

Эти утверждения могут показаться ужасными для любого, чье мировоззрение оставляет место для свободы воли или человеческого фактора. Я не буду привлекать здесь этот аргумент, мое обоснование реальности времени базируется только на науке. Моей задачей будет объяснить, почему обычные аргументы в пользу предопределенного будущего неправильны с научной точки зрения.

В Части I я представлю научное обоснование для уверенности, что время есть иллюзия. В Части II я уничтожу эти аргументы и покажу, почему время должно быть принято как реальное, если фундаментальная физика и космология собираются преодолеть кризис, перед которым они сейчас стоят.

Чтобы обрисовать аргументы Части I, я прослежу развитие концепции времени, использовавшейся в физике от Аристотеля и Птолемея через Галилея, Ньютона, Эйнштейна и других до наших современных квантовых космологов, и покажу, как наша концепция времени шаг за шагом ослаблялась по мере прогресса физики. Разговор об истории под таким углом также позволяет мне мягко ввести материал, который нужен непрофессионалам для понимания аргументов. На самом деле ключевые позиции могут быть введены на обычных примерах падающих шаров и кружащихся планет. Часть II рассказывает о более современной истории, поскольку дискуссия о том, что время должно быть заново внедрено в ядро науки, возникла в результате недавних разработок.

Мои доводы начинаются с простого наблюдения: Успех научных теорий от Ньютона до наших дней основан на использовании этими теориями особой системы объяснений, изобретенной Ньютоном. В соответствии с этой системой природа состоит только из частиц с не зависящими от времени свойствами, чьи движения и взаимодействия определены не зависящими от времени законами. Свойства частиц, такие как их массы и электрические заряды, никогда не меняются, и так же не меняются законы, которые на них воздействуют. Эта система идеально подходит для описания малых частей вселенной, но она разваливается на части, когда мы пытаемся применить ее ко вселенной как целому.

Все главные теории физики относятся к части вселенной — радио, мяч в полете, биологическая клетка, Земля, галактика. Когда мы описываем часть вселенной, мы оставляем себя и наши измерительные приспособления вне системы. Мы не принимаем во внимание нашу роль в выборе или приготовлении изучаемой нами системы. Мы не упоминаем эталонные тела отсчета, которые служат для установления местоположения системы. И самое критичное для нашего заключения о природе времени, мы не включаем в систему часы, с помощью которых мы измеряем изменения в системе.

Попытки расширить физику до космологии приносят новые проблемы, которые требуется заново осмыслить. Космологическая теория не может исключить что-либо из рассмотрения. Чтобы быть полной, она должна принимать во внимание все во вселенной, включая нас самих как наблюдателей. Она должна учитывать наши измерительные инструменты и часы. Когда мы разрабатываем космологию, мы сталкиваемся с новыми обстоятельствами: Невозможно оказаться вне системы, которую мы изучаем, если эта система вся вселенная.

Более того, космологическая теория должна работать без двух важных аспектов научной методологии. Основное правило науки заключается в том, что эксперимент должен быть проведен много раз, чтобы быть уверенным в результате. Но мы не можем сделать это со вселенной как целым — вселенная происходит только один раз. Так же мы не можем приготовить систему иными способами и изучить последствия. Все это весьма реальные препятствия, которые сильно усложняют научный поиск на уровне вселенной как целого.

Несмотря на это, мы хотим расширить физику до космологической науки. Наше первое побуждение взять теории, которые так хорошо работают в применении к малым частям вселенной, и увеличить их масштаб для описания вселенной как целого. Как я покажу в Главах 8 и 9, это не может работать. Ньютоновская система не зависящих от времени законов, действующих на частицы с не зависящими от времени свойствами, неприменима для задачи описания целой вселенной.

На самом деле, как я подробно покажу, именно особенности, которые делают эти виды теорий столь успешными в применении к малым частям вселенной, приводят к их краху, когда мы пытаемся применить их ко вселенной как целому.

Я осознаю, что это утверждение идет в разрез с практикой и надеждами многих коллег, но я только прошу, чтобы читатель уделил все внимание предлагаемому в Части II обоснованию этого. Там я покажу в общем случае и проиллюстрирую частными примерами, что когда мы пытаемся увеличить масштаб применения наших стандартных теорий до космологической теории, мы получаем в награду дилеммы, парадоксы и вопросы, на которые нет ответа. Среди них крах любой стандартной теории при попытке применить ее к оценке выборов, сделанных в ранней вселенной, — выбора начальных условий и выбора самих законов природы.

Некоторая литература по современной космологии содержит попытки очень умных людей побороться этими дилеммами, парадоксами и вопросами без ответа. Идея о том, что наша вселенная является частью гигантской или бесконечной мультивселенной, популярна — и это понятно, поскольку она базируется на методологической ошибке, в которую легко попасть. Наши текущие теории могут работать на уровне вселенной, только если вселенная является подсистемой большей системы. Так что мы изобретаем фиктивное внешнее окружение и заполняем его другими вселенными. Это не может привести ни к какому реальному научному прогрессу, поскольку мы не можем подтвердить или опровергнуть любые гипотезы о вселенных, причинно не связанных с нашей собственной^[4].

Цель этой книги — подсказать, что есть другой путь. Нам нужно порвать с прошлым и приступить к поиску нового вида теории, которая может быть применена к целой вселенной, — теории, которая избегает путаницы и парадоксов, отвечает на вопросы, на которые трудно ответить, генерирует настоящие физические предсказания для космологических наблюдений.

У меня нет такой теории, но я могу предложить набор принципов, которыми можно руководствоваться при ее поиске. Они представлены в Главе 10. В следующей за ней главе я иллюстрирую, как принципы могут стимулировать новые гипотезы и модели вселенной, что укажет путь к правильной космологической теории. Центральный принцип заключается в том, что время должно быть реальным и физические законы должны эволюционировать в этом реальном времени.

Идея эволюционирующих законов не нова, также не нова идея, что космологическая наука их потребует^[5]. Американский философ Чарльз Сандерс Пирс записал в 1891 году:

«Допускать, что универсальные законы природы поддаются постижению умом, и все еще не иметь обоснования для их особых форм, просто констатируя необъяснимость и иррациональность, едва ли является позволительной позицией. Единообразие есть в точности тот сорт фактов, которые должны быть вычисленными… Закон поистине есть вещь, которая ожидает обоснования.

Теперь единственно возможный путь вычисления для законов природы и для единообразия в целом — предположить их результатом эволюции»^[6].

Современный философ Роберто Мангабейра Унгер совсем недавно заявил:

«Вы можете отследить свойства существующей вселенной назад к свойствам, которые она должна была иметь при своем начале. Но вы не можете показать, что эти свойства являются единственными свойствами, которые могла иметь любая вселенная… Раньше или позже вселенные могли иметь совершенно отличающиеся законы… Установить законы природы не означает описать или объяснить все возможные истории всех возможных вселенных. Существует только относительное отличие между объяснением как бы на основе закона и перечислением одномоментных исторических последовательностей»^[7].

Поль Дирак, который ранжируется вместе с Эйнштейном и Нильсом Бором как один из самых важных физиков 20-го столетия, размышлял: «В начале времени законы Природы, вероятно, сильно отличались от того, что они представляют из себя сейчас. Таким образом, мы должны рассматривать законы Природы как постоянно изменяющиеся вместе с эпохой, вместо того, чтобы поддерживаться неизменными по всему пространству-времени»^[8]. Джон Арчибальд Уилер, один из великих американских физиков, также воображал, что законы эволюционируют. Он предположил, что Большой Взрыв был одним из серии событий, при которых законы физики перерабатывались. Он также писал: «Нет законов, исключая того закона, что законов нет»^[9]. Даже Ричард Фейнман, другой великий американский физик и студент Уилера, однажды погрузился в размышления в интервью: «Единственная область, которая не признает никаких эволюционных вопросов, это физика. Мы говорим, здесь есть законы… но как они добрались по этому пути во времени?… Так что может оказаться, что они [законы] не те же самые во все времена и что тут имеется исторический, эволюционный вопрос»^[10].

В моей книге 1997 года Жизнь Космоса я предложил механизм эволюции законов, который я смоделировал на основе биологической эволюции^[11]. Я представил себе, что вселенные могли бы воспроизводится путем формирования дочерних вселенных внутри черных дыр, и постулировал, что всякий раз, когда это происходит, законы физики слегка меняются. В этой теории законы играют роль генов в биологии; вселенная выглядит как выражение выбора законов, сделанного при ее формировании, точно так же как организм является выражением его генов. Подобно генам законы могли бы случайно мутировать от поколения к поколению. Вдохновленный недавними тогда результатами теории струн, я допустил, что поиск фундаментальной единой теории мог бы привести не к единственной Теории Всего, а к бескрайнему пространству возможных законов. Я назвал это ландшафтом теорий, воспользовавшись языком популяционной генетики, практики которой работают с ландшафтами приспособленности. Я больше не буду говорить об этом здесь, так как это тема Главы 11, за исключением замечания, что эта теория, космологический естественный отбор, делает некоторые предсказания и, что удивительно, имеет поддержку, несмотря на то, что за прошедшие годы было несколько возможностей опровергнуть ее.

В течение последних десяти лет многие струнные теоретики приняли концепцию ландшафта теорий. В итоге вопрос о том, как вселенная выбирает, какому закону следовать, становится особенно срочным. Как я буду утверждать, это один из вопросов, на которые можно ответить только в рамках новой космологической схемы, в которой время реально и законы эволюционируют.

Итак, законы не привнесены во вселенную извне. Нет внешней сущности, божественной или математической, заранее устанавливающей, какими быть законам природы. Так же законы природы не ждут молчаливо вне времени, пока не начнется вселенная. Вместо этого законы природы возникают изнутри вселенной и развиваются во времени вместе со вселенной, которую они описывают. Возможно даже, что, совсем как в биологии, новые законы физики могут возникать как регулярные свойства новых явлений, которые образуются в течение истории вселенной.

Кто-то может рассмотреть отречение от вечных законов как отступление от целей науки. Но я рассматриваю это как аварийное сбрасывание чрезмерного метафизического балласта, который утягивает вниз наши поиски истины. В следующих главах я приведу примеры, иллюстрирующие, как идея развивающихся во времени законов приводит к более обоснованной космологии, — под которой я понимаю космологию, в большей степени генерирующую предсказания, подверженные экспериментальной проверке.

* * *

Насколько мне известно, первый ученый со времен начала Научной Революции, который по-настоящему серьезно думал, как создать теорию целой вселенной, был Готфрид Вильгельм Лейбниц, который, помимо прочих вещей, был соперником Ньютона в известном вопросе о том, кто из них первый изобрел дифференциальное исчисление. Он также предвосхитил современную логику, разработав систему бинарных чисел и многое другое. Его называли умнейшей личностью, которая когда-либо жила. Лейбниц сформулировал принцип построения космологической теории, именуемый принципом достаточного обоснования, который устанавливает, что должна быть рациональная причина для каждого очевидного выбора, сделанного при конструировании вселенной. Каждый вопрос вида «Почему вселенная похожа на X, а не на Y?» должен иметь ответ. Так если Бог создал мир, Он не мог бы иметь другого выбора в проекте. Принцип Лейбница до настоящего времени имел сильное влияние на развитие физики, и, как мы увидим, он продолжает быть надежным руководством в наших попытках сформулировать космологическую теорию.

Лейбниц имел взгляд на мир, в котором все жило не в пространстве, а было погружено в сеть взаимосвязей. Эти взаимосвязи определяли пространство, но не наоборот. Сегодня идея вселенной связанных сущностей с сетевой структурой пронизывает современную физику, а также биологию и компьютерную науку.

В реляционном мире (мире отношений; мы называем так мир, где взаимосвязи предшествуют пространству), нет пространства в отсутствие вещей. Ньютоновская концепция пространства противоположна, он представлял пространство абсолютным. Это означает, что атомы определяются тем, где они расположены в пространстве, но движение атомов никаким образом не влияет на пространство. В реляционном мире нет такой асимметрии. Вещи определяются их взаимоотношениями. Индивидуальности существуют и могут быть частично автономны, но их возможности определены сетью взаимосвязей. Индивидуальности встречаются и воспринимают друг друга через связи, которые соединяют их в сеть, а сети являются динамическими и постоянно эволюционирующими.

Как я буду объяснять в Главе 3, из великого принципа Лейбница следует, что не может существовать абсолютного времени, которое тикает без оглядки на то, что происходит в мире. Время должно быть следствием изменений; без перемен в мире не может быть времени. Философы говорят, что время реляционно, — оно суть аспект отношений, таких как причинность, которые управляют изменениями. Аналогичным образом пространство должно быть реляционным; в самом деле, каждое свойство объекта природы должно быть отражением динамических^[12] связей между ним и другими вещами мира.

Принципы Лейбница противоречили основным идеям Ньютоновской физики, так что потребовалось определенное время, чтобы они были полностью оценены действующими учеными. Это был Эйнштейн, который принял наследие Лейбница и использовал его принципы как главную мотивацию для своего ниспровержения Ньютоновской физики и ее замены общей теорией относительности, теорией пространства, времени и гравитации, которая далеко ушла в конкретизации реляционистских взглядов Лейбница на пространство и время. Принципы Лейбница были также реализованы иным образом в параллельной квантовой революции. Я называю революцию в физике 20-го столетия реляционной революцией.

Проблема унификации физики и, особенно, сведение в единую структуру квантовой теории и общей теории относительности долгое время является задачей завершения реляционной революции в физике. Главное послание этой книги заключается в том, что это требует принятия идей реальности время и эволюции законов.

Реляционная революция уже идет полным ходом в остальной науке. Дарвиновская революция в биологии это один из фронтов, проявляющийся двояко в представлении о существовании видов, определяемом их отношением со всеми другими организмами в их среде обитания, и в общем представлении, что действие генов определяется только в контексте сети генов, регулирующих их действие. Как мы быстро поняли, биология это наука об информации, и тут нет более реляционистской идеи, чем информация, основанная на взаимосвязи между передатчиком и приемником на каждом конце коммуникационного канала.

В социальной сфере либеральная концепция мира самостоятельных индивидуумов (постигнутая философом Джоном Локком аналогично физике его друга Исаака Ньютона) подвергается сомнению со стороны взгляда на общество как составленного из взаимозависимых и только частично самостоятельных индивидуальностей, чьи жизни осмысленны только в клубке взаимосвязей. Новое информационное окружение, в котором мы совсем недавно запутались, выражает реляционистскую идею через метафору сети. Как социальные существа, мы рассматриваем себя в качестве узлов сети, соединения которой нас определяют. Сегодня идея социальной системы, составленной из связанных, образующих сеть сущностей, все больше обнаруживается в социальных теориях, формулируемых кем угодно от политического философа феминистического толка до гуру менеджмента. Много ли пользователей Фейсбука осведомлены, что их социальные жизни теперь организованы мощной научной идеей?

Реляционная революция продвинулась уже далеко. В то же время, она явно в кризисе. На некоторых фронтах она застряла. Везде, где она в кризисе, мы находим три вида вопросов, по которым идут горячие дебаты: Что такое индивидуум? Как возникают новые виды систем и сущностей? Как нам успешно понять вселенную как целое?

Ключ к этим головоломкам в том, что ни индивидуумы, ни системы, ни вселенная как целое не могут быть осмыслены как вещи, которые просто есть. Они все состоят из процессов, которые занимают место и время. Я буду доказывать, что для успеха реляционной революции она должна принять идею времени и настоящего момента как фундаментального аспекта реальности.

При старом способе мышления индивидуумы были просто мельчайшими единицами в системе, и если вы хотели понять, как работает система, вы разбирали ее на части и изучали, как эти части себя ведут. Но как нам понять свойства наиболее фундаментальных сущностей? У них нет частей, так что редукционизм (как называется изложенный метод) нам больше не поможет. Атомистическая точка зрения тут не имеет места; она тоже по-настоящему застревает. Это великий шанс для нарождающейся реляционистской программы, которая может — и на самом деле должна — отыскать объяснение для свойств элементарных частиц в сети их взаимоотношений.

Это уже произошло в теориях объединения, которые мы до сих пор имеем. В Стандартной Модели Физики Частиц, которая является лучшей имеющейся у нас на сегодняшний день теорией элементарных частиц, свойства электрона, такие как масса, динамически определяются взаимодействиями, в которых он принимает участие. Масса — самое основополагающее свойство, которое может иметь элементарная частица, — определяет, какая нужна сила, чтобы изменить ее движение. В Стандартной Модели все массы частиц появляются из их взаимодействий с другими частицами и определены, главным образом, одной — частицей Хиггса. Тут больше нет абсолютно «элементарных» частиц; все, что ведет себя как частица, является, до некоторой степени, возникающим заново, эмерджентным следствием сети взаимодействий.

Эмерджентность (или возникновение нового) является важным термином в реляционном мире. Свойство чего-либо, сделанного из частей, является эмерджентным, если оно не имеет смысла, будучи приписанным к любой из частей. Камни тяжелы, а вода текуча, но атомы, из которых они сделаны, не являются ни тяжелыми, ни текучими. Эмерджентное свойство часто выдерживается приблизительно, поскольку оно обозначает среднее или более высокоуровневоеописание, которое не принимает во внимание многие детали.

В ходе прогресса науки аспекты природы, когда-то рассматривавшиеся как фундаментальные, заново определены как эмерджентные и приблизительные. Мы когда-то думали, что твердые тела, жидкости и газы являются фундаментальными состояниями; теперь мы знаем, что это эмерджентные свойства, которые могут быть поняты как различные способы упорядочения атомов, из которых состоит все. Большинство законов природы, которые некогда мыслились как фундаментальные, теперь понимаются как эмерджентные и приблизительные. Температура есть просто средняя энергия хаотически движущихся атомов, так что законы термодинамики, ссылающиеся на температуру, эмерджентны и приблизительны.

Я склонен верить, что как раз все, о чем мы сейчас думаем как о фундаментальном, также в конечном счете будет понято как приблизительное и эмерджентное: гравитация и управляющие ей законы Ньютона и Эйнштейна, законы квантовой механики и даже само пространство.

Фундаментальная физическая теория, которую мы ищем, не будет теорией вещей, движущихся в пространстве. Она не будет содержать гравитацию, или электричество или магнетизм как фундаментальные силы. Она не будет квантовой механикой. Все они будут возникать как приблизительные понятия, когда наша вселенная достаточно подрастает.

Если пространство эмерджентно, означает ли это, что время тоже эмерджентно? Если мы достаточно глубоко вникнем в основы природы, исчезнет ли время? В последнем столетии мы продвинулись до точки, в которой многие мои коллеги рассматривают время как эмерджентное явление, возникающее из более фундаментального описания природы, при котором время не появляется.

Я верю — настолько сильно, насколько можно во что-либо верить в науке, — что они ошибаются. Время окажется единственным аспектом нашего повседневного опыта, который является фундаментальным. Тот факт, что в нашем восприятии всегда имеется некоторый момент и что мы ощущаем этот момент как один из потока моментов, не является иллюзией. Это лучшая путеводная нить к фундаментальной реальности, которую мы имеем.

Часть I Тяжелое наследие: Изгнание времени

1 Падение

Прежде чем начать это или любое другое путешествие по открытиям, мы должны обратить внимание на высказывание греческого философа Гераклита, который, делая лишь первые шаги в эпической истории науки, имел мудрость предостеречь нас: «Природа любит скрываться». И на самом деле любит; вспомним, что большинство сил и частиц, которые наука рассматривает как фундаментальные, лежали скрытыми внутри атома до последнего столетия. Некоторые из современников Гераклита говорили об атомах, но без реального знания, существуют они или нет. И их концепция была ошибочна, они представляли себе атомы неделимыми. Науке пришлось подождать статей Эйнштейна 1905 года, чтобы выявить и сформировать консенсус, что материя состоит из атомов. А шестью годами позже сам атом был разбит на части. Так началось распутывание внутренней области атомов и открытие спрятанных внутри нее миров.

Самым большим исключением из скрытности природы является гравитация. Это единственная из фундаментальных сил природы, чье воздействие наблюдает каждый, не прибегая к специальным инструментам. Наши самые первые опыты борьбы и неудач связаны с борьбой против гравитации. Следовательно, гравитация должна была оказаться среди первых природных феноменов, который получил имя от рода человеческого.

Тем не менее, ключевые аспекты повседневного опыта падения тел до начала науки оставались скрытыми от обыкновенного взгляда, а многие остаются скрытыми до сих пор. Как мы увидим в последующих главах, одна вещь, которая остается скрытой по поводу гравитации, есть ее отношение ко времени. Так что мы начинаем наше путешествие к открытию времени с феномена падения.

* * *

«Почему я не могу летать, папа?»

Мы были на верхней террасе, глядя через три этажа вниз на сад за домом.

«Я только подпрыгну и полечу вниз к маме в сад, как вон те птицы.»

«Птица» это было его первое слово, произнесенное при порхании воробьев на дереве за окном его детской. Тут был основной конфликт отцовства: мы хотим, чтобы наши дети чувствовали себя свободными, чтобы парить без нас, но мы также боимся за их безопасность в непостоянном мире.

Я сказал ему строго, что люди не могут летать и он абсолютно никогда не должен пытаться, и он расплакался. Чтобы отвлечь его, я воспользовался удобным случаем, чтобы поговорить с ним о гравитации. Гравитация это то, что притягивает нас к Земле. Она это то, почему мы падаем, и почему падает все остальное.

Следующее слово из его рта было, что не удивительно: «Почему?» Даже трехлетний малыш знает, что назвать явление не означает его объяснить.

Но мы могли бы сыграть в игру, чтобы увидеть, как вещи падают. В скором времени мы кидали всякие игрушки вниз в сад, проводя «сперимент», чтобы увидеть, падают ли они все одинаково или нет. Я быстро нашел свое соображение по этому вопросу, которое превосходит мощность трехлетнего ума. Когда мы кидаем объект и он падает, а также удаляется от нас, он вычерчивает кривую в пространстве. Что это за кривая?

Не удивительно, что этот вопрос не появляется у трехлетних. Не кажется, что он возникал у кого-либо за тысячи лет после того, как мы стали считать себя высоко цивилизованными. Кажется, что Платон, Аристотель и другие великие философы античного мира довольствовались наблюдением за падением вещей вокруг себя, не удивляясь тому, что падающие тела путешествуют вдоль определенного вида кривой.

Первым, кто исследовал пути, вычерчиваемые падающими телами, был итальянец Галилео Галилей в начале 17-го столетия. Он представил свои результаты в Диалоге о двух новых науках, который он записал, будучи семидесятилетним, когда находился под домашним арестом у Инквизиции. В этой книге он сообщил, что падающие тела всегда путешествуют вдоль одного и того же сорта кривой, который суть парабола.

Галилей не только открыл, как объекты падают, но и объяснил свое открытие. Тот факт, что падающие тела описывают параболу, является прямым следствием другого факта, который он первым наблюдал, что все объекты, которые бросаются или выпадают, падают с постоянным ускорением.

Наблюдение Галилея, что все падающие объекты описывают параболу, является самым удивительным открытием во всей науке. Падение универсально, и таков же вид кривой, по которой движутся падающие тела. Не имеет значения, из чего сделан объект, как он собран воедино или каково его назначение. Так же не имеет значения, сколько раз, с какой высоты или с какой скоростью мы уронили или бросили вперед объект. Мы можем повторять эксперимент снова и снова, и всякий раз это парабола. Парабола одна из простейших для описания кривых. Она представляет собой набор точек, находящихся на равном расстоянии от точки и от линии. Так что один из самых универсальных феноменов является также одним из самых простых.

Рис. 1. Определение параболы: точки, равноудаленные от точки и от линии.

Парабола является математической концепцией — примером того, что мы называем математическим объектом, — который был известен математикам задолго до времени Галилея. Наблюдение Галилея, что тела падают вдоль параболы, является одним из первых примеров полученного нами закона природы, — что означает регулярность, систематичность в поведении некоторой малой подсистемы вселенной. В этом случае подсистемой является объект, падающий вблизи поверхности планеты. Это происходило гигантское число раз после начала вселенной и в гигантском числе мест; следовательно, имеется много примеров, к которым применим закон.

Тут имеется вопрос, который ребенок может задать, когда станет постарше: Что говорит о мире тот факт, что падающие объекты вычерчивают такую простую кривую? Почему математическая концепция вроде параболы, изобретение чистого разума, должна что-то делать с природой? И почему такой универсальный феномен как падение должен иметь математический аналог, который является одной из простейших и самых красивых кривых во всей геометрии?

* * *

Со времен открытия Галилея физики плодотворно использовали математику в описании физических явлений. Для нас сейчас может показаться очевидным, что закон должен быть математическим, но почти 2000 лет после того, как Евклид сформулировал свои аксиомы геометрии, никто не предложил математический закон, применимый к движению объектов на Земле. Со времен античных греков до 17 столетия образованные люди знали о существовании параболы, но ни одному из них не показалось удивительным, что мячи, стрелы и другие объекты, которые падают, сваливаются или кидаются, движутся вдоль какой-либо особой кривой^[13]. Любой из них мог бы сделать открытие Галилея; приспособления, которые он использовал, применялись и Платоном в Афинах и Ипатией в Александрии. Но никто не сделал. Что изменилось, чтобы заставить Галилея подумать, что математика играет роль в описании чего-то столь же простого как падение вещей?

Этот вопрос приводит нас в круг вопросов, которые легко поставить, но на которые тяжело ответить. Что такое математика? Почему она приходит в науку?

Математические объекты создавались из чистого разума. Мы не открываем параболу в природе, мы изобретаем ее. Парабола, или окружность или прямая линия есть идея. Она должна быть сформулирована, и затем зафиксирована в определении. «Окружность есть набор точек, равноудаленных от отдельной точки… Парабола есть набор точек, равноудаленных от точки и от линии». Раз мы имеем понятие, мы можем непосредственно из определения кривой вывести ее свойства. Как мы изучали в курсе геометрии старших классов, это рассуждение может быть формализовано в виде доказательства, каждый аргумент которого следует из предыдущего аргумента по простым правилам вывода. И наблюдение или измерение не играют роли ни на одном этапе этого формального процесса доказательства^[14].

Рисунок может аппроксимировать свойства, продемонстрированные доказательством, но всегда неидеально. То же самое верно для кривых, которые мы находим в мире: изгиб спины кошки, когда она потягивается, или тросы висячего моста. Они только приблизительно будут следовать математической кривой; когда мы приглядимся более тщательно, всегда будет некоторое несовершенство в реализации. Итак, основной парадокс математики: Вещи, которые она изучает, нереальны, однако они почему-то проливают свет на реальность. Но как? Соотношение между реальностью и математикой далеко не очевидно даже в этом простом случае.

Вы можете удивиться, сколько математики нужно изучить вместе с изучением гравитации. Но это необходимое отвлечение, поскольку математика находится в сердце тайны времени так же, как и гравитация, и мы должны разобраться, как математика соотносится с природой в таком простом случае как падение тел вдоль кривых. В противном случае, когда мы доберемся до сегодняшней эры и столкнемся с утверждениями типа «Вселенная есть четырехмерное пространственно-временное многообразие», мы окажемся без руля. Не поплавав в водах, достаточно мелких для нас, чтобы увидеть дно, мы будем легкой добычей мистификаторов, которые захотят продать нам радикальные метафизические фантазии под видом науки.

Хотя совершенная окружность и парабола никогда не встречаются в природе, они разделяют с природными объектами одну особенность: сопротивляемость манипуляциям со стороны нашей фантазии и нашего желания. Число π — отношение длины окружности к ее диаметру — суть идея. Но как только его концепция изобретена, его величина становится объективным свойством, одним из тех, что должны быть открыты с помощью дальнейших рассуждений. Предпринимались попытки законодательно определить величину π, и они приводили к глубокому недоразумению. Никакое количество желания не сделает величину π хоть сколько-нибудь другой, чем она есть. То же самое верно для всех других свойств кривых и других объектов математики; эти объекты таковы, каковы они есть, и мы можем быть правыми или ошибаться в отношении их свойств, но мы не можем изменить их.

Большинство из нас преодолели нашу неспособность летать. В конечном счете, мы признаем, что мы не имеем влияния на многие аспекты природы. Но не тревожит ли слегка, что имеются концепции, существующие только в наших разумах, чьи свойства также объективны и независимы от наших желаний, как вещи природы? Мы изобретаем кривые и числа математики, но с момента, как мы их изобрели, мы не можем их поменять.

Но даже если кривые и числа имеют сходство с объектами естественного мира по стабильности их свойств и по их сопротивляемости нашей воле, они не те же самые, что и природные объекты. У них нет одного базового свойства, присущего каждой отдельной вещи в природе. Здесь в реальном мире всегда имеет место некоторый момент времени. Все, что мы знаем в мире, участвует в течении времени. Каждое наблюдение, которое мы делаем о мире, можно датировать. Каждый из нас и все, что мы знаем о природе, существует в интервале времени; до или после этого интервала мы и наши знания не существуем.

Кривые и другие математические объекты не живут во времени. Величина π не появляется с даты, до которой она была другой или неопределенной и после которой она изменится. Если верно, что две параллельные линии на плоскости никогда не встречаются, как определено Евклидом, то это всегда было и всегда будет верным. Утверждения о математических объектах, подобных кривым и числам, верны в том смысле, который не нуждается ни в какой оговорке по отношению ко времени. Математические объекты переступают пределы времени. Но как что-нибудь может существовать без существования во времени?^[15].

Люди спорили об этих проблемах тысячелетиями, и философы все еще должны достичь согласия по их поводу. Но одно предположение было на столе всегда с тех пор, когда эти вопросы впервые обсуждались. Оно заключалось в том, что кривые, числа и другие математические объекты существуют столь же жестко, как то, что мы видим в природе, — исключая то, что они не в нашем мире, а в другой области, области без времени. Так что нет двух видов вещей в нашем мире, ограниченных временем вещей и вещей, не зависящих от времени. Вместо этого имеется два мира: мир, ограниченный временем, и мир, не зависящий от времени.

Идея, что математические объекты существуют в отдельном, не зависящем от времени мире часто ассоциируется с Платоном. Он полагал, что когда математик говорит о треугольнике, это не любой треугольник в мире, а идеальный треугольник, который точно такой же как реальный (и даже более такой), но существует в другой области, области за пределами времени. Теорема, что сумма углов в треугольнике равна 180 градусов, выполняется не точно для любого реального треугольника в нашем физическом мире, но она абсолютно и точно верна для идеального математического треугольника, существующего в математическом мире. Так что, когда мы доказываем теорему, мы добываем знание о чем-то, что существует вне времени, и демонстрируем правильность того, что оно также не ограничено настоящим, прошлым и будущим.

Если Платон прав, то просто путем рассуждений мы, люди, можем преодолеть время и изучить вневременные истины о вневременной области бытия. Некоторые математики утверждают, что вывели определенное знание о реальности Платона. Это утверждение, если оно верно, дает им черты божественности. Как они себе представляют, они этого достигли? Заслуживает ли доверия их утверждение?

Когда я хочу получить дозу платонизма, я приглашаю моего друга Джима Брауна на ланч. Мы оба наслаждаемся хорошей едой, во время которой он будет снисходителен и, пусть не сразу, объяснит аргументы веры во вневременную реальность математического мира. Джим необычен среди философов в соединении бритвенно острого ума с солнечным нравом. Вы чувствуете, что он счастлив в жизни, и это делает вас счастливым, что вы его знаете. Он хороший философ; он знает все аргументы с каждой стороны, и он не затрудняется дискутировать с теми, кого он не может опровергнуть. Но я не нашел способа поколебать его убежденность в существовании вневременной реальности математических объектов. Я иногда размышляю, не дает ли его вера в истины за пределами человеческого кругозора вклад в его счастье быть человеком.

Один вопрос, который Джим и другие платонисты признают тяжелым для ответа, заключается в том, как мы, люди, чья жизнь ограничена во времени, в контакте только с другими также ограниченными вещами можем получать определенное знание о вневременной реальности математики. Мы пришли к правильности математики через умозаключения, но можем ли мы быть на самом деле уверены, что наши умозаключения корректны? На самом деле, не можем. Время от времени в опубликованных в книгах доказательствах открываются ошибки, так что, похоже, что ошибки остаются. Вы можете попытаться обойти трудность, утверждая, что математические объекты вообще не существуют, даже вне времени. Но какой смысл имеет утверждение, что мы имеем надежное знание об области несуществующих объектов?

Другой друг, с которым я обсуждал платонизм, это английский математический физик Роджер Пенроуз. Он придерживается взгляда, что истины математического мира имеют реальность, не охватываемую любой системой аксиом. Он следует великому логику Курту Гёделю в утверждении, что мы можем непосредственно обосновать истины по поводу математической реальности — истины, которые находятся за пределами формального аксиоматического доказательства. Однажды он сказал мне нечто, подобное следующему: «Ты определенно прав, что один плюс один равно два. Это факт по поводу математического мира, что ты можешь ухватиться за свою интуицию и быть в ней уверен. Так что один-плюс-один-равно-два является само по себе достаточным подтверждением, что доказательство может преодолеть время. А как насчет два плюс два равно четыре? Ты уверен в этом тоже! Теперь как насчет пять плюс пять равно десять? Ты и в этом не сомневаешься? Так что имеется очень большое число фактов о не зависящей от времени реальности математики, которые ты уверен, что знаешь». Пенроуз верит, что наш разум может преодолеть постоянно изменяющееся течение жизненного опыта и дотянуться до вечной безвременной реальности за его пределами^[16].

Мы открыли феномен гравитации, когда мы осознали, что наш опыт падения суть знакомство с универсальным природным явлением. В наших попытках осмыслить этот феномен мы разглядели изумительную закономерность: Все объекты падают вдоль простой кривой, которую изобрели в античности и назвали параболой. Так что мы можем связать универсальное явление, действующее на ограниченные временем вещи в мире с изобретенной концепцией, которая в своей безупречности наводит на мысль о возможности истины — и бытия — за пределами времени. Если вы платонист вроде Брауна и Пенроуза, для вас открытие, что тела универсально падают вдоль параболы, есть не менее чем восприятие взаимосвязи между нашим земным ограниченным во времени миром и другим, не зависящим от времени миром вечной истины и красоты.

Простое открытие Галилея тогда приобретает трансцедентальное или религиозное значение: Это открытие отражения того, как вневременная божественность универсально действует в нашем мире. Падение тела во времени в нашем несовершенном мире открывает вневременную сущность совершенного сердца природы.

Этот взгляд на выход за грань к безвременью через науку привлек в науку многих, включая меня самого, но теперь я уверен, что он ошибочен. Мечта о преодолении грани имеет фатальный порок в своей сути, связанный с ее попыткой объяснить нечто, ограниченное временем, с помощью чего-то вневременного. Поскольку мы не имеем физического доступа к воображаемому вневременному миру, рано или поздно мы окажемся в ситуации, когда имеем дело просто с выдуманными вещами (я представлю вам примеры такого провала в следующих главах). В сути любого утверждения, что наша вселенная, в конечном счете, объясняется с помощью иного более совершенного мира, стоящего в стороне от всего, что мы воспринимаем, имеется некая дешевизна. Если мы поддадимся этому утверждению, мы сдадим границу между наукой и махровым мистицизмом.

Наша жажда выйти за грань является корнем религиозных стремлений. Сильное желание быть свободным от смерти и от болей и ограничений нашей жизни является топливом для религий и мистицизма. Осуществляется ли поиск математического знания одним из видов священников со специальным доступом к экстраординарной форме знания? Должны ли мы просто предоставить математику для религиозной активности? Или мы должны беспокоиться, когда самые рациональные из наших мыслителей, математики, говорят о том, что они ведут себя, как если бы имелась дорога к преодолению границ человеческой жизни?

Намного большее напряжение сил требуется, чтобы согласиться дисциплинированно объяснять воспринимаемую и ощущаемую нами вселенную только в терминах ее самой — объяснять реальное только через реальное, а ограниченное временем только через ограниченное временем. Но, хотя это требует напряжения сил, этот ограниченный, менее романтический путь будет, в конечном счете, более успешным. Приз, что ожидает нас, это понимание, наконец, смысла времени в его собственных терминах.

2 Исчезновение времени

Галилей был не первый, кто соотнес движение с кривыми. Он просто был первым, кто сделал это для движения на Земле. Одна из причин, почему до Галилея никогда ни у кого не возникала мысль, что тела падают по параболам, заключается в том, что никто не воспринимает эти параболы непосредственно. Пути падения тел были просто слишком быстры для зрения^[17]. Но задолго до Галилея люди имели примеры движения достаточно медленного, чтобы его легко можно было описать. Это были движения Солнца, Луны и планет в небе. Платон и его студенты записали их положения, которые египтяне и вавилоняне собрали за тысячи лет.

Такие записи поражают и восхищают тех, кто их изучает, поскольку они содержат образцы поведения вещей — некоторые очевидные, вроде годового движения Солнца, другие далеко не очевидные, вроде цикла в восемнадцать лет и одиннадцать дней, найденного в записях солнечных затмений. Эти образцы были путеводной нитью к правильному устройству вселенной, которое античные ученые нашли сами. Спустя много столетий ученые работают над их расшифровкой, и именно через эти усилия математика впервые вступила в науку.

Но это не полный ответ. Галилей не использовал приспособлений, которые были бы недоступны грекам, так что должны были иметься некоторые концептуальные основания для отсутствия прогресса по описанию земного движения в древности. Имели ли предшественники Галилея некоторое слепое пятно в вопросе о движении на Земле, которое отсутствовало у Галилея? Чему они придавали большое значение, а он не придавал?

Рассмотрим открытие одного из простейших и наиболее глубоких образцов движения, найденных античными астрономами. Слово «планета» пришло от греческого слова, используемого для странников, но планеты не странствуют по всему небу. Они все движутся по великому кругу, называемому эклиптикой, который фиксирован по отношению к звездам. Открытие эклиптики должно было быть первым этапом в расшифровке записей положений планет.

Круг есть математический объект, определяемый простым правилом. Что означает, если круг виден в движениях в небе? Является ли это визитом безвременных феноменов в эфемерный ограниченный временем мир? Это могло бы быть так в наших глазах, но древние понимали это не так. Вселенная для античных людей разбивалась на две области: земную область, которая была ареной рождения и смерти, изменения и распада, и небесную область над ней, которая была местом вечного совершенства. Для них небо уже было трансцедентальной сферой; оно было населено божественными объектами, которые никогда не возникали и никогда не разрушались. В конце концов, это было то, что они наблюдали. Сам Аристотель замечал, что «во всем диапазоне прошлых времен, насколько достигают унаследованные нами записи, не возникают изменения ни во всей схеме внешних Небес, ни в любой из присущих им частей»^[18].

Если объекты в этой божественной области двигались, эти движения могли бы быть только совершенными и, следовательно, вечными. Для античных людей было очевидно, что планеты двигаются по окружностям, поскольку, будучи божественными и совершенными, они могли бы двигаться только по самой совершенной кривой. Но земная область не совершенна, так что им могло показаться неестественным описывать движение на Земле в терминах совершенных математических кривых.

Разделение мира на земную область и небесную сферу было зашифровано в физике Аристотеля. Все в земной области было составлено из четырех элементов: земли, воздуха, огня и воды. Каждый элемент обладал естественным движением. Например, естественное движение земли было стремиться к центру вселенной. Изменение следовало из смешивания этих четырех элементов. Эфир был пятым элементом, квинтэссенцией, из которой была сделана небесная сфера и объекты, которые через нее двигались.

Это разделение было источником связи величия и трансцедентности. Бог, небеса, совершенство — все это выше нас, тогда как мы заперты здесь внизу. С этой точки зрения открытие, что математические образы повторяются движениями в небе, имеет смысл, поскольку и математическая и небесная реальности превосходят время и выходят за пределы изменений. Узнать каждую из этих реальностей означает превзойти земную область.

Следовательно, математика вошла в науку как отражение веры в вечное совершенство небес. Постулирование вечных математических законов, оказавшееся столь же полезным, как оказалась полезной математика, никогда не проходит бесследно, оно всегда содержит в себе след метафизической фантазии о трансцедентном переходе из земного мира к миру совершенных форм.

Уже после того, как наука ушла от космоса античных людей, его основной образ и сейчас каждый день влияет на разговоры и метафоры. Мы говорим о высоте положения. Мы смотрим вверх для вдохновения. Тогда как падать (как в выражении «упасть в объятия», например) означает сдаваться и терять контроль. И более того, противопоставление «восхождения» и «падения» символизирует конфликт между телесным и духовным. Небеса над нами, Ад ниже. Когда мы разлагаемся, мы погружаемся вниз в землю. Бог и все, к чему мы, в конце концов, стремимся, находится над нами.

Другим способом, с помощью которого античные люди переживали трансцедентность, была музыка. Слушая музыку, мы часто чувствуем совершенную красоту, которая уводит нас «за пределы момента». Не удивительно, что вслед за красотой музыки древние чувствовали математические тайны, ожидающие расшифровки. Среди великих открытий школы Пифагора было объединение музыкальных гармоний с простыми отношениями чисел. Для древних второй путеводной нитью была мысль, что математика удерживает образцы движения в божественности. Мы знаем немного персональных деталей о Пифагоре и его последователях, но мы можем представить себе, что они заметили, что влечение к математике часто сопровождается музыкальным талантом. Мы могли бы сказать, что математики и музыканты разделяют способность распознавать, создавать абстрактные образы и манипулировать ими. Древние могли говорить не о разделении способностей, а об ощущении божественного.

Галилео Галилей в детстве перед тем, как стал ученым, проявлял способности к музыке^[19]. Его отец, Винченцо Галилей, был композитором и влиятельным теоретиком музыки, который велел натянуть скрипичные струны через чердак своего дома в Пизе, так что его юный сын мог почувствовать взаимосвязь между гармонией и пропорцией. Скучая во время службы в Пизанском кафедральном соборе, Галилей заметил, что время, требуемое висячей лампе, чтобы качнуться из стороны в сторону, не зависит от того, насколько широки размахи ее колебаний. Эта независимость периода (то есть времени, необходимого на выполнение одного колебания или оборота) от амплитуды маятника была одним из его первых открытий. Как он сумел это сделать? Мы могли бы использовать секундомер или часы, но Галилей их не имел. Мы можем представить, что он просто напевал про себя, пока смотрел на колебания лампы над своей головой, поскольку позднее он утверждал, что смог измерить время в пределах десятой части биения пульса.

Галилей также ясно показал присущее музыканту умение привлечь внимание, когда он объяснял людям аргументы учения Коперника. Он записал свои идеи на итальянском языке вместо латыни, языка ученых, ярко передав их через диалоги, в которых вымышленные персонажи разговаривали о науке во время совместной трапезы или прогулки. Тем самым он прославился как демократ, который пренебрег иерархией церкви и университетов, чтобы обратиться напрямую к разуму обычного человека.

Но сколь блестящим полемистом и экспериментатором он был, столь ошеломляющими в трудах Галилея были новые вопросы, на которые он ответил — частично благодаря освобождению от античных догм, что было наследием итальянского Возрождения. Античное разделение между земной и небесной сферами, которое долго мешало людям думать, кажется, не впечатлило Галилея. Леонардо да Винчи открыл пропорцию и гармонию в статической форме, а Галилей искал математическую гармонию в повседневных движениях, таких как маятники и скатывающиеся по наклонной плоскости шары. До того как стать демократом в своей стратегии общения, он был демократом по поводу вселенной.

Галилей разрушил божественность неба, когда открыл, что небесное совершенство было ложью. Он не изобрел телескоп, и он не мог быть единственным, кто использовал новое изобретение для взгляда в небеса. Но его уникальные кругозор и таланты позволили ему не согласиться с общепринятым мнением по поводу того, что он там увидел, а увидел он несовершенство. Солнце имеет пятна. Луна не является воплощением совершенной сферы; она имеет горы совсем как Земля. Сатурн имеет странные тройные очертания. У Юпитера есть луны, и звезд гораздо больше, чем это видно невооруженным глазом.

Это низвержение божественности было предвосхищено несколькими годами ранее, в 1577, когда датский астроном Тихо Браге наблюдал вхождение комет в совершенную сферу Небес. Тихо Браге был последним и величайшим из астрономов, пользовавшихся собственными невооруженными глазами, и на протяжении своей жизни он собрал вместе со своими ассистентами лучшие измерения движения планет из тех, что когда-либо были сделаны. Они были помещены в его книгу записей, расшифрованную около 1600 года, когда он держал на службе вспыльчивого молодого ассистента Иоганна Кеплера.

Планеты двигаются вдоль эклиптики, но не выглядят двигающимися согласованно. Все они движутся в одном и том же направлении, но иногда останавливаются и разворачиваются, двигаясь какое-то время назад. Это обратное движение было для древних великой тайной. На самом деле это означает, что Земля тоже планета, которая двигается вокруг Солнца, как и другие планеты. Планеты останавливаются и снова стартуют только с точки зрения Земли. Марс движется на восток в нашем небе, когда он впереди нас, и меняет направление, когда Земля догоняет. Его обратное движение является просто проявлением движения Земли, но древние наблюдатели не могли бы посмотреть на это так, поскольку они придерживались ложной идеи, что Земля покоится в центре вселенной. И поскольку Земля неподвижна, воспринимаемое движение планет должно быть их реальным движением; отсюда античные астрономы объясняли обратные движения, как если бы они вызывались истинным движением планет. Чтобы сделать так, они придумали неуклюжую схему, включающую два вида окружностей, в которой каждая планета прикреплена к малой окружности, вращающейся вокруг точки, которая сама движется по большой окружности вокруг Земли.

Эпициклы, как были названы эти мини-окружности, вращались с периодом в один земной год, поскольку они были ни что иное, как отражение движения Земли. Другие подгонки требовали еще больше окружностей; применялось пятьдесят пять окружностей, чтобы все это работало. Чтобы определить правильные периоды каждой из больших окружностей, александрийский астроном Птолемей откалибровал модель с поразительной степенью точности. Несколькими столетиями позже исламские астрономы уточнили модель Птолемея, а во время Тихо Браге модель предсказывала положения планет, Солнца и Луны с точностью 1 части на 1000 — достаточно хорошо, чтобы согласовываться с большинством наблюдений Браге. Модель Птолемея была математически красива, и ее успех убедил астрономов и теологов более чем на тысячелетие, что ее исходные допущения были верны. И как они могли бы быть ошибочны? Помимо всего прочего, модель подтверждалась наблюдениями.

Рис. 2. Схема взглядов Птолемея на вселенную^[20]

Урок состоит в том, что ни математическая красота, ни согласие с экспериментом не могут гарантировать, что идея, на которой базируется теория, имеет хоть малейшее отношение к реальности. Иногда расшифровка образцов явлений в природе уводит нас в ложном направлении. Иногда мы очень сильно обманываемся и как индивидуумы, и как общество. Птолемей и Аристотель были не меньшими учеными, чем сегодняшние ученые. Им просто не повезло, что некоторые ложные гипотезы сговорились хорошо работать вместе. От нашей способности обманываться нет лекарства, кроме такого поддержания процесса движения науки, который, в конечном счете, выводит ошибки на свет.

Расшифровать смысл того факта, что все эпициклы имеют одинаковый период и двигаются в фазе с орбитой Солнца, выпало Копернику. Он поместил Землю на ее законное место как планеты, а Солнце вблизи центра вселенной. Это упростило модель, но ввело противоречие, которое античная космология не смогла бы пережить. Почему земная сфера должна вообще отличаться от небесной, если Земля просто еще одна планета, путешествующая через небеса?

Однако Коперник был революционер поневоле, который упустил другие путеводные нити. Большим упущением было то, что даже после того как движение Земли было рассчитано, орбиты планет оказались не точно круговыми. Будучи неспособным избавиться от идеи, что движения в небе должны быть составлены из кругов, Коперник решил эту проблему точно так, как Птолемей четырнадцатью столетиями ранее. Он ввел эпициклы, чтобы подогнать теорию к данным.

Орбита Марса была менее всего круговой. Это было великое счастье Кеплера — и науки тоже — что Тихо Браге поручил ему проблему расшифровки орбиты Марса, и после многих лет работы после того, как он покинул службу у Браге, Кеплер нашел, что Марс описывает в пространстве эллипс, а не окружность.

Это было революционным в том смысле, что не могло быть очевидным для современного Кеплеру читателя. В геоцентрической космологии планеты не описывали замкнутые пути любого вида, поскольку пути каждой из планет относительно Земли комбинировались из двух круговых движений с разными периодами. Только когда орбиты очерчены вокруг Солнца, они образуют замкнутые пути. Только тогда становится возможным ответить на вопрос о форме орбиты. Так расположение Солнца в центре углубляет гармонию мира.

С того момента, когда стало понятно, что планетарные орбиты суть эллипсы, объяснительная сила теории Птолемея была разбита вдребезги. Возникла масса новых вопросов: Почему планеты движутся по эллиптическим орбитам? И что их удерживает от того, чтобы разлететься? И что их вообще заставляет двигаться, а не неподвижно висеть в пространстве? Ответ Кеплера был ошибочным предположением, содержащим половину правды: планеты двигает вокруг по их орбитам сила от Солнца. Представим себе Солнце как вращающегося осьминога, чьи конечности толкают планеты вокруг, когда он поворачивается. Это был первый случай, когда кто-то предположил, что Солнце является источником силы, воздействующей на планеты. Он только неправильно выбрал направление силы.

Браге и Кеплер сокрушили небесные сферы и, тем самым, унифицировали мир. Эта унификация имела серьезные следствия для понимания времени. В космологии Аристотеля и Птолемея не зависящая от времени сфера вечного совершенства окружает земную область. Рост, распад, изменение, все признаки ограниченного временем мира сосредоточены в малой области ниже сферы Луны. Выше ее имеется совершенное круговое движение, неизменное и вечное. Теперь же, после того как сфера, разделяющая ограниченное временем и вневременное была разрушена, могло бы остаться только одно представление о времени. Мог бы этот новый мир быть ограниченным во времени повсюду, с целой вселенной, подверженной росту и распаду? Или вечное совершенство могло бы быть распространено на все творение, так что изменение, рождение и смерть могли бы выглядеть не более чем иллюзиями? Мы все еще боремся с этим вопросом.

Кеплер и Галилей не разгадали тайну взаимосвязи между божественной вечной сферой математики и реальным миром, в котором мы живем. Они углубили эту тайну. Они пробили барьер между небом и Землей, поместив Землю в небо как одну из богоподобных планет. Они нашли математические кривые в движениях тел на Земле и планет вокруг Солнца. Но они не смогли бы излечить фундаментальный разлом между ограниченной временем реальностью и вечной математикой.

К середине 17-го столетия ученые и философы столкнулись с нелегким выбором. Или мир, по существу, является математическим, или он живет во времени. Два ключа к природе реальности витали в воздухе, ожидаемые и неразрешенные. Кеплер открыл, что планеты двигаются вдоль эллипсов. Галилей открыл, что падающие объекты двигаются вдоль парабол. Каждое из этих открытий было выражено в простой математической кривой и каждое частично расшифровывало секрет движения. Поодиночке они были глубокими открытиями; вместе они были зародышами Научной Революции накануне ее расцвета.

Это не похоже на сегодняшнюю сложную ситуацию в теоретической физике. Мы имеем два великих открытия, квантовую механику и общую теорию относительности, объединение которых мы пытаемся найти. Работая над этой проблемой большую часть моей жизни, я впечатлен достигнутым нами прогрессом. В то же время я убежден, что где-то на виду спрятана некоторая простая идея, и она будет ключом к разрешению проблемы. Признание, что прогресс может затормозиться, пока мы ждем изобретения чего-то не более существенного, чем идея, унизительно, но это уже происходило ранее. Научная Революция, запущенная простыми открытиями Галилея и Кеплера, долго откладывалась из-за идеи, что вселенная разделена на земную и небесную сферы. Эта идея препятствовала всестороннему применению математики к нижнему миру, тогда как нашему пониманию верхнего мира мешала вера в то, что там не нужно искать причины для совершенных небесных движений.

Возбуждает мысль о том, что могло бы произойти, если бы более чем 1000 лет эта основополагающая концептуальная ошибка не ослепляла мышление умных людей, которые уже имели в своих руках данные и математику, необходимые, чтобы сделать шаги, которые сделал Галилей. Эллинистические и исламские астрономы вполне могли бы сделать некоторые или все открытия Кеплера из данных, доступных за 1000 лет до Тихо Браге. Идея, что Земля вращается вокруг Солнца, не должна была дожидаться Коперника; она всегда была на столе с тех времен, как ее предложил Аристарх Самосский в 3-м веке до нашей эры. Его гелиоцентрическая космология обсуждалась Птолемеем и другими и могла бы быть известна таким великим ученым как Ипатия, блестящий математик и философ, которая жила в Александрии примерно с 360 по 415 годы нашей эры. А если бы она или один из ее ярких студентов открыли бы закон Галилея о падении тел или эллиптические орбиты Кеплера^[21]? Мог бы найтись и Ньютон к 6-му столетию, и Научная Революция могла бы стартовать на целых 1000 лет раньше.

Историки могут возразить, что Коперник, Галилей и Кеплер не смогли бы сделать свои открытия до того, как Возрождение подготовило путь для освобождения мыслителей от догматизма Темных Эпох. Но во время Ипатии Темные Эпохи еще не наступили, и борьба между представителями греческого учения и религиозным фундаментализмом еще не убила дух рационального исследования. История могла бы быть совершенно другой, если бы кто-нибудь в Александрии времен Рима или, если уж на то пошло, в великих центрах образованности, которые расцвели в исламском мире несколькими столетиями позже, избавился от геоцентрической вселенной. Однако, самые яркие ученые в лучших условиях не смогли проделать концептуальный скачок к представлению, что математические законы управляют движением в земной сфере или что динамические силы играют роль в небесах. Для Галилея и Кеплера понадобилось разрушение сфер, разделяющих две реальности, чтобы сделать возможными их открытия.

Но даже они не смогли бы сделать следующий шаг, а именно, увидеть единство, заключенное в земной параболе и планетарном эллипсе. Это осуществил Исаак Ньютон.

Поскольку Галилей и Кеплер жили после разрушения сфер, они могли бы спросить, не приводит ли достаточно сильный бросок чего-нибудь к выходу на орбиту и не приводит ли ослабление движения объекта по орбите к падению. Для нас очевидно, что это не два явления, а одно. Но это не было очевидным для них. Иногда требуется поколение или около того, прежде чем простейшие следствия новых открытий окажутся в центре внимания. На полвека позже Ньютон понял, что движение по орбите есть форма падения, и завершил унификацию небес и Земли.

Одной из подсказок было математическое единство двух кривых, описывающих движение. Эллипсы описывают планетарные орбиты, а параболы — пути падающих тел на Земле. Эти два вида кривых тесно связаны. Они оба могут быть получены рассечением конуса плоскостью. Сконструированные таким образом кривые называются коническими сечениями; другими примерами являются окружности и гиперболы.

Вопросом для второй половины 17-говека было открытие физического единства, объясняющего это математическое единство. Догадка, которую выдвинул Ньютон, чтобы вступить в Научную Революцию, касалась природы, а не математики, и не принадлежала ему одному. Несколько его современников осознали великий секрет: Сила, которая заставляет все на Земле падать на нее, универсальна и действует также, притягивая планеты к Солнцу, а Луну к Земле. Гравитация.

Рис. 3. Конические сечения, показанные светом фонарика на стене

Ньютон по легенде получил свое прозрение, сидя в своем саду и наблюдая за падением яблок с дерева, когда он размышлял над движением Луны. Чтобы завершить мысль, он задал другой решающий вопрос: Как эта сила уменьшается с расстоянием между объектами? Она должна уменьшаться, в противном случае нас бы выталкивало вверх к Солнцу, а не вниз к Земле. И как сила производит движение?

Другие, такие как современник Ньютона Роберт Гук, задавали эти вопросы, но успех Ньютона заключался в его правильных ответах на них. Ему потребовалось два десятилетия усилий, что вылилось в теорию движения и сил, которую мы называем Ньютоновской физикой.

Для наших целей самой главной вещью в отношении этих вопросов является то, что они математические. Как сила уменьшается с расстоянием, можно представить, написав простое уравнение. Правильный ответ, который знает любой студент-физик первого года обучения, что сила уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Поразительным результатом нашей концепции природы является то, что такое простое математическое соотношение охватывает универсальное явление природы. Природа не должна быть так ошеломляюще проста — и, на самом деле, древние никогда не размышляли о таких простых и универсальных применениях математики для изучения причин движения.

По вопросу о том, как сила вызывает движение, вы должны подумать о движущемся объекте, очерчивающем кривую в пространстве. Тогда вопрос в том, как отличается кривая в зависимости от того, есть ли сила, действующая на объект, или нет. Ответ установлен двумя первыми законами Ньютона. Если силы нет, кривая, вдоль которой движется тело, есть прямая линия. Если сила есть, она вызывает ускорение тела.

Невозможно сформулировать эти законы без математики. Прямая линия суть идеальная математическая концепция; она живет не в нашем мире, а в Платоновом мире идеальных кривых. А что такое ускорение? Это темп изменения скорости, которая сама является темпом изменения положения. Чтобы описать это адекватно, Ньютону пришлось изобрести целый новый раздел математики: дифференциальное исчисление.

Раз у вас есть необходимая математика, она непосредственно вырабатывает следствия. Один из первых вопросов, на который Ньютон должен был дать ответ с помощью своего нового инструментария^[22], был о том, какую траекторию будет иметь планета под действием силы от Солнца, которая уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Ответ: Это может быть эллипс, парабола или гипербола в зависимости от того, имеет планета замкнутую орбиту или однократно проходит мимо Солнца. Ньютон также сумел обобщить законы падения Галилея в своем законе гравитации^[23]. Таким образом, Галилей и Кеплер рассмотрели разные аспекты единого феномена, которым является гравитация.

В истории человеческого разума есть мало чего более глубокого, чем открытие этой скрытой общности между падением и движением по орбите. Но под громадностью Ньютоновского достижения имеется непреднамеренное следствие, заключающееся в том, что его труд сделал наше понимание природы намного более математическим, чем ранее. Аристотель и его современники описывали движение в терминах склонностей: Земные объекты имеют склонность стремиться к центру Земли, воздух имеет склонность убегать от центра и так далее. Это была, по существу, описательная наука. Там не было предположений, что пути, вдоль которых двигаются объекты, имеют какие-либо специальные свойства, и, следовательно, не было интереса к использованию математики для описания движения на Земле. Математика, будучи вневременной, была божественной и применимой только к тем божественным и вечным явлениям, которые мы могли видеть и которые были только в небесах.

Когда Галилей открыл, что падающие тела описываются простой математической кривой, он захватил аспект божественного, привнесенный вниз с неба, и показал, что этот аспект мог бы быть открыт в движении повседневных объектов на Земле. Ньютон продемонстрировал, что громадное разнообразие движений на Земле и в небе, инициированное или гравитацией или другими силами, является проявлением скрытого единства. Различные движения являются следствиями единственного закона движения.

К моменту, когда Ньютон закончил объединение движений в небе и на Земле, мы жили в едином унифицированном мире. И это был мир, вдохновленный божественностью, поскольку сердцем всего, что движется на Земле и в небе, была вечная математика. Если безвременность и вечность являются свойствами божественного, тогда наш мир — то есть, целая история нашего мира — может быть столь же вечным и божественным, как математическая кривая.

3 Игра в мяч

Чтобы обратиться к проблеме, поднятой в двух первых главах, нам надо знать больше о том, как мы определяем движение. Кажется, чего проще: Движение есть изменение положения во времени. Но что такое положение и что такое время?

Есть два ответа, которые физики давали на кажущийся безобидным вопрос об определении положения. Первый есть соответствующая здравому смыслу идея, что положение объекта определяется относительно вехи некоторого сорта; второй — что имеется нечто абсолютное в пространственном положении, без отношения к чему-либо еще. Это называется, соответственно, реляционистская и абсолютистская точки зрения на пространство.

Реляционное понятие положения нам всем привычно. Я сейчас нахожусь в трех футах от моего кресла. Самолет приближается к аэропорту с запада и сейчас находится в двух километрах от конца взлетной полосы 1 на высоте 1000 футов. Это все описания относительного положения.

Но реляционное положение, кажется, оставляет что-то за бортом. Где находится окончательная точка отсчета? Вы даете свои координаты на Земле, но где сама Земля? Много миль от Солнца в направлении созвездия Водолея. А где Солнце? Много тысяч световых лет от центра Галактики Млечный Путь. И так далее.

Двигаясь по этому пути, вы можете дать положение чего угодно во вселенной относительно чего угодно другого. Это огромное количество информации, но достаточно ли этого? Нет ли тут некоторого абсолютного понятия положения — где находится что-либо на самом деле, после всех этих относительных положений?

Эти дебаты между реляционистским и абсолютистским понятиями пространства проходят через всю историю физики. Грубо говоря, Ньютоновская физика была триумфом абсолютистской картины, которая была отброшена Эйнштейновской теорией относительности, установившей реляционистский взгляд на вещи. Я уверен в правильности реляционистского взгляда и надеюсь убедить в этом читателей. Но я был бы также рад дать читателю четкое понимание, почему крупные специалисты вроде Ньютона приняли абсолютистский взгляд и от чего придется отказаться, когда мы его отбросим в пользу реляционистского взгляда.

Чтобы оценить мысли Ньютона об этой проблеме, нам нужно задаться вопросом не только о положении, но и о движении. Оставим время в стороне на минуту и обратимся к тому, что именно мы обсуждали. Если положение относительно, тогда движение есть изменение относительного положения — то есть, изменение положения относительно некоторого эталонного тела.

Все типичные разговоры о движении есть разговоры об относительном движении. Галилей изучал тела, падающие относительно поверхности Земли. Я кидаю мяч и наблюдаю, как он движется прочь от меня. Земля движется вокруг Солнца. Все это примеры относительного движения.

Следствием относительного движения является то, что движение кого-то или чего-то всегда есть вопрос точки зрения. Земля и Солнце движутся вокруг друг друга, но что из них реально движется? Реальна ли история, что Солнце движется вокруг Земли, зафиксированной в центре вселенной? Или наоборот, она реальна для Солнца, которое зафиксировано, а Земля движется по орбите? Если движение только относительно, может не быть правильного ответа на этот вопрос.

Факт, что любая вещь может двигаться или быть зафиксированной, затрудняет объяснение причин движения. Как что-то может быть причиной движения Земли вокруг Солнца, если имеется другая и равно применимая точка зрения, в соответствии с которой Земля вообще не движется? Если движение относительно, наблюдатель свободен в выборе точки зрения, что все движения определены относительно него. Чтобы разрешить это безвыходное положение и получить возможность говорить о причинах движения, Ньютон предположил, что у положения должен быть абсолютный смысл. Для него это было положение по отношению к тому, что он называл «абсолютным пространством». Тела движутся или нет в абсолютном смысле, по отношению к абсолютному пространству. Ньютон утверждал, что абсолютно движется Земля, но не Солнце.

Постулирование абсолютного пространства останавливает бесконечную отсылку к предыдущему эталонному телу и придает смысл положению каждого отдельного тела во вселенной без необходимости ссылаться на что-нибудь еще. Это может быть комфортным представлением, но есть одна проблема. Где это самое абсолютное пространство и как мы могли бы измерить положение тела относительно него?

Никто и никогда не видел и не обнаруживал абсолютного пространства. Никто не измерял положение, которое бы не было относительным положением. Вплоть до того, что если уравнения физики относятся к положению в абсолютном пространстве, то их нельзя связать с экспериментом.

Ньютон это знал, но это его не беспокоило. Он был глубоко религиозным мыслителем, и абсолютное пространство имело для него теологический смысл. Бог видел мир в терминах абсолютного пространства, и этого было достаточно для Ньютона. Он даже определил это более строго: Пространство есть одно из чувств Бога. Вещи существуют в пространстве, поскольку они существуют в разуме Бога.

Это не так странно, как звучит, если вы мастер дешифровки, каким был Ньютон. Он посвятил годы работы поиску скрытых смыслов в Писании, и, как алхимик, пытался найти скрытые коды для добродетелей и вообще для бессмертия. Как физик он открыл универсальные законы, которые управляют движением во вселенной, но перед этим были скрыты. Это было в его характере верить, что сущность пространства скрыта от наших чувств, но, однако, видна Богу.

Более того, он имел физическое обоснование для абсолютного пространства. Даже если положение в абсолютном пространстве не могло быть воспринято человеком, некоторые виды движения по отношению к абсолютному пространству, могли бы.

Дети не могут летать, но они могут крутиться. И они крутятся. Ничто не доставляет такого удовольствия ребенку, который только что открыл возможность испытать головокружение. И в любое время хочет снова и снова. Еще! Ньютон не имел детей, но я воображаю его безмолвно пораженным развлечением его юной племянницы Катерины, вращающейся в его рабочем кабинете. Ньютон берет шатающегося смеющегося ребенка на свое колено и говорит ей, что ее головокружение есть прямое восприятие абсолютного пространства. И абсолютное пространство есть Бог. «То, что ты чувствуешь, когда чувствуешь головокружение, есть рука Бога над тобой», предполагает он. Она хихикает, ёрзает, когда он начинает объяснять, что ее головокружение возникает не из-за того, что она вращается по отношению к мебели, к дому или к коту, а из-за того, что она вращается по отношению к самому пространству. И если пространство может вызвать ее головокружение, оно должно быть чем-то реальным. «Почему?» — говорит она, спрыгивая с его коленей, чтобы поискать кота в другой комнате. Оставим Ньютона там размышлять о гравитации и роде человеческом и вернемся к вопросу о том, как определяется движение.

Когда мы говорим, что нечто движется, мы подразумеваем, что оно меняет свое положение с течением времени. Это здравый смысл, но, чтобы быть точными, нам нужно удостовериться, что мы знаем, что мы имеем в виду под временем. И здесь перед нами встает та же дилемма реляционистского против абсолютистского.

Люди воспринимают время как изменение. Время наступления события измеряется относительно другого события — например, считывания показаний часов. Все показания часов и календарей суть относительные времена, точно как адреса суть относительные положения. Но Ньютон верил, что тут позади скрыто изменение абсолютного времени, которое воспринимает Бог.

Здесь есть привкус дебатов, которые бушевали с тех пор по проблеме абсолютного времени. Противник Ньютона Готфрид Лейбниц тоже верил в Бога, но его Бог был не свободен, тогда как Бог Ньютона делал так, как Ему нравится. Лейбниц поклонялся в высшей степени рациональному Богу. Но если Бог совершенно рационален, то все в природе должно иметь причину. Это и есть принцип достаточного обоснования Лейбница. Один из способов его формулировки такой, что каждый вопрос вроде «Почему вселенная такая, а не этакая?» должен иметь рациональный ответ. Конечно, имеются вопросы, на которые невозможно дать никакого рационального ответа. Точка зрения Лейбница заключалась в том, что задавать вопрос, который не может иметь рационально обоснованный ответ, означает совершать ошибку в мышлении.

Лейбниц пояснял свой принцип так: Он спрашивал, «Почему вселенная началась, когда началась, а не десятью минутами позже?» Он отвечал, что не может быть никакого рационального ответа, чтобы предпочесть историю вселенной другой истории, в которой все происходит на десять минут позже. Все относительные времена будут одинаковыми в обеих вселенных; только абсолютные времена будут различны. Но законы природы говорят только об относительных временах. Следовательно, утверждал Лейбниц, если нет причины для вселенной предпочесть начало в данное абсолютное время началу в другое, не может быть смысла в абсолютном времени.

Я поддерживаю рассуждения Лейбница, что когда бы я не ссылался на время, я буду подразумевать относительное время. В самом деле, хотя мы можем рассуждать о том, может ли быть некоторый трансцедентный смысл, в котором существует абсолютное время, несомненно то, что мы, люди, живущие в реальном мире, имеем доступ только к относительным временам. Так для целей описания движений мы будем рассматривать время, измеряемое часами. Для наших целей часами являются все приборы, которые считывают последовательность возрастающих чисел.

Теперь, когда мы определили как время, так и положение, мы можем переходить к измерению движения: Движение есть изменение положения, измеренного по отношению к некоторому эталонному объекту, в течение периода времени, измеренного по отношению к показаниям часов.

Это приводит нас к следующему ключевому шагу в нашем рассуждении. Чтобы делать науку, недостаточно просто давать определения и рассуждать о понятиях. Вы должны измерять движения. Это означает использовать инструменты вроде часов и линеек, чтобы соотнести положения и времена с числами.

В отличие от абсолютного положения, которое не наблюдаемо, относительные расстояния и относительные времена могут быть измерены в числах, которые, в свою очередь, могут быть записаны на куске бумаги или в цифровой памяти. Таким образом, наблюдения движения преобразуются в таблицы чисел, которые можно изучать методами математики. Один такой метод заключается в создании графика или диаграммы из записей, что переводит таблицу чисел в картинку, что может пробудить наше понимание и воображение.

Этот мощный инструментарий был разработан Рене Декартом, и преподается каждому школьнику. Несомненно, что-то похожее мог бы делать Кеплер, когда он боролся с данными Тихо Браге по орбите Марса. На Рис. 4 мы видим схему орбиты Луны по отношению к Земле.

В школе мы изучали второй способ рисовать движение, в котором добавляется ось для времени и рисуется положение в зависимости от времени. Это представляет орбиту как кривую в пространстве и времени, как на Рис. 5. Мы видим, что орбита Луны теперь представлена спиралью; пока она один раз возвращается к своему стартовому положению, проходит месяц.

Рис. 4. Схема лунной орбиты вокруг Земли

Заметим, что путем графической записи наблюдений делается нечто удивительное. Кривая на Рис. 5 представляет измерения, выполненные, пока что-то эволюционирует во времени, но сами измерения от времени не зависят — что означает, однажды выполненные, они не меняются. И кривая, которая их представляет, также постоянна. Это означает, что мы сделали движение — то есть, изменение в мире — предметом изучения математики, которая изучает не меняющиеся объекты.

Способность заморозить время, как в приведенном примере, была для науки огромной поддержкой, поскольку мы не должны наблюдать движение, разворачивающееся в реальном времени; мы можем изучать записи прошлых движений, когда нам заблагорассудится. Но за пределами указанного удобства данное изобретение имеет чрезвычайные философские последствия, поскольку свидетельствует в пользу утверждения, что время есть иллюзия. Метод замораживания времени работал настолько хорошо, что большинство физиков не подозревают, что эта уловка действует на их понимание природы. Эта уловка была большим шагом в изгнании времени из описания природы, поскольку она побуждает нас заинтересоваться корреляцией между реальным и математическим, ограниченным во времени и вечным.

Рис. 5. Схема лунной орбиты как кривой в пространстве и времени

Эта корреляция настолько важна, что я хочу обрисовать ее на повседневном примере. Все эти непростые проблемы полностью проявляются в известной всем игре в мяч.

* * *

Около 1:15 пополудни 4 октября 2010 в восточной части Хай Парка в Торонто писатель-романист по имени Дэнни, бросает теннисный мяч, который он нашел этим утром в своем комоде для носков, поэтессе Джанет, с которой он только что познакомился.

Чтобы изучить бросок Дэнни с точки зрения физики, проделаем то же самое, что Браге и Кеплер сделали для Марса. Мы наблюдаем движение и записываем положения мяча в последовательные моменты времени; затем чертим результат в виде графика. Чтобы это выполнить, нам нужно задать положение мяча относительно некоторого объекта, в качестве которого мы можем выбрать самого Дэнни. Кроме этого, нам нужны часы.

Рис. 6. Измерение броска Дэнни

Мяч движется быстро, и это было трудностью для Галилея, но мы можем просто заснять бросок Дэнни и измерять положение мяча в каждом кадре вместе со временем кадра. Из положения мяча в кадре мы получаем два числа, высоту мяча над землей и горизонтальное расстояние, на которое мяч удалился от Дэнни. (Пространство, конечно, трехмерно, так что мы еще должны описать направление броска Дэнни. За исключением замечания, что он бросает на юг, я буду здесь игнорировать это усложнение). Когда мы включим время каждого кадра, запись траектории мяча будет состоять из серий трех чисел, по одной тройке на каждый кадр кинопленки:

(время 1, высота 1, расстояние 1)

(время 2, высота 2, расстояние 2)

(время 3, высота 3, расстояние 3)

И так далее.

Эти наборы чисел являются важным рабочим инструментом, если мы изучаем движение с научной точки зрения. Но они не являются самим движением. Это просто числа, которые имеют смысл при измерениях мяча в полете в нашем особом случае. Реальное явление в некотором смысле отличается от набора описывающих его чисел. Например, многие особенности мяча игнорируются. Мы записываем только его положение, но мяч также имеет цвет, вес, форму, размер и состав. Более важно, что явление разворачивается во времени: Оно произошло только один раз в прошлом. Все, что осталось, это запись, и она заморожена, неизменна.

Следующим этапом рисуем информацию из записей в виде графика. Рис. 7 представляет картинку пути, который мяч проделывает в пространстве. Мы видим, что мяч летел по параболе, как и предсказывал Галилей.

Рис. 7. Бросок Дэнни, записанный и нарисованный в виде графика

Мы снова видим, что процесс фиксирования движения, которое имеет место во времени, приводит к записи, которая заморожена во времени, — к записи, которая может быть представлена кривой на рисунке, которая также заморожена во времени.

Некоторые философы и физики усматривают в этом глубокое проникновение в природу реальности. Некоторые наоборот — утверждают, что математика только инструмент, успешность которого не требует, чтобы мы рассматривали мир как, по существу, математический. Мы можем назвать эти соперничающие голоса голосами мистика и прагматика.

Прагматик будет утверждать, что нет ничего ошибочного в проверке гипотезы о законах движения путем преобразования движения в таблицы чисел и поиска системы в этих таблицах. Но прагматик будет настаивать, что математическое представление движения в виде кривой не означает, что движение во всех смыслах идентично указанному представлению. Подлинный факт, что движение имеет место во времени, тогда как его математическое представление вне времени, означает, что это разные вещи.

Некоторые физики вроде Ньютона приняли мистический взгляд, что математическая кривая «более реальна», чем само движение. Великая притягательность концепции более глубокой математической реальности в том, что она вневременная в противоположность скоротечной последовательности впечатлений. Поддаваясь соблазну объединить представление с реальностью и идентифицировать график записей движения с самим движением, эти ученые сделали большой шаг к изгнанию времени из нашей концепции природы.

Путаница усугубляется, когда мы представляем время как ось на графике, как мы это сделали на Рис. 5. На Рис. 8 мы видим информацию о траектории мяча Дэнни, включающую показания часов, отображенные, как если бы они были измерениями, сделанными линейкой. Это можно назвать временем, превращенным в пространство (или геометризированным).

И математическое связывание представлений пространства и времени, при котором каждое имеет свою собственную ось, может быть названо пространством-временем. Прагматик будет настаивать, что это пространство-время не есть реальный мир. Это всецело человеческое изобретение, только другое представление данных, которые мы имеем по процессу бросания мяча Дэнни к Джанет. Если мы путаем пространство-время с реальностью, мы фиксируем заблуждение, которое может быть названо ошибкой геометризации времени. Она является следствием игнорирования разницы между записью движения во времени и самим временем.

Рис. 8. Бросок Дэнни, изображенный в виде кривой в пространстве и времени

Раз уж вы совершили эту ошибку, вы вольны фантазировать, что вселенная вечна и даже является ничем иным как математикой. Но прагматик скажет, что безвременье и математика есть свойства представления записей о движении — и только это. Они не являются и не могут являться свойствами реальных движений. Конечно, абсурдно называть движение «вневременным», поскольку движение есть ничего кроме выражения времени.

Имеется простое обоснование тому, что не существует математического объекта, который бы вечно обеспечивал полное представление истории вселенной, и заключается оно в том, что вселенная имеет одно свойство, которое математического представления иметь не может. Здесь в реальном мире всегда есть некоторое время, некий настоящий момент. Ни один математический объект не может иметь эту особенность, поскольку, будучи однажды сконструированными, математические объекты являются вневременными^[24].

Кто прав, прагматик или мистик? Это вопрос, вокруг которого вращается будущее физики и космологии.

4 Изучение физики в ящике

Учась в институте, я получил роль в пьесе Жана-Поля Сартра «Нет выхода». Я играл Жозефа Гарсена, журналиста, запертого в небольшом помещении с двумя женщинами; все персонажи умершие. Пьеса была крайним вариантом сообщества в замкнутом мирке; такой мирок дал возможность драматургу исследовать последствия нашего морального выбора. На сезонной сцене я должен был стучать в дверь класса, выкрикивая знаменитые строки «Ад — это другие люди!», но дверное стекло разбилось вдребезги, обсыпав меня осколками и завершив мою актерскую карьеру.

Музыкальный спектакль, как это бывает в театре, допускает углубленное изучение человеческих эмоций путем изолирования нас в контролируемом окружении. Будучи молодым человеком, я наслушался ужасающих представлений музыкальной группы моей двоюродной сестры с названием «Суицид» в подвальном помещении Мерсер Артс Центра в Гринвич Виллидж^[25]. Певцы блокировали двери и завораживали аудиторию длинной арией о неспровоцированном убийстве, исполняемой на фоне ошеломляющего повторения аккордов классики гаражного рока, песни «96 слез»^[26]. В атмосфере прорастала клаустрофобия по мере того, как певцы становились все более зловещими, но, подобно героям в пьесе «Нет выхода», мы все это выдерживали. Еще ранее метод озарения через клаустрофобию применялся артистами абстрактного толка, которые запирали непривлекательные друг для друга пары — вроде артиста и ученого — в помещении на двадцать четыре часа и снимали на видео все, что там происходило^[27].

В обоих случаях (и в пьесе, и в представлении) изоляция является подделкой. Применив достаточное усилие, каждый мог бы просто уйти оттуда в любое время. Мы не уходили, потому что усеченное социальное окружение позволяло много чему научиться. Чем менее реально, в этом смысле, тем лучше для дела. Искусство пытается найти универсальное через детализированное исследование частностей^[28], которое для успеха часто требует искусственно ограниченной окружающей обстановки.

То же самое с физикой. Большая часть того, что мы знаем о природе, приходит из экспериментов, в которых мы искусственно отделяем и изолируем явление от постоянного вихря вселенной. Мы ищем понимание универсалий физики через ограничение нашего внимания на простейших явлениях. Метод ограничения внимания на малой части вселенной обеспечил успех физики со времен Галилея. Я называю этот метод изучением физики в ящике. У метода великие достоинства, но и некоторые недостатки, и то и другое существенно для нашей истории изгнания времени из физики и его возрождения.

Мы живем во вселенной, которая всегда изменяется, полной материи, которая всегда движется. Что научились делать Декарт, Галилей, Кеплер и Ньютон, это изолировать маленькие кусочки мира, изучать их и записывать происходящие в них изменения. Они показали нам, как представить записи этих движений в виде простейших диаграмм, чьи оси представляют положения и времена в замороженном виде и, отсюда, которые могут быть изучены в удобное для нас время.

Заметим, что для применения математики к физической системе мы должны сначала изолировать ее и мысленно отделить ее от сложности движений реальной вселенной. Мы не могли бы очень далеко продвинуться в изучении движения, если бы мы заботились о том, как все во вселенной влияет на все остальное. Пионеры физики от Галилея до Эйнштейна и сегодняшних дней смогли обеспечить прогресс потому, что они смогли изолировать простую подсистему, вроде игры в мяч, и изучить, как мяч двигается. Хотя в реальности мяч в полете подвержен влиянию вещей, находящихся за пределами определенной нами подсистемы, и несметным числом способов. Простое описание игры в мяч как изолированной системы есть грубое приближение реального мира — хотя оно обеспечивает успех в открытии фундаментальных принципов, которые, оказывается, управляют всем движением в нашей вселенной^[29].

Этот вид приближения, при котором мы ограничиваем наше внимание на нескольких переменных или нескольких объектах или частицах, является характеристикой изучения физики в ящике. Ключевым этапом является выбор для изучения одной подсистемы из целой вселенной. Ключевой особенностью является то, что это всегда приближение к гораздо более богатой реальности.

Легко обобщить наше рассмотрение игры в мяч на большое число изучаемых в физике систем. Чтобы изучить систему, нам нужно определить, что она содержит, а что из нее исключено. Мы рассматриваем систему, как если бы она была изолированной от остальной вселенной, и сама эта изоляция есть радикальное приближение. Мы не можем удалить систему из вселенной, так что в любом эксперименте внешние воздействия на систему мы можем только уменьшить, но никогда не ликвидировать полностью. Во многих случаях мы можем проделать это достаточно аккуратно, чтобы сделать идеализацию изолированной системы полезной умственной конструкцией.

Часть определения подсистемы есть список всех переменных, которые нам нужны при измерении для определения всего, что мы хотим знать о подсистеме в определенный момент времени. Список этих переменных составляет абстракцию, которую мы называем конфигурацией системы. Чтобы представить набор всех возможных конфигураций, мы определяем абстрактное пространство, называемое конфигурационным пространством. Каждая точка конфигурационного пространства представляет одну возможную конфигурацию системы.

Процесс определения конфигурационного пространства начинается с выделения подсистемы из большой вселенной. Следовательно, конфигурационное пространство всегда является приближением к более глубокому и более полному описанию. Конфигурация и ее представление в виде конфигурационного пространства суть абстракции — человеческие изобретения, которые полезны для метода изучения физики в ящике.

Для описания игры в бильярд (пул) нам надо выбрать положения шестнадцати шаров для записи в виде двумерной таблицы. Она содержит два числа для локализации отдельного шара на столе (его положение относительно длинной и короткой сторон стола), так что полная конфигурация потребует списка из тридцати двух чисел. Конфигурационное пространство имеет одно измерение для каждого числа, которое должно быть получено и записано, так что в случае пула оно имеет тридцать два измерения.

Но реальный шар из пула является безмерно сложной системой, так что его представление в виде единичного объекта в единственном положении это очень сильное приближение. Если вы хотите получить более точное описание пула, вы должны записать положения не только шаров, но и каждого атома в каждом шаре. Это потребует, по меньшей мере, 1024 чисел, и, следовательно, конфигурационное пространство такой высокой размерности. Но почему на этом надо остановиться? Если описание на уровне атомов достаточно, то вы должны включить положения всех атомов стола, каждого из атомов воздуха, которые сталкиваются с шарами, всех фотонов, которые освещают комнату, — а затем почему не всех атомов Земли, Солнца и Луны, которые притягивают шары гравитационно? Все, что является менее чем космологическим описанием, будет аппроксимацией.

То, что еще остается за пределами подсистемы, это часы, которые мы используем для фиксирования момента наблюдения. Часы не рассматриваются как часть подсистемы, поскольку предполагается, что они тикают однородно, что бы ни происходило в подсистеме. Часы обеспечивают нас стандартом, по отношению к которому происходит запись движения подсистемы.

Использование внешних часов нарушает концепцию, что время является реляционным. Изменение в системе измеряется по отношению к внешним часам, но ничто из того, что происходит в системе, не подразумевает влияния на внешние часы. Это удобно, но это допустимо только потому, что мы сделали грубую аппроксимацию, в которой мы пренебрегли всеми взаимодействиями между системой и всем остальным миром за ее пределами, включая часы.

Если мы примем данный метод слишком серьезно, мы можем соблазниться и вообразить часы внешними по отношению к целой вселенной, то есть такими, при помощи которых мы можем измерять изменение во вселенной. Это путь к большому концептуальному заблуждению, которое заключается в уверенности, что вселенная как целое эволюционирует по отношению к некоторому абсолютному понятию времени, приходящему извне вселенной. Ньютон сделал эту ошибку, так как он был захвачен фантазией, что изобретенная им физика удерживается взглядом Бога на вселенную как целое. Ошибка сохранялась, пока Эйнштейн ее не откорректировал, — найдя в рамках теории относительности способ вставить часы внутрь вселенной, — и мы не должны делать ее снова.

Рис. 9. Конфигурационное пространство и история на нем. Х обозначает момент времени

Однако, раз уж мы не должны принимать все это слишком серьезно, картина малой подсистемы вселенной, эволюционирующей как это измерено по показаниям внешних часов, есть удобная аппроксимация. В каждое измеренное нами время мы получаем список чисел, характеризующих конфигурацию в это время и при этом определяющих точку в конфигурационном пространстве. Представив измерения времени скорострельными, мы можем идеализировать этот набор точек в виде кривой через конфигурационное пространство (см. Рис. 9). Она представляет историю подсистемы, записанную в виде последовательности измерений ее конфигураций.

Точно как в случае мяча Дэнни в его игре с Джанет, время исчезло из картины. Что осталось, так это траектория через пространство возможных конфигураций. Эта траектория суть кривая, суммирующая информацию в наборе записей чего-то, что происходило в прошлом. Когда мы это сделали, мы имеем представление движения подсистемы — движения, которое разворачивалось во времени только один раз, — через вневременной математический объект, который есть кривая в пространстве возможных конфигураций подсистемы.

Конфигурационное пространство не зависит от времени; предполагается, что оно просто есть всегда. Когда я ссылаюсь на него как на «пространство возможных конфигураций», я имею в виду, что если я захотел бы, я смог бы поместить подсистему в любую из конфигураций в любое время. История системы тогда представляется кривой, стартующей из этой начальной конфигурации. Эта кривая, будучи один раз прочерчена, является вневременной. Это возвращает нас к нашему ключевому вопросу: Является ли исчезновение времени в представлении истории системы глубоким проникновением в природу реальности или оно является вводящим в заблуждение и непреднамеренным следствием метода приблизительного описания малой части вселенной?

* * *

Ньютон изобрел больше, чем способ описания движения, он изобрел способ его предсказания. Галилей открыл, что в случае брошенного мяча, кривая его движения есть парабола. Ньютон дал нам метод определения, какова возможная кривая в огромном разнообразии случаев. В этом заключается содержание трех его законов движения. Их можно обобщить следующим образом:

Чтобы предсказать, как мяч будет двигаться, необходимы три кусочка информации:

— Начальное положение мяча;

— Начальная скорость мяча (то есть, насколько быстро и в каком направлении он движется);

— Силы, которые будут действовать на мяч в процессе движения.

Задав эти три вводных, можно использовать законы движения Ньютона для предсказания будущего пути мяча. Мы можем запрограммировать компьютер, чтобы он сделал это для нас. Зададим ему три вводных условия, и он выдаст нам путь, которому будет следовать мяч. Это мы и имеем в виду, когда говорим о «решении» законов Ньютона. Решение есть кривая в конфигурационном пространстве. Она представляет историю системы вперед от момента, когда система была приготовлена или впервые наблюдалась. Этот первый момент называется начальным условием. Вы описываете начальное условие, когда вы задаете начальное положение и начальную скорость. Затем вступают в действие законы и определяют остальную историю.

Один закон имеет бесконечное число решений, каждое из которых описывает возможную историю системы, в которой законы выполняются. Вы определяете, какую историю описывает отдельный эксперимент, когда вы задаете начальные условия. Поэтому для предсказания будущего или объяснения чего-нибудь не достаточно знать законы; вы должны также знать начальные условия. В лабораторных экспериментах это просто, так как экспериментатор приготавливает систему для ее старта в некоторых особых начальных условиях.

Закон падения тел Галилея говорит, что мяч, который бросил Дэнни, будет двигаться по параболе. Но по какой параболе? Ответ определяется тем, как быстро и под каким углом и из какого положения он кинул мяч — то есть, начальными условиями.

Оказывается, что этот метод всеобщий. Он может быть применен к любой системе, которая может быть описана посредством конфигурационного пространства. Раз система определена, необходимы те же три вводных условия:

— Начальную конфигурацию системы. Это задает точку в конфигурационном пространстве;

— Начальное направление и скорость изменений системы;

— Силы, которым будет подвергаться система, пока она меняется во времени.

Тогда законы Ньютона предскажут точную кривую в конфигурационном пространстве, которой будет следовать система.

Всеобщность и мощь Ньютоновского метода не может быть переоценена. Он применялся к звездам, планетам, лунам, галактикам, кластерам звезд, кластерам галактик, темной материи, атомам, электронам, фотонам, газам, жидкостям, мостам, небоскребам, автомобилям, самолетам, спутникам, ракетам. Он успешно применялся к системам с одним, двумя или тремя телами и к системам с 1023 или 1060 частиц. Он применялся к полям — таким как электромагнитное поле — чье определение требует измерения бесконечного числа переменных (например, электрических и магнитных полей в каждой точке пространства). Он описывал громадное число возможных сил или взаимодействий между переменными, определяющими систему.

Базовый метод может быть также применен в компьютерной науке, где он называется изучением клеточных автоматов. И лишь с небольшими модификациями он является основой квантовой механики.

Вследствие силы этого метода, его можно назвать парадигмой. Мы будем называть его по имени его изобретателя: Ньютоновской парадигмой. Это более формальный способ говорить о методе изучения физики в ящике.

По своей сущности Ньютоновская парадигма сконструирована из ответов на два основных вопроса:

— Каковы возможные конфигурации системы?

— Каковы силы, которым подвергается система в каждой конфигурации?

Возможные конфигурации также называются начальными условиями, поскольку мы определяем их, чтобы дать старт движению системы. Правила, по которым описываются силы и их влияние, называются законами движения. Эти законы представляются уравнениями. Когда вы подставляете в уравнения начальные условия, уравнения дают вам будущую эволюцию системы. Это называется решением уравнений. Имеется бесконечное число таких решений, поскольку имеется бесконечное число возможных начальных условий.

Мы должны осознавать, что такой мощный метод основан на некоторых мощных предположениях. Первое заключается в том, что конфигурационное пространство не зависит от времени. Предполагается, что некоторый метод может дать полный набор возможных конфигураций заранее — это означает, до того, как мы увидим настоящую эволюцию системы. Возможные конфигурации не эволюционируют, они просто есть. Второе предположение в том, что силы, а, следовательно, и законы, которым система подвержена, не зависят от времени. Они не меняются во времени, и они также, по-видимому, могут быть определены до настоящего изучения системы.

Урок из всего этого столь же простой, сколь и ужасающий. В той степени, в какой предположения, лежащие в основе Ньютоновской парадигмы, осуществляются в природе, время несущественно и может быть удалено из описания мира. Если пространство возможных конфигураций может быть определено вне времени, и законы тоже, тогда историю любой системы не нужно рассматривать как эволюционирующую во времени. Для того, чтобы можно было сформулировать ответ на любой вопрос физики, достаточно рассматривать полную историю любой системы как отдельную замороженную кривую в конфигурационном пространстве. По-видимому, самый существенный аспект нашего переживания мира — его представление для нас как последовательности настоящих моментов — пропадает из нашей самой успешной парадигмы для описания природы.

Мы начали с наблюдения за теннисным мячом с телефонным номером, написанным на его боку пурпурными чернилами, перебрасываемым между двумя писателями по имени Дэнни и Джанет 4 октября 2010 в Хай Парке. Наше глубочайшее понимание того, как он движется, свелось к рассмотрению вневременной картинки, содержащей бесцветную кривую в абстрактном пространстве.

5 Изгнание новшеств и сюрпризов

Изобретение Ньютоновской парадигмы как основного метода изучения физики в ящике было ключевым этапом в изгнании времени. Одним из следствий были доводы в пользу детерминизма, превосходно озвученные Пьером-Симоном Лапласом, который заявлял, что если бы он задал все точные положения и скорости всех атомов во всей вселенной вместе с точным описанием сил, которым они подвержены, он мог бы предсказать будущее вселенной с любой точностью. Это утверждение с тех пор убеждало многих, что будущее полностью определено настоящим.

Но у данного утверждения есть важное допущение, которое может вызвать вопрос, а именно, что вы можете распространить Ньютоновский метод на вселенную как целое, включив в ящик все, что угодно. Но физика в ящике начинается сизолирования малой подсистемы вселенной. Мог ли Лаплас на самом деле выйти из затруднительного положения, проигнорировав этот этап?

Вернемся к игре в мяч в парке.

Теперь уже 14 августа 2062 года, 3:15 пополудни. Лаура, внучка Дэнни и Джанет, будет кидать игрушку — летающую тарелку Frisbee — Франческе, дочери Билли и Роксаны, которая также появилась в парке. Когда Лаура кидает тарелку, Франческа отвлекается на вспышку от сообщения, приходящего к ней на микроячейку телефона, имплантированную в ее сетчатку. Упустит ли она тарелку?

Если вы верите, что Ньютоновская парадигма в точности применима к миру, то вы верите, что в 2010, в котором Дэнни и Джанет будут сочетаться браком (друг с другом, оказывается, но никто не мог предположить, что в тот момент), уже определено, когда их сын поймет, на ком он женится, и когда будет зачата его дочь, и будет ли она или нет иметь склонность к игре в летающую тарелку. Вы должны верить, что каждое отдельное движение, мысль, идея и эмоция, которые постоянно будут иметь эти люди, уже определена в настоящем. Вы должны верить, что полный список всех тех, кто будет жить во все времена, уже установлен, даже если невозможно представить технологию для его расшифровки.

Вы должны верить не только в то, что это уже определено — и, на самом деле, было определено в течение миллиардов лет, — что будет игра между Лаурой и Франческой в летающую тарелку этим днем, даже несмотря на то, что они выросли на противоположных концах парка и встретились менее чем за пять минут до этого. И вы должны верить, что ничего нельзя было бы сделать, чтобы предотвратить разработку имплантируемых в сетчатку микроячеечных телефонов, и что ничего нельзя было бы сделать, чтобы предотвратить передачу от кого-то точно в тот момент рокового сообщения, отвлекшего Франческу. Тем не менее, она поймает летающую тарелку? До того, как замигал ее микрофон, ни один наблюдающий не мог бы этого знать, но, если будущее определено в принципе, уже есть некоторая величина, которая могла бы быть измерена сейчас, чтобы подсказать нам это.

Требование, что законы физики плюс начальные условия определяют будущее, сведенное к мельчайшим деталям, является удивительным требованием, поскольку на долгом пути мельчайшие детали становятся значимыми. В каждом успешном зачатии один из, грубо, 100 миллионов сперматозоидов оплодотворяет яйцеклетку. Это происходило, грубо, 100 миллиардов раз с момента появления людей и триллионы раз до того, во время эволюции наших предков. Триллионы выборов одного из 100 миллионов это чудовищно много информации, но мы должны верить, что все это и многое, многое другое было записано в начальных условиях вселенной в некоторое более раннее время. И это только одна маленькая деталь жизни на одной маленькой планете.

Это часть смысла утверждения, что в Ньютоновской парадигме время исчезает. Все вещи, которые всегда происходили, которые происходят сейчас и которые всегда будут происходить есть только точки на траектории в конфигурационном пространстве вселенной, на кривой, которая уже определена. Прохождение времени не приносит новшеств и сюрпризов, для перемен есть только перегруппировка одних и тех же фактов.

Если имеется место для новшеств и сюрпризов, то должно быть что-то ошибочное с Ньютоновской парадигмой или, по меньшей мере, с распространением ее от метода изучения малой подсистемы вселенной до точного описания целой вселенной. Одно ограничение состоит в том, что если будущее определено заданием начальных условий, вам нужно знать, что определяет начальные условия. Когда вы пытаетесь найти причины, почему вещи такие, какие они есть и никакие иные, вы двигаетесь все глубже и глубже в прошлое.

Когда вы идете дальше в прошлое, вы должны рассматривать все большую и большую область пространства, содержащую события, которые могли влиять на любого из предков Дэнни и Джанет. Если вы двигаетесь на миллионы лет назад к случайной встрече двух их предков вида Homo Erectus из различных групп кочевников, вы должны проинспектировать регион в 2 миллиона световых лет вокруг, чтобы убедиться, что там не было сверхновой достаточно близко, чтобы нанести ущерб Земле. Если мы пройдем весь путь назад к истокам жизни на Земле, нам нужно проверить изрядную часть наблюдаемой вселенной.

Итак, если мы пытаемся найти не только необходимые, но и достаточные причины, мы не можем избежать заключения, что полный набор достаточных причин встречи Дэнни и Джанет включает условия на космологических расстояниях и временах от этого счастливого события. Когда мы продвигаем цепочку причин назад, рано или поздно будет включена вся вселенная. И прежде чем мы дойдем до конца причин, мы достигнем момента Большого Взрыва. Так что конечные достаточные причины встречи Дэнни и Джанет находятся в начальных условиях вселенной в момент Большого Взрыва. Таким образом, конечная применимость доводов о детерминизме сводится к вопросу о космологии. Если мы хотим понять, была ли и как была определена встреча наших героев, нам нужна теория вселенной как целого.

Проблема детерминизма сталкивается с тем фактом, что метод изучения физики в ящике применим к малым подсистемам вселенной. До того, как мы сможем ответить на вопрос, определяются ли на вид случайные события в нашей жизни прошлыми условиями полностью, нам нужно узнать, могут ли наши теории быть масштабированы до теорий полной вселенной.

Мы живем в мире, в котором взмах крыльев бабочки может повлиять на погоду далеких океанов месяцами позже. В строгих терминах, малые изменения в начальных условиях увеличиваются экспоненциально до больших изменений в результатах. Именно поэтому изучение физики в ящике обязательно включает аппроксимации. Они включают отбор, который мы производим среди наблюдаемых величин для моделирования в конфигурационном пространстве, и пренебрежение влиянием на них всего остального в мире.

Вы можете, однако, легко представить восполнение этих деталей. Если вы знаете законы физики, применимые к мельчайшим частицам, составляющим подсистему, вы можете, по меньшей мере, вообразить, как проделать точное описание всех переменных, необходимых для описания подсистемы, и все силы, с помощью которых эти переменные взаимодействуют. Самое точное описание законов природы и элементарных частиц, которое мы на сегодня имеем, это Стандартная Модель Физики Частиц, которая легко вписывается в Ньютоновскую парадигму. Эта модель содержит все, что мы знаем о природе, исключая гравитацию, и она раз за разом выдерживает разнообразные экспериментальные тесты.

Так почему не направиться в прошлое вселенной? Вы можете представить обработку большой подсистемы, которая включает нашу систему — не только теннисный мяч Дэнни, но и всё и всех в парке в этот день. Расширим этот взгляд снова, чтобы включить всё и всех в городе Торонто, расширим еще раз, чтобы включить всё на и внутри Земли и в пределах миллиона миль от нее. Каждый раз, когда вы расширяете подсистему, вы можете все еще использовать те же самые законы физики — следовательно, вы можете использовать Ньютоновскую парадигму. В каждом случае аппроксимация становится лучше и лучше, что усиливает аргумент в пользу детерминизма.

Но кое-что всегда остается за кадром. Прямо за пределами солнечной системы могло бы быть большое черное облако, которое поглотит солнце через год, или комета, которая заденет Землю через десять лет. Эти события могли бы разрушить наступление свадьбы Дэнни и Джанет. Возмущение не должно быть большим или затрагивать Землю непосредственно. Внимание Дэнни могло быть захвачено новой историей о прохождении кометы вблизи Юпитера, и он пришел бы в парк минутой позже и никогда не встретил бы Джанет. Миллионы людей, которые могли бы иметь потомков, никогда не будут жить. В нашем мире разрастание малых событий в большие последствия является нормальным положением дел.

Детерминистическую физическую теорию можно сравнить с компьютером. Конфигурационное пространство есть память, в которую вводятся данные. Закон есть аналог программы. Вы запускаете программу, и она действует на входные данные, которые затем переписываются на выходные данные. При заданном входе и программе выход полностью детерминирован. Каждый раз, когда вы запускаете компьютер с тем же входом, вы получаете тот же выход. Но тут есть кое-что еще, о чем стоит подумать: Выход определяется из входа и программы двумя весьма различными способами.

Если мы рассматриваем компьютер как физический прибор, то он действует в соответствии с законами физики. С этой точки зрения выход причинно определен входом. Он является результатом законов физики, действующих на начальные условия. Этот процесс требует времени, поскольку причинный процесс, как это диктуется законами физики, осуществляется во времени.

Но выход также детерминирован и другим образом. Выход логически обусловлен входом и программой. Входные и выходные данные есть представители математических объектов. Вы могли бы логически доказать, что выход есть математическое следствие комбинации входа и программы. Логическое вычисление не требует времени, поскольку не касается физических процессов. Доказательство того, что выход подразумевается входом и программой есть математический факт, который живет во вневременном мире истинных фактов, относящихся к математическим объектам.

Это и есть смысл, в котором время удалено из описания физики в Ньютоновской парадигме. Нет необходимости на самом деле запускать компьютер, чтобы узнать, что на выходе, поскольку выход может быть выведен путем цепочки логических аргументов. Как проведен подобный вывод, к делу не относится; компьютер суть только инструмент применения законов физики к модели логического вывода через причинный процесс. Но имеется бесконечное число возможных путей построения и программирования компьютера, которые будут приводить точно к тому же результату на выходе.

Дело в том, что тут нет информации на выходе, которая уже логически не подразумевалась бы входом. Выход есть только перегруппировка входа в соответствии с некоторыми логическими правилами. Именно в этом смысле никогда не может быть произведено ничего нового и неожиданного. Также тут никому не нужна причинная эволюция, чтобы действовать во времени только для воспроизведения эффекта логического, а значит вневременного, получения следствий.

То же самое сохраняется для любой системы, описываемой в рамках Ньютоновской парадигмы. Во всех таких случаях конечная конфигурация есть только результат законов физики, действующих на начальные условия. Конфигурационное пространство, где живут начальная и конечная конфигурации, есть математический объект, как и сами эти конфигурации. Раз уж законы выражены в виде математических уравнений, эволюция начальных условий в конечную конфигурацию после определенного количества времени есть математический факт. Она может быть выведена математически; фактически, она может быть доказана как математическая теорема. Что делает Ньютоновская парадигма, так это заменяет причинные процессы — процессы, разворачивающиеся во времени, — на логический вывод, который вне времени. Это еще один путь, на котором Ньютоновская парадигма уничтожает время.

* * *

Один из способов увидеть, что сюрпризы и новшества не могут играть никакой роли, это обратить внимание, что законы физики часто могут действовать в обратную сторону. Если вы подумаете о законе физики как о компьютере или машине, у которой начальные условия оказались в конечной конфигурации, вы можете вообразить, как будто закон имеет тумблер, который может быть переключен на обратное направление времени. Вам остается переключить тумблер и подать конечную конфигурацию на вход. Вы прогоните закон в течение того же самого количества времени, как и ранее, за исключением того, что в это время закон будет действовать в обратном направлении, пока не вернет конечную конфигурацию назад к начальной. Мы говорим, что закон, который может действовать в обратном направлении, чтобы привести любую конечную конфигурацию к ее начальным условиям, обратим во времени.

Рассмотрим простой пример: движение Земли вокруг своей оси и по орбите вокруг Солнца. Обращение направления времени поменяет на обратное направление движения по орбите и собственного вращения Земли, но такая орбита также допускается законами Ньютона. Если вы сняли фильм о движении Земли и показали его инопланетянам, они могут сказать (если у них есть хоть какая-нибудь концепция законов), что Ньютоновские законы управляют движением. Но то же самое будет верно, если вы дали им запись фильма, запущенного в обратном направлении; они смогут заключить, что это была орбита, разрешенная законами Ньютона. На самом деле, если вы дали им оба фильма и попросили сказать, какой из них оригинал, а какой пущен в обратном направлении, они не смогут ответить. То же самое будет верно для съемок движения всей солнечной системы с восемью планетами и мириадами других тел.

Конечно, многие из нас видели фильмы, запущенные наоборот, и большинство усмотрели странное или смешное. Часто это происходит не потому, что обратное движение будет невозможно по законам физики; напротив, движение возможно, но чрезвычайно невероятно. Это верно и в общем случае сложных систем, включающих большие количества таких вещей как атомы. Здесь мы должны иметь дело с законами термодинамики, которые необратимы во времени и которые я буду обсуждать в Главах 16 и 17^[30]. Пока рассмотрим только два простых примера.

Многие законы физики обратимы во времени. Один пример Ньютоновская механика, другой — общая теория относительности, еще один — квантовая механика. Стандартная Модель Физики Частиц почти обратима во времени, но не полностью. (Имеется один, по большей части несущественный аспект слабого ядерного взаимодействия, которое не обратимо во времени). Если вы берете историю, развивающуюся в соответствии со Стандартной Моделью, обращаете направление времени и одновременно делаете два других изменения, вы получаете другую историю, которую модель допускает. Упомянутые два изменения есть замена частиц на их античастицы и взаимная замена левого и правого. Операция называется CPT (обращение заряда (charge), четности (parity) и времени (time)), и вы можете думать о ней как о другом способе запустить фильм в обратном направлении. Любая теория, согласующаяся с квантовой механикой и специальной теорией относительности, допускает обращение направления времени подобным образом.

Эти обращения суть еще один аргумент в пользу нереальности времени. Если направление законов природы может быть обращено, тогда не может быть в принципе разницы между прошлым и будущим — тот факт, что у нас очень разные взаимоотношения с прошлым и с будущим, не может быть фундаментальным свойством мира. Очевидная разница между будущим и прошлым должна быть или иллюзией, или следствием специальных начальных условий.

Людвиг Больцман, который с его проникновением в природу энтропии сделал для соединения атомного мира с макромиром, который мы чувствуем, более, чем любой другой, как то раз сказал: «Для вселенной два направления времени неразличимы, точно как в пространстве нет понятий верх и низ»^[31]. И если нет реальной разницы между прошлым и будущим, — если они имеют в точности одно и то же содержание, только логически переставленное, — то нет необходимости верить в реальность настоящего момента или в реальность течения времени. Обратимость законов физики во времени часто принимается как еще один шаг в удалении времени из принятой физиками концепции природы.

Мы прошли пока только несколько шагов перед тем, как принять полное удаление времени из физики. Следующий этап вытекает из теории относительности Эйнштейна, которая обеспечит нас самым сильным аргументом из всех в пользу нереальности времени.

6 Относительность и безвременье

Когда мне было девять лет, мой отец принес домой в нашу квартиру на Западной стороне Верхнего Манхэттена копию книги Линкольна Барнетта Вселенная и Доктор Эйнштейн, и мы вместе ломали голову над его объяснениями теории относительности. Даже теперь я могу вспомнить диаграммы разогнанных поездов и искривление лучей звездного света.

Затем, примерно в шестнадцать лет, я прочитал первую статью Эйнштейна по общей теории относительности, когда ездил на подземке в нижний город в гости к моей кузине, участнице рок-групп. Эйнштейновские пионерские статьи в то время, как и сейчас, были доступны в виде дешевых изданий в мягком переплете^[32]. Плененный физикой через их чтение, которое я, к счастью, открыл для себя до того как получил возможность открыть учебник, я не мог бы пожелать для первого знакомства никакого лучшего примера того, как в виде ясных идей выразить сущность природы. Это было нечто, подобное отучению от детского способа поведения в пятизвездочном французском ресторане, так что позже вы должны были быть принуждены, пинаясь и крича, есть ваши воздушные овсяные хлопья и арахисово-масляное желе.

Позднее я открыл, что в физике очень мало того, что могло бы соответствовать концептуальной ясности и элегантности теорий Эйнштейна. Этому не соответствуют ни квантовая механика, ни современная квантовая теория поля, ни даже Ньютоновская механика, представления которой в учебниках часто являются логической неразберихой, заминированной запутанными и циклическими определениями основных концепций, вроде массы и силы. Но поскольку я начинал с Эйнштейна, его труд стал моим научным стандартом, его теории относительности стали моим пробирным камнем, их принципы, священные как ни один текст, могли бы поучить некоторых научному скептицизму.

С момента своего появления теории относительности Эйнштейна являются сильнейшим среди имеющихся у нас аргументов в пользу того, что время есть иллюзия, маскирующая правильную вневременную вселенную. Когда я верил, что время есть иллюзия, мои главные доводы должны были базироваться на теории относительности.

Эйнштейн изобрел две теории относительности. Первая, специальная теория относительности (СТО), описывает мир, в котором гравитация не существует. Она представлена в двух статьях Эйнштейна, опубликованных в его «легендарном» 1905 году^[33]. Общая теория относительности (ОТО), изобретенная в течение следующего десятилетия, включает гравитацию.

Эйнштейновские теории относительности в самой своей основе являются теориями времени — или, точнее, безвременья. Они незаслуженно имеют репутацию трудных; я нахожу их великолепно простыми и легко объясняемыми. Верно, что теории относительности кажутся с первого взгляда парадоксальными, поскольку они заменяют ошибочную интуицию на более глубокую интуицию, которая, как говорит нам эксперимент, ближе к истине. Изучить теории относительности означает пережить переход от одного способа мысленной организации мира к другому. Вы должны отказаться от определенных бессознательных допущений по поводу времени, но после этого главные идеи выводятся логически.

В этой главе я буду говорить только об идеях и выводах теории относительности, имеющих отношение к природе времени. Я буду делать утверждения, которые, я надеюсь, прозрачны, но я не хочу делать того, что обычно делается в популярных книгах по физике, которые приводят аргументы, связывающие простые постулаты Эйнштейна с их неожиданными следствиями^[34].

Мы коснемся двух концепций СТО. Первая есть относительность одновременности. Вторая, следующая из первой, есть монолитная вселенная. Каждая из них была важным шагом на пути изгнания времени из физики.

При создании СТО Эйнштейн выдвинул две стратегии, имеющие отношение к вопросу о природе времени. Во-первых, он принял реляционистскую сторону в дебатах о том, является ли время относительным или абсолютным: Время связано с изменением, смысл которого заключен в воспринимаемых взаимоотношениях. Нет такой вещи как абсолютное или универсальное время.

В своей ранней работе Эйнштейн также использовал стратегию, называемую операционализм. В соответствии с этим подходом единственный осмысленный способ определить такую величину как время это договориться, как его измерить. Если вы хотите говорить о времени, вы должны описать, какие часы есть в вашей теории и как эти часы работают. Когда вы подходите к науке с точки зрения операционализма, вы не спрашиваете о том, что происходит на самом деле, а только о том, что мог бы наблюдать наблюдатель. Положение наблюдателя во вселенной должно быть принято во внимание, включая то, где он находится и как он движется. Это позволяет вам ответить на вопрос, будут ли разные наблюдатели согласны или не согласны по поводу того, что они видят. Некоторые из наиболее интересных открытий Эйнштейна связаны с тем, по поводу чего наблюдатели не согласны.

А что насчет реальности? Разве физикам не интересно, что есть на самом деле, а не только, что наблюдается? Да, но хотя большинство операционалистов верит в реальность, они также верят, что единственный способ до нее добраться это путь через то, что наблюдается. Тестом на то, реально ли что-либо — объективно правильно — является то, что все наблюдатели будут с этим согласны.

Великое открытие по поводу времени в СТО Эйнштейна называется относительностью одновременности. Она должна действовать, если два удаленных друг от друга события могут быть рассмотрены как имеющие место в одно и то же время. Эйнштейн нашел, что имеется неопределенность при любом определении удаленных событий как одновременных. Наблюдатели, находящиеся в движении друг относительно друга придут к различным заключениям о том, являются события одновременными или нет, когда эти события удалены друг от друга.

Совершенно естественно для некоторой девушки, гуляющей по Торонто, интересоваться, что делает ее любимый человек в тот же момент в Сингапуре. Если это имеет смысл, то также должен иметь смысл вопрос о том, что происходит в этот момент на Плутоне, на планете в галактике Андромеда или, на самом деле, где угодно во вселенной. Эйнштейн показал, что наша привычная интуиция, считающая осмысленным говорить о том, что происходит прямо сейчас далеко от нас, ошибается. Два наблюдателя, которые двигаются друг относительно друга, будут не согласны по поводу того, являются ли два удаленных события одновременными.

Относительность одновременности зависит от некоторых предположений, одно из которых состоит в том, что скорость света универсальна, — что означает, что любые два наблюдателя, измеряющие скорость фотона, будут согласны в своих измерениях независимо от того, как они движутся по отношению друг к другу или к фотону. Мы также можем допустить, что ничто не может двигаться быстрее, чем устанавливает эта универсальная скорость^[35]. Если она задана, событие может влиять на другое событие, только если сигнал, движущийся со скоростью света или менее, покидает первое и достигает второго. Если это может произойти, мы говорим, что два события причинно связаны в том смысле, что первое могло бы быть причиной второго.

Но два события могут быть настолько удалены в пространстве и иметь место настолько недолго во времени, что ни один сигнал от одного не может достичь другого. В таких случаях ни одно из двух событий не может быть причиной другого. Мы говорим, что два таких события причинно не связаны. Эйнштейн показал, что в таких случаях вы не можете установить, одновременны ли они или одно происходит до или после другого. Возможны все ответы в зависимости от движения наблюдателей, переносящих часы, с помощью которых измеряется время.

Для физики, чтобы это имело смысл, наблюдатели должны быть согласны в порядке причинно связанных событий, чтобы избежать путаницы по поводу определения причин. Но для наблюдателей не имеет смысла соглашаться по поводу порядка событий, которые никак не могли бы повлиять друг на друга. В СТО Эйнштейна они и не соглашаются.

Так что не имеет смысла для нашей подруги в Торонто интересоваться, что делает ее любимый человек прямо сейчас в Сингапуре^[36]. Но для нее имеет полный смысл подумать о том, что он делал несколько секунд назад. Эти секунды более чем достаточны для него, чтобы послать ей текст, который она сейчас читает; его посылка и ее чтение текста являются причинно связанными событиями. И все наблюдатели будут согласны, что посланный ею сейчас текст изменит остаток его жизни, начиная с момента, когда он прочитает ее новости минутой позже.

Кроме существования универсального предела скорости, с которым согласны все наблюдатели, СТО зависит еще от одной гипотезы. Это сам принцип относительности. Он заключается в том, что скорость, отличная от скорости света, есть чисто относительная величина — нельзя сказать, какой наблюдатель движется, а какой покоится. Допустим, что два наблюдателя приближаются друг к другу и каждый движется с постоянной скоростью. В соответствии с принципом относительности каждый может правдоподобно объявить себя покоящимся, а свойство приближения целиком присвоить другому.

Так что тут нет правильных ответов на вопросы, в отношении которых наблюдатели не согласны, вроде вопроса, происходят ли два события, удаленные друг от друга, одновременно. Итак, по поводу одновременности не может быть ничего объективно реального, ничего реального не может быть по поводу понятия «сейчас». Относительность одновременности была большим ударом по представлению о реальности времени.

То, о чем наблюдатели могут согласиться, может быть названо причинной структурой. Выделим два любых события в истории вселенной и назовем их Х и Y. Тогда будет правильна одна из трех вещей. Или X могло бы быть причиной Y, или Y могло бы быть причиной X, или ни одно из событий не могло бы быть причиной другого. Эти причинные отношения признаются всеми наблюдателями. Причинная структура есть список всех таких отношений для всех событий во вселенной. Таким образом, вы можете сказать, что физически реальным в истории вселенной является то, что включает в себя ее причинную структуру.

Это не зависящая от времени картина, поскольку она ссылается на всю историю вселенной сразу. Тут нет преимущественного момента времени, нет ссылки на то, какой момент времени соответствует «сейчас», нет ссылки на что бы то ни было, соответствующее нашему ощущению настоящего момента. Нет смысла в «будущем» или «настоящем» или «прошлом».

Если вы удалите из заданного СТО описания природы все, что соответствует наблюдениям отдельных наблюдателей, останется причинная структура. Поскольку это все, что не зависит от наблюдателей, она должна — если теория верна — соответствовать физической реальности. Следовательно, если СТО базируется на правильных принципах, вселенная не зависит от времени. Не зависит в двух смыслах: Нет ничего, соответствующего ощущению настоящего момента, и наиболее глубоким описанием является вся история причинных связей сразу.

Эта картина истории вселенной, задаваемой причинными связями, осуществляет мечту Лейбница о вселенной, в которой время полностью определяется отношениями между событиями. Взаимоотношения являются единственной реальностью, которая соответствует времени — взаимоотношения причинного сорта.

На самом деле, кроме причинной структуры тут есть и другой кусочек информации, по поводу которого наблюдатели сходятся во мнениях. Рассмотрим физические часы, отсчитывающие секунды и свободно парящие в пространстве. Они показывают полдень, а затем минутой позже они показывают минуту пополудни. Первое событие можно рассматривать как причину второго. Между ними часы тикали шестьдесят раз. Число раз, которое протикали часы между двумя событиями, и есть нечто иное, по поводу чего согласятся все наблюдатели, невзирая на их относительное движение. Это называется собственное время^[37].

Картина истории вселенной, взятой как целое, как система связанных причинными отношениями событий, называется монолитная вселенная. Причина такого, вообще-то, специфического названия в том, что оно наводит на мысль, что реальна только вся история сразу, — намек на каменный блок, из которого может быть вырезано нечто твердое и неизменное.

Монолитная вселенная это кульминация начатого Галилеем и Декартом движения к такой трактовке времени, как если бы это было другое измерение пространства. Это дает описание целой истории вселенной как математического объекта, который, как мы отметили в Главе 1, вне времени. Если вы верите, что это соответствует объективной реальности природы, то вы утверждаете, что вселенная фундаментально безвременная. Эта картина монолитной вселенной является вторым этапом в изгнании времени, подразумеваемом СТО Эйнштейна.

Монолитная вселенная объединяет пространство и время. Это может быть изображено в виде пространства-времени с тремя пространственными и одним временным измерениями (см. Рис. 10). Событие, происходящее в момент времени, представляется точкой в пространстве-времени, а история частицы рисуется кривой в пространстве-времени, называемой мировой линией частицы. Таким образом, время полностью отнесено к геометрии; мы говорим, что время геометризировано или представлено в виде пространственного измерения. Физические законы представляются геометрически; например, мировая линия свободной частицы есть прямая линия в пространстве-времени. Если частица фотон, мы представляем ее движущейся под углом 45 градусов (который соответствует измерению пространства в единицах времени, как мы делаем, когда говорим о световых годах). Любая обычная частица должна двигаться медленнее фотона, носителя света, следовательно, ее мировая линия будет под более крутым углом.

Элегантное геометрическое представление СТО было изобретено в 1909 Германом Минковским, одним из учителей Эйнштейна в математике. В нем каждый физический факт движения, включаемый в себя СТО, представлен как теорема по поводу геометрии пространства-времени. Изобретение Минковского, которое мы теперь называем пространством-временем Минковского, было решающим этапом на пути к уничтожению времени, поскольку оно убедительно устанавливало, что все разговоры о движении во времени могли быть переведены в математические теоремы по поводу вневременной геометрии. Как это оценил Герман Вейль, один из великих математиков 20-го столетия: «Объективный мир просто есть, он не происходит. Только для пристального взгляда моего сознания, медленно ползущего вверх вдоль мировой линии моего тела, кусочек мира приходит к жизни как мимолетному образу в пространстве, которое постоянно изменяется во времени»^[38].

— В находится в будущем А

— С находится в прошлом А

— Д причинно не связано с А

Рис. 10. Картина пространства-времени в монолитной вселенной. Пространство-время с одним пространственным и одним временным измерениями. Мы выбираем единицы времени и пространства так, что световые лучи движутся под углами 45 градусов. Причинная структура тогда показывается геометрически; два события могут быть причинно связаны, если они могут быть соединены линией с наклоном 45 градусов или круче. Мы также видим мировую линию частицы, летящей из прошлого в будущее через событие А. Также проведены два луча света, проходящие через А. Заштрихованные области содержат события, которые причинно с А не связаны.

Чтобы проиллюстрировать силу картины монолитной вселенной, приведем небольшой аргумент в ее поддержку от некоторых философов. Аргумент зависит только от относительности одновременности. Начнем с согласия, что настоящее реально. Мы не можем быть столь же уверены, что будущее или прошлое реальны — в самом деле, суть данного аргумента и заключается в поиске ответа, насколько они реальны — но мы не сомневаемся, что настоящее реально. Настоящее состоит из множества событий, ни одно из которых не более реально, чем другое. Мы не знаем, реальны ли два события в будущем, но мы согласимся, что если два события имеют место в одно и то же время, они одинаково реальны, будет ли это время настоящим, прошлым или будущим.

Если мы операционалисты, мы должны говорить о том, что видят наблюдатели. Так мы утверждаем, что два события одинаково реальны, если они видны некоторому наблюдателю как одновременные. Мы также предположим, что быть одинаково реальным это то, что называется транзитивным свойством; это означает, если А и В одинаково реальны и В и С одинаково реальны, то таковы же А и С. Тогда наш аргумент использует факт, что настоящее в СТО зависит от наблюдателя. Выберем два любых события в истории вселенной, одно из которых является причиной другого. Назовем их А и В. Теперь всегда найдется некоторое другое событие Х, обладающее следующим свойством: Есть некий наблюдатель, Мария, которая видит А одновременно с Х. И есть другой наблюдатель, Фредди, который видит Х одновременно с B. Это иллюстрируется на Рис. 11.

Чтобы понять, почему Х должно существовать, вам нужно знать не только, что одновременность относительна, но и что она относительна настолько, насколько это возможно, в следующем смысле: Одним из следствий постулатов Эйнштейна является то, что если два события имеют место одновременно для некоторого наблюдателя, то все другие наблюдатели будут расценивать их как причинно не связанные. Также верно, что если два события причинно не связаны, найдется некоторый наблюдатель, который будет видеть их одновременными, так что одновременность относительна настолько, насколько возможно было бы быть, уважая причинность.

Рис. 11. Аргумент в пользу монолитной вселенной, который следует из одновременности. Для любых двух причинно связанных событий А и В всегда найдется событие Х такое, что есть наблюдатель, который видит Х и А одновременными (на рисунке — Мария), и есть наблюдатель, который видит Х и В одновременными (на рисунке — Фредди).

Если В находится далеко в будущем А, то Х должно быть достаточно удалено от обоих, так что ни один световой сигнал не смог бы пропутешествовать от А к Х или от Х к В. Но вселенная, которую описывал Минковский, бесконечна, так что это не проблема^[39].

Теперь мы можем рассуждать следующим образом: По данному мной критерию А столь же реально, как и Х. Но В тоже столь же реально, как и Х. Так что А и В одинаково реальны. Но А и В есть любые причинно связанные события в истории вселенной. Так что если имеется некий смысл, в котором событие во вселенной реально, эта реальность распределяется на любое другое событие. Таким образом, нет разницы между прошлым, настоящим и будущим. Реальны все события вселенной, взятые вместе. Так что мы заключаем, что реальность мира состоит в его истории, взятой как одно целое. Тут нет реальности моментов времени или его течения.

Сила этих доводов в пользу монолитной вселенной в том, что для их принятия вам нужно только верить, что настоящее реально; дальше аргументы заставят вас поверить, что будущее и прошлое столь же реальны, как и настоящее. Но если тут нет разницы между настоящим, прошлым и будущим — если образование Земли или рождение моей прапраправнучки столь же реально, как и тот момент, когда я пишу эти слова, — тогда настоящее не имеет особых претензий на реальность и все, что является реальным, это целая история вселенной.

Хилари Патнэм, ведущий современный философ, размышляла над этим аргументом так:

«Я прихожу к заключению, что реальность и определенность будущих событий теперь выяснена. Более того, она выяснена физикой, а не философией… На самом деле я не верю, что есть какие-то философские проблемы по поводу Времени; есть только физическая проблема определения точной физической геометрии четырехмерного континуума, в котором мы обитаем.»^[40].

Еще одно название для точки зрения, поддерживающей монолитную вселенную, есть этернализм^[41]. Современные философы выстроили значительный объем литературы за и против него. Один из обсуждаемых ими вопросов, совместима ли точка зрения монолитной вселенной со способом, которым мы говорим о времени. Обычные люди и философы одинаково используют такие слова как «сейчас», «будущее» и «прошлое». Могут ли эти слова иметь смысл, если реальность состоит во всей истории мира как единого целого? Что мы имеем в виду, когда говорим: «Сейчас я в поезде под Ла-Маншем», если сейчас не более реально, чем любой другой момент?

Взгляд, называемый компатибилизм^[42], придерживается мнения, что нет проблемы с обычным языком, поскольку все понимают слова вроде «сейчас» и «завтра» как обозначения точки зрения, дающей нам весьма прямой доступ к некоторым фактам относительно вневременной реальности, хотя и делая другие факты труднодоступными. Мы легко говорим «здесь» и «там», в то же время, веря, что близкие и далекие объекты одинаково реальны. Точно так же некоторые философы утверждают, что «сейчас» и «будущее» не сильно отличаются по реальности от «здесь» и «там»; все они отмечают определенный угол зрения, который влияет на то, что вы видите вокруг себя, но не влияет на то, что реально. Когда я использую слово «сейчас», мне не надо предполагать, что это сейчас особенное; я только описываю мою точку зрения. Всегда имеется неявная система отсчета, по отношению к которой я имел в виду слово «сейчас», которую я предполагаю одинаковой для меня и моего собеседника.

Все это очень здорово, но это имеет значение, только если монолитная вселенная является правильным описанием природы. Другие философы сомневаются, что это так. Джон Рэндольф Лукас пишет: «Монолитная вселенная дает глубоко неадекватный взгляд на время. Она не в состоянии учесть прохождение времени, превосходство настоящего, направленность времени и различие между будущим и прошлым»^[43].

Это дебаты, к которым и обращаются доводы данной книги. Я не говорю о них в терминах, которые приняты у философов и часто граничат с лингвистическим анализом. Вместо этого я касаюсь их исходных предпосылок в физике — среди того, что СТО могла быть применима к истории вселенной как целому. Но СТО не может быть применена ко всей вселенной, поскольку она не содержит всю физику; в особенности, она не содержит гравитацию. СТО может быть, в лучшем случае, только приближением к теории, которая содержит гравитацию. Проблема распространения теории относительности на гравитацию была решена изобретением еще более глубокой теории, а именно ОТО. На это Эйнштейн потратил десять лет тяжелого труда.

Однако, философски интересные особенности СТО распространяются и на ОТО Эйнштейна. Относительность одновременности остается правильной — и, на самом деле, расширяет сферу влияния. Так что философские доводы, которые я только очертил, все еще удерживаются и приводят к тем же заключениям: единственной реальностью является полная история вселенной, взятой как единое целое.

В ОТО также остается верным, что вся независимая от наблюдателя информация содержится в причинной структуре и собственном времени. Если история целой вселенной представлена в ОТО, то в результате остается картина монолитной вселенной.

* * *

Рис. 12. Мы противопоставляем обычное понятие времени более произвольному понятию в ОТО. В нормальной ситуации мы думаем, что время бежит везде с одним и тем же темпом, так что поверхности одинакового времени распространены равномерно, как показано на верхнем рисунке. В ОТО время может быть измерено в каждой точке различными часами, каждые из которых двигаются произвольно быстро по сравнению с другими, пока поверхности одинакового времени не связаны причинно друг с другом. Мы называем это свободой для времени быть «установленным многими способами», как показано на нижнем рисунке.

ОТО не только сохраняет особенности СТО, доказывающие, что время нереально, но также вводит новые с тем же эффектом. Во-первых, тут намного больше способов разделения пространства-времени на пространство и время (см. Рис. 12). Вы можете определить время в соответствии с сетью часов, распределенных по вселенной, но часы могут быть грубо-материальными, — что означает, они могут идти с различным темпом в различных местах и каждые могут ускоряться или замедляться. Мы описываем это, говоря, что в ОТО время может быть установленным множеством разных способов. Во-вторых, геометрия пространства или пространства-времени не является больше простой или регулярной. Она становится общей: Подумаем о любой искривленной поверхности как о противоположности простой плоскости или сфере. И геометрия становится динамической. Волны, которые мы называем гравитационными волнами, путешествуют сквозь геометрию пространства-времени. Могут формироваться черные дыры, двигаться, вращаться друг вокруг друга. Конфигурация мира больше не задается частицами, расположенными в пространстве; конфигурация теперь содержит геометрию самого пространства.

Но что геометрия пространства и пространства-времени должна делать с гравитацией? ОТО основана на простейшей из всех научных идей, состоящей в том, что падение является естественным состоянием.

Великие революции в физике могут быть отмечены изменениями в том, что рассматривается в качестве естественного движения, где под «естественным» мы понимаем движение, не требующее объяснения. Для Аристотеля естественным движением было оставаться в покое относительно центра Земли. Любое другое движение было неестественным и требовало объяснения, такого как сила, действующая на тело, чтобы сдвигать его и поддерживать его в движении. Для Галилея и Ньютона естественным движением было движение по прямой линии с постоянной скоростью, а на силу ссылались только как на объяснение того, когда скорость или направление движения изменялись, — то, что мы называем ускорением. Именно поэтому вы не можете почувствовать движение в самолете или поезде, пока они двигаются без ускорения.

Вы можете спросить, если все движения относительны, не имеет ли значения, относительно чего самолет или поездускоряются? Имеет значение, и ответ таков: Относительно других наблюдателей, которые также не ускоряются. Нет ли тут замкнутого цикла рассуждений? Нет, если мы добавим, что имеется большой класс наблюдателей, которые не ощущают эффекта своего движения, и они имеют то общее, что все они двигаются с постоянной скоростью и направлением по отношению любому другому. Эти специальные наблюдатели называются инерциальными наблюдателями, и законы Ньютона определены по отношению к ним. Первый закон Ньютона тогда утверждает, что свободные частицы (свободные в том смысле, что нет приложенных к ним сил) перемещаются по отношению к инерциальным наблюдателям с постоянной по величине и направлению скоростью.

Кстати, по этой причине имеет значение, движется ли Солнце или Земля. Направление движения Земли постоянно изменяется — по отношению к любому инерциальному наблюдателю — когда она обращается вокруг Солнца. Это ускорение; оно требует объяснения, которое обеспечивается гравитационным влиянием Солнца.

Для Ньютона гравитация был силой, подобной другим силам. Но Эйнштейн осознал, что есть нечто особенное в движении, вызванном гравитацией, а именно, что все тела падают с одинаковым ускорением безотносительно к их массам или любым другим свойствам. Это следствие Ньютоновских законов. Ускорение тела обратно пропорционально его массе, но Ньютон постулировал, что гравитация притягивает тело с силой, пропорционально его массе. Влияния массы исчезает, так что ускорение, вызванное гравитацией, не зависит от массы тела, и все тела падают с одинаковым ускорением.

Эйнштейн обобщил естественность падения в самом красивом принципе среди всех его работ — и во всей физике, — который он назвал принципом эквивалентности. Он утверждает, что когда вы падаете, вы не можете ощущать ваше движение. Ощущения кого-нибудь в падающем лифте те же самые, как если бы этот кто-то свободно плавал в пространстве. Что мы ощущаем, когда мы говорим о гравитации, это что мы, фактически не падаем. Сила, которую мы чувствуем, когда мы сидим или стоим не есть гравитация, тянущая нас вниз, это пол или кресло толкают нас вверх и предотвращают наше падение. Хотя я сижу за своим столом, на самом деле я двигаюсь неестественно, ибо несвободно.

Именно поэтому Эйнштейн был гением первого порядка. Не из-за математической сложности окончательной реализации ОТО — это детали, которые большинство студентов-математиков легко преодолевает, — а потому, как он преуспел в изменении наших взглядов по поводу простейших аспектов нашего опыта. До Эйнштейна мы думали, что мы чувствуем каждый день, как гравитация тянет нас вниз. Эйнштейн понял, что мы ошибались. Мы чувствуем, как пол толкает нас вверх.

Эйнштейн высказал эту простейшую и самую физическую из идей и с помощью своего друга, математика по имени Марсель Гроссман, превратил ее в гипотезу о геометрии мира. Эта гипотеза основывалась на обыгрывании простейшего понятия геометрии, прямой линии.

Прямая линия определена в геометрии высшей школы как путь, задающий кратчайшее расстояние между двумя точками. Это определение применимо к плоскости, но должно быть расширено для искривленных поверхностей. Подумаем о сфере, подобной поверхности Земли. Вы можете подумать, что тут нет прямых линий, поскольку поверхность искривлена, но это не так, если мы понимаем под прямой линией путь, который задает кратчайшее расстояние между двумя точками. Мы называем кривые, удовлетворяющие этому определению, геодезическими. Когда пространство есть плоскость, геодезические являются прямыми линиями; когда пространство есть сфера, геодезические являются сегментами больших окружностей, и именно они являются трассами самолетов при кратчайших рейсах между городами^[44].

Если траектории объектов, падающих в гравитационном поле, являются естественными движениями, они должны обобщать прямые линии, вдоль которых согласно Ньютону объекты движутся естественным образом, не находясь под действием сил. Но теперь мы имеем выбор, поскольку как только свободные частицы двигаются вдоль прямых линий в пространстве, они двигаются вдоль прямых линий в пространстве-времени Минковского. Так мы хотим представить гравитацию через искривленное пространство или через искривленное пространство-время?

С точки зрения монолитной вселенной ответ очевиден: Искривленным должно быть пространство-время. Вследствие относительности одновременности разные наблюдатели различаются в том, какие события считать одновременными. Имеется непростой, объективный, не зависящий от наблюдателя способ описания того, как искривляется пространство.

Когда Эйнштейн счел необходимым осуществить принцип эквивалентности для искривленного пространства-времени, его идея была в том, что кривизна могла бы передавать влияние гравитации таким образом, что падающие в гравитационном поле объекты будут двигаться вдоль геодезических. Свободно падающие тела будут падать в направлении Земли не потому, что они чувствуют силу, а потому что пространство-время искривлено, так что геодезические изгибаются к центру Земли. Планеты вращаются вокруг Солнца не потому, что Солнце действует силой на них, а потому что его гигантская масса искривляет геометрию пространства-времени так, что геодезические искривляются вокруг него.

Так Эйнштейн объяснил гравитацию как аспект геометрии пространства-времени. Геометрия действует на материю, направляя ее вдоль геодезических. Но что чудесно в ОТО Эйнштейна, это что указанное действие взаимно. Эйнштейн постулировал, что масса заставляет геометрию искривляться так, что геодезические ускоряются в направлении массивных тел. Чтобы осуществить эту идею, он предложил уравнения, которые предписывают пространству-времени искривляться только правильным способом, воспроизводя эффекты гравитации.

Эти уравнения имеют множество следствий, которые с высокой точностью подтвердились наблюдениями. Они заставляют вселенную как целое расширяться. Они предсказывают, что орбиты планет вокруг Солнца и Луны вокруг Земли очень слабо отличаются от предсказаний Ньютоновской физики, и эти эффекты были обнаружены. Они заставляют пространство-время вокруг экстремально компактных тел искривляться настолько сильно, что свет не может улететь; таковы черные дыры, и среди них имеются чрезвычайно массивные — массой во многие миллионы звезд — в центрах большинства галактик.

Возможно, самое примечательное следствие уравнений ОТО состоит в том, что геометрия пространства-времени искажается путем прохождения волн через него. Они аналогичны искажениям поверхности озера; геометрия пространства колеблется при прохождении волн через него. Эти гравитационные волны вызываются быстрыми изменениями в движениях очень массивных тел, вроде двух нейтронных звезд, вращающихся друг вокруг друга, и они переносят образы этих разрушительных событий через вселенную. В настоящее время предпринимаются настойчивые попытки детектирования указанных образов, которые откроют новое окно в астрономии, что позволит нам увидеть внутренности коллапсирующих сверхновых и рассмотреть предельно близко первые моменты Большого Взрыва — и, возможно, до него.

Эффекты гравитационных волн видны не непосредственно. Когда две нейтронные звезды быстро вращаются друг вокруг друга, производимые ими гравитационные волны уносят прочь энергию, заставляя их сближаться по спирали друг к другу. Это спиральное движение наблюдалось, и найдено согласующимся с предсказаниями ОТО с высокой степенью точности.

* * *

С изобретением ОТО Эйнштейн вызвал радикальную трансформацию в концепции пространства и времени.

В Ньютоновской физике геометрия пространства была зафиксирована раз и навсегда. Пространство предполагалось имеющим геометрию трехмерного Евклидова пространства. В Ньютоновской физике тогда имелось нечто тревожно асимметричное во взаимоотношениях между пространством и материей: Пространство казалось указывающим материи, как двигаться, но само пространство никогда не изменялось. Тут не было взаимности. Пространство никогда не подвергалось влиянию движения материи или даже ее присутствия. Казалось, пространство будет в точности таким же, даже если материи в нем совсем нет.

Эта асимметрия была исправлена в ОТО, в которой пространство становится динамическим. Материя влияет на изменения в геометрии точно так же, как геометрия влияет на движение материи. Геометрия становится полностью частью физики, точно как электромагнитное поле. Уравнения Эйнштейна, разъясняющие динамику пространства-времени, тогда подобны другой гипотезе: Они прощупывают физические явления и их взаимоотношения друг с другом.

Если бы геометрия пространства-времени была все время фиксирована, мы говорили бы, что пространство и время абсолютны. Только детали отличаются от Ньютоновской концепции свойств пространства и времени, как вечных и фиксированных. Эта геометрия динамическая и подвержена влиянию распределения материи, осуществляя идею Лейбница о том, что пространство и время чисто реляционны.

В своей формулировке реляционистской теории пространства и времени Эйнштейн руководствовался взглядами Эрнста Маха, который ввел так называемый принцип Маха. Он говорит, что только относительное движение должно иметь смысл, так что если у нас кружится голова, когда мы вращаемся, это должно происходить вследствие того, что мы вращаемся относительно удаленных галактик. Требование, что влияет одно из чисто относительных движений, подразумевает, что мы будем чувствовать головокружение, даже если мы все еще стоим, а целая вселенная крутится вокруг нас.

Но хотя ОТО радикальна в этом аспекте, она консервативна в другом, что она четко соответствует Ньютоновской парадигме. Тут есть пространство возможных конфигураций геометрии и материи вместе. При задании начальных условий, уравнения Эйнштейна определяют всю будущую геометрию конкретного пространства-времени и всего, что оно содержит, включая материю и радиацию.

И вся история мира как целое все еще представлена в ОТО как математический объект. Пространство-время ОТО соответствует математическому объекту намного большей сложности, чем трехмерное евклидово пространство теории Ньютона. Но выглядит оно как монолитная вселенная, оно вечно и изначально, в нем нет разницы между будущим и прошлым, в нем наше осознание настоящего не играет роли и никак не отмечено.

* * *

ОТО сделало еще один удар, чтобы избавить время от фундаментальной роли в физике. В идее, что время реально и фундаментально, неявно содержится мысль, что время не может иметь начало. Для того, чтобы время имело начало, происхождение времени должно быть объяснимо в терминах чего-то, что временем не является. А если время объясняется в терминах чего-то вневременного, тогда время не фундаментально и есть нечто более фундаментальное, из чего происходит время. Но в любой правдоподобной модели вселенной, описываемой уравнениями ОТО, время всегда имеет начало.

В течение 1916 года, когда была опубликована ОТО, Эйнштейн применил ее к целой вселенной. Он сделал это в предположении, что вселенная конечна по размерам, но не имеет границ — вроде сферы. Это был глубокий этап; впервые вселенная рассматривалась как содержащая сама себя и конечная. Ее просто очень много, но нет способа выйти за ее пределы. Понятие «за пределами вселенной» вообще не имеет смысла.

Замыкая вселенную, Эйнштейн предполагал, что любые часы, используемые для измерения времени, находятся внутри системы. Он смог это сделать, поскольку уравнения его теории имели новое свойство, а именно, для них не важно, какие часы используются для измерения времени и какие приборы используются для измерения пространства. Время и пространство могли бы быть измерены настолько смешно и неряшливо, насколько возможно, и уравнения все еще работали бы. Так что теория больше не была связана с измерениями, сделанными специальными часами, идущими вне системы^[45]. Избавившись от необходимости выбирать часы за пределами системы, ОТО прошла некоторую дистанцию к реляционистской теории физики. Но она все еще базируется на Ньютоновской парадигме, поскольку может быть сформулирована в терминах вневременных законов, действующих во вневременном конфигурационном пространстве.

Во-первых, Эйнштейн искал модель вселенной, которая была бы не только конечной в пространстве, но и вечной и неизменной во времени. Воображение Эйнштейна, столь же оригинальное в его размышлениях, как и у любого известного нам ученого, тут его подвело, казалось, он мог представить вселенную какой угодно, но статичной и вечной. Но тут имелась проблема, что гравитационная сила универсально притягивает и всегда действует так, чтобы свести вещи вместе. Это означает, что гравитация действует на целую вселенную, чтобы побудить ее к сжатию. Если вселенная расширяется, гравитация будет замедлять это расширение. Так что Эйнштейн мог предсказать, что вселенная должна изменяться во времени — или расширяться или сжиматься. Вместо этого он изменил свою теорию в попытке удержать вселенную в статическом состоянии, и при этом сделал необыкновенное и непреднамеренное открытие, — которое не было подтверждено экспериментом до недавнего времени.

Эйнштейн модифицировал свои уравнения, добавив член, который противодействует гравитации, побуждая вселенную к расширению. Эта модификация пришла с новой константой природы, представляющей плотность энергии пустого пространства. Эйнштейн назвал ее космологической постоянной. Хорошим подтверждениям для нее является обнаруженное недавно ускорение расширяющейся вселенной. Более общее название для причины ускоренного расширения есть темная энергия, но если ее плотность постоянна в пространстве и времени, она может быть описана эйнштейновской космологической константой. До настоящего времени наблюдения соответствуют этому, но некоторые космологические сценарии требуют возможного изменения темной энергии.

Я не думаю, что Эйнштейн когда-либо представлял себе, что эта константа однажды будет измерена, но это произошло. Она имеет чрезвычайно малую величину — и, соответственно, гигантские следствия. Хотя она и мала, ее проявления суммируются по всей вселенной. Так что имеются две противоположные силы, действующие на вселенную. Гравитация от всей материи вызывает сжатие, тогда как космологическая константа ускоряет расширение.

Эйнштейн предполагал статическую вселенную, в которой эти силы точно сбалансированы. Но с этим тоже есть проблема — такой баланс нестабилен. Дернем вселенную только на йоту, и одна из тенденций победит, так что вселенная должна или всегда расширяться или всегда сжиматься. Вселенная полна движущихся звезд, черных дыр, гравитационных волн, которые обеспечивают достаточно дерганий, чтобы гарантировать, что она не могла бы долго находиться в равновесии.

Поразительное заключение состоит в том, что вселенная должна иметь историю. Она может расширяться, и она может сжиматься, но она не может оставаться той же самой. В 1920-х годах некоторые астрономы и физики нашли решения уравнений ОТО — решения, которые описывали расширяющуюся вселенную. Это было удачно, поскольку в 1927 астроном Эдвин Хаббл открыл подтверждение тому, что вселенная расширяется, — что предполагает, что она должна была иметь начало. И в самом деле, каждое из этих новых нестабильных решений имело начальный момент времени.

Такие решения связаны с именами Александра Фридмана, Х. П. Робертсона, Артура Уолкера и Жоржа Леметра; их по первым буквам фамилий авторов называют FRWL-вселенными. Это очень простые модели, в которых предполагается, что вселенная везде в пространстве одинакова. То есть повсюду достигается одинаковая плотность материи и радиации. В первый момент времени в FRWL-вселенной плотность материи и радиации и сила гравитационного поля становятся бесконечными и составляют начальную сингулярность. В этой точке ОТО перестает работать, поскольку уравнения больше не описывают эволюцию будущего из настоящего. Бесконечные величины вызывают разрушение теории.

Реакция многих физиков была такой, что уравнения разрушаются потому, что изучавшиеся модели были слишком просты. Они утверждали, что если ввести больше деталей, — таких, что вселенная могла бы иметь локальные особенности вроде звезд, галактик и гравитационных волн, — сингулярность могла бы быть ликвидирована и вы смогли бы продолжить экстраполировать время назад за пределы этой точки. Эта гипотеза была трудна для подтверждения, поскольку в эпоху до суперкомпьютеров было невозможно полностью изучить решения уравнений теории Эйнштейна. Так что гипотеза пережила несколько десятилетий просто потому, что ее было тяжело проверить. Но она оказалась неверной. В 1960-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему, заключающуюся в том, что сингулярности имеются во всех решениях уравнений ОТО, которые могут описывать нашу вселенную.

Если ОТО является правильным описанием нашей вселенной, тяжело избежать заключения, что время не может быть фундаментальным. Иначе мы имеем ряд затруднительных вопросов, на которые приходится искать ответы. Например: Что происходило до того как время стартовало? Что запустило вселенную? Еще более головоломными являются вопросы о вневременных законах: Если законы вечны, то что они делали до возникновения вселенной, которой они управляют? Очевидный ответ в том, что до вселенной не было времени, что означает, что законы должны быть более глубоким аспектом мира, чем время.

В некоторых из этих решений время, однажды стартовав, движется дальше вечно, так же как вселенная вечно расширяется и разрежается. Но в других решениях вселенная достигает максимального расширения, а затем коллапсирует к Большому Хрусту, в котором многие наблюдаемые величины снова становятся бесконечными; эти последние решения описывают вселенные, в которых время тоже имеет конец. Запуск и остановка времени не представляют проблемы для картины монолитной вселенной, в рамках которой все, что реально, это лишь история вселенной, взятой как вневременное целое. Эта реальность не дискредитируется, если она включает в себя мир, в котором время начинается и заканчивается. Вместо этого, открытие, что время начинается в решениях ОТО, которые описывают целую вселенную, усиливает картину монолитной вселенной, а также ослабляет любое утверждение, что время более фундаментально, чем закон.

Мы прошли длинный путь в истории изгнания времени из физической концепции природы. Мы начинали, как начинали Галилей и Декарт, с удерживания движения и замораживания времени через их графический метод, в котором время представлено так, как если бы оно было еще одной размерностью пространства. В теории относительности эти картины движения, выложенные во времени, стали пространством-временем, вневременной картиной истории вселенной, в которой нет ничего реального, кроме настоящего момента. Относительность одновременности говорит нам, что мы не можем пойти назад и отделить время от пространства. Мы можем только идти вперед к картине монолитной вселенной, в которой история вселенной представлена как вневременное целое. С СТО и ОТО, хорошо подтвержденными экспериментом, мы, физики, на самом деле имеем куда больше оснований принять безвременную картину реальности.

7 Квантовая космология и конец времени

Во время рождественских каникул в конце моего первого семестра в Хемпшир Колледже я вернулся в Нью-Йорк, чтобы остановиться в квартире моей кузины на Гринвич Виллидж. Утром я поехал на метро на окраину на мою первую физическую конференцию, грандиозно названную Шестым Техасским Симпозиумом по Релятивистской Астрофизике, которая заняла разукрашенный отель в Центральном Манхэттене. Я не был приглашен и не думал регистрироваться, но мой профессор физики Херб Бернстайн подсказал мне, как проникнуть. Я никого там не знал, но как-то познакомился к Кипом Торном из Калтеха, который сказал мне, что для хорошего изучения ОТО я должен проштудировать учебник, который он написал вместе с Чарльзом Мизнером и Джоном Арчибальдом Уилером^[46]. Я познакомился с Лэйном Хьюстоном, молодым американским математиком, обучающимся в Оксфорде, который говорил час, чтобы объяснить мне новую революционную теорию твисторов, а затем познакомить меня с ее изобретателем Роджером Пенроузом.

На одной из сессий я занял место в проходе, когда мужчина в инвалидной коляске проехал вблизи меня. Стивен Хокинг был уже знаменит своими трудами в ОТО, и это было за год до его поразительного открытия, что черные дыры излучают. Высокий бородатый мужчина с элегантными манерами остановился, чтобы поболтать с ним, а затем был вызван на сцену. Это был Брюс ДеВитт. Я не вспомню, о чем он говорил, но я слышал о нем и о его уравнениях, описывающих квантовые вселенные. У меня не набралось смелости поговорить с кем-нибудь из них, и я, определенно, никогда не предполагал, что когда я семью годами позже завершу свою диссертацию на степень доктора философии, эти два гиганта современной физики пригласят меня работать с ними.

Брюс ДеВитт, Джон Уилер, Чарльз Мизнер и Стивен Хокинг все были пионерами, которые тогда были на полпути к созданию новой дисциплины: квантовой космологии. Изобретенный ими брак ОТО и квантовой теории был вершиной нашего восхождения к вневременному миру современной физики. В квантовой вселенной, которую они описали, время не только является излишним, оно полностью исчезает. Квантовый космос не эволюционирует и не меняется, он не расширяется и не сжимается, он просто есть.

Эта тема, что нужно подчеркнуть, представляет собой в высшей степени умозрительную и поэтическую область теоретической физики, пока без твердой привязки к наблюдениям. Заключениям, которым вы можете вывести из нее, недостает авторитета картины природы, даваемой теорией относительности, которая снова и снова триумфально подтверждается экспериментально и продолжает удивлять нас точностью своих предсказаний.

Мы начнем с квантовой механики, которая является триумфом метода изучения физики в ящике. Мне нужно будет объяснить только несколько базовых вещей по поводу того, как подсистемы вселенной моделируются в квантовой механике, чтобы проложить путь к двухэтапной экстраполяции нашей современной физики. Первый этап, мы должны унифицировать квантовую механику с ОТО, чтобы получить квантовую теорию гравитации. Имеются разные подходы к этой унификации, и до сих пор нет экспериментов, чтобы сделать выбор среди них, но достаточно известно о том, как должна быть сформулирована такая теория, чтобы допустить нас ко второму этапу, который есть включение целой вселенной в квантовую теорию.

Мы увидим, что результатом является вневременная картина природы.

Квантовая механика предлагает весьма успешное описание микроскопических систем, таких как атомы и молекулы. Но она загадочна. В результате людских попыток придать ей смысл было изобретено несколько радикально отличающихся способов говорить о ней. Они отличаются своими выводами относительно времени и тем, может ли квантовая теория быть применена к целой вселенной, — оба вопроса важнейшие для нашего обсуждения здесь^[47].

С моей точки зрения лучший способ объяснить квантовую механику — начать с разговора о том, для чего нужна наука. Многие из нас думают, что целью науки является описание того, какова природа на самом деле, — чтобы дать картину мира, в правильность которой мы могли бы поверить, даже если нас нет рядом, чтобы ее увидеть. Если вы думаете о науке подобным образом, вы будете разочарованы квантовой механикой, поскольку она не дает картины, которая исходит из индивидуального эксперимента.

Нильс Бор, один из основателей квантовой теории, утверждал, что те, кто был разочарован подобным образом, имели ошибочное представление о том, для чего нужна наука. Проблема не в теории, а в том, что мы ожидаем, чтобы теория сделала для нас. Бор провозгласил, что целью научной теории является не описание природы, а выдача нам правил для манипулирования объектами в мире и языка, который мы можем использовать для представления результатов.

Язык квантовой теории предполагает активное вмешательство в природу, для этого говорят о том, как экспериментатор опрашивает микроскопическую систему. Он может приготовить систему так, что она будет изолирована и готова для изучения. Он может трансформировать ее, подвергая ее различным внешним воздействиям. А затем он может измерять ее путем введения приборов, которые считывают ответы на вопросы, которые он сумел задать о системе. Математический язык квантовой механики представляет каждый из этапов подготовки, преобразования и измерения. Поскольку акцент делается на том, что мы делаем с квантовой системой, это может быть названо операционалистским подходом к квантовой физике.

Центральный математический объект в квантовом описании системы называется квантовым состоянием. Оно содержит всю информацию, которую наблюдатель может знать о квантовой системе в результате ее приготовления и измерения. Эта информация ограничена, и в большинстве случаев ее недостаточно, чтобы точно предсказать, где находятся составляющие систему частицы. Вместо этого квантовое состояние дает вероятности того, где мы можем найти частицы, если мы должны измерить их положения.

Рассмотрим атом, состоящий из ядра и нескольких электронов вокруг него. Самое точное описание, которое мы могли бы дать атому, было бы сказать, где находится каждый электрон. Каждое расположение электронов есть конфигурация. Лучшее квантовомеханическое описание дает вместо этого вероятность каждой возможной конфигурации, в которой могут быть найдены электроны^[48].

Как вы можете проверить предсказания теории, если эти предсказания только вероятностные? Подумайте о предсказании, что подброшенная монета упадет лицевой стороной вверх в 50 процентах случаев. Чтобы проверить это, вы не можете подбросить монету только один раз; результат будет или аверс или реверс, и тот или другой согласуется с предсказанием, что каждый вариант появляется в половине случаев. Вам необходимо подбрасывать монету много раз и записывать, какая доля бросков закончилась падением аверсом вверх. Когда вы бросаете монету все больше и больше раз, доля падений аверсом вверх будет стремиться к 50 процентам. То же самое с вероятностными предсказаниями квантовой механики: Чтобы подтвердить их, вам нужно проводить эксперимент много раз^[49]. Измерение отдельной квантовой системы подобно однократному подбрасыванию монеты: Какой бы хаотический результат вы не получили, он будет согласовываться почти с любым предсказанием теории.

Этот метод имеет смысл только в применении к малой изолированной системе вроде атома водорода. Чтобы проверить предсказания, нам требуется большое количество идентичных копий системы; если у нас есть только одна, мы не можем проверить предсказания — поскольку они вероятностные! Мы также должны быть в состоянии манипулировать этой коллекцией систем, приготавливая их изначально в том квантовом состоянии, в котором мы заинтересованы, а затем измеряя что-либо по поводу этих систем. Но если мы имеем множество копий системы в мире, тогда каждая копия должна быть только малой частью того, что существует. Среди вещей, которые не являются частью системы, находятся инструменты и координатные оси, которые мы используем для измерения конфигураций системы.

Так что применимость квантовой механики оказывается ограниченной изолированными системами. Это развитие Ньютоновской парадигмы — изучение физики в ящике. Чтобы увидеть, насколько сильно метод квантовой механики базируется на изучении изолированных систем, посмотрим, как описывается изменение во времени.

Законы Ньютоновской физики детерминистичны, что означает, что теория дает определенные предсказания, как система эволюционирует во времени. Таким же образом закон квантовой механики говорит нам, как квантовое состояние системы эволюционирует во времени. Этот закон тоже детерминистичен в том смысле, что, задав начальное квантовое состояние, вы можете точно предсказать, каким будет квантовое состояние в более поздний момент времени.

Закон эволюции квантовых состояний называется уравнением Шредингера. Оно работает точно подобно законам Ньютона, но оно говорит нам, как изменяются во времени состояния, а не положения частиц. Если вы введете начальное квантовое состояние, уравнение Шредингера скажет вам, какое квантовое состояние будет в любой более поздний момент времени.

Как и в случае Ньютоновской физики, часы должны быть вне системы, вместе с наблюдателями и их измерительными инструментами.

Но, хотя эволюция квантового состояния определена, результаты для точных конфигураций атомов только вероятностны, — поскольку взаимосвязь между квантовым состоянием и конфигурациями сама вероятностна.

Требование, что часы, которые измеряют время в квантовой механике, должны быть за пределами системы, имеет сильные последствия, когда мы пытаемся применить квантовую теорию ко вселенной как целому. По определению, ничего не может быть за пределами вселенной, даже часов. Так как меняется квантовое состояние вселенной по отношению к часам за пределами вселенной? Поскольку нет таких часов, может быть единственный возможный ответ, что оно не меняется по отношению к внешним часам. В результате квантовое состояние вселенной, рассмотренное из мифической точки отсчета за пределами вселенной, оказывается замороженным во времени.

Это, по общему признанию, скользкий словесный аргумент, который выглядит, как будто он мог бы легко привести к ошибочным заключениям. Но в этом случае математика поддерживает, давая нам тот же результат, что и при применении уравнения Шредингера к квантовому состоянию вселенной. Состояние не меняется во времени.

В квантовой теории изменение во времени связано с энергией. Это следствие основного свойства квантовой физики, называемого корпускулярно-волновым дуализмом.

Ньютон представлял свет сделанным из частиц. Позднее были изучены явления дифракции и интерференции, и для их объяснения была выдвинута гипотеза, что свет есть волна. В 1905 Эйнштейн разрешил дилемму о природе света, предположив, что свет имеет как свойства волн, так и свойства частиц. Почти двумя десятилетиями позже Луи де Бройль предположил, что этот дуализм волн и частиц универсален: Все, что двигается, имеет некоторые свойства волны и некоторые свойства частицы.

Это может показаться загадочным. Конечно, невозможно визуально представить себе нечто, что есть и волна и частица. Совершенно верно! Как я отмечал, квантовая механика описывает явления, которые не могут быть визуализированы. Мы можем манипулировать квантовыми частицами в экспериментах и говорить о том, как они реагируют, подвергаясь измерениям, но мы не можем представить наглядно, что происходит в отсутствие наших манипуляций с природой.

Одно из волновых свойств света есть его частота, количество колебаний в секунду. Корпускулярное свойство света есть его энергия; каждая частица света переносит определенное количество энергии. В квантовой механике энергия в корпускулярной картине всегда пропорциональна частоте в волновой картине^[50].

Вооружившись указанным представлением о корпускулярно-волновом дуализме, вернемся к квантовому состоянию вселенной. Поскольку не существует часов за пределами вселенной, квантовое состояние вселенной не может изменяться во времени. Так что частота его осцилляций должна быть равна нулю — если оно заморожено, оно не может колебаться. Но поскольку частота пропорциональна энергии, это означает, что энергия вселенной должна быть равна нулю.

Имеется отрицательное количество энергии, заключенное в любой системе, удерживаемой воедино гравитацией. Рассмотрим солнечную систему. Если вы захотите вытолкнуть Венеру с ее орбиты вокруг Солнца и удалить ее из солнечной системы, это потребует затрат энергии. Поскольку вы должны добавить энергию, чтобы привести Венеру в состояние, где у нее нет энергии, то пока она остается удерживаемой на своей орбите, Венера имеет отрицательную энергию. Эта отрицательная энергия называется гравитационной потенциальной энергией.

То, что вселенная может иметь нулевую полную энергию, означает, что полная гравитационная потенциальная энергия, удерживающая все ее части вместе, в точности компенсируется всей положительной энергией вселенной, выраженной в массах и движениях всей материи.

Имея нулевую энергию и частоту, квантовое состояние вселенной заморожено. Квантовая вселенная не расширяется и не сжимается. Нет гравитационных волн, двигающихся сквозь нее. Нет формирования галактик, нет планет, кружащихся вокруг звезд. Квантовая вселенная просто есть^[51].

Это следствие применения квантовой механики к целой вселенной было открыто в середине 1960-х пионерами квантовой гравитации: ДеВиттом, Уилером и Петером Бергманом. Модификация уравнения Шредингера, на которое мы указывали, — за счет условия, что квантовое состояние заморожено, — называется по имени двух из них уравнением Уилера-ДеВитта. Довольно быстро они заметили исчезновение времени, и народ начал обсуждать последствия. И все еще обсуждает. Каждые несколько лет кто-нибудь собирает конференцию, посвященную Проблеме Времени в Квантовой Космологии. Человеческая изобретательность беспредельна, так что был выдвинут широкий спектр откликов и предложений.

Замороженное состояние вселенной не единственная вещь, которая идет не так, как надо, когда мы пытаемся применить квантовую механику к космологии^[52].

Имеется только одна вселенная, так что вы не можете сконструировать совокупность систем в одинаковом квантовом состоянии и сравнить измерения, сделанные над ними, с предсказанными квантовой механикой вероятностями. Сразу же значительно ограничиваются возможности сравнения теории с экспериментом или наблюдением.

И даже хуже того, поскольку вы не можете приготовить вселенную в начальном квантовом состоянии, остается только единственное — изучение следствий различных выборов начального состояния. Вселенная произошла только раз и имела какое-нибудь начальное состояние, какое имела. Нас там не было, чтобы выбрать ее начальное состояние, и даже если бы мы были, мы не могли бы манипулировать со вселенной, поскольку мы были бы частью ее. Сама идея приготовления вселенной в начальном состоянии предполагает для нас божественный статус существования вне вселенной.

Трагедии квантовой космологии составляют огромный список: Мы не можем приготовить начальное состояние квантовой вселенной, и мы не можем действовать на него из-за пределов вселенной, чтобы трансформировать его. У нас нет доступа к собранию вселенных, чтобы придать смысл вероятностям, проистекающим из квантового формализма. Во главе этого тот факт, что вне вселенной нет места для размещения наших измерительных инструментов. Так что нет понятия измеряющего изменения в часах, внешних по отношению к изучаемой квантовой системе.

С операционалистской точки зрения было бредовым даже начинать применение квантовой механики к вселенной. Оно потерпело неудачу, поскольку мы применяли ее в контексте, в котором нет операционалистских определений, которые придают теории смысл. Всё это расплата за совершение ошибки, заключающейся в распространении на всю вселенную метода, хорошо адаптированного для ее малых частей.

Проблема даже чуть тяжелее, чем тут отмечено, так как выбор временной координаты в ОТО, как мы уже говорили, является полностью произвольным. Так что вы должны спросить: «Если имелись часы вне вселенной, то чему могло бы соответствовать понятие времени внутри вселенной?» И еще: «Если имелось квантовое состояние, которое колебалось, какие часы во вселенной могли быть для этого подобраны в качестве стандартного осциллятора?» Ответ таков: «Любое возможное понятие времени и любые возможные часы». В итоге имеется не одно уравнение Уилера-ДеВитта, а бесконечное число таких уравнений. Они утверждают, что частота, с которой колеблется квантовое состояние, равна нулю для любого возможного понятия времени и любых возможных часов внутри вселенной. Для любых возможных часов, переносимых любым возможным наблюдателем, в квантовой вселенной ничего не происходит.

Все это оставалось в рамках академического интереса два десятилетия, поскольку никто на самом деле не смог бы решить уравнения Уилера-ДеВитта. До изобретения подхода к квантовой гравитации, именуемого петлевая квантовая гравитация, не было ситуации, в которой эти уравнения могли бы быть сформулированы достаточно точно для решения. Эта революция была запущена в 1985 открытием Абэя Аштекара новой формулировки ОТО^[53]. Несколькими месяцами позже мне посчастливилось достаточно поработать в Институте Теоретической Физики (ныне Институт Теоретической Физики Кавли) в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре с Тедом Джекобсоном (ныне сотрудник университета Мэриленда), и мы нашли первое точное решение уравнений Уилера-ДеВитта — фактически, бесконечное количество решений^[54]. Необходимо было решить другие уравнения, чтобы записать полное квантовое состояние гравитационного поля, и это было выполнено двумя годами позже Карло Ровелли, тогда работавшим в Национальном институте Ядерной Физики университета Рима^[55]. Вопрос быстро прогрессировал, и в начале 1990-х Томасом Тиеманном в Гарварде был открыт намного больший набор решений^[56]. С тех пор были разработаны еще более мощные методы для генерирования решений, основанные на том, что мы сегодня называем моделями спиновой пены^[57]. Эти результаты повысили безотлагательность решения проблемы времени во вневременной вселенной, чтобы придать физический смысл всем этим математическим решениям и возвысить их до теории квантовой гравитации.

Загвоздка в том, можно ли сказать, что время «возникает» из вневременной вселенной так, что теория не находится в явном конфликте с теми аспектами времени, которые, как мы видим, действуют в мире. Некоторые из моих коллег высказывают мнение, что время есть часть приблизительного описания вселенной — описания, которое пригодно на больших масштабах, но разрушается, когда мы смотрим слишком близко. Температура подобна этому: Макроскопические тела имеют температуры, но отдельные частицы не имеют, поскольку температура тела есть среднее от энергий атомов, составляющих тело. Другие подходы имеют целью открыть время в корреляциях между различными подсистемами вселенной.

Я потратил бесчисленные часы, размышляя над этими подходами к вопросу, как время могло бы возникнуть из вневременной вселенной, и я остаюсь сомневающимся, что любой из них работает. В некоторых случаях обоснования носят технический характер и не уместны для их описания здесь. Более глубокие основания для моего скептицизма в отношении квантовой космологии будут в центре нашего внимания в Части II.

Мои друзья на другой стороне указанных дебатов утверждают, что допущения, приводящие к уравнениям Уилера-ДеВитта, привлекают только принципы квантовой механики и ОТО, взятые вместе. Факт, что каждый из этих принципов в их индивидуальной области хорошо подтвержден экспериментально, и было бы мудро в первую очередь серьезно принять все их предпосылки и попытаться понять и усовершенствовать их.

Когда я был одним из постдоков Брюса ДеВитта, он, чтобы подстегнуть нас, предпочитал не навязывать теории наши метафизические предубеждения, а давать теории возможность диктовать ее собственные интерпретации. Я все еще слышу, как он убеждает нас своим благородным голосом, что «пусть теория говорит».

Лучший додуманный до конца подход к приданию смысла квантовой космологии, очерченной уравнениями Уилера-ДеВитта, был предложен британским физиком, философом и историком науки Джулианом Барбуром, который описал его в 1999 в своей книге Конец Времени. Идея Барбура радикальна, но ее нетрудно объяснить словами. Он заявляет, что всё, что существует, фундаментально представляет собой бескрайнюю коллекцию замороженных моментов. Каждый момент имеет форму конфигурации вселенной. Каждая конфигурация существует — и переживается любым существом, захваченным в этой конфигурации, — как момент времени. Барбур называет коллекцию всех моментов «кучей моментов». Моменты в куче не следуют один за другим, один после другого. Для них нет порядка. Они просто есть. В метафизической картине Барбура совсем ничего не существует, кроме этих чистых моментов времени.

Вы можете возразить: «Но я переживаю течение времени». Барбур скажет, что нет. Всё, что переживает любой из нас, будет настаивать он, есть моменты — моментальные кадры впечатлений. Снимок вашего пальца — это один моментальный кадр, один момент в куче. Снимок вашего пальца еще раз — это другой момент. У вас есть впечатление, что второй следует за первым, но это иллюзия. Вы так думаете, потому что во второй момент у вас есть память о первом моменте. Но эта память не есть переживание течения времени (которого, говорит Барбур, не происходит); это означает, что память о первом моменте есть часть переживания второго момента. Все, что мы переживаем — и все, что согласно Барбуру реально, — есть индивидуальные моменты из кучи.

Однако, в куче имеется немного структуры. Моменты могут быть представлены более чем однажды. Тогда вы можете говорить об относительной частоте моментов; один момент может быть представлен в миллион раз чаще, чем другой момент.

Эти относительные частоты моментов есть то, на что ссылаются заданные квантовым состоянием вероятности. Две конфигурации имеют относительную вероятность появиться в куче, заданную их относительной вероятностью в квантовом состоянии.

Это все, что имеется. Имеется одна квантовая вселенная, описываемая одним квантовым состоянием. Эта вселенная состоит из очень большого собрания моментов. Некоторые из них болеечастые, чем другие. На самом деле, некоторые чрезвычайно более часты, чем другие.

Некоторые из частых конфигураций неинтересны. Они описывают момент времени во вселенной, заполненной газом фотонов или газом атомов водорода. Барбур утверждает, что в реальном квантовом состоянии вселенной большинство таких неинтересных конфигураций имеют малый объем. Поэтому он предсказывает корреляцию между свойствами быть малыми и быть неинтересными. Если мы допускаем существование времени, мы могли бы сказать, что вселенная была неинтересной, когда она была маленькой. Барбур говорит, что этого достаточно, чтобы сказать, что быть малым и быть неинтересным есть сильно скоррелированные свойства моментов в куче.

Другие конфигурации в куче интересны — полны сложности, с живыми существами вроде нас самих на планетах, вращающихся вокруг звезд в галактиках, которые, в свою очередь, упорядочены в слои и кластеры. Барбур утверждает, что в правильном квантовом состоянии свойство быть полным сложностей и жизни коррелирует с большим объемом. Таким образом, многие, а, возможно, большинство конфигураций в куче с большими объемами будут содержать в себе жизнь.

Более того, Барбур заявляет, что в правильном квантовом состоянии большинство частых конфигураций имеют структуры, которые косвенно имеют отношение к другим моментам. Эти связи Барбур называет «капсулами времени». К ним относятся воспоминания, книги, предметы материальной культуры, окаменелости, ДНК и так далее. Они говорят об истории, открытой для интерпретации в терминах последовательностей моментов, в которых с вещами происходило то, что они выстраивались друг на друге, приводя к сложности. Это означает, что капсулы времени поддерживают иллюзию, что время течет.

В соответствии с теорией Барбура причинность тоже есть иллюзия. Ничто не может быть причиной чего-либо, поскольку в действительности во вселенной ничего не происходит. Есть только громадная куча моментов, некоторые из которых переживаются существами вроде нас. В реальности каждое переживание каждого момента есть только оно — без всякой связи с остальными. Есть моменты, но нет их упорядочения, нет течения времени.

Но уравнения Уилера-ДеВитта делают возможным возникновение приближенного понятия порядка и причинности, так что имеются корреляции среди большинства моментов — корреляции, которые проявляются, как если бы была последовательность моментов времени, между которыми могли бы действовать причинные процессы. С большой степенью приблизительности картина последовательности моментов может быть полезной для объяснения структур, появляющихся в моментах. Но это не фундаментальная картина, и если посмотреть достаточно близко, нет порядка и нет причинности, только куча моментов.

Теория Барбура имеет свои элегантные особенности. Она аккуратно решает проблему, с чем могут быть связаны вероятности в квантовой космологии. Есть только одна вселенная, но она имеет много моментов. Квантовые вероятности на самом деле есть вероятности относительных частот существования моментов в реальности. В тех пределах, в которых схема Барбура детально разработана, она объясняет, как возникают ощущение, что мир имеет историю, в течение которой причинные процессы вносят вклад в построение сложных структур. Это предложение также объясняет явную направленность времени: Имеется предпочтительное направление в конфигурационном пространстве, которое выходит из конфигураций с малым объемом в направлении больших объемов. Когда возникает время, возрастание объемов хорошо коррелирует с возрастанием времени, так что это объясняет, почему вселенная оказывается такой, что имеет стрелу времени.

Версия Барбура вневременной квантовой космологии предлагает осязаемое утешение по поводу нашей смертности. Я могу это почувствовать. Я хотел бы, чтобы я смог в это поверить. Вы переживаете себя в собрании моментов. Согласно Барбуру, это все, что существует. Эти моменты всегда есть, вечно. Прошлое не теряется. Прошлое, настоящее и будущее всегда с нами. Ваш опыт можно изобразить в конечном наборе моментов, но эти моменты не уходят прочь и не исчезают. Так что ничто не происходит в конце, когда вы приходите к вашему последнему дню. Есть только то, что вы сейчас переживаете момент, который содержит все воспоминания, которые вы когда-либо имели. Но ничего не исчезает, поскольку ничего никогда не начинается. Страх смерти основан на иллюзии, которая, в свою очередь, базируется на интеллектуальной ошибке. Нет окончания течения времени, поскольку нет течения времени. Есть, всегда есть и всегда будут только моменты вашей жизни.

Я не хотел бы заниматься спекуляциями на тему, что мог бы подумать Эйнштейн о вневременной квантовой космологии Джулиана Барбура. Но есть основания полагать, что он нашел бы большое удовлетворение и утешение в исчезновении времени в картине монолитной вселенной. Со своих юных лет он разыскивал пути преодоления неопрятного человеческого мира через изучение вневременных законов природы. В утешительном письме вдове своего друга Мишеля Бессо он написал: «Он отбыл сейчас из этого странного мира немного впереди меня. Это ничего не означает. Подобные нам люди, кто верит в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим является только упорно неизменной иллюзией».

Часть II Просвет в облаках: Возрожденное время

Интерлюдия: Недовольство Эйнштейна

Монолитная вселенная теорий относительности Эйнштейна была решительным шагом в изгнании времени из физики. Но сам Эйнштейн занимал двойственную позицию по поводу исчезновения времени из концепции природы, для построения которой он сделал так много. Мы видели, как он нашел утешение в картине монолитной вселенной и вневременного космоса, — и все-таки кажется, что Эйнштейн был не удовлетворен ее выводами. Мы знаем это из Интеллектуальной Автобиографии венского философа Рудольфа Карнапа, который сообщил о разговоре с Эйнштейном о времени:

Один раз Эйнштейн сказал, что проблема Настоящего его серьезно беспокоит. Он объяснил, что переживание Настоящего означает для человека нечто особое, нечто существенно отличающееся от прошлого и от будущего, но что это важное отличие не происходит и не может произойти в физике. То, что это переживание не может быть ухвачено наукой, казалось ему основанием для тягостного, но неизбежного смирения.

Если Эйнштейн был склонен к переживаниям, то Карнап по поводу своих взглядов не сомневался:

Я замечал, что все, что происходит, объективно может быть описано в науке; с одной стороны, временная последовательность событий описывается в физике; и, с другой стороны, своеобразие опыта человека по отношению ко времени, включая его различную позицию по отношению к прошлому, настоящему и будущему, может быть описано и (в принципе) объяснено в психологии.

Я не могу представить себе, что думал Карнап. Я не знаю ни одного пути, на котором наука психология или наука биология могла бы вычислить наше переживание времени во вневременном мире^[58]. Эйнштейн был не удовлетворен ни тем, ни другим ответом Карнапа, о чем сам Карнап писал: «Но Эйнштейн думал, что эти научные описания не могут, возможно, удовлетворить наши человеческие потребности; что имеется нечто существенное по поводу Настоящего, которое просто за пределами сферы науки»^[59].

Недовольство Эйнштейна сводится к простой догадке. Научная теория, чтобы быть успешной, должна объяснять нам наблюдения, которые мы делаем в природе. И самое простейшее наблюдение, которое мы делаем, заключается в том, что природа организована во времени. Если наука должна рассказывать историю, которая охватывает и объясняет все, что мы наблюдаем в природе, не должна ли она включать наше переживание мира как течение моментов? Не является ли самый основной факт по поводу того, как структурирован опыт, частью природы, которую должна в себя включать фундаментальная теория физики?

Все, что мы переживаем, каждая мысль, ощущение, действие, стремление являются частью момента. Мир представлен для нас как серии моментов. По поводу этого у нас нет выбора. Нет выбора, в каком моменте мы обитаем сейчас, нет выбора, двигаться нам вперед или назад во времени. Нет возможности перепрыгнуть в будущее. Нет выбора по поводу темпа течения моментов. Таким образом, время полностью непохоже на пространство. Кто-то может протестовать, говоря, что все события тоже имеют место в конкретном положении. Но мы имеем выбор по поводу того, куда мы двигаемся в пространстве. Эти не малое различие; оно формирует итог нашего опыта.

Эйнштейн и Карнап согласны по поводу одной вещи: что переживаемая природа, как серия настоящих моментов, не является частью концепции природы у физиков. Будущее физики — и, можно добавить, физика будущего — сводится к простому выбору. Согласимся ли мы с Карнапом, что настоящий момент не имеет места в науке, или последуем за инстинктом величайшей научной интуиции 20-го столетия и попытаемся найти путь к новой науке, на котором «тягостное смирение» Эйнштейна будет не нужно?

Для Эйнштейна настоящий момент реален и каким-то образом должен быть частью объективного описания реальности. Он верил (как это излагает Карнап), что «имеется нечто существенное по поводу Настоящего, которое просто за пределами сферы науки».

Прошло, по меньшей мере, шестьдесят лет с того момента, как имела место эта беседа. Мы с тех пор многому научились в физике и в космологии. Достаточно, чтобы, наконец, привести Настоящее в физическое описание природы. В этой второй части книги я буду объяснять, почему наше текущее знание требует, чтобы время было заново введено как центральная концепция физики.

В Части I мы проследили девять этапов в изгнании времени из физической концепции природы, начиная с открытий Галилея по поводу падающих тел и вплоть до вневременной квантовой космологии Джулиана Барбура. Скоро мы увидим возрождение времени, но сначала нам нужно вскрыть противоречия, очевидно, сильных аргументов, приведенных в Части I.

Девять аргументов распадаются на три класса:

Ньютоновские аргументы (то есть аргументы, происходящие от Ньютоновской физики или Ньютоновской парадигмы занятий физикой):

— Замораживание движения через графическое представление записей прошлых наблюдений;

— Изобретение вневременного конфигурационного пространства;

— Ньютоновская парадигма;

— Аргумент в пользу детерминизма;

— Обратимость времени.

Эйнштейновские аргументы, происходящие от СТО и ОТО:

— Относительность одновременности;

— Картина пространства-времени как монолитной вселенной;

— Начало времени при Большом Взрыве.

Космологические аргументы, происходящие от распространения физики на вселенную как целое:

— Квантовая космология и конец времени.

Эти девять доводов приводят к видению природы, которое отвергает реальность настоящего момента и, вместо этого, говорит о природе в терминах картины монолитной вселенной, в которой если что и реально, так это только полная история мира, взятая как одно целое. В этой картине время трактуется как измерение пространства, так что причинность во времени может быть заменена вневременным логическим выведением. ОТО и Ньютоновская механика могут говорить об историях, развивающихся во времени, но это время только в слабом смысле математического порядка, лишенном возникновения настоящих моментов. В этих теориях время не является реальным в том смысле, который я определил в Предисловии, когда утверждал, что все, что есть реального, является таковым в момент времени. Для создания четкого контраста я буду ссылаться на такие теории как на вневременные теории.

Является ли изгнание времени платой, которую надо было заплатить за прогресс науки? Следующий этап в нашем путешествии заключается в разоблачении изъянов в этих утверждениях.

Все девять аргументов работают при общем заблуждении: Что Ньютоновская парадигма, — которая предполагает, что мы можем предсказать будущее состояние любой системы из ее начальных условий и действующих на нее законов, — может быть расширена, чтобы создать теорию вселенной. Но, как я скоро покажу, ни одно расширение Ньютоновской парадигмы не может выдать удовлетворительную теорию вселенной как целого. Хотя эта парадигма является мощным методом, когда она применяется к физике в ящике, она становится бессильной, столкнувшись с вопросами космологии.

Сильнейшие доводы в пользу изгнания времени пришли из релятивистской теории. В Главе 14 мы их разрушим. И, раз уж мы вскрыли противоречия обстоятельств изгнания времени, мы рассмотрим, что приобретут физика и космология от гипотезы, что время реально.

8 Космологическое заблуждение

В Части I мы проследовали путем мистики, путем поиска преодоления нашего ограниченного временем опыта и путем открытия вечных истин. В особенности, мы отследили великий успех физики в использовании метода — Ньютоновской парадигмы. Мы увидели, что этот успех имел некую цену: изгнание времени из концепции природы у физиков.

В Части II мы увидим, почему эту цену платить не нужно, — потому, что попытка применить Ньютоновскую парадигму к вселенной как целому есть невозможная задача. Чтобы распространить науку до понимания вселенной как целого, нам нужна новая теория — теория, в которой центральным элементом является реальность времени.

Вернемся к истокам науки, к персоне, которую называют первым ученым, к философу до-сократовского периода Анаксимандру (610–546 до н. э.). Как описывается в недавней книге Карло Ровелли, Анаксимандр был первым, кто пытался найти причины естественных явлений в самой природе, а не в непостоянной воле богов^[60].

В те времена даже самые информированные люди думали о себе как об обитателях вселенной, ограниченной двумя плоскими средами. Под нашими ногами была Земля, протянутая вокруг нас во всех направлениях. Над нашими головами были небеса. Вся вселенная, как они понимали, была организована вокруг присутствия специального направления — вниз, направления, в котором падают вещи. Основной закон природы, согласующийся со всем их опытом, был тот, что вещи падают по направлению вниз. Единственным исключением были сами небеса и небесные тела, которые там были закреплены.

Когда они пытались распространить этот успешный закон на вселенную (Землю и небо), они столкнулись с парадоксом: если все, не закрепленное на небе, падает вниз, то почему сама Земля не падает? Поскольку тенденция падать вниз универсальна, Земля должна иметь под собой что-то, поддерживающее ее — одно из таких предположений заключалось в том, что Земля покоится на спине гигантской черепахи. Но тогда что удерживает черепаху? Может ли быть бесконечный «строй черепах на всем пути вниз»?

Анаксимандр осознал, что для создания успешной теории вселенной, которая избежала бы сведения к абсурду в виде бесконечной башни черепах, нужна концептуальная революция. Он предложил идею, очевидную для нас, но шокирующую в его время, — что «вниз» это не универсальное направление, а просто направление к Земле. Правильный способ установления закона не в том, что вещи падают вниз, а в том, что вещи падают по направлению к Земле. Это сделало возможной другую революцию — открытие, что Земля не плоская, а круглая. Сам Анаксимандр не сделал этот потрясающий шаг, но его переопределение понятия «вниз» освободило его для рассмотрения Земли как тела, плавающего в пространстве. Так что он мог сделать изумительное предположение, что небо простирается во все стороны вокруг Земли — как под нашими ногами, так и над нашими головами.

Это прозрение существенно упростило космологию того времени, поскольку факт, что Солнце, Луна и звезды восходят на востоке и заходят на западе, смог быть понят как следствие ежедневного вращения неба. Больше не было необходимости заново создавать Солнце каждое утро на востоке и уничтожать каждый вечер после его захода на западе; после захода Солнца оно возвращалось на свою стартовую позицию, пройдя путь под нашими ногами. Вообразите восторг от понимания этого в первый раз! Это удалило великий источник античного страха, — что некий дух, отвечающий за создание нового Солнца каждое утро, может проспать или покинуть свой пост. Революция Анаксимандра была, возможно, более великой, чем революция Коперника, поскольку его переопределение понятия «вниз» объявило спорной необходимость объяснить, что же поддерживает Землю.

Философы, которые пытались найти, что поддерживает Землю, делали простую ошибку — брали закон, который применим локально, и применяли его к целой вселенной. Их вселенной была Земля и небо, а нашей — гигантский космос, заполненный галактиками, но та же самая ошибка в большой степени лежит в основании неразберихи в текущей космологической теории. И еще, что может быть более естественным, если закон универсален, то почему не применить его ко вселенной? Остается великим соблазном взять закон или принцип, который мы можем успешно применять ко всем подсистемам мира, и применить его ко вселенной как целому. Делать так означает совершать ошибку, которую я буду называть космологическим заблуждением.

Вселенная это объект, отличающийся по виду от любой из ее частей. Она также не является просто суммой своих частей. В физике все свойства объектов во вселенной понимаются в терминах взаимосвязей и взаимодействий с другими объектами. Но вселенная есть сумма всех таких отношений и, как таковая, не может иметь свойства, определяемые отношениями с другими сходными объектами.

Итак, Земля во вселенной Анаксимандра является единственной вещью, которая не падает, поскольку это вещь, на которую падают объекты. Аналогично, наша вселенная является единственной вещью, которая не может иметь причину или объясняться чем-то внешним по отношению к ней, поскольку она есть сумма всех причин.

Если аналогия науки настоящего периода с наукой античных греков уместна, из действия по расширению законов малых масштабов на вселенную как целое следует, что могут возникать парадоксы и вопросы, на которые невозможно ответить. Возникают и те, и другие. В наше время наша вера в Ньютоновскую парадигму привела нас к двум простым вопросам, на которые основанная на этой парадигме теория никогда не могла ответить:

— Почему эти законы? Почему вселенная управляется особым набором законов? Что выбирает действующий закон из других законов, которые могут управлять миром?

— Вселенная стартовала с Большого Взрыва с особым набором начальных условий. Почему эти начальные условия? Раз мы зафиксировали законы, все еще имеется бесконечное число начальных условий, с которых могла начаться вселенная. Через какой механизм выбраны действующие начальные условия из бесконечного набора возможных?

Ньютоновская парадигма не может даже начать отвечать на эти два огромных вопроса, поскольку начальные условия и законы в нее подставляются извне. Если физика, в конечном счете, формулируется в рамках Ньютоновской парадигмы, эти большие вопросы останутся тайнами навсегда.

Подумаем над тем, что нам известно о возможном ответе на вопрос: Почему эти законы? Многие теоретики верили, что только одна математически последовательная теория могла бы объединить четыре фундаментальные силы природы — электромагнетизм, сильное и слабое ядерное взаимодействие и гравитацию — в рамках квантовой теории. Если это так, ответ на вопрос Почему эти законы? был бы таким, что только один возможный закон физики мог бы дать начало миру, грубо похожему на наш.

Но эти надежды были разрушены. На сегодня у нас есть хорошие доказательства того, что нет единственной в своем роде теории, включающей все, что мы знаем о природе — в сущности, теории, примиряющей ОТО и квантовую механику. За последние тридцать лет был достигнут большой прогресс в нескольких разных подходах к квантовой гравитации, и они привели к заключению, что в той степени, насколько каждый преуспевает, он делает это таким образом, который вообще не является уникальным. Наиболее изученный подход к квантовой гравитации — петлевая квантовая гравитация, и, как оказалось, она допускает широкий спектр выбора элементарных частиц и сил.

То же самое верно в отношении теории струн, которая также обещала унификацию гравитации и квантовой теории. Имеются свидетельства существования бесконечного числа теорий струн, многие из которых зависят от большого набора параметров — чисел, которые могут быть настроены руками до любых выбранных нами величин. Все эти теории появляются одинаково последовательными математически. Гигантское их число описывает миры со спектром элементарных частиц и сил, грубо подобных нашему миру — хотя, на сегодняшний день, не было сконструировано теории струн, которая точно включала бы в себя Стандартную Модель Физики Частиц.

Исходные надежды теории струн заключались в том, что могла бы быть единственная фундаментальная теория, которая воспроизводила бы Стандартную Модель и давала бы определенные предсказания для наблюдений за пределами последней. В 1986 Эндрю Строминджер открыл, что теория струн бывает в гигантском числе версий, убив указанные надежды^[61]. Именно это побудило меня заинтересоваться, как вселенная могла выбрать свои законы, — и привело к моему окончательному выбору реальности времени.

Так много вопросов без ответа. А что по поводу дилемм^[62]? Когда происходят затруднительные положения, большое их число лежит в сердце обычного понятия закона физики, как это выражено Ньютоновской парадигмой. Что мы имеем в виду, когда называем нечто «законом», так это то, что он применим для большинства случаев; если он применим только к одному случаю, он просто был бы наблюдением. Но любое применение закона к любой части вселенной подразумевает аппроксимацию, как мы видели в Главе 4, поскольку мы должны пренебречь взаимодействием между этой частью и остальной частью вселенной. Так что многие применения законов природы, которые проверяемы, все являются аппроксимациями.

Чтобы применить закон природы без аппроксимации, мы должны применить его к целой вселенной. Но имеется только одна вселенная — а один случай не дает достаточных доказательств для подтверждения притязаний, что применяется особый закон природы. Это может быть названо космологической дилеммой.

Космологическая дилемма не мешает нам применять законы природы — вроде ОТО или законов движения Ньютона — для подсистем вселенной. Они работают, фактически, во всех случаях, и именно поэтому мы называем их законами. Но каждое такое применение есть аппроксимация, основанная на фиктивности рассмотрения подсистемы вселенной, как если бы кроме нее ничего не было^[63]. Также космологическая дилемма не препятствует нам воображать, что история нашей вселенной является решением к некоторому закону, вроде ОТО, с материей, описываемой Стандартной моделью. Но она не объясняет, почему это решение выбрано как единственное, чтобы быть реализованным в природе. Также одно решение не подтверждает, что законы природы, которые существуют, являются комбинацией ОТО и Стандартной модели, поскольку только одно решение могло бы аппроксимировать решения ко многим разным законам^[64].

Приведем пример, чтобы проиллюстрировать, почему закон должен быть проверяем более чем в одном случае, чтобы быть отличимым от простого наблюдения. В семье один ребенок, Мира, которая любит мороженое. Ее любимым является шоколадное — на самом деле первое мороженое, которое она когда-либо попробовала, было шоколадным, и она с тех пор всегда предпочитает именно его.

Родители Миры верят, что имеется всеобщий закон, что все дети любят мороженое. Но без наблюдения любых других детей у них нет способа проверить это, нет способа отличить это от того, что они наблюдали, то есть что Мира любит мороженое. Отец Миры также верит в другой закон, что все дети предпочитают шоколадное мороженое. Пока он отдыхает с рюмкой, когда Мира ушла спать, ее мать выступает с еще одной гипотезой: Все дети предпочитают тот вид мороженого, который они первым попробовали.

Обе возможности согласуются с теми данными, которые у них есть. Они делают различные предсказания, которые могли бы быть проверены путем опроса родителей на детской площадке, следовательно, обе есть возможные законы. Но предположим, что Мира является единственным существующим ребенком. Тогда не будет способа проверить, является ли любая из гипотез ее родителей всеобщим законом или только наблюдением.

Родители Миры могут спорить, основываясь на человеческой биологии, что дети будут любить все, сделанное из сахара и молока, и это придаст силу, по меньшей мере, одному из их предсказаний. Это могло бы быть верно, но их доказательства используют знания, собранные из изучения многих людей. В этом месте аналогия терпит крах, поскольку в космологии имеется исключительно один случай. В научной дискуссии о вселенной нельзя предположить, что она является выделенным случаем из более общего класса, поскольку нельзя утверждать, что характеристики этого класса проверяемы.

Тот факт, что законы, применяемые к подсистемам, должны быть приблизительными, является центральным в космологической дилемме, так что позвольте мне оставить в стороне мороженое и дать простой пример указанного факта из физики. Первый закон движения Ньютона утверждает, что все свободные частицы двигаются вдоль прямых линий. Он был проверен и подтвержден в многочисленных случаях. Но каждая проверка содержит в себе приблизительность, поскольку нет истинно свободных частиц. Каждая частица в нашей вселенной чувствует гравитационные силы от любой другой. Если мы ожидаем точного подтверждения закона, то он не будет применим ни в одном случае.

Первый закон Ньютона может, в лучшем случае, быть приближением к некоторому другому более точному закону. Действительно, он аппроксимирует второй закон Ньютона, который описывает, как влияют ощущаемые частицей силы на ее движение. Теперь тут есть нечто интересное! Каждая частица во вселенной гравитационно притягивается любой другой. Имеются также силы между каждой парой заряженных частиц. Это целая куча сил, соперничающих друг с другом. Чтобы проверить, действует ли второй закон Ньютона точно, вы должны были бы сложить вместе более 1080 сил, чтобы предсказать движение только одной частицы во вселенной.

На практике, конечно, мы ничего подобного не делаем. Мы принимаем во внимание только одну или несколько сил от ближайших тел и игнорируем все остальные. В случае гравитации, например, мы можем обосновать пренебрежение силами от удаленных тел, поскольку их влияния слабее. (Это не так очевидно, как звучит, поскольку, хотя силы от далеких частиц слабее, имеется намного больше удаленных частиц, чем близких). В любом случае никто никогда не пытается проверить, справедлив ли второй закон Ньютона точно. Мы проверяем только крайние приближения к нему.

Другой большой проблемой с экстраполяцией Ньютоновского понятия «закон» на всю вселенную является то, что имеется только одна вселенная, но бесконечный выбор начальных условий. Это соответствует бесконечному числу решений уравнений предполагаемого космологического закона — решений, которые описывают бесконечный набор возможных вселенных. Но имеется только одна действительная вселенная.

Сам по себе факт, что закон имеет бесконечное число решений, описывающих бесконечное число возможных историй, заставляет нас заключить, что он предназначен для применения к подсистемам вселенной, которые в природе имеются в гигантском числе версий. Обилие проявлений природы соответствует обилию решений. Так что когда мы применяем закон к малой подсистеме вселенной, свобода установления начальных условий является необходимой частью успеха закона.

К тому же, когда мы применяем закон, который имеет бесконечное число решений, к единственной в своем роде системе, такой как вселенная, мы оставляем многое необъясненным. Свобода выбора начальных условий превращается из полезного качества в обузу, поскольку это означает, что есть существенные вопросы по поводу одной вселенной, на которые теория (которую выражает закон) не дает ответа. Они включают любую особенность вселенной, которая зависит от начальных условий вселенной.

Что мы должны думать по поводу всех других историй, которые тоже являются решениями предполагаемого космологического закона, но которым вселенная не следует? Почему при гигантской расточительности бесконечного числа решений, лишь не более чем одно из них смогло что-нибудь сделать с природой?

Эти размышления указывают на одно заключение: Мы ошибаемся по поводу того, какой закон природы мог бы быть на космологическом масштабе. Обоснуем:

(1) Утверждение, что закон применим на космологическом масштабе, означает гигантское количество информации по поводу предсказаний, относящихся к несуществующим случаям — то есть, к другим вселенным. Это наводит на мысль, что вселенную может объяснить нечто более слабое, чем закон. Нам не нужно объяснение, настолько экстравагантное, что оно делает предсказания о бесконечном числе случаев, которые никогда не случаются. Достаточно было бы объяснения, которое описывает только то, что на самом деле происходит в нашей единственной вселенной.

(2) Обычный вид закона не может объяснить, почему решение, которое описывает нашу вселенную, является тем единственным, которое мы переживаем.

(3) Закон не может объяснить сам себя. Он не предлагает ничего рационального в ответ на вопрос, почему действует он, а не некоторый другой закон.

Итак, обычный закон природы, примененный ко вселенной, объясняет одновременно путь к слишком многому и совсем недостаточно.

Единственный способ избежать этих дилемм и парадоксов — попытаться найти методологию, которая бы выходила за пределы Ньютоновской парадигмы, — новую парадигму, применимую к физике на масштабах вселенной. Если мы не согласны допустить конец физики в иррациональности и мистицизме, метод, который являлся основой ее успеха до сегодняшнего дня, должен быть заменен.

Но все аргументы в пользу изгнания времени из физики, приведенные в Части I, базировались на предположении, что Ньютоновская парадигма может быть распространена на вселенную как целое. Если это не так, тогда указанные аргументы в пользу удаления времени, разрушаются. Когда мы отказываемся от Ньютоновской парадигмы, мы должны отказаться и от этих аргументов, и становится возможным поверить в реальность времени.

Можем ли мы сделать что-то лучшее в создании правильной космологической теории, если мы признаем реальность времени? В следующих главах я буду объяснять, почему ответ — да.

9 Космологический вызов

Величайшие теории физики 20-го столетия — теория относительности, квантовая теория и Стандартная Модель — представляют высочайшие достижения физической науки. Они имеют прекрасные математические выражения, что приводит к точным предсказаниям для экспериментов, которые были подтверждены в большом числе случаев с великой точностью. И тем не менее я только что утверждал, что ничто в русле этих теорий не может служить в качестве фундаментальной теории. В свете их успеха это является смелым заявлением.

Чтобы поддержать данное заявление, я могу указать на особенность, которую разделяют все установленные теории физики и которая делает трудным их распространение на всю вселенную: Каждая теория разделяет мир на две части, одна из которых изменяется во времени, а вторая предполагается фиксированной и неизменной. Первая часть есть подвергаемая изучению система, чьи степени свободы изменяются со временем. Вторая часть есть остальная часть вселенной; мы можем назвать ее фоном.

Вторая часть не может быть описана явно, но может быть обрисована неявно в терминах, которые придают смысл движению, описываемому в первой части. Измерение расстояния неявно ссылается на фиксированные точки и линейки, необходимые для измерения этого расстояния; заданное время подразумевает существование часов вне системы, время которой измеряется.

Как мы видели в игре в мяч в Главе 3, положение мяча многозначно за счет ссылки на то, где стоит Дэнни. Движение определяется с использованием часов, которые предполагаются тикающими с постоянным темпом. И Дэнни и его часы находятся вне системы, описываемой конфигурационным пространством, и предполагаются статическими. Без указанных фиксированных точек отсчета мы не могли бы знать, как связать предсказания теории с записями эксперимента.

Разделение мира на динамическую и статическую части есть фикция, но она чрезвычайно успешна, когда применяется к малой части вселенной. Вторая часть, предполагаемая статической, в реальности состоит из других динамических объектов вне анализируемой системы. Игнорируя их динамику и эволюцию, мы создаем рамки, в которых мы открываем простые законы.

Для большинства теорий, за исключением ОТО, фиксированный фон включает геометрию пространства и времени. Он также включает выбор законов, которые предполагаются неизменными. Даже ОТО, которая описывает динамическую геометрию, предполагает другую фиксированную структуру, такую как топология и размерность пространства^[65].

Это разделение мира — на динамическую часть и фон, который окружает первую и определяет понятия, в которых мы ее описываем, — способствует гениальности Ньютоновской парадигмы. Но есть также то, что делает парадигму непригодной для применения к целой вселенной.

Проблема, перед которой мы встаем, когда распространяем науку на теорию всей вселенной, заключается в том, что тут не может быть статической части, поскольку все во вселенной изменяется, а за ее пределами нет ничего — ничего, что могло бы послужить фоном, по отношению к которому мы измеряем движение остатка. Изобретение способа преодоления этого барьера можно назвать космологическим вызовом.

Космологический вызов требует от нас формулировки теории, которая может быть содержательно применена к целой вселенной. Это должна быть теория, в которой каждое динамическое действующее лицо определено только в терминах других динамических действующих лиц. Такая теория была не нужна и не готовилась для фиксированного фона; мы называем такую теорию фоново-независимой^[66].

Теперь мы можем видеть, что космологическая дилемма встроена в структуру Ньютоновской парадигмы, поскольку особые свойства, ответственные за успех малых масштабов, — включая зависимость от фиксированных фонов и тот факт, что один закон имеет бесконечное число решений, — оказываются причиной краха парадигмы как базиса для теории космологии.

Нам повезло жить в то время, когда успех физики привел к первым попыткам изучить космологию научным образом. Не удивительно, что одна из реакций на космологическую дилемму заключается в постулировании, что вселенная суть одна из гигантского собрания, поскольку все наши теории могут быть применены только к части невообразимо большей системы. Именно так я понимаю притягательность многочисленных сценариев множественной вселенной.

* * *

Когда мы проводим эксперимент в лаборатории, мы контролируем начальные условия. Мы меняем их, чтобы проверить гипотезы по поводу законов. Но когда речь идет о космологических наблюдениях, начальные условия были выбраны в ранней вселенной, так что мы должны выдвигать гипотезы о том, какими они были. Итак, чтобы объяснить результат космологического наблюдения с использованием Ньютоновской парадигмы, мы строим две гипотезы: Мы предполагаем, какими были начальные условия и какие законы на них действовали. Это приводит нас к намного более сложной ситуации, чем обычная ситуация физики в ящике, в которой мы используем имеющийся у нас контроль над начальными условиями, чтобы проверить гипотезы о законах.

Тот факт, что мы должны одновременно проверять гипотезы о законах и о начальных условиях, существенно ослабляет нашу способность сделать то и другое хорошо. Если мы делаем предсказание и оно расходится с наблюдениями, имеются два пути исправления нашей теории: Мы можем модифицировать нашу гипотезу о законах или мы можем модифицировать нашу гипотезу о начальных условиях. То и другое может повлиять на результаты эксперимента.

Это поднимает новую проблему, а именно, как нам узнать, какую из двух гипотез нужно откорректировать? Если наблюдалась малая часть вселенной, вроде звезды или галактики, мы основываем нашу проверку закона на анализе множества случаев. Все они подчиняются одному и тому же закону, так что любое отличие между ними должно быть связано с отличиями в начальных условиях. Но если вопрос касается вселенной, мы не можем различить эффекты изменения гипотез о законе от эффектов изменения гипотез о начальных условиях.

Эта проблема время от времени возникает в космологических исследованиях. Главным тестом для теории ранней вселенной является расчет структур, видимых в космическом микроволновом фоне (КМФ). Это радиация, оставшаяся со времен ранней вселенной, которая дает нам краткую характеристику условий, существовавших примерно через 400 000 лет после Большого Взрыва. Одним из глубоко исследованных предположений является космологическая инфляция, которая постулирует, что очень рано в своей истории вселенная испытала гигантское и быстрое расширение. Это растянуло и уменьшило любые из ее начальных особенностей, какими бы они ни были, и привело к большой, относительно лишенной характерных черт вселенной, которую мы наблюдаем. Инфляция также предсказывает структуры в КМФ, очень похожие на те, которые видны в наблюдениях.

Несколько лет назад наблюдатели сообщили о подтверждении новых особенностей в микроволновом фоне, а именно — негауссовости, что не предсказывалось обычной теорией инфляции^[67]. (Не имеет значения, что такое негауссовость; все, что нам необходимо знать об этой истории, что это структура, которая может наблюдаться в КМФ и которая не должна возникать по предсказаниям стандартной теории инфляции). У нас есть две возможности для объяснения новых наблюдений: Мы можем модифицировать теорию или мы можем модифицировать начальные условия.

Теория инфляции согласуется с Ньютоновской парадигмой, так что ее предсказания зависят от начальных условий, на которые действуют законы. В течение дней с момента публикации первой статьи, представившей свидетельства негауссовости, появились статьи, пытающиеся объяснить наблюдения. Одни модифицировали законы, другие модифицировали начальные условия. Обе стратегии преуспели в объяснении задним числом заявленных наблюдений — действительно, любая стратегия может работать, если ответ уже известен^[68]. Как обычно бывает на передовом рубеже наблюдательной науки, дальнейшие наблюдения не подтвердили начальные утверждения. Как об этом пишут, мы все еще не знаем, есть ли на самом деле негауссовость в КМФ^[69].

Это пример случая, в котором имеются два различных способа подгонки теории под данные. Если мы рассматриваем ситуацию, что законы и начальные условия описываются некоторыми параметрами, имеются две отдельные подгонки параметров под наблюдаемые данные. Наблюдатели называют этот вид ситуации вырождением. Обычно, если имеет место вырождение, мы делаем дополнительные наблюдения, чтобы различить, какая подгонка корректна. Но в случае, подобном КМФ, который является следом события, произошедшего лишь однажды, мы можем никогда не суметь разрешить ситуацию вырождения. Специально задавая пределы того, насколько хорошо мы можем измерять КМФ, возможно, что мы не сможем отвязать объяснение, базирующееся на модификации законов, от объяснения, базирующегося на модификации начальных условий^[70]. Но без способности отделить роль законов от роли начальных условий Ньютоновская парадигма теряет свою мощь в объяснении причин физических явлений.

* * *

Мы готовы поменять ожидания, которые руководили физикой со времен Ньютона до совсем недавних времен. Некогда мы думали о теориях типа механики Ньютона или квантовой механики как о кандидатах на фундаментальную теорию, которая — если она успешна — могла бы быть совершенным зеркалом естественного мира в том смысле, что любая вещь, справедливая в отношении природы, отражалась бы в математическом факте, справедливом в отношении теории. Сама структура Ньютоновской парадигмы, основанная на вневременных законах, действующих на вневременном конфигурационном пространстве, мыслилась достаточной для этого зеркального отображения. Я предполагаю, что это стремление было метафизической фантазией, гарантированно приводящей к вышеупомянутой дилемме и путанице, как только мы пытаемся применить парадигму к целой вселенной. Это положение требует переоценки статуса теорий в рамках Ньютоновской парадигмы — от статуса кандидатов на фундаментальные теории к статусу приблизительных описаний малых подсистем вселенной. Это переоценка, которая уже имела место среди физиков и состояла в двух связанных изменениях во взглядах:

(1) Все теории, с которыми мы работаем, включая Стандартную Модель Физики Частиц и ОТО, являются приблизительными теориями, применимыми к отдельным срезам природы, которые включают в себя только ограниченный набор степеней свободы во вселенной. Мы называем такую приблизительную теорию эффективной теорией.

(2) Во всех наших экспериментах и наблюдениях, касающихся отдельных срезов природы, мы записываем величины ограниченного набора степеней свободы и игнорируем все остальное. Итоговые записи сравниваются с предсказаниями эффективных теорий.

Так что успех физики до сегодняшнего дня всецело основан на изучении срезов природы, которые моделировались эффективными теориями. Искусство изучения физики на экспериментальном уровне всегда заключалось в построении эксперимента, когда изолировалось и изучалось несколько степеней свободы иигнорировалось все остальное во вселенной. Методологии теоретиков нацеливались на изобретение эффективных теорий для моделирования срезов природы, которые изучали экспериментаторы. Никогда в истории физики мы не были в состоянии сравнить предсказания кандидата на по-настоящему фундаментальную теорию — под которой я понимаю теорию, которая не может быть понята как эффективная теория, — с экспериментом.

Позвольте мне объяснить указанные позиции подробнее:

Экспериментальная физика является изучением срезов природы.

Подсистема вселенной, моделируемая так, как если бы она была единственной вещью во вселенной, пренебрегая всем за пределами этой подсистемы, называется изолированной системой. Но мы никогда не должны забывать, что изоляция от целого никогда не бывает полной. Как отмечалось, в реальном мире всегда имеются взаимодействия между любой подсистемой, которую мы можем определить, и вещами за ее пределами. В той или иной степени подсистемы вселенной всегда являются тем, что физики называют открытыми системами. Это ограниченные системы, которые взаимодействуют с вещами, находящимися за пределами их границ. Так что когда мы делаем физику в ящике, мы аппроксимируем открытую систему изолированной системой.

Большое искусство экспериментальной физики заключается в превращении открытой системы в (приблизительно) изолированную систему. Мы никогда не можем сделать это совершенным образом. Для одних вещей измерения, которые мы делаем над системой, вторгаются в нее. (Это большая проблема в интерпретации квантовой механики; но на данный момент будем придерживаться макромира). Каждый эксперимент есть битва за выделение данных, которые вы хотите получить, из неизбежного присутствия помех, приходящих из-за пределов вашей несовершенно изолированной системы. Экспериментатор тратит большие усилия, чтобы убедить себя и коллег, что виден реальный сигнал, выделенный из шума, и мы сделали все, что смогли, чтобы уменьшить влияние шума.

Мы защищаем наши эксперименты щитами от засорения внешними вибрациями, полями и радиацией. Для многих экспериментов этого хватает, но некоторые эксперименты столь тонки, что на них влияют помехи от космических лучей, попадающих в детекторы. Чтобы хорошо изолировать лабораторию от космических лучей, вы можете разместить ее в шахте на глубине в несколько миль; именно так мы делаем для детектирования нейтрино от Солнца. Это уменьшает хаотический фоновый шум от сторонней радиации до контролируемых величин, хотя нейтрино все еще проходят. Но нет практически никакого способа изолировать лабораторию от нейтрино. Детекторы нейтрино, спрятанные глубоко в лед на Южном полюсе, записывают нейтрино, которые проникли с Северного полюса и прошли весь путь сквозь Землю.

Даже если бы вы смогли построить стену астрономической толщины и плотности, экранирующую от нейтрино, все еще остается кое-что, что может проникнуть, и это гравитация. В принципе ничто не может экранировать силу гравитации или остановить распространение гравитационных волн, так что ничто не может быть изолировано совершенным образом. Я раскрыл это важное обстоятельство при подготовке своей диссертации на степень доктора философии. Я хотел смоделировать ящик, содержащий гравитационные волны, отражающиеся назад и далее внутрь, но мои модели потерпели неудачу, поскольку гравитационные волны проходят прямо через стенки. Я представлял себе повышение плотности стенок ящика все выше и выше до точки, где они стали бы отражать гравитационное излучение, но перед этим я достиг точки, в которой модель показала коллапс материала стенок в черную дыру. Поломав голову некоторое время по этому поводу, пытаясь тем или иным способом избежать этого, я в конце концов осознал, что препятствие, которое я хотел было преодолеть, само по себе является куда более интересным открытием, чем то, на котором я пытался сделать работу. После некоторых дальнейших размышлений я смог показать, сделав только несколько предположений, что, ни одна стена не может экранировать гравитационные волны^[71]. Не имеет значения, из чего стена сделана или насколько она толста или плотна. Чтобы прийти к этому заключению, я предположил только что верны законы ОТО, что содержащаяся в материи энергия положительна и что звук не может двигаться быстрее света.

Это означает — не только на практике, но и в принципе — что в природе нет вещей и систем, изолированных от влияния остальной вселенной. Это заключение достойно возведения в принцип, который я буду называть принципом отсутствия изолированных систем.

Есть и другая причина, почему модель открытой системы в виде системы изолированной всегда является аппроксимацией, заключающаяся в том, что мы не можем предвидеть хаотические разрушительные вторжения. Мы можем измерять, предвидеть и работать с шумом. Но внешний мир может существенно ухудшить наши попытки изолировать нашу систему Самолет может потерпеть крушение в здании, где расположена наша лаборатория, или его может опрокинуть землетрясение. Астероид может столкнуться с Землей. Облако темной материи может пройти через солнечную систему, возмутить земную орбиту и забросить нас в Солнце^[72]. Или может быть, кто-то выключит электричество в лаборатории, щелкнув выключателем в подвале. Список вещей, которые могут привести к нарушению хода нашего эксперимента в этой большой вселенной, фактически, бесконечен. Когда мы моделируем эксперимент, как если бы он был над изолированной системой, мы исключаем из нашей модели все эти возможности.

Чтобы объединить все, что может посягнуть на нашу лабораторию извне, потребовалась бы модель всей вселенной. Мы не можем делать физику, не исключая все указанные возможности из моделей и расчетов. Кроме того, исключать их, в принципе, означает основывать нашу физику на аппроксимациях.

Эффективные, но приблизительные теории.

Все главные теории физики есть модели отдельных срезов природы, произведенных экспериментаторами. Они могут представляться как фундаментальные теории, когда они изобретались, но со временем теоретики пришли к пониманию, что они суть эффективные описания ограниченного числа степеней свободы.

Физика частиц обеспечивает хороший пример роли эффективных теорий. Эксперименты до сегодняшнего дня изучали фундаментальную физику только вплоть до определенного масштаба длин вниз. На сегодня это около 10–17 сантиметров; зондирование этого расстояния начато на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе. Это означает, что Стандартная Модель Физики Частиц, которая до сих пор согласуется со всеми известными экспериментами, должна рассматриваться как аппроксимация (сверх того факта, что она ничего не говорит по поводу гравитации). Она игнорирует неизвестные на сегодня явления, которые могут появиться, когда мы сможем прозондировать более короткие расстояния.

В квантовой физике вследствие принципа неопределенности имеется обратная зависимость между масштабом длины и энергией. Чтобы прозондировать определенный масштаб длин, нам нужны частицы или излучение не менее чем определенной энергии. Чтобы подойти к более коротким расстояниям, нам нужны высокоэнергетические частицы. Так что наименьший предел шкалы длин, который мы можем достигнуть, базируется на верхнем пределе энергий наблюдаемых нами процессов. Но поскольку энергия и масса одно и то же (в соответствии с СТО), это означает, что если мы исследовали только энергии до определенного масштаба, мы могли бы проигнорировать частицы, слишком массивные, чтобы они могли быть до сих пор созданными в наших коллайдерных экспериментах. Потерянные явления могли бы включать не только новые виды элементарных частиц, но также и прежде неизвестные силы. Или могло бы оказаться, что базовые принципы квантовой механики не верны и требуют модификации до точного описания феноменов, скрытых при более коротких длинах и высоких энергиях.

Из-за этих проблем мы говорим о Стандартной Модели как об эффективной теории, одной из теорий, совместимых с экспериментом, но применимой только в пределах определенной области.

Понятие эффективных теорий ниспровергает некоторые поношенные понятия, такие как банальность, что простота и красота являются отличительными признаками истины. Поскольку мы не знаем, что могло бы скрываться при более высоких энергиях, многие гипотезы физики за пределами их области определения согласуются с той или иной эффективной теорией. Так что эти эффективные теории имеют внутреннюю простоту, поскольку они должны быть согласованы с простейшим и наиболее элегантным путем, которым они могли бы быть расширены на неизвестные области. Большая часть элегантности ОТО и Стандартной Модели объясняется пониманием их как эффективных теорий. Их красота является следствием их свойства быть эффективными и приблизительными. Тогда простота и красота являются не признаками истины, а признаками хорошо сконструированной приблизительной модели для ограниченной области явлений^[73].

Понятие эффективной теории представляет вызревание профессии теории элементарных частиц. Наши юные романтические личности мечтали, что мы имеем фундаментальные законы природы в наших руках. После нескольких десятилетий работы со Стандартной Моделью мы теперь более уверены, что она корректна в пределах ограниченной области, в которой она проверена, и одновременно менее уверены в ее расширяемости за пределы этой области. Не похоже ли это сильно на реальную жизнь? По мере того, как мы становимся старше, мы копим уверенность в том, что мы реально знаем, и одновременно находим, что все легче игнорировать то, чего мы не знаем.

Это может показаться разочаровывающим. Физика предполагается существующей для открытия фундаментальных законов природы. Эффективная теория по определению не такая. Если у вас слишком наивный взгляд на науку, вы можете думать, что теория не может одновременно соответствовать всем уже проведенным экспериментам и рассматриваться, в лучшем случае, как приближение к истине. Концепция эффективной теории важна, поскольку она выражает это тонкое различие.

Это также показывает, как мы понимаем прогресс в физике элементарных частиц. Это говорит нам, что физика есть процесс конструирования все лучших и лучших приблизительных теорий. Когда мы продвигаем наши эксперименты к более коротким расстояниям и более высоким энергиям, мы можем открыть новые явления, и, если это удалось, нам понадобится новая модель, чтобы к ним приспособиться. Точно так же, как Стандартная Модель, это будет эффективная теория, хотя и применимая в более широкой области.

Понятие эффективной теории подразумевает, что прогресс в физике влечет за собой революции, которые полностью меняют концептуальную базу нашего понимания природы, хотя и сохраняют успех более ранних теорий. Ньютоновская физика может быть рассмотрена как эффективная теория, применимая к области, в которой скорость существенно меньше скорости света и могут игнорироваться квантовые эффекты. В пределах этой области она остается эффективной, как всегда и была.

ОТО это другой пример теории, которая однажды была кандидатом на фундаментальное описание природы, но которая теперь понимается как эффективная теория. С одной стороны, она не принимает во внимание область квантовых явлений. ОТО, в лучшем случае, является приближением к объединенной квантовой теории природы и может быть получена как усечение этой более фундаментальной теории.

Квантовая механика тоже является, вероятно, приближением к более фундаментальной теории. Одним из признаков этого является факт, что ее уравнения линейны — что означает, эффекты всегда прямо пропорциональны своим причинам. В любых других примерах, когда в физике используются линейные уравнения, известно, что теория появляется как аппроксимация к более фундаментальной (но все еще эффективной) теории, которая нелинейна (в том смысле, что эффекты могут быть пропорциональны более высоким степеням причин), и лучшей ставкой будет то, что это окажется верным и для квантовой механики тоже.

Является фактом, что каждая теория, которую мы до сих пор использовали в физике, была эффективной теорией. Будет отрезвляющим понять, что частью стоимости их успеха было осознание того, что они суть аппроксимации.

Мы все еще можем вынашивать амбиции по поводу изобретения фундаментальной теории, которая описывает природу без аппроксимаций. И логика, и история говорят нам, что это невозможно, пока мы придерживаемся Ньютоновской парадигмы. Так что столь замечательные теории, как Ньютоновская физика, ОТО, квантовая механика и Стандартная Модель, не могут быть шаблоном для фундаментальной космологической теории. Единственно возможный путь к такой теории заключается в том, чтобы обсуждать космологический вызов и разрабатывать теорию, не основанную на Ньютоновской парадигме, теорию, которая могла бы быть применена к целой вселенной без аппроксимаций.

10 Принципы новой космологии

Теперь мы начинаем поиск теории, которая действительно может быть теорией целой вселенной. Такая теория должна избежать космологической дилеммы, а также она должны быть фоново-независимой — не предполагать деления мира на две части, одна из которых содержит динамические переменные, которые эволюционируют, а другая содержит фиксированные структуры, обеспечивающие фон, чтобы придать смысл эволюционирующей части. Все, что утверждает теория, это что часть реальности должна определяться ее взаимосвязями с остатком реальности, что в известном смысле превращает его в субъект изменений.

Что мы должны требовать от правильной космологической теории?

— Любая новая теория должна содержать то, что мы уже знаем о природе. Нам нужно, чтобы текущие теории — Стандартная Модель Физики Частиц, ОТО и квантовая механика — возникали как приближения к неизвестной космологической теории всякий раз, когда мы ограничиваем наше внимание масштабами расстояний и времени, меньшими, чем космические.

— Новая теория должна быть научной. Настоящие объяснения показывают свою применимость, имея мириады неожиданных следствий. Тут могут быть не просто придуманные вещи, поскольку они выглядят красиво. Реальная теория должна заключать в себе особые проверяемые предсказания.

— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти законы?». Она должна давать нам глубокое понимание, как и почему были выбраны отдельные элементарные частицы и силы, описываемые Стандартной моделью. В особенности, она должна объяснять специальные и неправдоподобные значения фундаментальных констант, которые существуют в нашей вселенной, — параметров вроде масс элементарных частиц и интенсивностей различных сил, которые устанавливаются Стандартной Моделью.

— Новая теория должна отвечать на вопрос «Почему эти начальные условия?», объясняя, почему наша вселенная имеет свойства, которые кажутся необычными при сравнении с возможными вселенными, которые могут быть описаны теми же законами.

Это минимальные требования. Установив, что мы говорим о теории целой вселенной, коллективная мудрость физиков — содержащаяся в трудах великих умов, которые боролись за изобретение теорий естественного мира, среди которых Кеплер, Галилей, Ньютон, Лейбниц, Эрнст Мах и Эйнштейн — диктует, что мы можем точно определить несколько больше^[74]. Вот моя интерпретация того, чему эти мудрецы могли бы нас научить:

Объяснения такой теории, дающие особенности нашей вселенной, должны зависеть только от вещей, которые существуют или появляются внутри вселенной. Цепь объяснений не может указывать за пределы вселенной. Так что мы должны потребовать соблюдение принципа объяснительной замкнутости.

Чтобы быть научной, теории не требуется давать точный ответ на любой вопрос, который вы можете себе вообразить, но должно быть большое число вопросов, на которые мы верим, что смогли бы ответить, если бы мы знали вселенную более детально. Принцип достаточного обоснования Лейбница постулирует, что должен быть ответ на любой обоснованный вопрос, который мы можем задать о том, почему вселенная имеет некоторое особое свойство. Важный тест новой научной теории заключается в том, возрастает ли с ней число вопросов, на которые мы можем ответить. Прогресс возникает тогда, когда мы открываем причины тех аспектов вселенной, которые не могли быть объяснены более ранними теориями.

Принцип Лейбница имеет некоторые следствия, которые должны накладывать ограничения на космологическую теорию. Одно из них, что во вселенной не должно быть ничего, что действовало бы на другие вещи, не подвергаясь в свою очередь действию от них. Все влияния или силы должны быть обоюдными. Мы можем назвать это принципом отсутствия действий без взаимности. Эйнштейн ссылался на этот принцип для подтверждения своей замены Ньютоновской теории гравитации на ОТО. Его мыслью было, что Ньютоновское абсолютное пространство говорит телам, как двигаться, но ничего обратного не происходит; тела во вселенной не влияют на абсолютное пространство. Абсолютное пространство просто есть. В ОТО Эйнштейна взаимосвязь между материей и геометрией взаимна: Геометрия говорит материи, как двигаться, а материя, в свою очередь, влияет на кривизну пространства-времени. Также никто не может повлиять на течение Ньютоновского абсолютного времени. Ньютон предполагал, что оно течет одинаково, пуста ли вселенная или полна материей. В ОТО присутствие материи влияет на поведение часов.

В таком случае этот принцип запрещает ссылку на структуры фиксированного фона — объекты, чьи свойства постоянно фиксированы безотносительно к движению материи.

Эти фоновые структуры являются бессознательным физики, молча формируя наше мнение о придании смысла базовым концепциям, которые мы используем, чтобы представить мир. Мы думаем, что мы знаем, что означает «положение», поскольку мы делаем неосознанное допущение о существовании абсолютной системы отсчета. Некоторые из фундаментальных этапов в развитии физики состояли в осознании существования структуры фиксированного фона внутри вселенной, удалении этой структуры и замене ее на динамическую причину. Именно это делал Эрнст Мах, когда опровергал Ньютона, утверждая, что мы чувствуем головокружение, когда вращаемся, потому что мы движемся относительно материи во вселенной, а не относительно абсолютного пространства.

Если мы настаиваем на обоюдном действии и исключаем структуры фиксированного фона, мы имеем в виду, что каждый объект во вселенной развивается динамически, во взаимодействии с любым другим. В этом сущность философии реляционализма, которую обычно приписывают Лейбницу (вспомним наше обсуждение понятия «положение» в Главе 3). Мы можем расширить эту идею до утверждения, что все свойства в космологической теории должны отражать эволюционирующие взаимоотношения между динамическими объектами.

Но если свойства тела — свойства, по которым мы его идентифицируем и отличаем от других тел, — суть взаимоотношения с другими телами, то не может быть двух тел, которые имеют одинаковые взаимоотношения с остальной вселенной. Две вещи, которые имеют те же самые взаимосвязи со всем остальным во вселенной, должны на самом деле быть одной и той же вещью. Это другой принцип Лейбница, называемый идентичность неразличимых. Он тоже является следствием принципа достаточного обоснования, так как если имеются два разных объекта с одинаковыми взаимосвязями с остальным миром, нет оснований, чтобы они были как они есть и не обменивались бы местами. Это бы означало наличие фактов о мире, которые не имеют рационального объяснения.

Так что в природе не может быть фундаментальных симметрий. Симметрия есть преобразование физической системы, которое меняет местами ее части, в то же время оставляя теми же все ее физически наблюдаемые величины^[75]. Пример симметрии Ньютоновской физики есть трансляция подсистемы из одного места в пространстве в другое. Поскольку законы физики не зависят от того, где система находится в пространстве, предсказания будут неизменными, если лаборатория — и все, что может оказывать воздействие на экспериментальные результаты, — переместилась на шесть футов влево. Мы констатируем независимость экспериментальных результатов от положения в пространстве, говоря, что физика инвариантна относительно трансляции системы в пространстве.

Симметрии присущи всем известным нам физическим теориям. Некоторые из наиболее полезных орудий в инструментарии физиков используют наличие симметрий. Однако, если принципы Лейбница справедливы, симметрии не должны быть фундаментальными.

Симметрии возникают из акта трактовки подсистемы вселенной, как если бы она была единственной существующей вещью. Это только потому, что мы игнорируем взаимодействия между остальной вселенной и атомами в нашей лаборатории, так что не имеет значения, двигаем ли мы лабораторию в пространстве. Это также объясняет, почему не имеет значения, вращаем ли мы изучаемую нами подсистему. Не имеет значения, поскольку мы игнорируем взаимодействия между этой подсистемой и остатком вселенной. Если мы приняли эти взаимодействия во внимание, определенно вращение подсистемы стало бы иметь значение.

Но что если сама вселенная транслируется или вращается? Нет ли тут симметрии? Нет, поскольку не меняется ни одно относительное положение внутри вселенной. С реляционистской точки зрения не имеет смысла транслировать или вращать вселенную. Симметрии, такие как трансляции и вращения, тогда не являются фундаментальными; они возникают из разделения мира на две части, как это описывалось в предыдущей главе. Эти и другие симметрии являются свойством только приблизительных законов, применяемых к подсистемам вселенной.

Это имеет ошеломляющее следствие: Если эти симметрии приблизительны, тогда такими же являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Эти базовые законы сохранения зависят от допущения, что пространство и время симметричны относительно трансляций во времени, трансляций в пространстве и вращений. Связь между симметриями и законами сохранения является содержанием основополагающей теоремы, доказанной в начале 20-го столетия математиком Эмми Нётер^[76]. Я не хочу пытаться объяснить здесь ее доводы, но ее теорема является одной из опор физики и заслуживает большей известности.

Итак, неизвестная космологическая теория не будет иметь ни симметрий, ни законов сохранения^[77]. Некоторые специализирующиеся на частицах физики, находясь под впечатлением успеха Стандартной Модели, решили сказать, что чем более фундаментальной является теория, тем больше симметрии одна должна иметь. Это точно неверный урок, который можно извлечь^[78].

* * *

Мы подошли теперь к самому важному вопросу по поводу неизвестной космологической теории: Что она должна сказать о природе времени? Будет ли время ликвидировано, как в ОТО Эйнштейна? Исчезнет ли время, и будет возникать только когда необходимо, как в квантовой космологии Барбура? Или время будет играть существенную роль в отличие от любой из теорий со времен Ньютона?

Я уверен, что время необходимо для любой теории, которая отвечает на вопрос Почему такие законы? Если законы должны быть объяснены, они должны развиваться. Это обсуждалось Чарльзом Сандерсом Пирсом, которого я цитировал во Введении. Посмотрим на эту цитату еще раз, чтобы вычленить приведенный им довод. Он начинает: «Допускать, что универсальные законы природы поддаются постижению умом, и все еще не иметь обоснования для их особых форм, просто констатируя необъяснимость и иррациональность, едва ли является позволительной позицией».

Мы можем понимать это как изложение принципа достаточного обоснования Лейбница: Мы должны быть в состоянии сказать, почему законами являются открытые нами законы природы, а не какие-то другие. Пирс еще раз подчеркнул это в следующих двух предложениях: «Единообразие есть в точности тот сорт фактов, которые должны быть вычисленными… Закон поистине есть вещь, которая ожидает обоснования».

Это изложение вопроса Почему эти законы?. Факты о мире должны быть объяснены, а более всего требует объяснения факт, почему мы наблюдаем, что в нашей вселенной удерживаются конкретные законы.

Далее он утверждает, что «единственно возможный путь вычисления для законов природы и для единообразия в целом — предположить их результатом эволюции». Это сильное заявление. Пирс не приводит аргументов в пользу своего заключения, что законы должны развиваться; он просто утверждает, что это «единственно возможное» решение вопроса Почему эти законы? Я не знаю, приводил ли он когда-либо и где-либо в своих многочисленных рукописях и записных книжках доводы к своему заключению. Но вот один из доводов, который он мог бы сделать.

Наша задача объяснить, почему объект — в данном случае, вселенная — имеет особое свойство, а именно, что элементарные частицы и силы взаимодействуют посредством процессов, описываемых Стандартной Моделью Физики Частиц. Проблема манящая, поскольку мы знаем, что Стандартная Модель со своими особыми параметрами есть только один из гигантского числа возможных выборов законов природы. Так как же нам объяснить, почему объект имеет особые свойства из огромного набора возможных альтернатив?

Поскольку альтернатив много, мы не видим принципа, устанавливающего точные законы. Если нет необходимого обоснования для выбора, то должно быть некоторое обоснование, почему не хватает логической необходимости. Это могут быть или могли бы быть случаи, в которых выбор был сделан по-разному. Как нам объяснить, как был сделан выбор в случае нашей вселенной?

Если на самом деле имеется только один случай, никогда не будет достаточного объяснения, потому что в силу самого факта не существует логического принципа, который определил бы выбор. Достаточное объяснение требует, чтобы были другие вселенные, с самого начала обеспеченные законами. Что означает, должно было быть более чем одно событие, подобное нашему Большому Взрыву, в котором были выбраны законы природы. (Для простоты мы предполагаем, что законы выбраны при таком драматическом событии как наш Большой Взрыв; мы, безусловно, не имеем подтверждений, что законы природы с тех пор изменились).

Тогда вопрос заключается в том, как организованы Большие Взрывы — события, выбирающие законы. Тут мы можем сослаться на принцип, что вселенная должна быть замкнута с объяснительной и причинной точек зрения. Это означает, мы допускаем, что вселенная содержит все цепочки причин, необходимых для объяснения чего угодно внутри нее. Если мы хотим объяснить, как при нашем Большом Взрыве были выбраны эффективные законы, мы можем обратиться только к событиям в прошлом Большого Взрыва. И мы можем применить ту же самую логику для причин выбора законов, сделанного при Взрыве приоритетными для нас. Таким образом, должна быть последовательность Взрывов, бесконечно распространяющаяся назад в прошлое. Выберем произвольную стартовую точку много Взрывов назад и проследим за выборами законов вперед. Мы увидим, что законы эволюционируют в процессе достижения нашей сегодняшней вселенной. Так мы дошли до заключения Пирса, что если мы надеемся объяснить законы, эти законы должны развиваться^[79].

Взрывы могут быть чисто последовательными или могут ветвиться — в прошлое, или в будущее, или в обоих направлениях. Мы можем сконструировать различные гипотезы, вроде того, есть ли ветвление и как в точности при этих событиях происходит модификация законов природы. Во всех этих случаях мы будем объяснять выбор законов, сделанный в самом последнем Большом Взрыве, только в терминах событий в его причинном прошлом. Сценарий такого вида вполне может быть проверен экспериментально; события перед нашим Большим Взрывом могут быть наблюдаемы через информацию, сохранившуюся (если это имеет место) в остатке, пережившем рождение нашей вселенной. В Главах 11 и 18 мы увидим примеры сделанных теорией предсказаний, которые позволяют законам природы развиваться до нашего Большого Взрыва.

Однако, если Большой Взрыв не имеет прошлого, выбор законов и начальных условий произволен, и таких тестов не будет. Также не будет никаких тестов сценариев, в которых существует огромная или бесконечная популяция вселенных, чьи Большие Взрывы все целиком причинно не связаны с нашей вселенной. В научной космологии постулирование параллельных вселенных, вселенных, которые причинно с нашей не связаны, не может помочь нам объяснить свойства нашей собственной вселенной. Мы приходим к заключению, что единственный путь получить научную космологическую теорию, которая способна делать фальсифицируемые предсказания, это если законы эволюционируют во времени. (Предсказание теории фальсифицируемо, если она могла бы быть опровергнута выполнимым экспериментом).

Роберто Мангабейра Унгер определяет это более элегантно^[80]. Время или реально, или нет. Если время не реально, то законы не зависят от времени — но тогда выбор законов необъясним по причинам, которые мы уже обсудили. Если, с другой стороны, время действительно реально, то ничто, даже законы, не может длиться вечно. Если законы природы действуют вечно, мы находимся в Ньютоновской парадигме, и вы можете использовать их, чтобы свести любое свойство мира в более позднее время к свойству в более раннее время. Или, что эквивалентно, вы могли бы заменить любую физическую причинность логическим выводом. Так что реальность времени означает, что законы не длятся вечно. Они должны эволюционировать.

Понятие вневременных законов также нарушает реляционистский принцип, что ничто во вселенной не действует без того, чтобы было обратное действие на него. Если вы отдаете предпочтение исключению законов природы из этого принципа, рассматривая их как нечто вне вселенной, вы ставите законы вне области рационального объяснения. Чтобы сделать законы объяснимыми, вы должны рассматривать их как столь же значительную часть мира, как и частицы, на которые они действуют. Это приводит законы к статусу изменяемых и причинно обусловленных. Они становятся объяснимыми, только когда они принимают участие в танце изменений и взаимного влияния, которое делает мир единым целым.

Хотя у нас еще нет космологической теории, мы уже кое-что о ней знаем, если озвучены выдвинутые мной принципы:

— Она должна содержать то, что мы уже знаем о природе, но как приближение.

— Она должна быть научной; это означает, что она должна делать проверяемые предсказания для выполнимых экспериментов.

— Она должна решать проблему Почему такие законы?

— Она должна решать проблему начальных условий.

— Она не должна постулировать ни симметрий, ни законов сохранения.

— Она должна быть замкнутой с причинной и объяснительной точек зрения. Ничто за пределами вселенной не должно быть необходимым, чтобы объяснить любую вещь внутри вселенной.

— Она должна удовлетворять принципу достаточного обоснования, принципу отсутствия действия без взаимности и принципу идентичности неразличимых.

— Ее физические переменные должны описывать эволюционирующие взаимосвязи между динамическими объектами. Не должно быть фоново-зависимых структур, в том числе фиксированных законов природы. Отсюда законы природы развиваются, что подразумевает реальность времени.

Принципы хороши, но на деле нам нужны гипотезы, приводящие к теориям, которые делают проверяемые предсказания. В следующих нескольких главах я опишу некоторые примеры гипотез и теорий, которые реализуют эти принципы, и мы увидим, что эти принципы действительно ведут к проверяемым гипотезам.

11 Эволюция законов

Главное послание Части II до сих пор заключалось в том, что для прогресса космологии физика должна отказаться от идеи, что законы не зависят от времени, и принять вместо этого идею, что они эволюционируют в реальном времени. Этот переход необходим, так что мы можем достичь космологической теории — той, которая объясняет выбор законов и начальных условий, — которая проверяема и даже уязвима для фальсификации через выполнимые эксперименты. Сделав (я надеюсь) это дело в принципе, я продемонстрирую в данной главе объяснение и предсказание наблюдаемых результатов с помощью сравнения применимости двух теорий, одной вневременной и одной с эволюционирующими законами.

Теория, в которой законы эволюционируют, называется космологический естественный отбор, который я разработал в конце 1980-х и опубликовал в 1992^[81]. В этой статье я сделал два предсказания, которые могли бы быть фальсифицированы в течение двух десятилетий с того момента, но не были. Конечно, это не доказывает, что теория корректна, но, по меньшей мере, я показал, что теория эволюционирующих законов может объяснить и предсказать реальные черты нашего мира.

Для примера вневременной теории я возьму версию сценария множественных вселенных, названную вечная инфляция, предложенную в 1980-х Александром Виленкиным и Андреем Линде и с тех пор широко изученную^[82]. Вечная инфляция бывает в разных формах, отражающих факт, что некоторые из ее гипотез регулируются. Чтобы рассмотреть мой вопрос, я выбрал одну простую форму, которая лучше всего соответствует слову «вечная», поскольку она дает не зависящую от времени картину мультивселенной. Имеются и другие версии инфляционных мультивселенных, в которых время играет более существенную роль, и в той степени, в какой они включают подлинное понятие эволюционирующих законов, они разделяют некоторые аспекты космологического естественного отбора.

Одна из причин, по которой космологические сценарии с эволюционирующими законами преуспевают в выдаче реальных предсказаний, состоит в том, что они не полагаются на антропный принцип — который устанавливает, что мы можем жить только во вселенной, чьи законы и начальные условия создали благоприятный для жизни космос, — чтобы соединить мультивселенную со вселенной, которую мы наблюдаем. Одной из задач этой главы является опровержение утверждения, что антропный принцип может играть роль в создании предсказательной теории.

Космологический естественный отбор был темой моей первой книги, Жизнь Космоса, так что я опишу его только в тех деталях, которые достаточны для прояснения вопроса, почему эволюция законов во времени приводит к их фальсифицируемому объяснению^[83].

Основной гипотезой космологического естественного отбора является то, что вселенные воспроизводятся через создание новых вселенных внутри черных дыр. Наша вселенная, таким образом, суть отпрыск другой вселенной, родившийся в одной из черных дыр последней, и каждая черная дыра в нашей вселенной есть семя новой вселенной. В рамках этого сценария мы можем применить принципы естественного отбора. Механизм естественного отбора, который я использую, базируется на методах популяционной биологии, служащих для объяснения, как могут быть выбраны некоторые управляющие системой параметры, что делает ее более сложной, чем она могла бы быть в ином случае. Применение естественного отбора для объяснения сложности системы требует следующего:

— Пространство параметров, которые меняются среди популяции. В биологии этими параметрами являются гены. В физике это константы Стандартной Модели, включая массы различных элементарных частиц и интенсивности основных сил. Эти параметры формируют разновидность конфигурационного пространства для законов природы — пространство, названное ландшафтом теорий (термин заимствован из популяционной биологии, где пространство генов названо ландшафтом приспособленности).

— Механизм воспроизводства. Я перенял старую идею, предложенную мне моим наставником Брюсом ДеВиттом после защиты докторской, которая заключается в том, что черные дыры приводят к рождению новых вселенных. Это является следствием гипотезы, что квантовая гравитация устраняет сингулярности, где время начинается и заканчивается — гипотезы, для которой имеются хорошие теоретические основания. Наша вселенная имеет огромное количество черных дыр, по меньшей мере, миллиард миллиардов, что означает очень большую популяцию потомков. Мы можем предположить, что наша вселенная сама является частью линии поколений, простирающейся далеко в прошлое.

— Изменчивость. Естественный отбор работает частично, поскольку гены хаотически мутируют или рекомбинируют во время воспроизводства, так что геномы потомков отличаются от генома любого из родителей. Аналогично мы можем предположить, что всякий раз, когда рождается новая вселенная, имеется небольшое хаотическое изменение в параметрах законов. Так что мы можем отметить на ландшафте точку, соответствующую величинам параметров этой вселенной. Результатом является гигантская и растущая коллекция точек на ландшафте, представляющих вариации параметров законов по мультивселенной.

— Различия в приспособленности. В популяционной биологии приспособленность индивидуума есть мера его репродуктивной успешности — то есть, насколько много он производит потомков, которые процветают достаточно долго, чтобы иметь своих собственных детей. Приспособленность вселенной тогда есть мера того, насколько много она рождает черных дыр. Число оказывается чувствительно зависящим от параметров. Не так легко сделать черную дыру; по этой причине многие параметры приводят к вселенным, которые вообще не имеют черных дыр. Немного параметров приводят к вселенным, которые имеют очень много черных дыр. Эти вселенные занимают очень малую область в пространстве параметров. Мы будем предполагать, что эти крайне плодородные области в пространстве параметров представляют собой острова, окруженные намного менее плодородными областями.

— Типичность. Мы также предположим, что наша собственная вселенная является типичным представителем популяции вселенных и что эта популяция возникла после многих поколений. Тогда мы можем предсказать, что любые свойства, разделяемые большинством вселенных, являются свойствами нашей собственной вселенной^[84].

Сила естественного отбора как методологии в том, что из этих минимальных допущений могут быть выведены строгие заключения. Основное следствие в том, что после многих поколений большинство вселенных будут иметь параметры внутри областей с высшим плодородием. Следовательно, если мы изменим параметры типичной вселенной, результатом, вероятнее всего, будет вселенная, которая формирует намного меньше черных дыр. Поскольку наша вселенная типична, это должно быть верно и для нашей вселенной.

Это предсказание, которое может быть косвенно проверено. Мы уже знаем, что многие способы изменения параметров Стандартной Модели приводят к вселенным без долгоживущих звезд, необходимых для производства углерода и кислорода. И, что замечательно, углерод и кислород необходимы для охлаждения газовых облаков, в которых формируются массивные звезды, которые порождают черные дыры. Другие пути изменения параметров ослабляют сверхновые, которые не только приводят к черным дырам, но и выбрасывают энергию в межзвездную среду — энергию, которая управляет коллапсом облаков, а значит, формирует новые массивные звезды. Мы уже знаем, по меньшей мере, восемь способов слегка изменить параметры Стандартной Модели, что могло бы привести к вселенным с меньшим количеством черных дыр^[85].

Итак, космологический естественный отбор предлагает настоящее объяснение тому, почему параметры Стандартной Модели появились тонко настроенными для вселенной, которая заполнена долгоживущими звездами, которые со временем обогатили вселенную углеродом, кислородом и другими элементами, необходимыми для химической сложности. Этой сложностью наша вселенная не обделена. Параметры, чьи величины в большей или меньшей степени объясняются так, включают массы фотона, нейтрона, электрона и электронного нейтрино, а также величины четырех сил. Имеется бонус: В то время как объяснение включает максимизацию производства черных дыр, следствием является появление вселенной, благоприятной для жизни.

Более того, гипотеза космологического естественного отбора делает некоторые реальные предсказания, которые фальсифицируются выполнимыми в настоящее время наблюдениями. Одно из них, что самые массивные нейтронные звезды не могут быть тяжелее определенного лимита. Идея в том, что сверхновая оставляет после взорвавшейся звезды центральную область. Это ядро коллапсирует или в нейтронную звезду, или в черную дыру. Что именно из них возникает, зависит от того, насколько велика масса ядра; нейтронная звезда может существовать, только если ее масса ниже определенной критической величины. Если космологический естественный отбор верен, эта критическая величина должна быть настроена настолько малой, насколько это возможно, поскольку, чем она меньше, тем больше будет сделано черных дыр.

Оказывается, что есть несколько возможностей, из чего могут быть сделаны нейтронные звезды. Одна возможность это просто нейтроны, в этом случае критическая масса могла бы быть скорее высокой, между 2,5 и 2,9 масс Солнца. Но другая возможность заключается в том, что центр нейтронной звезды содержит экзотические частицы, называемые каоны. Это должно понизить критическую массу по сравнению с чисто нейтронной моделью. Однако размеры этого понижения зависят от деталей теоретического моделирования; различные модели дают критическую массу где-то между 1,6 и 2 солнечных масс.

Если космологический естественный отбор верен, мы могли бы ожидать, что природа воспользовалась возможностью создать каоны в центре нейтронных звезд для снижения критической массы. Оказывается, что это могло бы быть сделано путем тонкой настройки массы каона до достаточно легкой; это может быть сделано, без влияния на темп формирования звезды, путем тонкой настройки массы странного кварка. Когда космологическийестественный отбор был впервые предложен, самая тяжелая из известных нейтронных звезд имела массу менее 1,5 от массы Солнца. Но недавно была обнаружена нейтронная звезда, имеющая массу немногим менее двух масс Солнца. Это могло бы опровергнуть космологический естественный отбор, если масса каонно-нейтронных звезд находится на нижнем конце теоретического диапазона, но теория еще может соответствовать действительности, если правильный ответ находится на верхнем конце теоретической оценки, которая также равна двум массам Солнца.

Однако имеются менее точно измеренные нейтронные звезды, чья масса оценивается в две с половиной массы Солнца^[86]. Если эти изыскания будут поддержаны более точными измерениями, космологический естественный отбор будет фальсифицирован^[87].

Другое предсказание вытекает из размышлений о неожиданном свойстве ранней вселенной, заключающемся в ее экстремальной упорядоченности. Распределение материи в ранней вселенной, известное из наблюдений КМФ, лишь слабо варьируется от места к месту. Почему так было? Почему вселенная не началась с большими колебаниями плотности? Если имелись большие неоднородности плотности, более плотные регионы могли бы сколлапсировать прямо в черные дыры. Если вариации в плотности были достаточно большие, эти так называемые изначальные черные дыры могли бы заполнить раннюю вселенную, приведя ее к миру с намного большим количеством черных дыр, чем в нашем собственном мире. Это, кажется, фальсифицирует предсказание космологического естественного отбора, что нет способа сделать малое изменение в параметрах законов физики, чтобы создать вселенную с большим количеством черных дыр, чем наша собственная.

Космологи описывают вариации в плотности материи параметром, называемым масштабом флуктуаций плотности. Это не параметр Стандартной Модели Физики Частиц, но имеются модели ранней вселенной, в которых есть настраиваемые параметры, которые могут повысить флуктуации плотности, и справедливо задать вопрос, не являются ли они несовместимыми с космологическим естественным отбором. В большинстве версий инфляции имеется параметр, который может быть увеличен, чтобы повысить уровень флуктуаций плотности и, тем самым, наводнить вселенную изначальными черными дырами. Но в некоторых из простейших инфляционных моделей увеличение этого параметра сокращает вселенную путем резкого ограничения времени, в течение которого вселенная может подвергаться инфляции. Итогом является намного меньшая вселенная, которая, хотя и заполнена изначальными черными дырами, в целом имеет намного меньше черных дыр, чем наша собственная вселенная^[88]. Это означает, что космологический естественный отбор совместим только с простой теорией инфляции, которая не может устроить перепроизводство изначальных черных дыр. Если будет найдено подтверждение, что инфляция происходит способом, требующим более сложной теории, космологический естественный отбор должен быть исключен^[89]. Следовательно, то, что нет такого подтверждения, является предсказанием космологического естественного отбора.

Конечно, правильной теорией очень ранней вселенной может оказаться не инфляция, но эти примеры служат для демонстрации того, что космологический естественный отбор уязвим перед опровержением со стороны открытия любого механизма, действующего в ранней вселенной, который может произвести много изначальных черных дыр^[90].

Космологический естественный отбор немыслим вне контекста, в котором время реально. Одна из причин в том, что все, что необходимо заявить, это что наша вселенная имеет только преимущество относительной подгонки перед вселенными, отличающимися малым изменением в параметрах. Это очень слабое условие. Нам не надо допускать, что параметры нашей вселенной имеют большую вероятность; вполне могут быть другие выборы параметров, приводящие к еще более плодородной вселенной. Все, что предсказывает сценарий, это что они не могут быть достигнуты за счет малых изменений в существующих величинах.

Таким образом, популяция вселенных может быть разнообразна, может состоять из множества видов, каждый из которых относительно плодороден по сравнению с другими, которые слегка отличаются. Набор видов вселенных будет непрерывно изменяться во времени, по мере того, как путем проб и ошибок открываются новые способы быть плодородной. Таким же образом работает биология. Нет максимально приспособленных видов, которые сохраняются навсегда; вместо этого каждая эра в истории жизни характеризуется различными наборами видов, которые все приспособлены относительно. Жизнь никогда не достигает равновесного или идеального состояния; она всегда развивается. Сходным образом, какие бы законы ни были типичными в популяции вселенных, они будут изменяться во времени, так что популяция развивается. Там, где конечное состояние, — в котором, один раз его достигнув, коктейль вселенных будет оставаться тем же самым — время должно будет прекратиться, и мы сможем сказать, что достигнуто вневременное равновесие. Но сценарий естественного отбора не предполагает или не подразумевает это. Время в сценарии космологического естественного отбора всегда присутствует.

Более того, сценарий требует, чтобы время было универсальным так же, как и реальным. Популяция вселенных быстро развивается, вырастая в любой момент, любая вселенная создает черную дыру. Если мы выводим из теории предсказания, она должна установить, как много вселенных имеют такие и такие свойства в каждый момент времени. Это время должно иметь смысл не только на протяжении каждой вселенной, но и по всей популяции. Так что нам нужно понятие времени, которое дает нам картину одновременности внутри каждой вселенной и на протяжении всей популяции^[91].

* * *

Теперь сравним все это со случаем вечной инфляции. Ранняя вселенная постулируется как подверженная инфляции, поскольку квантовые поля, отвечающие за ее частицы и силы, находятся в фазе, которая производит очень большую темную энергию. Это приводит вселенную к экспоненциально быстрому расширению. Инфляция обычно прекращается, когда в результате фазового перехода формируется пузырь. Это аналоги пузыря водяного пара, возникающего в нагреваемом котелке с водой; пузырь содержит газообразную фазу воды, которая формируется из жидкой фазы. В космологическом сценарии пузырь содержит фазу квантовых полей, которой недостает темной энергии, так что его расширение замедляется, и он становится нашей вселенной.

Виленкин и Линде заметили, что в окружающей среде, все еще содержащей большую темную энергию, будет продолжаться быстрая инфляция. Формируется много пузырей, которые затем становятся другими вселенными, как и наша собственная. Они нашли, что при определенных условиях процесс может продолжаться всегда, поскольку подверженная инфляции среда никогда никуда не девается, даже если она производит бесконечное число пузырей вселенных. Если этот сценарий правильный, то наша вселенная лишь один из бесконечного числа сформированных пузырей в вечно подверженной инфляции среде.

В простейшей версии, на которую я буду ориентироваться для целей нашего обсуждения, законы, которые управляют каждым пузырем, выбираются хаотически из ландшафта возможных законов^[92]. Во многих обсуждениях этот ландшафт предполагается заданным различными теориями струн, но любая теория с изменяющимися параметрами, включая саму Стандартную Модель, будет действовать.

В простейшем случае доля пузырей, которые выбирают каждый закон, постоянна, так что по мере производства все большего и большего числа пузырей вселенных вероятности сохранения различных законов во всей популяции остаются теми же самыми. В таком простом сценарии время и динамика не играют роли в том, как законы нашей вселенной определяются среди всех других (возможно, бесконечного числа) возможностей. Таким образом, распределение вселенных (то есть, вероятностей для вселенных иметь различные законы и свойства) достигает некоторой разновидности равновесия и остается таким навсегда. Сценарий в этом смысле вневременной, что дает хороший пример противоположности по отношению к космологическому естественному отбору.

Поскольку законы в каждом пузыре выбираются хаотически, вселенные с тонко настроенными законами, необходимые для существования жизни, чрезвычайно редки. Так что наша вселенная оказывается нетипичной вселенной в популяции пузырей вселенных.

Чтобы соединить данный сценарий с наблюдениями нашей вселенной, космологи должны обратиться к антропному принципу, который, как отмечено, устанавливает, что мы можем жить только во вселенной, чьи законы и начальные условия создают гостеприимный для жизни мир. Антропный принцип заставляет нас выбрать ничтожную долю гостеприимных вселенных из несопоставимо большей коллекции безжизненных миров, поскольку мы могли бы находиться только в одной из первых.

Замечательно, что имеется много общего в списке особенностей, делающих мир гостеприимным для жизни и делающих мир способным производить много черных дыр. Так что две теории — космологический естественный отбор и антропный принцип — по-видимому, объясняют некоторые из тех же тонко настроенных параметров Стандартной Модели. Но отметим, насколько различны эти объяснения. В космологическом естественном отборе наш мир является типичной вселенной и большая часть популяции будет разделять особенности, которые дают вселенной высокую приспособленность, тогда как в мультивселенной вечной инфляции миры вроде нашего экстремально редки. В первом случае мы имеем настоящее объяснение, в последнем — только принцип отбора.

Эти различные виды объяснения отличаются и в их способности делать подлинные предсказания еще не наблюдавшихся особенностей вселенной. Как мы видели, космологический естественный отбор уже предложил несколько настоящих предсказаний. Но сценарии, привлекающие антропный принцип как объяснение законов и начальных условий для нашей вселенной, до сих пор не дают ни одного фальсифицируемого предсказания для выполнимого в настоящее время эксперимента. Я сомневаюсь, что когда-нибудь дадут.

Ниже излагается, почему так. Рассмотрим любое свойство нашей вселенной, которое вы можете захотеть объяснить. Это свойство или необходимо для разумной жизни, или нет. Если первое, то это свойство уже объясняется нашим существованием, так как оно должно поддерживаться в любой очень малой доле вселенных с разумной жизнью. Теперь рассмотрим второй класс свойств, которые для разумной жизни не нужны. Поскольку законы выбираются хаотически в каждом пузыре, эти свойства хаотически распределены по популяции вселенных. Но поскольку эти свойства ничего не должны делать с жизнью, они также будут хаотически распределенными по коллекции вселенных с жизнью. Так что теория не делает предсказаний о том, что мы должны наблюдать в нашей вселенной по поводу этих свойств.

Хорошим примером первого вида свойств является масса электрона; имеются хорошие основания считать, что условия для жизни могли бы быть разрушены, если масса электрона сильно отличалась бы от наблюдаемой величины^[93]. Хорошим примером второго вида свойств является масса топ-кварка; насколько мы знаем, она могла бы варьироваться в большом диапазоне без влияния на биологическое дружелюбие нашей вселенной. Отсюда антропный принцип не может помочь нам объяснить наблюдаемую величину указанной массы.

Вечная инфляция делает одно потенциально проверяемое предсказание, что кривизна пространства в каждом пузыре вселенной слабо отрицательна. (Пространство с отрицательной кривизной искривлено подобно седлу — в отличие от пространства с положительной кривизной, подобного сфере). Если наша вселенная была создана в пузыре инфляционной мультивселенной, это должно быть верно и для нее тоже. Это настоящее предсказание, но есть несколько проблем относительно его проверяемости. Первое, отрицательная кривизна очень близка к нулю, а нуль очень трудно отличить от очень малого числа, положительного или отрицательного. На самом деле кривизна исчезает в пределах экспериментальной ошибки. Даже с лучшими данными, ожидаемыми от проводимых сейчас экспериментов, будет очень тяжело сказать, равна кривизна точно нулю, слабо отрицательна или слабо положительна. Как и во всех научных экспериментах, всегда будет некоторая неопределенность в измерениях. При заданной указанной неопределенности маловероятно, что какие-либо наблюдения в скором времени смогут фальсифицировать данное предсказание.

Даже если мы справились с проверкой того, что пространственная кривизна слабо отрицательна, это не обеспечивает доказательства, что наша вселенная является одним из пузырей гигантской мультивселенной. Имеется немало космологических моделей и сценариев, совместимых с небольшой отрицательностью кривизны; одна из них заключается в том, что наша вселенная уникальна и просто является решением уравнений Эйнштейна с отрицательной кривизной. Такие решения существуют и не требуют инфляции для их подтверждения. Другая модель, что инфляция произвела только одну вселенную. И ни одно наблюдение не может подтвердить гипотезу о свойствах предполагаемой коллекции других вселенных, которые никаким образом не влияют на нашу собственную.

* * *

Сценарий вечной инфляции требует выбора возможных теорий, и это может быть удовлетворено огромным числом возможных теорий струн. То, что имеется большой ландшафт возможных струнных теорий, было ясно из вышеупомянутой статьи Строминджера 1986 года, но ситуация стала кризисом, который невозможно игнорировать, когда в 2003 было открыто подтверждение существования астрономического числа теорий струн с малыми положительными величинами космологической константы^[94]. Их число грубо оценивается в 10 500. Однако, по крайней мере, до сегодняшнего дня, это число, хотя и чрезвычайно велико, все еще конечно. Далее в 2005 физик из Массачусетского Технологического Института Вашингтон Тейлор и его коллеги смогли сконструировать подтверждение бесконечного числа струнных теорий с малыми отрицательными космологическими константами^[95].

Это имеет интересное следствие, на которое указал физик из Южной Африки Ф. Р. Эллис^[96]. Если на самом деле имеется бесконечное число струнных теорий с малыми отрицательными величинами космологической константы, но только конечное число с малой положительной космологической константой, то мы должны предсказать космологическую константу малой и отрицательной. Если реальная величина хаотически распределена среди вселенных в мультивселенной, то мы бесконечно более вероятно будем жить во вселенной с отрицательной величиной, чем во вселенной с положительной величиной, поскольку имеется бесконечно больше первого, чем последнего. Это могло бы быть настоящим предсказанием теории струн, а такие вещи редки. Принимая это за чистую монету, свидетельствуем, что теория ошибочна, так как измеренная величина космологической постоянной положительна.

Некоторые струнные теоретики предостерегали, что в конструировании струнных теорий все еще есть много чего открывать, так что еще может быть открыто доказательство для бесконечного числа струнных теорий с положительной величиной космологической постоянной. Другой реакцией было привлечение антропного принципа для утверждения, что вселенные с отрицательными величинами космологической константы, описанные Тейлором и его коллегами, должны быть исключены, поскольку они неблагоприятны для жизни^[97]. Однако, все, что нам нужно для того, чтобы бесконечность вселенных с отрицательной космологической константой доминировала над конечным числом вселенных с положительной космологической константой, это чтобы любая конечная доля первых содержала жизнь.

Проблема с антропной космологией в том, что вы всегда можете манипулировать допущениями, когда вы работаете с такими теоретическими объектами как другие вселенные, которые в принципе не наблюдаемы^[98]. Мы не можем проверить гипотезу, что имеется гигантское или бесконечное число других вселенных, также мы не можем рассчитать, как среди них распределены различные свойства. Мы можем рассуждать, могут или не могут иметь жизнь вселенные, отличные от нашей, но мы не можем проверить наши аргументы путем наблюдений.

Впечатляющая разница между антропными теориями и космологическим естественным отбором заключается в том, как они обращаются с запутанной проблемой космологической константы. Как отмечалось, эта важная константа физики была измерена и оказалась малой, но положительной величиной: в единицах шкалы Планка 10–120. Тайна в том, почему она так мала. Один существенный факт состоит в том, что если мы увеличиваем космологическую константу от ее наблюдаемой величины, оставляя все другие константы физики и космологии фиксированными, мы вскоре достигнем величины, при которой вселенная расширяется настолько быстро, что галактики никогда не формируются. Назовем это критической величиной. Она примерно в двадцать раз превышает наблюдаемую величину.

Почему это важно? Я начну с ошибочного рассуждения, которое проводится подобно следующему:

(1) Галактики необходимы для жизни. Иначе звезды бы не сформировались, а без звезд не было бы ни углерода, ни энергии, чтобы обеспечить возникновение сложных структур, включая жизнь, на поверхности планет.

(2) Вселенная полна галактик.

(3) Но космологическая константа должна быть меньше, чем критическая величина, если галактики должны формироваться.

(4) Отсюда антропный принцип предсказывает, что космологическая константа должна быть меньше критической величины.

Вы сможете увидеть ошибку? Пункт № 1 справедлив, но он не играет роли в логике рассуждения. Настоящая аргументация начинается с пункта № 2. Тот факт, что вселенная заполнена галактиками, очевиден из наблюдений; не важно, возможна или не возможна будет жизнь вне галактик. Так что первый пункт может быть отброшен из рассуждения без ослабления итогового заключения. Но пункт № 1 единственное место, где упомянута жизнь, так что раз уж он отброшен, антропный принцип не играет роли. Правильное заключение таково:

(4) Отсюда наблюдаемый факт, что вселенная полна галактик, подразумевает, что космологическая константа должна быть меньше критической величины.

Один из способов понять ошибочность рассуждения — спросить, как мы будем реагировать, если космологическая константа окажется больше критической величины. Мы не будем оспаривать утверждение № 1, которое во всех случаях не имеет значения. Мы не будем оспаривать пункт № 2, который есть констатация факта. Мы можем поставить под сомнение только пункт № 3, который есть теоретическое утверждение. Вдруг наши вычисления критической величины неверны.

В 1987 Стивен Вайнберг предложил оригинальное объяснение малой величине космологической константы, которое не подпадает под эту ошибку, но все еще использует антропный принцип^[99]. Оно примерно такое: Предположим, что наша вселенная одна из гигантской мультивселенной, в которой величины космологической константы хаотически распределены между нулем и единицей^[100]. Поскольку нам для жизни требуются галактики, мы должны жить в одной из вселенных с космологической константой ниже критической величины. Но мы могли бы жить в любой из таких вселенных. Следовательно, наша ситуация такова, как если бы космологическая константа была извлечена из шляпы фокусника хаотическим выбором некоторого числа между нулем и критической величиной. Это значит, что невероятно, чтобы величина нашей космологической константы была намного меньше критической величины, поскольку только мельчайшая доля чисел в вошедшей в поговорку шляпе будет столь мала. Мы должны ожидать, что космологическая константа в нашей вселенной имеет тот же порядок величины, что и критическая величина, поскольку имеется намного больше чисел, грубо говоря, того же размера, чем чисел, которые намного меньше.

На этой основе Вайнберг предсказал, что космологическая константа должна быть меньше, но по порядку величины такой же, как критическая величина. И замечательно, что когда десятью годами позже космологическая константа была измерена^[101], она была найдена равной около 5 процентов от критической величины. На языке только что приведенных рассуждений это произойдет примерно в одном из двадцати случаев, когда мы выбираем число из шляпы. Это не столь уж невероятно, немало вещей в мире происходят, имея шанс один из двадцати. Так что некоторые космологи утверждают, что успех предсказания Вайнберга может быть принят за свидетельство в пользу гипотезы, на которой оно базировалось — что мы живем в мультивселенной.

Одна из проблем с этим заключением в том, что упомянутая критическая величина это величина, выше которой галактики не будут формироваться, если космологическая константа это единственный варьируемый параметр. Но теории ранней вселенной имеют и другие параметры, которые могут изменяться. Если мы варьируем некоторые из них одновременно с варьированием космологической константы, рассуждение теряет силу^[102].

Рассмотрим один случай, в котором мы изменяем размер флуктуаций плотности, которые, как мы обсуждали ранее в этой главе, определяют, насколько гладко была распределена материя в ранней вселенной. Это важно, так как если они больше, космологическая константа могла бы быть существенно выше критической величины, а галактики все еще будут формироваться в очень плотных регионах, созданных флуктуациями. И тут есть критическая величина для космологической константы, но она возрастает по мере возрастания размера флуктуаций плотности.

Итак, вы можете повторить рассуждение, допустив, что как космологическая константа, так и размер флуктуаций варьируются по популяции вселенных. Теперь вы вытягиваете из шляпы два числа для каждой вселенной, одно для космологической константы, второе для размера флуктуаций плотности. Мы выбираем эти числа хаотически в пределах диапазона, в котором формируются галактики^[103]. Оказывается, что вероятность двух хаотически выбранных чисел быть настолько малыми, насколько они наблюдаются, теперь падает от 1 шанса из 20 до нескольких шансов из 100 000^[104].

Проблема в том, что, поскольку мы не наблюдаем ни одну из других вселенных, невозможно узнать, какие константы варьируются по гипотетической мультивселенной. Если мы допускаем, что правильная история в том, что по мультивселенной варьируется только космологическая константа, рассуждение Вайнберга правильно. Если мы предполагаем, что, напротив, правильная история в том, что варьируются и космологическая константа, и размер флуктуаций, рассуждение становится менее правильным. В отсутствие любого независимого подтверждения того, какая из этих гипотез верна, если вообще верна хоть одна, рассуждение не приводит ни к каким заключениям.

Так что заявление о том, что рассуждение Вайнберга корректно предсказывает грубую величину космологической константы, неадекватно вследствие более тонкой ошибки, чем мы обсуждали выше. Эта ошибка, которая известна специалистам по теории вероятностей, возникает как только вы злоупотребляете свободой произвольного выбора распределения вероятности, которое описывает ненаблюдаемые сущности и, тем самым, не может быть проверено независимым образом. Исходный аргумент Вайнберга не имеет логической силы, поскольку вы могли бы прийти к другому заключению, сделав другое допущение по поводу ненаблюдаемых сущностей^[105].

Космологический естественный отбор лучше в плане объяснения тех же фактов, поскольку он обеспечивает основание для определения как размера флуктуаций, так и космологической константы. Вспомним, что в некоторых простых моделях инфляции размер флуктуаций сильно антикоррелирует с размером вселенной; это означает, чем меньше размер флуктуаций, тем больше вселенная и отсюда (при прочих равных условиях) больше черных дыр. Так что размер флуктуаций должен быть вблизи нижнего предела диапазона, требуемого, чтобы галактик формировались. Это же, в свою очередь, предполагает, что малое значение для критической величины космологической константы соответствует формированию галактик. Космологический естественный отбор вместе с простой моделью инфляции предсказывает, что как размер флуктуаций, так и космологическая константа должны быть малыми. Предсказание не произвольно, и оно хорошо согласуется с фактами.

Однако, антропный принцип совместим с намного меньшими вселенными, поскольку отдельная галактика, вероятно, достаточна, чтобы дать начало разумной жизни. Наблюдения подтверждают, что у высокой доли звезд имеются планеты, так что богатство галактики планетами должно быть достаточным для гарантирования, что, как минимум, одна из них имеет жизнь. Добавление многих галактик не увеличит вероятности возникновения жизни.

Антропный энтузиаст может возразить, что антропный принцип может быть сохранен путем его модификации, при которой мы более вероятно обитаем во вселенной с высоким числом планет, дающих приют жизни. Это дает основание предпочитать вселенные настолько большие, насколько возможно, и это предполагает низкую величину и плотности флуктуаций, и космологической константы.

Должно происходить нечто забавное, поскольку мы, очевидно, изменили предсказание теории, на самом деле не меняя ни одного факта. Две версии антропного принципа не отличаются в любом утверждении по поводу реальной мультивселенной, а отличаются только в том, как мы выбираем вселенные, которые, как мы чувствуем, мы должны рассматривать из намного большей популяции неблагоприятных для жизни вселенных.

«Подождите минуту», — может ответить антропный энтузиаст, — «Цивилизация в мультивселенной более вероятно найдется во вселенной со многими цивилизациями, и поэтому со многими галактиками, чем во вселенной только с одной галактикой». Это кажется, на первый взгляд, правдоподобным аргументом, но мы должны возразить: «Откуда вы знаете?» В мультивселенной могло бы существовать намного больше мелких вселенных, чем больших вселенных, так что случайно выбранная цивилизация более вероятно будет в малой вселенной. Какой сценарий правильный, зависит от относительного распределения больших и малых вселенных в мультивселенной, но эта характеристика не может быть верифицирована независимо. Теоретики могли бы, вероятно, произвести различные модели в пользу различных распределений размеров вселенных, но тот факт, что вы можете регулировать ненаблюдаемые особенности вашего сценария, чтобы позволить вам подобрать тот, что лучше соответствует вашей гипотезе, не дает оснований для подтверждения этого сценария.

Однако, в космологическом естественном отборе наша вселенная является типичным членом популяции вселенных, и тут нет произвола для внедрения настраиваемого принципа, чтобы отобрать нетипичный случай.

Заметим, что в обсуждении не идет речь о создании вселенных в черных дырах против их создания как пузырей во время инфляции. Речь идет о роли времени и динамики в логике, с помощью которой сценарии объясняют известные особенности вселенной и предсказывают новые. Инфляционная модель могла бы использовать время и длинные цепочки поколений — пузыри внутри пузырей внутри пузырей — и, таким образом, избежать зависимости от антропного принципа и насладиться преимуществами космологического естественного отбора.

Суть не столько в том, что теория, которая постулирует непрерывную эволюцию во времени, лучше, чем вневременная теория в подгонке к наблюдаемым фактам. Суть также в том, что теория, обращающаяся к эволюции, делает ясные предсказания, тогда как предсказания антропного аргумента приспосабливаемы в зависимости от того, как мы хотим этот аргумент задействовать. В противоположность тому, что мы могли думать сначала, гипотезы, основанные на идее, что законы природы эволюционируют во времени, в большей степени уязвимы для фальсификаций, чем вневременные космологические сценарии. А если идея не уязвима для фальсификаций, это не наука.

12 Квантовая механика и освобождение атома

Мы видели, что реальность времени является ключом при обращении к тайне, что выбирает законы физики. Она делает это путем поддержания гипотезы, что эти законы эволюционируют. Принятие фундаментальности времени может также помочь разрешить другую великую загадку физики — что придает смысл квантовой механике. Реальность времени допускает новую формулировку квантовой теории, которая также может пролить свет на то, как законы развиваются во времени.

Квантовая механика является самой успешной из когда-либо изобретенных физических теорий. Почти ни одна из цифровых, химических и медицинских технологий, на которые мы полагаемся, не существовала бы в отсутствие квантовой физики. Тем не менее, имеются веские причины верить, что теория неполна.

Безусловно, квантовая механика является вызовом нашим попыткам постигнуть мир. С момента ее изобретения в 1920-х физики выдумали причудливые сценарии для придания смысла загадкам квантовой теории. Коты, которые и живы и мертвы, бесконечное количество одновременно существующих вселенных, реальность, которая зависит от того, что измеряется или кто наблюдает, частицы, передающие друг другу сигнал через гигантские расстояния со скоростями, превышающими скорость света, — это только некоторые из оригинальных идей, предложенных для разрешения тайн субатомного мира.

Все эти стратегии возникли как реакция на тот факт, что квантовая механика не дает физической картины того, что происходит в индивидуальных экспериментах. Это не оспаривается. Аксиомы квантовой механики включают утверждение, что она дает только статистические предсказания итогов экспериментов.

Эйнштейн давно сделал вывод, что квантовая механика неполна, поскольку она не может дать точного описания того, что происходит в отдельном эксперименте. Что в точности делает электрон, когда он перепрыгивает из одного энергетического состояния в другое? Как частицы, слишком удаленные друг от друга, чтобы мгновенно сообщаться, делают это? Как они оказываются в двух местах одновременно? Квантовая механика не дает ответа. Тем не менее, она экстраординарно полезна, частично потому, что обеспечивает физику языком и структурой для организации огромных количеств эмпирических данных. Если она и не может показать нам, что на самом деле происходит на субатомном уровне, она дает нам алгоритм предсказания вероятностей различных итогов экспериментов. И до сих пор алгоритмы работают.

Может теория быть успешной как генератор предсказаний, и все еще бить мимо цели в том смысле, что будущие теории могут перевернуть предположения, которые она делает о мире? В истории науки такое происходило несколько раз. Предположения, лежащие в основе Ньютоновских законов движения, были опровергнуты теорией относительности и квантовой теорией. Модель солнечной системы Птолемея хорошо служила нам более тысячелетия, хотя она основывалась на идеях, которые были дико ошибочными. Кажется, что эффективность не является гарантией истины.

Я пришел к уверенности, что квантовая механика испытает ту же судьбу, что и великие теории Птолемея и Ньютона. Возможно, мы не можем придать ей смысл просто потому, что она не верна. Вместо этого она, похоже, является приближением к более глубокой теории, которой будет легче придать смысл. Эта более глубокая теория есть неизвестная космологическая теория, на что указывают все аргументы этой книги. Ключом опять является реальность времени.

Квантовая механика является проблематичной теорией по трем тесно связанным причинам. Первой является ее неспособность дать физическую картину того, что происходит в индивидуальном процессе или эксперименте; в отличие от предыдущих физических теорий формализм, который мы используем в квантовой механике, не может быть прочитан, чтобы показать нам, что происходит во времени момент за моментом. Второе, в большинстве случаев она не может предсказать точный результат эксперимента; вместо того, чтобы сказать нам, что произойдет, она дает только вероятности различных вещей, которые могут происходить.

Третья и наиболее проблематичная особенность квантовой механики заключается в том, что для выражения теории необходимы понятия измерения, наблюдения или информации. Они должны расцениваться как первичные понятия; они не могут быть объяснены в терминах фундаментальных квантовых процессов. Квантовая механика не столько теория, сколько метод для кодирования того, как экспериментаторы опрашивают микроскопические системы. Ни измерительные инструменты, которые мы используем для взаимодействия с квантовой системой, ни часы, которые мы используем для измерения времени, не могут быть описаны на языке квантовой механики — ни мы, как наблюдатели, не можем так описываться. Это наводит на мысль, что для создания имеющей силу космологической теории мы должны будем отказаться от квантовой механики и заменить ее теорией, которая может быть распространена на всю вселенную, включая нас самих как наблюдателей, а также наши измерительные инструменты и часы^[106].

Когда мы ищем такую теорию, мы должны держать в уме, что в квантовую физику интегрированы три путеводных нити по поводу природы того, что обнаружил эксперимент: несовместимые вопросы, запутывание и нелокальность.

Любая система будет иметь список свойств, таких как положение и импульс^[107] для частиц или цвет и высота каблука для ботинок. С каждым свойством связан вопрос, который может быть задан: Где сейчас находится частица? Какого цвета его туфли? Роль эксперимента заключается в допросе системы, чтобы получить ответы на указанные вопросы. Если вы хотите полностью описать классическую систему, вы отвечаете на все вопросы, и это дает вам все свойства. Но в квантовой физике определение того, что вам нужно задать один вопрос, может перевести другие вопросы в такие, на которые невозможно ответить.

Например, вы можете спросить, что за положение занимает частица, или вы можете спросить, каков импульс частицы, но вы не можете задать оба эти вопроса одновременно. Это то, что Нильс Бор назвал дополнительностью, и это также то, что физики имеют в виду, когда мы говорим о некоммутирующих переменных. Если имеется квантовая мода, тогда цвет ботинок и высота каблука могут быть несовместимыми свойствами. Это сильно отличается от классической физики, где вы не должны выбирать, какие свойства измерять, а какие не принимать во внимание. Ключевой вопрос состоит в том, должен ли выбор экспериментатора влиять на реальность изучаемой им системы.

Запутывание также есть чисто квантовое явление, в соответствии с которым пары квантовых систем могут совместно обладать свойствами, хотя каждая система остается индивидуально неопределенной. Это означает, вы можете задать вопрос о взаимоотношении между парой, который имеет определенный ответ, тогда как ответ на любой родственный вопрос по поводу индивидуальной системы отсутствует. Рассмотрим пару квантовых ботинок. У них может иметься свойство, именуемое противоположность, в соответствии с которым любой вопрос, заданный по поводу обоих ботинок, даст противоположные ответы. Если вы спросите о ботинках, какого они цвета, и по левому будет ответ «белого», то по правому ботинку будет ответ «черного» и наоборот. Если вы спросите о высоте каблука, то если левый каблук высокий, правый каблук будет низкий и наоборот. Если вы спросите только о высоте каблука левого ботинка, ответ будет или «высокий» или «низкий» с 50-процентной вероятностью. Фактически, если пара квантовых ботинок имеет свойство противоположность, то любой вопрос, адресованный одному из ботинок в отдельности, будет вызывать хаотические ответы, а любой вопрос, адресованный обоим ботинкам, будет вызывать противоположные ответы.

В классической физике любое свойство пары частиц может быть редуцировано к описанию свойств каждой. Запутывание показывает, что это неверно для квантовых систем. Для нашего обсуждения важно то, что через запутывание вы можете создать новые свойства природы. Если вы запутываете две квантовые системы такого вида, что они никогда ранее не взаимодействовали друг с другом, путем приготовления их со свойством вроде противоположности, вы создаете свойство, которое ранее никогда не существовало в природе.

Запутанные пары создаются путем сведения вместе двух субатомных частиц и организации из взаимодействия. Один раз запутавшись, они остаются запутанными, даже если они разделяются и удаляются на огромное расстояние друг от друга. Пока ни одна из них не взаимодействует с другой системой, они продолжают совместно обладать свойствами запутанности, такими как противоположность. Это вызывает третью и самое поразительную путеводную нить по поводу природы на квантовом уровне, нелокальность.

Допустим, мы запутали пару ботинок со свойством противоположность в Монреале, а затем послали левый ботинок в Барселону, а правый в Токио. Экспериментаторы в Барселоне выбирают измерение цвета левого ботинка. Этот выбор, оказывается, мгновенно влияет на цвет правого ботинка в Токио. Это так, поскольку, раз уж лаборатория Барселоны наблюдала цвет их ботинка, они могут точно предсказать, что ботинок в Токио имеет противоположный цвет.

В 20-м веке мы стали привыкать к физическим взаимодействиям, имеющим свойство, именуемое локальность, что означает, что если информация передается из одного места в другое, она путешествует посредством частиц или волн. Вследствие СТО любое влияние предполагается распространяющимся со скоростью света или медленнее. Квантовая физика, по-видимому, нарушает эту центральную доктрину СТО.

Нелокальные эффекты в квантовой механике реальны, но тонки, и не могут быть использованы для пересылки информации между Барселоной и Токио. Причина в том, что какое бы свойство ни выбрали для измерения экспериментаторы в Токио, результат окажется для них хаотическим. Они увидят свой ботинок черным или белым одинаково часто. И только когда они узнают, какой цвет увидели в Барселоне, они осознают, что пара ботинок противоположна по цвету. Но, чтобы понять это, требуется, чтобы информация была передана из Барселоны в Токио — то есть со скоростью света или менее.

Однако остается вопрос, как устанавливаются корреляции между ботинками в Токио и Барселоне, так что когда экспериментаторы, каждые у себя, открывают свои посылки и извлекают свои ботинки, цвета всегда оказываются противоположными. Можно подумать, что кто бы ни упаковывал посылки в Монреале, он позаботился о том, чтобы положить один цвет в посылку, направляемую в Токио, и противоположный цвет в посылку, направляемую в Барселону. Однако, объединением теоретических аргументов и экспериментальных результатов может быть удостоверено, что в точности так не происходит. Вместо этого корреляции как-то устанавливаются в момент открытия посылок в Токио и Барселоне.

Допустим, у нас есть большой ящик, заполненный парами ботинок, и мы запутали каждую пару со свойством противоположность. Мы отправляем все левые ботинки в Барселону, а все правые ботинки в Токио. Пусть экспериментаторы в каждом городе хаотически выберут, какое свойство каждого индивидуального ботинка они измеряют, и сохранят запись результата. Они посылают свои выборы и результаты обратно на фабрику в Монреале, где они сравниваются. Оказывается, что единственный способ придать смысл объединенным результатам это предположить, что имеют место нелокальные эффекты, в соответствии с которыми свойства одного ботинка из каждой пары подвергаются воздействию со стороны выборов, сделанных в отношении того, что измерять у второго ботинка. В этом содержание теоремы, доказанной в 1964 ирландским физиком Джоном Стюартом Беллом и продемонстрированной связанным набором искусных экспериментов.

Эти особенности и проблемы стали фокусом большого внимания на девятом десятилетии с момента формулировки квантовой механики. Было предложено много подходов к их большему пониманию. Сейчас я уверен, что все они не попадают в цель и что странные особенности квантовой теории возникают потому, что она есть усечение космологической теории — усечение, применимое к малым подсистемам вселенной. Приняв реальность времени, мы открываем путь к пониманию квантовой теории, который высвечивает ее тайны и вполне может разрешить их.

* * *

Более того, я верю, что реальность времени делает возможной новую формулировку квантовой механики^[108]. Эта формулировка новая и умозрительная. Она еще не привела ни к каким точным экспериментальным предсказаниям, не говоря уже об экспериментальных проверках, так что я не могу утверждать, что она корректна. Что она делает, так это дает радикально отличающийся взгляд на природу физических законов, выражая новым и неожиданным образом идею, что законы эволюционируют во времени. И, вероятно, она будет проверяема, как мы коротко увидим.

Но можем ли мы на самом деле отказаться от идеи вневременных законов природы без потери мощи физики в объяснении потрясающе многого о мире вокруг нас? Мы и думали, что законы детерминистические. Среди других последствий детерминизма есть и то, что во вселенной не может быть ничего неподдельно нового — что все, что происходит, есть перегруппировка элементарных частиц с неизменными свойствами за счет неизменных законов.

Определенно имеется бесчисленное множество ситуаций, в которых будущее может достоверно ожидаться как отражение прошлого. Когда мы делаем эксперимент, который мы проводили ранее много раз и в котором мы всегда имели один и тот же результат, мы можем достоверно ожидатьэтот результат и в будущем. (Даже если результатами иногда являются одни вещи, а иногда другие, пропорции каждого исхода будут удерживаться в будущих измерениях). Мы можем ожидать, что в следующий раз, когда мы бросим мяч, он полетит по параболе, как происходило всякий раз, когда мы это делали в прошлом. Обычно мы говорим, что так происходит потому, что движение определено вневременным законом природы, который, будучи вневременным, будет действовать в будущем точно так же, как он действовал в прошлом. Так что вневременной закон препятствует настоящим новшествам.

Но является ли предположение о действии вневременного закона, на самом деле необходимым для объяснения того, что настоящее отражает прошлое? Понятие закона нам необходимо только в случаях, в которых процесс или эксперимент повторялся много раз. Но, чтобы объяснить эти случаи, нам на самом деле нужно намного меньше, чем вечный закон. Мы могли бы обойтись чем-то более слабым — скажем, принципом, устанавливающим, что повторяющиеся измерения дают одни и те же результаты. Не потому, что они следуют закону, а потому, что единственным законом является принцип прецедента. Такой принцип будет объяснять все случаи, в которых работает детерминизм законов, но не будет и забывать новые измерения, чтобы дать новые результаты, не предсказываемые из знания прошлого. Это могло бы быть, по меньшей мере, малой степенью свободы в развитии новых состояний без противоречий с применением законов к случаям, которые раз за разом воспроизводились в прошлом. Общий закон в Англо-Саксонской традиции действует на основании принципа прецедента, при котором судьи ограничены нормами, принятыми судьями в прошлом, когда они обращались к аналогичным случаям. Я хочу навести на мысль, что нечто подобное вполне может действовать и в природе.

Однажды я сформулировал эту идею, и был изумлен, узнав, что тут мне предшествовал Чарльз Сандерс Пирс, который говорил о законах природы как о привычках, развивающихся во времени:

Все вещи имеют тенденцию принимать привычки. Для атомов и их частей, молекул и групп молекул и, короче говоря, любого мыслимого реального объекта имеется большая вероятность действовать подобно первому случаю, чем иным образом. Эта тенденция сама устанавливает регулярность и непрерывно растет. Глядя назад в прошлое, мы смотрим в направлении периодов, когда она была все менее и менее определенной тенденцией^[109].

Этот принцип становится ключевым в подлинно новых случаях. Если природа на самом деле работает в соответствии с принципом прецедента, а не по вневременным законам, тогда, если нет прецедентов, не будет и предсказаний, как система будет себя вести. Если мы производим на самом деле новую систему, ее отклик на измерения не может быть предсказан ни из какой информации, которую мы уже имеем. Как только мы произвели много копий этой системы, принцип прецедента принимает руководство. С этого момента поведение системы предсказуемо.

Если природа подобна этому, то будущее по-настоящему открыто. Мы все еще получаем преимущества от испытанных законов в случаях с богатым прецедентом, но без мертвой хватки детерминизма.

Будет честным сказать, что классическая механика предотвращает существование подлинно нового, поскольку все, что происходит, это движение частиц в соответствии с фиксированными законами. Но квантовая физика отличается в двух аспектах, которые дают нам возможность заменить вневременные законы на принцип прецедента.

Первое, как мы видели, запутывание может производить подлинно новые свойства. Вы можете проверить пару частиц на обладание свойством запутывания вроде свойства противоположности, которое не является свойством отдельных частиц. Второе, появляется элемент подлинной хаотичности в реакции квантовой системы на свое окружение. Даже если вы знаете все о прошлом квантовой системы, вы не можете достоверно предсказать, что произойдет, если измеряется одно из ее свойств.

Эти две особенности квантовых систем позволяют нам заменить постулирование вневременных законов на гипотезу, что в природе действует принцип прецедента, чтобы гарантировать, что будущее имеет сходство с прошлым. Этот принцип достаточен, чтобы поддержать детерминизм, где это необходимо, но предполагает, что когда природа сталкивается с новыми свойствами, она может устанавливать новые законы для применения к этим свойствам.

Вот простая иллюстрация действия принципа прецедента в квантовой физике: Рассмотрим квантовый процесс, в котором система приготавливается, а затем измеряется, и допустим, что процесс происходил в прошлом много раз. Это дает вам собрание прошлых итогов эксперимента: Много раз, например X, система говорила «да» в ответ на вопрос, и много раз, например Y, она говорила «нет». Тогда итог любого будущего примера этого процесса будет хаотически выбираться из собрания исходов прошлых попыток. Теперь предположим, что прецедента нет, поскольку эта система была приготовлена с определенной величиной подлинно нового свойства. Тогда итог измерения будет свободным в том смысле, что он ничем не определен в прошлом.

Означает ли эта идея, что природа на самом деле свободна в выборе исхода эксперимента? Имеется определенный смысл, в котором квантовые системы, как уже известно, имеют элемент свободы — смысл проиллюстрирован недавней теоремой, изобретенной двумя математиками из Принстона, Джоном Конвеем и Саймоном Коченом. Мне не очень нравится название, которое они дали своему результату, но оно броское и должным образом привлекает: теорема о свободе воли^[110]. Теорема применяется к случаю двух атомов (или других квантовых систем), которые становятся запутанными, а затем разделяются, после чего измеряются свойства каждого. Теорема гласит: Допустим, имеется смысл, в котором два экспериментатора свободны в выборе того, какое измерение они делают над их атомами. Тогда отклик атомов на измерение свободен в том же смысле.

Это не имеет ничего общего со скользкой концепцией свободы воли. Если мы утверждаем, что экспериментаторы свободны в выборе того, какое измерение им делать, мы имеем в виду, что их выбор не определяется их прошлой историей. Никакое количество знаний о прошлом экспериментаторов и их мире не позволит нам предсказать их выбор. Тогда атомы тоже свободны в том смысле, что никакое количество информации о прошлом не даст нам возможности предсказать результат измерения одного из их свойств^[111].

Я нахожу удивительным вообразить, что элементарная частица действительно свободна, даже в этом узком смысле. Это означает, что нет причин для выбора электрона, что делать, когда мы его измеряем — и, таким образом, любая малая система ведет себя куда разнообразнее, чем может быть ухвачено любыми детерминистическими или алгоритмическими рамками. Это одновременно захватывающе и пугающе, поскольку идея, что выбор, который делают атомы, в самом деле свободен (то есть, беспричинен) не удовлетворяет требованию достаточного основания — для ответа на любой вопрос, который мы можем задать природе.

Можем ли мы измерить, какое количество свободы имеет природа, если квантовая механика корректна? Мы знаем, что классическая механика не имеет такой свободы, поскольку она описывает детерминистический мир, чье будущее может быть полностью предсказано из знаний о прошлом. Статистика и вероятности могут играть роль в описании классического мира, но они только отражают наше невежество. Не предоставляется свободы, поскольку мы всегда можем узнать достаточно, чтобы сделать определенное предсказание.

Теорема Конвея и Кочена означает, что квантовые системы имеют степени реальной свободы, но мог бы существовать вид физики, в соответствии с которым природа имеет даже больше свободы? Я задался этим вопросом, и он был не слишком труден для ответа. Для этого я воспользовался недавней работой по основаниям квантовой механики, которая дала мне точное определение того, сколько свободы может иметь квантовая система.

Около 2000 года Люсьен Харди, тогда из Оксфордского Университета, но ненадолго переместившийся в Институт Теоретической Физики Периметра, постиг общий класс теорий, которые предсказывают вероятности исходов измерения. Они включают не только классические и квантовомеханические, но также и многие другие теории. Харди потребовал только, чтобы теории последовательно использовали понятие вероятности и вели себя разумно при его применении как к изолированной системе, так и к комбинации двух или более систем. Эти требования выражены в коротком списке допущений или аксиом, которые Харди назвал «разумными аксиомами»^[112]. Они были расширены и модифицированы последующими теоретиками. Я смог использовать уточнение аксиом Харди, изобретенное Луисом Масанесом и Маркусом Мюллером^[113] для точной формулировки того, как много свободы имеет теория.

Количество свободы выражается через то, сколько информации о системе вам нужно, чтобы вы смогли сделать предсказание по поводу ее будущего. Эта информация может быть добыта путем приготовления множества идентичных копий системы и задания различных вопросов каждой. Предсказания, которые способен выдать нам этот опрос, все еще могут быть вероятностными, но они являются лучшими предсказаниями в том смысле, что никакие дальнейшие наблюдения за системой не улучшат их точность. Для каждой изученной Харди системы существует определенное конечное количество информации, которое вам нужно для лучшего установления, что будет делать система, когда столкнется с любым возможным измерением. Чем больше вещей вам нужно измерить по поводу системы, прежде чем вы сможете сделать лучшее возможное предсказание, тем больше свободы имеет система.

Чтобы увидеть, как много свободы это подразумевает, мы должны сравнить количество информации, необходимой для получения предсказания о некотором измерении размера системы. Одной полезной мерой является число ответов, которые система может дать на ответ, предложенный в эксперименте. В простейшем случае имеется только два выбора: Если вы задали вопрос о цвете квантового ботинка, он может быть или черным или белым. Если вы задали вопрос о высоте каблука, он может быть или высоким или низким.

Мне удалось показать, что квантовая механика максимизирует количество информации, которое вам необходимо для одного выбора. Это означает, что квантовая механика описывает вселенную, в которой вы можете делать вероятностные предсказания о том, как ведет себя система, но в которой эти системы имеют столько же свободы от детерминизма, сколько может иметь любая физическая система, описываемая вероятностями. Так что в том смысле, в котором квантовые системы свободны, одни максимально свободны. Объединяя принцип прецедента с этим, вы получаете новую формулировку квантовой физики. Эта формулировка не может быть выражена за пределами структуры, в которой время реально, поскольку она делает существенным использование разницы между прошлым и будущим. Так что мы можем отказаться от идеи, что имеются вневременные и детерминистические законы природы без какой-либо потери объяснительной мощи физики.

Тот результат, что квантовые системы максимизируют свою свободу, был почти тривиальным шагом, заданным предыдущей работой Харди, Масанеса и Мюллера. Новый взгляд, который я принес в проблему, была реальность времени.

Первой реакцией некоторых друзей и коллег, когда я объяснил эту идею, был смех. Определенно, тут есть детали, которые остаются незаполненными, вроде того, как выстраивается прецедент из свободы первого случая, через несколько последующих случаев и к установлению случаев со многими прецедентами^[114]. Но и за пределами деталей предложение о принципе прецедента имеет элемент неправдоподобности. Как система распознает все свои прецеденты? С помощью какого механизма система различает хаотичный элемент в коллекции ее прецедентов? Кажется, будет необходим новый вид взаимодействия, при котором физическая система может взаимодействовать со своими собственными копиями в прошлом.

Принцип не говорит, как это имеет место; в этом отношении он не лучше, чем обычная формулировка квантовой механики. В старой формулировке первичным понятием было измерение; в текущей формулировке первичным понятием является быть квантовой системой того же вида (что означает, приготовленной и преобразованной тем же способом). Но кто-то может задать аналогичные вопросы по поводу идеи о вневременных законах природы, действующих, чтобы вызвать и изменить движение. Откуда электрон «знает», что он электрон, так что для него применимо уравнение Дирака, а не другое уравнение? Откуда кварк «знает», к какому виду кварков он относится и какой должна быть его масса? Как вневременная сущность, такая как закон природы, как-то проникает внутрь времени, чтобы действовать на каждый отдельный электрон?

Мы привыкли к идее вневременных законов природы, действующих внутри времени, и мы больше не находим их странными. Но отойдите назад достаточно далеко, и вы сможете увидеть, что они покоятся на некоторых больших метафизических допущениях, которые далеко не очевидны. Принцип прецедента также полагается на метафизические допущения, но они менее привычны для нас, чем допущения, которые позволяют нам верить в вечные законы природы.

Если метафизика, предполагаемая принципом прецедента, нова, то, на мой взгляд, это не в пример более экономно, чем некоторые современные фантастические подходы к квантовой теории — как то, что наша реальность одна из бесконечного набора одновременно существующих миров. Когда дело доходит до квантовой теории, вы должны принять некоторые очень странные понятия. Но мы свободны подобрать наши собственные странные понятия — по меньшей мере, до тех пор, пока эксперимент не скажет нам, что один из подходов к квантовой теории является лучшим среди остальных. Я готов держать пари, что принцип прецедента будет генерировать новые идеи для экспериментов, чьи результаты могут навести нас на физику за пределами квантовой механики.

Вы можете возразить, что квантовая механика уже обеспечила предсказания того, как должны себя вести новые свойства. Противоречит ли эта новая идея указанным предсказаниям? Да, и это наиболее вероятная причина, по которой идея может провалиться. Допустим, мы произвели в квантовом компьютере новый вид запутанного состояния, никогда ранее не производившегося в природе. В традиционной квантовой теории вы могли бы рассчитать, как эта запутанная система будет вести себя, когда она измерена. Принцип прецедента, который я предложил, подсказывает, что эти предсказания могут не подтвердиться в эксперименте. Это эквивалентно предположению, что новый вид запутанных состояний дает начало новым взаимодействиям в природе или контекстно-зависимым изменениям в существующих взаимодействиях. Такие новые взаимодействия никогда не наблюдались, также не было контекстной зависимости взаимодействий, так что скептицизм в порядке.

Но изредка в нашей истории человеческая изобретательность приводит к творению новых видов запутанных состояний. Мы только учимся делать это, и если эти новые гипотезы верны, результаты экспериментов с квантовыми компьютерами могут быть неожиданными. Наконец, это, вероятно, уязвимо для фальсификации в экспериментах с квантовыми приборами, которые производят новые запутанные состояния. Это противоречит фундаментальному принципу редукционизма, согласно которому будущее составной системы, не имеет значение, какой сложности, может быть предсказано путем задания только знания о силах, существующих между парами элементарных частиц. Но сопутствующие нарушения редукционизма редкие и мягкие, так что я буду твердить, что разумно позволить эксперименту рассудить.

Это новое понимание квантовой физики осуществляет два критерия для космологической теории. Оно удовлетворяет требованию объяснительной замкнутости (хотя и в ограниченной форме, которая допускает подлинную свободу в новых случаях). Принцип прецедента говорит, что результаты будущих измерений определяет именно коллекция прошлых случаев. Эти случаи были реальны, так что мы имеем только влияние вещей, которые были реальны в прошлом, на вещи, которые будут реальны в будущем. Ясно, что это также удовлетворяет критерию эволюции законов, и делается это тоже вызывающе, предполагая, что беспрецедентные измерения не управляются предшествующим законом. Когда результаты накопятся, прецедент будет установлен; только когда установлен достаточный прецедент, будущие исходы экспериментов станут подобны законам.

Когда в природе возникает новое состояние, развиваются новые законы, чтобы управлять им — что предполагает, что фундаментальные взаимодействия, которые мы наблюдаем и описываем Стандартной Моделью Физики Частиц, возникают из «фиксации» новых законов, когда состояния, соответствующие электронам, кваркам и их родственникам, впервые появляются, когда вселенная охлаждалась вскоре после Большого Взрыва.

Кое-что в этом новом предложении не удовлетворяет принципу достаточного обоснования. В той степени, в которой квантовые системы на самом деле свободны — в смысле, что индивидуальные результаты недетерминированы — принцип достаточного обоснования разрушен, тогда нет рационального обоснования для исхода индивидуального эксперимента. Тут просто нет оснований для определения, когда распадаются радиоактивные ядра, или для точных результатов любого из других случаев, для которых квантовая механика дает только вероятностные предсказания.

Какой бы ни была судьба этой идеи — а, как и для любой умозрительной новой идеи, мы должны ожидать, что она может провалиться, — мы можем видеть плодотворность гипотезы о реальности времени. Реальность времени это не только метафизическое рассуждение; это гипотеза, способная инспирировать новые идеи и привести в движение крепкую исследовательскую программу.

13 Битва относительности и квантов

Принцип достаточного основания является центральным для программы расширения физики до масштаба вселенной как целого, поскольку он устанавливает в качестве цели открытие рационального основания для любого выбора, который делает природа. Очевидно свободное, не обусловленное причиной поведение индивидуальной квантовой системы представляет грозный вызов для этого принципа.

Может ли требование достаточного основания быть удовлетворено даже в квантовой физике? Это зависит от того, можно ли расширить квантовую механику на вселенную как целое и сделать возможным наиболее фундаментальное описание природы или она только приближение к сильно отличающейся космологической теории. Если мы можем расширить квантовую теорию до вселенной как целого, то теорема о свободе воли применима на космологическом масштабе. Поскольку мы предполагаем, что нет более фундаментальной теории, это подразумевает, что природа действительно свободна. Свобода квантовых систем на космологическом масштабе будет предполагать ограничение принципа достаточного основания, поскольку рациональное или достаточное основание не может быть дано для мириад свободных выборов, которые делают квантовые системы.

Но, предлагая указанное расширение квантовой механики, мы совершаем космологическую ошибку, вырывая теорию из ограниченной области, внутри которой ее можно сравнить с экспериментом. Более осторожной реакцией будет исследование гипотезы, что квантовая физика суть только аппроксимация, применимая только для малых подсистем. Недостающая информация, необходимая, чтобы определить, что будет делать квантовая система, может все еще присутствовать где-то во вселенной, так что эта информация вступит в игру, когда мы внедрим квантовое описание малой подсистемы в теорию вселенной как целого.

Могла бы существовать детерминистическая космологическая теория, которая давала бы начало квантовой физике всякий раз, когда мы изолируем подсистему и игнорируем остаток? Ответ — да, но, как мы собираемся убедиться, речь идет о высокой цене.

В соответствии с такой теорией квантовые вероятности имеют место только вследствие нашего игнорирования целой вселенной, и вероятности дают путь для определения исходов экспериментов на уровне вселенной как целого. Квантовые неопределенности происходят, когда космологическая теория урезается для описания малой части вселенной.

Такая теория названа теорией скрытых переменных, поскольку квантовые неопределенности разрешаются посредством информации о вселенной, которая скрыта от экспериментатора, работающего с изолированной квантовой системой. Теории такого вида предлагались и давали предсказания для квантовых явлений, которые согласуются с такими же предсказаниями квантовой физики. Так что мы знаем, что, по меньшей мере, в принципе, такой способ решения проблем квантовой механики возможен. Более того, если путем расширения квантовой теории до теории целой вселенной будет реставрирован детерминизм, то скрытые переменные должны работать не с более точным описанием индивидуальной квантовой системы, а с соотношением этой системы с остальной вселенной. Поэтому мы можем их назвать реляционными скрытыми переменными.

Согласно принципу максимальной свободы, описанному в последней главе, квантовая теория есть вероятностная теория, в которой внутренние неопределенности велики настолько, насколько это возможно. Другой способ определить это заключается в том, что информация об атоме, которая будет нам необходима для реставрации детерминизма и которая закодирована в соотношениях между этим атомом и вселенной как целым, максимальна. Это означает, что свойства каждой частицы во вселенной максимально заморожены в скрытых отношениях со вселенной как целым. Поэтому проблема придания смысла квантовой теории является центральной в поиске новой космологической теории, на что указывают другие аргументы этой книги.

Тут имеется цена за признание: Это означает отказ от относительности одновременности и возврат к картине мира, в котором абсолютное определение одновременности поддерживается по всей вселенной.

Тут мы должны действовать осторожно — мы не хотим вступать в противоречие с успехами теории относительности. Среди них имеется удачный брак СТО и квантовой теории, называемый квантовой теорией поля. Она является базисом для Стандартной Модели Физики Частиц и делает великое множество точных предсказаний, которые были поддержаны результатами многих экспериментов.

Квантовая теория поля, однако, не существует вне своих проблем. Среди них то, что еще до извлечения каких-либо предсказаний приходится играть в хитрые игры с бесконечными числами. Более того, квантовая теория поля наследует все концептуальные проблемы квантовой теории и ничего не предлагает в направлении их разрешения. Эти старые проблемы квантовой теории вместе с новыми проблемами бесконечностей подсказывают, что квантовая теория поля тоже является приближением к более глубокой, более унифицированной теории.

Таким образом, несмотря на успехи квантовой теории поля многие физики, начиная с Эйнштейна, хотели бы выйти за ее пределы к более глубокой теории, которая даст полное описание каждого индивидуального эксперимента — что, как мы видели, не делает квантовая теория. Их поиски согласованно нашли непримиримый конфликт между квантовой физикой и СТО. Этот конфликт нам нужно понять, когда мы размышляем над возрождением времени в физике.

Имеется традиция — идущая от Нильса Бора — заявлять, что неспособность квантовой теории дать картину того, что происходит в индивидуальном эксперименте, это одно из ее достоинств, а не дефект. Как отмечалось в главе 7, Бор искусно доказывал, что целью физики является не предоставление такой картины, а, вместо этого, создание языка, на котором мы можем говорить друг с другом о том, как мы настраиваем эксперименты с атомными системами и что представляют из себя результаты.

Я нахожу записки Бора очаровательными, но не убедительными. Я чувствую то же самое в отношении некоторых современных теоретиков, которые утверждают, что квантовая механика существует не «по поводу» физического мира, а по поводу информации, которую мы имеем по поводу физического мира. Эти теоретики доказывают, что квантовое состояние не соответствует никакой физической реальности; вместо этого оно только кодирует информацию, которую мы как наблюдатели можем иметь о системе. Это умные люди, и мне доставляет удовольствие спорить с ними, но я боюсь, они недооценивают науку. Если квантовая механика только алгоритм для предсказания вероятностей, не можем ли мы сделать лучше? В конце концов, что-то в индивидуальном эксперименте происходит. Что-то и только это что-то является реальностью, которую мы называем электроном или фотоном. Не должны ли мы быть способны уловить сущность индивидуального электрона посредством концептуального языка и математической структуры? Возможно, нет принципа, гарантирующего, что реальность каждого субатомного процесса в природе должна быть постижима для людей и выражаема нами языком или математикой. Но не должны ли мы, по меньшей мере, попытаться? Так что я на стороне Эйнштейна. Я верю, что есть объективная физическая реальность и что при прыжке электрона с одного энергетического уровня атома на другой происходит нечто, поддающееся описанию. Затем я ищу теорию, чтобы дать это описание.

Первая теория скрытых переменных была представлена князем Луи де Бройлем в 1927 на культовом собрании квантовых физиков, названном Пятым Сольвеевским Конгрессом, вскоре после того, как квантовая механика была представлена в ее конечной форме^[115]. Это было вызвано предложенной Эйнштейном дуальностью между волнами и частицами, которую мы обсуждали в Главе 7. Теория де Бройля решила головоломку волн и частиц способом, который есть сама простота. Он постулировал, что имеется реальная частица и реальная волна. То и другое имеет материальное существование. Ранее в своей работе 1924 года на степень доктора философии он постулировал, что корпускулярно-волновой дуализм универсален, так что частицы, такие как электроны, также являются волнами. В статье де Бройля 1927 года эти волны распространяются как волны на воде, интерферируя и дифрагируя. Частица следует за волной. В добавление к обычным силам — электричеству, магнетизму и гравитации — частица притягивается так называемой квантовой силой. Эта сила притягивает частицу в направлении гребня волны; поэтому, в среднем частица более вероятно будет найдена здесь, но связь является вероятностной. Почему? Потому что мы не знаем, откуда частица стартовала. Поскольку мы не осведомлены о начальном положении частицы, мы не можем точно предсказать, где она будет. Скрытой переменной, о которой мы не знаем, является точное положение частицы.

Джон Белл позже предложил назвать теорию де Бройля теорией существующих в противоположность квантовой теории, которая является теорией наблюдаемых^[116]. Существующая это нечто, что существует во все времена в отличие от наблюдаемой, которая есть число, вызываемое к существованию экспериментом. В теории де Бройля и частица, и волна являются существующими. В частности, частица всегда имеет положение, даже если квантовая теория не может его точно предсказать.

Тем не менее, картина квантового мира де Бройля, где как частицы, так и волны реальны, популярность не завоевала. В 1932 великий математик Джон фон Нейман опубликовал книгу, в которой доказывал, что скрытые переменные были невозможны^[117]. Несколькими годами позже немецкий математик по имени Грета Херман указала, что доказательство фон Неймана содержало большую дыру^[118]. Он, вероятно, совершил ошибку, допустив то, что он хотел доказать, и ввел в заблуждение себя и других, скрыв предположение в технической аксиоме. Но ее статья была проигнорирована.

Понадобилось два десятилетия, чтобы ошибка была заново открыта. Американский квантовый физик Дэвид Бом в начале 1950-х писал учебник по квантовой механике^[119]. Размышляя над тайнами квантовой теории, он заново открыл теорию скрытых переменных де Бройля — о которой ничего не знал. Он написал статью, описывающую новую квантовую теорию, но когда он представил ее в журнал, он получил сообщение с отзывом, отвергающим статью, поскольку она не согласуется с хорошо известным доказательством фон Неймана невозможности скрытых переменных. Бом быстро нашел ошибку в доказательстве и написал статью, указывающую на это^[120]. С тех пор подход де Бройля-Бома к квантовой механике — как это сейчас называется — исследуется небольшим числом специалистов; это один из подходов к основаниям квантовой теории, который все еще активно исследуется сегодня.

С теорией де Бройля-Бома мы понимаем, что теории со скрытыми переменными являются возможным вариантом для разрешения загадок квантовой теории. Его изучение оказалось успешным, поскольку было показано, что многие его особенности применимы для любых возможных теорий со скрытыми переменными.

Теория де Бройля-Бома имеет противоречивые взаимоотношения с теорией относительности. Она делает статистические предсказания в согласии с квантовой механикой и она может быть сделана совместимой с СТО — и, в особенности, с относительностью одновременности. Но, в отличие от квантовой механики, теория делает больше, чем статистические предсказания; она дает детальную физическую картину того, что происходит в каждом индивидуальном эксперименте. Волна, которая эволюционирует во времени, влияет на то, где движется частица; при этом она нарушает относительность одновременности, поскольку закон, по которому волна влияет на движение частицы, может быть правильным только в одной системе отсчета наблюдателя. Таким образом, в той степени, в которой мы принимаем теорию скрытых переменных де Бройля-Бома как объяснение квантовых явлений, мы должны верить, что имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют привилегированное физическое время.

Это сомнительное взаимоотношение с относительностью, оказывается, распространяется на любые возможные теории скрытых переменных^[121]. Статистические предсказания таких теорий, которые согласуются с квантовой механикой, будут согласовываться и с теорией относительности. Но любая более детальная картина индивидуальных событий нарушает принцип относительности и может быть интерпретирована только с точки зрения единственного наблюдателя.

Теория де Бройля-Бома имеет один большой недостаток, который заключается в том, что она не удовлетворяет одному из наших критериев для космологической теории — требованию, чтобы все действия были взаимными. Волна влияет на то, где движется частица, но частица не имеет влияния на волну. Вследствие этого теория неудовлетворительна как космологическая теория. Имеется, однако, альтернативная теория скрытых переменных, которая ликвидирует указанную проблему.

* * *

Как последователь взглядов Эйнштейна на то, что после квантовой теории должна существовать более глубокая теория, я с моих студенческих дней пытался изобретать теории скрытых переменных. Каждые несколько лет я откладывал в сторону мое очередное исследование и пытался решить эту ключевую проблему. В течение многих лет я работал над подходом, основанном на теории скрытых переменных, записанной математиком из Принстона Эдвардом Нельсоном. Эти попытки работали, но все они имели элемент искусственности, в котором определенные силы должны были быть эксклюзивно сбалансированными, чтобы воспроизвести предсказания квантовой механики. В 2006 я написал статью, объясняющую технические причины этой искусственности^[122], а затем отказался от подхода.

Однажды днем в начале осени 2010 я зашел в кафе, открыл ноутбук на чистой странице и задумался о моих многочисленных неудавшихся попытках выйти за пределы квантовой механики. Я начал с размышления о версии квантовой механики, называемой ансамблевая интерпретация. Эта интерпретация игнорирует тщетные надежды описать, что происходит в индивидуальном эксперименте, и вместо этого описывает воображаемую коллекцию всех вещей, которые могут произойти в эксперименте. Эйнштейн ввел ее деликатно: «Попытка постигнуть квантово-теоретическое описание как полное описание индивидуальной системы приводит к неестественным теоретическим интерпретациям, которые немедленно становятся лишними, если одна из них допускает интерпретацию, что описание ссылается на ансамбли (или коллекции) систем, а не на индивидуальные системы»^[123].

Рассмотрим уединенный электрон, вращающийся вокруг протона в атоме водорода. Согласно сторонникам ансамблевой интерпретации волна связана не с индивидуальным атомом, а с воображаемой коллекцией копий атома. В других членах этой коллекции электроны занимают другие положения. Так что, если вы наблюдаете атом водорода, результат будет такой, как если бы вы случайно выделили атом из этой воображаемой коллекции. Волна дает вероятности нахождения электрона во всех этих различных местах.

Мне долгое время нравилась эта идея, но внезапно она стала казаться полностью сумасшедшей. Как могла бы воображаемая коллекция атомов повлиять на измерение, сделанное в одном реальном эксперименте? Это противоречит принципу, что ничто вне вселенной не может действовать на что-либо внутри вселенной. Так что я спросил себя, не могу ли я заменить эту воображаемую коллекцию коллекцией реальных атомов. Будучи реальными, они должны будут существовать где-нибудь в вселенной. Ну, во вселенной на самом деле имеется очень много атомов водорода. Могли бы они быть «коллекцией», на которую ссылается ансамблевая интерпретация квантовой механики?

Представим, что все атомы водорода во вселенной играют вместе. В этой игре каждый атом распознает, что другие атомы находятся в сходной ситуации со сходной историей. Под понятием «сходный» я имею в виду, что они будут описываться вероятностно с помощью того же квантового состояния. Две частицы в квантовом мире могут иметь идентичные истории, а также описываться одним и тем же квантовым состоянием, но различаться точным значение своей существующей, такой как положение. Когда атом распознает другой атом как имеющий сходную историю, он копирует свойства последнего, включая точное значение его существующих. Нет необходимости для двух атомов, находящихся рядом друг с другом, одному копировать свойства другого; они просто оба должны существовать где-то во вселенной.

Это в высшей степени нелокальная игра, но мы знаем, что любая теория скрытых переменных должна выражать факт, что квантовая физика нелокальна. Хотя идея может показаться сумасшедшей, она может быть менее сумасшедшей, чем наличие воображаемых коллекций атомов, влияющих на реальные атомы в мире. Так что я решил раскрутить идею до конца и увидеть, куда она привела.

Одно из свойств, которое копируется, это где находится электрон по отношению к фотону. Так положение электрона в отдельном атоме будет прыгать вокруг, когда он копирует положения электронов в других атомах во вселенной. В результате всех этих прыжков, если я измеряю, где находится электрон в отдельном атоме, он будет там, как если бы я выбирал атом хаотически из коллекции всех сходных атомов. Так квантовое состояние заменяется коллекцией сходных атомов. Чтобы сделать эту работу, я изобрел правило для игры с копированием, которое приводит к вероятностям для атома отвечать на измерение в точности так, как оно будет в соответствии с квантовой механикой^[124].

И я кое-что осознал, что мне очень понравилось: Что если система не имеет копии во вселенной? Тогда игра с копированием не может продолжаться, и квантовая механика не будет воспроизведена. Это объяснило бы, почему квантовая механика не применима для больших сложных систем, таких как коты или мы с вами: Мы уникальны. Это разрешает многолетние парадоксы, которые возникают, если вы применяете квантовую механику к большим вещам вроде котов или наблюдателей. Странные свойства квантовых систем ограничиваются атомными системами, поскольку последние входят в великое множество копий во вселенной. Квантовые неопределенности возникают потому, что эти системы постоянно копируют свойства друг друга.

Я называю это интерпретацией реальных ансамблей для квантовой механики, но в моих записках это фигурирует как интерпретация «Белой Белки», названная в честь одинокой белки-альбиноса, которая была замечена в некоторых парках Торонто. Вы можете представить, что все серые белки достаточно идентичны, чтобы к ним была применима квантовая механика — посмотрите, где находится одна, и вы можете увидеть других и других. Но белая белка, забравшаяся на мгновение на ветку дерева, кажется, не имеет копий, а потому не является квантовомеханической. Как вы или я, она может выглядеть как имеющая уникальные свойства, никем больше во вселенной не разделяемые или ни у кого во вселенной не скопированные.

Игра прыгающих электронов разрушает СТО. Прыжки через достаточно большие расстояния мгновенны, поэтому требуют понятия одновременных событий, разделенных большими расстояниями. Это, в свою очередь, требует передачи информации быстрее света. Тем не менее, статистические предсказания из квантовой теории воспроизводятся, и таким образом могут быть сделаны согласующимися с теорией относительности. Но когда вы заглянете за сцену, там обнаружится предпочтительная одновременность и, следовательно, предпочтительное время, точно как в теории де Бройля-Бома.

В обеих теориях скрытых переменных, которые я описал, принцип достаточного обоснования удовлетворяется. Имеется детальная картина того, что происходит в индивидуальных событиях, которая объясняет, что квантовая механика оценивает как неопределенное. Но цена — нарушение принципов теории относительности — высока.

* * *

Могла бы существовать теория скрытых переменных, совместимая с принципами теории относительности? Мы знаем, что ответ «нет». Если бы была такая теория, она нарушала бы теорему о свободе воли — теорему, подразумевающую, что нет способа определить, что будет делать квантовая система (отсюда нет теории скрытых переменных), до тех пор, пока удовлетворяются допущения теоремы. Одно из таких допущений есть относительность одновременности.

Упомянутая выше теорема Джона Белла также исключает локальные теории скрытых переменных — локальные в том смысле, что они содержат только коммуникации со скоростью, меньшей скорости света.

Но теория скрытых переменных возможна, если она нарушает теорию относительности.

До тех пор, пока мы просто фиксируем предсказания квантовой механики на уровне статистики, мы не должны задавать вопрос, как на самом деле устроены корреляции. И только когда мы ищем описание того, как информация передается внутри запутанной пары, нам необходимо понятие мгновенной коммуникации. И когда мы ищем, как выйти за пределы статистических предсказаний квантовой теории к теории скрытых переменных, мы приходим к конфликту с относительностью одновременности.

Чтобы описать, как устроены корреляции, теория скрытых переменных должна воспользоваться определением одновременности единственного наблюдателя. Это, в свою очередь, означает, что имеется привилегированное понятие покоя. Что, в свою очередь, предполагает, что вы можете высказываться в абсолютном смысле по поводу того, кто движется по отношению к такому единственному наблюдателю — назовем его Аристотель. Аристотель покоится. Все, что он видит движущимся, движется на самом деле. Конец истории.

Другими словами, Эйнштейн ошибался. Ньютон ошибался. Галилей ошибался. Не существует относительности движения.

Это наш выбор. Или квантовая механика является конечной теорией и нельзя проникнуть за ее статистическую вуаль, чтобы достичь более глубокого уровня описания, или прав Аристотель и имеется привилегированная версия движения и покоя.

14 Время, возрожденное из относительности

Мы видели, что реальность времени открывает новые подходы к пониманию того, как вселенная выбирает свои законы, в то же время делая возможным новое разрешение тайн квантовой механики. Но мы все еще должны преодолеть большое препятствие, которое заключается во внушительном аргументе СТО и ОТО в пользу картины монолитной вселенной. Этот аргумент делает вывод, что реальна только история вселенной как вневременного целого^[125].

Аргумент в пользу монолитной вселенной покоится на относительности одновременности, которая является составной частью СТО (см. Главу 6). Но если время реально в смысле реального настоящего момента, имеется граница, с которой могут согласиться все наблюдатели, между реальным настоящим и еще не реальным будущим. Это подразумевает универсальное физической понятие одновременности, которое включает в себя удаленные события и даже всю вселенную. Это может быть названо привилегированным глобальным временем («глобальное» тут означает, что определение времени распространяется по всей вселенной). Мы имеем прямую конфронтацию между утверждением, что должно существовать привилегированное глобальное время, и утверждением, что принципы теории относительности этому препятствуют. К тому же, как мы видели в последней главе, привилегированное глобальное время является необходимым ингредиентом любой теории скрытых переменных, которая объясняет выборы, сделанные любой индивидуальной квантовой системой. Поэтому, как мы также видели в последней главе, налицо конфликт между относительностью одновременности и принципом достаточного обоснования.

Целью настоящей главы является разрешение конфликта в пользу принципа достаточного обоснования. Это означает отказ от относительности одновременности и принятие его противоположности: что имеется привилегированное глобальное время. Замечательно, что это нетребует свержения теории относительности; оказывается, что достаточно ее переформулировать. Сутью разрешения конфликта является новый и более глубокий способ понимания ОТО, который раскрывает новую концепцию реального времени.

Привилегированное понятие глобального времени выделяет семейство наблюдателей, распределенных по вселенной, чьи часы измеряют указанное время. Это предполагает привилегированное состояние покоя, напоминающее понятие покоя Аристотеля или эфир из физики 19-го столетия, которые Эйнштейн разрушил своим изобретением СТО. Для физиков до Эйнштейна указанный эфир был необходим, поскольку световая волна нуждалась в среде, по которой она должна распространяться. Эйнштейн уничтожил его, поскольку его принцип относительности одновременности предполагает отсутствие эфира, отсутствие состояния, всегда и всюду покоящегося^[126].

Тут не только противоречие, но также и причина для депрессии. Уничтожение эфира было великим триумфом целенаправленных рассуждений над ленивыми традициями мышления. Так легко думать о мире в терминах Аристотеля. Галилей и Ньютон установили относительность инерциальных систем отсчета, что сделало невозможным детектирование привилегированного состояния покоя через наблюдение за тем, как движутся тела. Но идея покоя как чего-то естественного все еще тихо пряталась в умах физиков, давая место эфиру в ожидании, когда теоретикам понадобится среда для распространения света. Только Эйнштейн имел проницательность, необходимую, чтобы все это вместе уничтожить. И, тем не менее, кажется, что у нас есть основания вернуться к идее привилегированного глобального понятия времени. Факт, что это противоречит триумфу Эйнштейна над эфиром, является психологическим барьером для принятия аргументов в пользу реальности времени всерьез — или, по меньшей мере, так было в моем случае.

Перед тем, как обсуждать, как теория может разрешить указанное противоречие, посмотрим на то, что должен сказать эксперимент. Привилегированное глобальное понятие времени предполагает привилегированного наблюдателя, часы которого измеряют это привилегированное время. Это противоречит относительности инерциальных систем отсчета, в соответствии с которой нет экспериментального или наблюдательного способа выделить наблюдателя, предположительно покоящегося, от других, движущихся с постоянной, но произвольной скоростью.

Первая вещь, на которую надо обратить внимание, это что вселенная устроена таким образом, что действительно выделяет привилегированное состояние покоя. Мы это знаем, потому что когда мы смотрим вокруг через наши телескопы, мы видим великое множество галактик, двигающихся прочь от нас примерно с той же скоростью в любом направлении. Но это может быть только правдой одного наблюдателя, поскольку кто-то, быстро удаляющийся от нас в пространство, будет видеть те галактики перед ним, с которыми он связан, двигающимися медленнее, чем галактики позади него. Более того, у нас есть хорошее свидетельство, что галактики однородно распределены в пространстве, по меньшей мере, когда их положение усреднено на достаточно большом масштабе, — то есть, вселенная кажется одинаковой, когда мы смотрим в любом направлении. Из этих фактов мы можем вывести, что в каждой точке в пространстве будет выделенный специальный наблюдатель, который видит галактики, удаляющиеся от него с той же скоростью в каждом направлении^[127]. Так что движения галактик выделяют привилегированного наблюдателя и, следовательно, привилегированное состояние покоя в каждой точке пространства.

Другим способом выделить привилегированное семейство наблюдателей является использование космического микроволнового фона. Эти привилегированные наблюдатели видят КМФ, приходящий к ним с одинаковой температурой со всех направлений в небе^[128].

К счастью, два семейства привилегированных наблюдателей совпадают. Галактики оказываются, в среднем, покоящимися в той же системе отсчета, в которой КМФ приходит к нам с той же температурой со всех направлений. Так что вселенная организована таким образом, что выделяет привилегированное состояние покоя. Но этот факт не обязательно противоречит принципу относительности движения. Теория может иметь симметрию, которая не соблюдается ее решениями. Иначе: Решения теорий часто нарушают симметрии теорий. Факт, что не имеется фундаментально привилегированного направления в пространстве, не предотвращает ветра, дующего сегодня с севера. Наша вселенная представляет собой только одно решение уравнений ОТО. Это одно решение может быть асимметричным — то есть, оно может включать привилегированное состояние покоя — без противоречия с тем принципом, что теория имеет симметрию. Вселенная могла стартовать путем, который нарушает симметрию.

С другой стороны, мы хотим спросить, почему вселенная находится в таком специальном состоянии, что явно выделяет привилегированное семейство наблюдателей. Это другой вопрос о том, почему начальные условия вселенной были такими особыми. Это вопрос, на который сама ОТО не может ответить — еще одно свидетельство, что имеется нечто в отношении вселенной, что не ухватывается ОТО. Итак, достойна рассмотрения возможность, что привилегированное состояние покоя во вселенной представляет собой нечто более глубокое. Возможно, она говорит нам что-то об уровне физики, более глубоком, чем ОТО.

Если привилегированное состояние покоя во вселенной представляет нечто более глубокое, то это состояние должно проявиться в других видах экспериментов. Но на масштабах меньше космологических принцип относительности инерциальных систем отсчета проверен достаточно хорошо. Предсказания СТО Эйнштейна подтверждает гигантское количество экспериментальных доказательств, многие из которых могут пониматься как проверка того, существует или нет в природе привилегированное состояние покоя^[129].

Так что наблюдения дают нам разнородные сообщения. На большом масштабе имеется подтверждение привилегированного состояния покоя, которое должно быть объяснено чем-то специальным в начальных условиях вселенной. Но на любом меньшем масштабе имеется подтверждение, что господствует принцип относительности. Изобретательное решение указанной загадки было придумано только недавно. Оказывается, ОТО может быть красиво переформулирована как теория с привилегированным понятием времени. Эта новая формулировка только другой способ понимания ОТО, но она раскрывает физически предпочтительную синхронизацию часов по всей вселенной. Более того, выбор этой привилегированной синхронизации зависит от распределения материи и гравитационного излучения по всей вселенной, так что это не возврат к Ньютоновскому абсолютному времени. Также этот выбор не может быть открыт никакими локальными измерениями, так что он полностью совместим с принципом относительности для малых подсистем вселенной.

Теория, которая сделала возможным это полное изменение перспективы, называется динамика формы^[130]. Ее главный принцип в том, что все, что в физике реально, связано с формами объектов, и любое реальное изменение есть просто изменения в их формах. Размер ничего фундаментально не означает, и факт, что объекты кажутся нам имеющими внутренний размер, есть иллюзия.

Динамика формы была создана последователями цепочки идей, предложенных Джулианом Барбуром, чья вневременная квантовая космология обсуждалась в Главе 7. Барбур великий защитник реляционистской философии, и дорога к динамике формы началась с его настойчивого требования сделать физику настолько реляционистской, насколько возможно. Многие из ключевых шагов были предприняты им в течение последнего десятилетия вместе с Найлом О'Мурчадхой и несколькими молодыми соавторами, но заключительные части были введены в действие летом и в конце 2010 тремя молодыми людьми, работающими в Институте Периметра: аспирантами Шоном Грайбом и Энрике Гомесом и постдоком Тимом Козловски^[131].

Раз уж мы знаем базовые идеи теории относительности, легко понять и динамику формы, поскольку эта теория является естественным следующим шагом. Повторим некоторые аспекты одновременности: Имеет смысл говорить о двух соседних событиях, происходящих одновременно. Мы можем также упорядочить их во времени, и это имеет смысл делать, так как одно событие могло бы быть причиной другого. Но когда мы пытаемся упорядочить события, находящиеся далеко друг от друга, мы находим, что не существует абсолютного упорядочения, с которым могут согласиться все наблюдатели. Для некоторых наблюдателей два события могут быть одновременны; для других наблюдателей одно событие может оказаться в прошлом другого события.

Барбур говорит нам, что размер ведет себя аналогичным образом. Если мы имеем два соседних объекта, имеет смысл ранжировать их по размеру: Если вы можете поместить мышь в ящик, имеет смысл сказать, что мышь меньше ящика. Если вы имеете два футбольных мяча, имеет смысл сказать, что у них одинаковый диаметр. Эти сравнения имеют физический смысл, и все наблюдатели с ними согласятся.

Но теперь спросим, меньше ли мышь здесь, чем ящик в соседней галактике. Этот вопрос все еще имеет смысл? Имеется ли ответ на него, с которым согласятся все наблюдатели? Проблема в том, что, поскольку они удалены друг от друга, вы не можете поместить мышь в ящик, чтобы убедиться, что она входит.

Чтобы ответить на вопрос, вы можете передвинуть ящик туда, где находится мышь, и посмотреть, поместится ли мышь внутрь. Но это будет ответ на другой вопрос, поскольку теперь ящик и мышь находятся в одном и том же месте. Откуда мы знаем, нет ли некоторого физического эффекта, расширяющего все, что мы двигаем в нашу галактику, так что ящик величиной с мышиный глаз становится в пути достаточно большим, чтобы вместить мышь? Мы можем оставить ящик там, где он есть, и, вместо этого, послать к нему линейку. Но как мы узнаем, что линейка не подвергнется обратному эффекту, сжавшись во время путешествия от размера мыши до размера далекого ящика?

Это одно из направлений размышления, которое привело Барбура и друзей к предположению, что бессмысленно сравнивать размеры удаленных друг от друга объектов. Что мы можем сделать, это сравнить формы, поскольку формы не подвержены тому же виду произвольных модификаций. Единственным исключением из относительности размеров является то, что объем целой вселенной в каждый момент времени должен оставаться неизменным. Это нелегко объяснить на пальцах без использования технического языка, но это означает, что если вы сожмете все в одном месте, в то же самое время должно быть где-то еще место, где вы компенсируете сжатие увеличением всего в той же степени, так что полный объем вселенной не меняется. Объем, конечно, может меняться во времени по мере расширения вселенной.

Хотя динамика формы радикальна, когда речь идет о размерах, она консервативна, когда речь идет о времени. Имеется единственный темп, с которым течет время. Он один и тот же по всей вселенной, и вы не можете изменить его.

ОТО более или менее противоположна. Размер объектов фиксирован и остается фиксированным, когда вы двигаете их вокруг, так что имеет смысл сравнивать размеры удаленных вещей. В чем ОТО гибкая, это в темпе времени. Бессмысленно спрашивать, идут ли удаленные от нас часы быстрее или медленнее по отношению к часам вблизи нас, поскольку ускорение и замедление удаленных часов находится среди изменений в зеркалах комнаты смеха, по поводу которых наблюдатели расходятся во мнениях. Даже если вы синхронизируете ваши часы с удаленными часами, они могут рассинхронизироваться, поскольку нет физического смысла в том, чтобы их темпы оставались одинаковыми.

Одним словом, в ОТО размер универсален, а время относительно, тогда как в теории динамики формы время универсально, а размер относителен. Примечательно, однако, что эти две теории эквивалентны друг другу, поскольку вы можете — путем ловкого математического трюка, в который нет необходимости вдаваться здесь, — обменять относительность времени на относительность размера. Так что вы можете описывать историю вселенной двумя путями, на языке ОТО или на языке динамики формы. Физическое содержание двух описаний будет одно и то же, и любой вопрос по поводу наблюдаемой величины будет иметь один и тот же ответ.

Когда эта история описывается на языке ОТО, определение времени произвольно. Время относительно, и нет смысла в вопросе, что оно означает в удаленных локациях. Но когда история описывается на языке динамики формы, обнаруживается универсальное понятие времени. Цена, которую вы платите, заключается в том, что размер становится относительным и становится бессмысленным сравнивать размеры объектов, удаленных друг от друга.

Подобно картине волн/частиц в квантовой теории это представляет собой пример того, что физики называют дуальностью — два описания отдельного явления, каждое из которых полно, однако несовместимо с другим. Эта специфическая дуальность является одним из глубочайших открытий современной теоретической физики. Она предлагалась в другой форме^[132] в 1995 Хуаном Малдасеной в контексте теории струн и стала с тех пор наиболее влиятельной идеей в этой области. На момент написания этой книги точное взаимоотношение между дуальностью динамики формы и дуальностью Малдасены неясно, но кажется похожим, что имеется аналогия^[133].

В то время как в ОТО нет привилегированного времени, оно есть в дуальной теории. Мы можем использовать тот факт, что две теории взаимозаменяемы, чтобы перевести время в мире динамики формы в мир ОТО. Там оно обнаруживается как привилегированное время, скрытое в уравнениях^[134].

Это глобальное понятие времени предполагает, что в каждом событии в пространстве и времени имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют прохождение события. Но не существует способа выделить этого специального наблюдателя любыми измерениями, проделанными в малой области. Выбор специального глобального времени определен тем, как материя распределена по вселенной. Это соответствует факту, что эксперименты согласуются с принципом относительности на масштабах, меньших, чем масштаб вселенной. Таким образом, динамика формы достигает согласия между экспериментальным успехом принципа относительности и необходимостью глобального времени, требуемого теориями эволюционирующих законов и объяснениями квантовых явлений через скрытые переменные.

Как отмечалось, одной из величин, которой не позволено изменяться, когда вы расширяете или сжимаете масштабы, является полный объем вселенной в каждое время. Это делает содержательными понятия полного размера вселенной и ее расширения, и это может быть принято за универсальные физические часы. Время было открыто заново.

15 Возникновение пространства

Самый таинственный аспект мира находится прямо перед нами. Нет ничего более банального, чем пространство, однако, когда мы исследуем его более глубоко, нет ничего более таинственного. Я верю, что время реально и существенно для фундаментального описания природы. Но я думаю, вероятно, что пространство окажется иллюзией того же сорта, что и температура или давление, — удобным способом организации нашего восприятия вещей на большом масштабе, но только грубым и эмерджентным способом видеть мир как целое.

Теория относительности соединила пространство и время, приведя к картине монолитной вселенной, в которой как пространство, так и время понимались как субъективные способы дробления четырехмерной реальности. Гипотеза реальности времени освобождает время от ошибочных ограничений этой унификации. Мы можем разработать наши идеи о времени в понимании, что время сильно отличается от пространства. Это отделение времени от пространства освобождает пространство тоже, открывая дверь к большему пониманию их природы. Как мы увидим в этой главе, это приводит к революционному прозрению, что пространство на квантовомеханическом уровне вообще является не фундаментальным, а возникает из более глубокого порядка.

Простой факт, что мир повседневных объектов организован в понятиях «рядом» и «далеко», является следствием двух базовых свойств реальности: существования пространства и того обстоятельства, что вещи, чтобы влиять на нас, должны находиться по соседству от нас (это свойство физики называют локальностью). Мир полон вещами, которые представляют или опасность, или удобный шанс, только в каждый момент времени вы не имеете отношения с большинством из них. Почему? Потому что они далеко от вас. Тигры в заокеанских странах съели бы вас в минуту, если бы смогли, но вам не нужно беспокоиться, поскольку их нет нигде поблизости от вас. Это подарок от пространства; почти все удалено от нас и может в настоящее время игнорироваться.

Представим себе мир, который содержит гигантское количество объектов без пространственной организации. Любая вещь может столкнуться с любой другой в любой момент. Тут не было бы никакого расстояния, чтобы поддерживать вещи разделенными.

Мы остро осознаем через наши чувства, что с нами связано. Но это не так много. То, что лишь немногие вещи могут занимать места вблизи нас, это свойство пространства. Это следствие малой размерности пространства. Подумайте, сколько соседей живет непосредственно рядом с вами на даче. Только две семьи, по одной с каждой стороны. Теперь, сколько соседей могли бы непосредственно граничить с вами? Четыре — две семьи по соседству, одна через улицу и одна сзади. Если вы живете в многоквартирном доме, число граничащих с вами соседей возрастает до шести, поскольку также имеются люди, живущие под вами, и школьники, слушающие телевизор до трех утра прямо над вами. Число ближайших к вам соседей растет пропорционально числу измерений — два в одном измерении, четыре в двух измерениях, шесть в трех измерениях. Соотношение простое: Число соседей в два раза больше числа измерений.

Так что если бы мы жили в пятидесятимерном пространстве, мы могли бы иметь сто ближайших соседей. Поскольку мы привязаны к трем измерениям, если мы хотим жить в здании вместе с сотней других семей, это должен быть большой многоквартирный дом, и большинство из указанных семей не будут нашими ближайшими соседями. В трех измерениях у нас есть соседи, которых мы никогда не встречаем.

Кстати, есть проблема в планировании научных институтов, где мы хотим максимизировать шансы связанного со счастливым случаем взаимодействия между людьми с разными идеями и интересами. Когда Институт Периметра был впервые открыт с семью учеными, этой проблемы не было; сегодня то, что у нас больше ста сотрудников, является проблемой. Как физики-теоретики, мы думали об увеличении числа измерений в здании по мере нашего роста, но мы не могли найти архитекторов, чтобы сделать это^[135].

Факт в том, что мы привязаны к низкоразмерному миру. Это больше, чем что-либо другое, защищает нас от тигров, страдающих бессонницей соседей с телевизионным пультом и других чудовищ, но это также является основным препятствием, с которым мы сталкиваемся, пытаясь увеличить наши благоприятные возможности.

В дотехнологическую эру тот факт, что поверхность Земли является двумерной, держал людей относительно изолированными. Большинство людей встречались за время жизни только с несколькими сотнями других — тех, что были в пределах пешей доступности. Они делали все возможное, устраивая праздники и фестивали, чтобы увеличить взаимодействие (точно так, как это делают ученые) с соседними деревнями, а несколько бесстрашных торговцев рисковали за рубежом. Но пространство делало чужаками почти всех из нас.

Теперь мы живем в мире, в котором технология переиграла ограничения, свойственные жизни в низкоразмерном пространстве. Рассмотрим только эффект сотовых телефонов. Я могу взять свой и мгновенно начать говорить почти с любым другим человеком, поскольку 5 миллиардов из 7 миллиардов людей на планете имеют мобильные телефоны. Эта технология эффективно растворила пространство. С точки зрения сотовой связи мы живем в пространстве с 2,5 миллиардами измерений, в котором почти все наши собратья-люди являются нашими ближайшими соседями.

Конечно, Интернет делает то же самое. Пространство, нас разделяющее, растворяется сетью соединений, которая существенно сближает всех. В итоге мы живем вместе в многомерном пространстве. Мы быстро становимся миром, в котором много людей могут выбрать жизнь почти полностью в многомерном пространстве. Все, что для этого нужно, это немного виртуальной реальности — так что, скажем, звонок сотового телефона будет призывать голограмму персоны, которой вы звоните, и проектировать вашу голограмму, где бы вы ни находились.

В многомерном мире с неограниченным потенциалом для связей вы сталкиваетесь с гораздо большим числом вариантов выбора, чем в физическом мире трех измерений. Многие из проблем, с которыми столкнулся наш опутанный проводами мир, возникают вследствие этого безмерно возросшего моря возможностей, и многие из общественных средств массовой информации, которые быстро распространились, выстроены для эксплуатации и управления этим морем.

Представим себе ребенка, воспитанного в таком многомерном мире, где пространство роли не играет. Он будет думать о своем мире как о гигантской сети, в которой изменчивые и динамические системы связей поддерживают каждого в одном шаге от любого другого. Представим теперь, что кто-то выключил рубильник. Питание исчезает, и жители сети впадают в куда более ограниченный и менее возбуждающий мир. Они откроют, что они на самом деле живут в трех измерениях и что пространство разделяет большинство людей. Число соседей сократится с 5 миллиардов до горстки, и почти любой внезапно окажется очень далеко.

Эта картина является метафорой того, как некоторые физики в настоящее время думают о пространстве. Мы (да, я тоже среди них) верим, что пространство есть иллюзия и что реальные взаимоотношения, формирующие мир, представляют собой динамическую сеть, немного похожую на Интернет или сотовую сеть. Мы испытываем иллюзию пространства, поскольку большая часть из возможных связей выключена, выталкивая все далеко.

Эта картина возникает из класса подходов к квантовой гравитации, в которых пространство не принимается как фундаментальное, а время принимается. Эти подходы постулируют фундаментальную квантовую структуру — одну из тех, которые не нуждаются в пространстве для своего определения. Идея в том, что пространство возникает точно так же, как возникает термодинамика из физики атомов. Такие подходы фоново-независимы, поскольку они не предполагают существования фиксированной фоновой геометрии. Напротив, первичным понятием является граф или сеть, определяемая, по сути, без ссылки на пространство.

Первый из этих подходов, который был разработан, назван причинные динамические триангуляции, изобретен Яном Амбьорном и Ренатой Лолл и усовершенствован их соавторами^[136]. Этот подход следует квантовым граффити (называемым так, поскольку они предполагают, что фундаментальными объектами в природе являются графы), изобретенным Фотини Маркопулу^[137] и исследованным ее соавторами^[138]. Интуитивная картина пространства, возникающего из выключения связей в сети, которую я только что давал, наиболее близко им соответствует. Третий подход — в котором имеется глобальное время, которое принимается фундаментальным, но в котором пространство не является эмерджентным, — введен Петром Хоравой^[139]. Некоторые подходы к теории струн, называемые подходами матричных моделей, также могут быть описаны указанным образом^[140].

За счет принятия фундаментальности времени эти подходы отличаются от старых фоново-независимых подходов, постулирующих, что пространство-время — все вместе, как в монолитной вселенной — должно возникать из более фундаментального описания, в котором ни пространство, ни время не являются первичными. Указанные подходы включают петлевую квантовую гравитацию, причинные серии и некоторые другие подходы к теории струн.

Имеются уроки, которые нужно извлечь из успехов и неудач каждого набора подходов. Они составляют историю, о которой пойдет речь в этой главе.

Полезная метафора, возникающая из некоторых подходов к квантовой гравитации, заключается в представлении, что пространство не непрерывно, а представляет из себя решетку дискретных точек (см. Рис. 13). Частицы живут на узлах решетки и двигаются путем перепрыгивания к ближайшим соседям. Две частицы действуют силой или оказывают влияние друг на друга, только если они являются соседями. Если решетка низкоразмерная, число частиц, подходящих для взаимодействия, мало; оно возрастает вместе с размерностью, как и в нашем обсуждении человеческих соседей.

Мы можем представить свет как фотоны, которые путешествуют путем прыгания, сосед за соседом, вдоль решетки. Чтобы послать фотон к удаленной частице, требуется много прыжков, а следовательно, это занимает время.

Теперь подумаем о мире на сети, который имеет намного больше связей. Вещи будут ближе одна к другой в том смысле, что потребуется меньше шагов, чтобы установить связь через сеть, так что потребуется меньше времени, чтобы послать сигнал между двумя узлами сети.

Рис. 13. Пространство как решетка точек. Частица может быть только в одном из узлов, а движение состоит в прыжках от узла к узлу.

Один из наших принципов для новой космологии оговаривает, что ничто не должно воздействовать, не подвергаясь воздействию само. Так что если сеть указывает частицам, как двигаться, не должна ли сеть также изменяться в зависимости от того, где находятся частицы? Это могло бы составить образ физического мира, не сильно отличающегося от нашего взаимосвязанного человеческого мира. Мир есть динамическая сеть взаимоотношений; что бы ни жило на сети и какой бы ни была структура самой сети, то и другое подвержено эволюции. Таким представляется мир в фоново-независимых подходах к квантовой гравитации.

Теория петлевой квантовой гравитации является старейшим и лучше всего разработанным фоново-независимым подходом к квантовой гравитации, так что начнем повествование с нее. Петлевая квантовая гравитация описывает пространство как динамическую сеть взаимоотношений. Типичное квантовое состояние геометрии пространства изображается в виде графа — то есть, фигуры, содержащей много ребер, которые присоединены к узлам или вершинам (см. Рис. 14). Все ребра (которые обозначают некоторый вид первичных взаимосвязей между узлами) имеют метки, обозначающие отношения между узлами, которые они соединяют. Эти метки могут быть взяты в виде целых чисел, одно целое число отмечает каждое ребро. (Узлы тоже имеют метки, но у них более сложное описание, и я не хочу здесь затруднять этим читателей).

Вспомним, что в квантовой физике энергия атома квантуется и величины энергии определены только определенными состояниями с определенными дискретными энергиями. В соответствии с петлевой квантовой гравитацией объемы областей пространства также квантуются, последние могут иметь только определенные дискретные величины объемов. Площади поверхностей также квантуются^[141]. Петлевая квантовая гравитация дает точные предсказания для спектров объемов и площадей. Они имеют потенциально наблюдаемые следствия — например, они подразумевают точные предсказания для спектров излучения, которое может наблюдаемо истекать из малых черных дыр^[142].

Рассмотрим кусочек стали — скажем, швейную иглу. Она выглядит достаточно гладкой, но мы знаем, что она сделана из атомов в упорядоченном расположении. Если мы заглянем вниз до масштаба самих атомов, гладкость металла сменится картиной, построенной из дискретных блоков — атомов — связанных друг с другом упорядоченным образом. Пространство также кажется «гладким» или непрерывным, но если петлевая квантовая гравитация верна, то пространство тоже сделано из дискретных блоков, которые могут мыслиться как «атомы» пространства. Если бы мы могли наблюдать на Планковском масштабе, мы увидели бы, что гладкость пространства трансформировалась в указанную картину.

Рис. 14. Типичное квантовое состояние геометрии пространства, изображенное в виде графа.

В ОТО, как мы видели, геометрия пространства оказывается динамической. Она развивается во времени в ответ на движение материи или распространение гравитационных волн. Но если геометрия на самом деле является квантовой на Планковском масштабе, изменения в геометрии пространства должны происходить из изменений, имеющих место на этом масштабе. Например, должны быть осцилляции в квантовой геометрии пространства, соответствующие прохождению гравитационной волны. Триумфом петлевой квантовой гравитации стало то, что динамика пространства-времени, которая задается в ОТО уравнениями Эйнштейна, действительно может быть закодирована простыми правилами, по которым граф эволюционирует во времени^[143]. Это проиллюстрировано на Рис. 15.

Это перекодирование уравнений Эйнштейна в правила для изменения графов работает в обе стороны. Вы можете начать с теории Эйнштейна и проследовать по процедуре превращения классической теории в квантовую теорию. Эта процедура была разработана и проверена на многих других теориях. Применение ее к ОТО является упражнением, требующим в техническом смысле напряжения сил, но после ее аккуратного проведения она приводит к картине, которую мы здесь описали, с точными правилами для изменения графов во времени. Таким образом, мы называем петлевую квантовую гравитацию «квантованием» ОТО^[144].

Рис. 15. Правила, по которым графы эволюционируют во времени в петлевой квантовой гравитации. Каждый кадр может служить малой частью графа, как показано на рисунке.

В качестве альтернативы мы можем стартовать с квантовых правил для изменения графов и поинтересоваться, могут ли правила классической ОТО быть выведены как приближение к квантовым правилам. Это аналог вывода уравнений, которые описывают течение воды из фундаментальных законов, которым подчиняются атомы, составляющие воду. Это упражнение называется выводом классической теории из классического предела квантовой теории. Это сложно, но с недавних пор имеются положительные результаты в петлевой квантовой гравитации^[145]. Они использовали пространственно-временной подход к квантовому пространству-времени, именуемому моделью спиновой пены, в которой сеть, лежащая в основе геометрии пространства, рассматривается как часть большей сети, охватывающей пространство и время. Отсюда спиновая пена дает квантовую версию картины монолитной вселенной, в которой пространство и время объединены в единую структуру. Что особенно впечатляет, так это что имеются некоторые независимые результаты, показывающие возникновение ОТО из моделей спиновой пены.

Легко добавить в картину квантовой геометрии даже материю. История та же, что и в модели решетки, только теперь решетка может изменяться. Мы можем вставлять частицы в узлы или вершины. Они двигаются, прыгая от узла к узлу вдоль ребер, точно так же, как и в модели решетки. Если вы посмотрите в достаточной степени издалека, вы не увидите узлы и графы, вы увидите только гладкую геометрию, которая их аппроксимирует. Частицы тогда будут выглядеть, как будто они путешествуют через пространство. Так что возможно, что когда мы кидаем мяч, на самом деле происходит то, что атомы в мяче перепрыгивают от атома пространства к атому пространства и к атому пространства.

Однако, результаты, которые показывают, что ОТО возникает из петлевой квантовой гравитации, как бы важны они ни были, достигаются с некоторыми ограничениями. В некоторых случаях описание ограничено малой областью пространства-времени, окруженной границей. Наличие границы говорит нам, что петлевая квантовая гравитация лучше понимается как описание малой области пространства-времени, и поэтому соответствует Ньютоновской парадигме.

Имеются также результаты в теории струн, наводящие на мысль, что пространство-время может появляться в ограниченной области — по меньшей мере, когда космологическая константа принимает отрицательное значение. Они возникают в контексте дуальности между ОТО и масштабно-инвариантной теорией, гипотезу о которой высказал Хуан Малдасена, о чем я упоминал в Главе 14. Если эта гипотеза верна — а многие результаты ее поддерживают — тогда классическое пространство-время может появляться во внутренней области, граница которой имеет фиксированную классическую геометрию.

Таким образом, и петлевая квантовая гравитация и теория струн намекают, что квантовая гравитация может быть понята как описание областей пространства-времени с границами, поэтому укладывается в рамки Ньютоновской парадигмы. Их самые сильные результаты достигнуты в контексте физики в ящике, без обращения к проблеме, может или не может описание быть масштабировано к теории целой замкнутой вселенной.

Другое допущение при получении результатов петлевой квантовой гравитации о появлении пространства-времени заключается в том, что графы, описывающие квантовую геометрию пространства, ограничены тем, что уже выглядит как дискретная картина низкоразмерного пространства^[146]. В этих случаях локальность пространства фиксируется тем, что каждая вершина или узел графа соединяется только с небольшим числом других вершин. Точно как в загородном поселке, каждый узел имеет только несколько ближайших соседей. Чтобы пропутешествовать между широко разнесенными узлами, частица должна сделать много перескоков. Для преодоления длинного пути для частицы или для квантового переноса информации требуется время. Поэтому возникает описание мира с конечной скоростью света. Однако, имеется много состояний квантовой геометрии, в которых нет хорошей версии локальности. Имеются графы, в которых каждый узел связан с каждым другим узлом только через несколько шагов. До сегодняшнего дня методы петлевой квантовой гравитации не прояснили, как развиваются такие квантовые геометрии.

Рассмотрим пример в двумерном пространстве — а именно, большую область плоскости, как показано на Рис. 13. Эта плоскость может иметь квантово-геометрическое описание, изображаемое на рисунке на языке графов. Теперь рассмотри два узла, которые удалены друг от друга на графе на много шагов; мы будем называть их Тед и Мэри. Мы можем сделать новый граф из старого, добавив другое ребро, которое связывает Теда непосредственно с Мэри (см. Рис. 16). Это описывает квантовую геометрию, в которой Мэри и Тед являются соседями. Это как если бы они оба просто купили сотовые телефоны; разделяющее их пространство растворяется.

Если геометрия на самом деле квантовая, тогда в нашей наблюдаемой вселенной имеется, возможно, 10 180 узлов — то есть, один узел на кубик с ребром Планковской длины. Если каждый соединен только с несколькими ближайшими соседями, то квантовая геометрия на больших масштабах может выглядеть точно подобно классической геометрии. Локальность пространства тогда возникает из особого дизайна воспроизводящей его квантовой геометрии. В этом случае, грубо, имеется столько же ребер, сколько и узлов, поскольку каждый узел соединен только с несколькими соседями. Но путем добавления только одного дополнительного ребра к гигантскому числу ребер, составляющих квантовую геометрию, мы разрушаем локальность пространства драматическим образом, делая возможной, по существу, мгновенную коммуникацию между сильно удаленными друг от друга узлами типа Теда и Мэри. Мы называем это нарушением локальности, а добавленное ребро — нелокальной связью^[147].

Рис. 16. Добавление нелокальной связи нарушает локальность, делая две удаленные точки близкими друг к другу.

Удивительно легко нарушить локальность, добавив только одну нелокальную связь. Отдельная нелокальная связь будет одной на 10 180 ребер внутри наблюдаемой вселенной, но имеется 10 360 возможных мест для ее размещения. Если вы добавляете ее в граф с 10 180 ребрами случайно, вы намного более вероятно добавите нелокальную связь, чем локальную, поскольку число способов добавить нелокальную связь намного больше, чем число способов добавить ее локально. Узел на одном конце может быть связан с небольшим числом других узлов, если вы хотите создать локальное соединение. Но если вы не заботитесь о локальности, другой конец мог бы зацепить любой узел во вселенной. Вы опять видите, насколько огромным ограничением является локальность.

Вы можете удивиться, насколько много нелокальных связей могло бы быть добавлено к квантовой геометрии пространства, прежде чем мы обратим на это внимание в макромире. Поскольку обычные частицы имеют квантовые длины волн на много порядков больше по величине, чем Планковский масштаб, вероятность фотону видимого света найтись на одном конце нелокальной связи, чтобы он смог перескочить от Теда к Мэри, очень мала. Грубые оценки показывают, что порядка 10 100 таких нелокальных связей могут быть добавлены, прежде чем эксперимент будет легко детектировать сверхсветовую коммуникацию. Это огромное число (но даже близко не столь огромное как 10 180). Тем не менее, узлы, нелокально соединенные через вселенную с чем-то где-нибудь, будут довольно распространены; в среднем их может быть больше одного на кубический нанометр пространства.

Раз уж мы допустили нелокальные связи, имеется гигантское число способов, которыми локальность может быть нарушена. Вы могли бы также иметь несколько узлов, которые соединены со многими другими узлами. Эти очень общительные узлы могли бы действовать, как сплетники действуют в социальной сети, канализируя через вселенную большое количество информации, выступая как кратчайший путь.

Может ли вселенная быть полна таких нелокальных соединений? Как их можно было бы обнаружить?

Очевидная идея в том, что запутывание и другие проявления нелокальности в квантовой теории являются примерами нарушения локальности. Возможно, фундаментальный уровень описания — на котором нет пространства, только сеть взаимодействий, в которой все потенциально связано со всем остальным — представляет собой теорию со скрытыми переменными, доводы в пользу существования которой я приводил в Главе 14. Если это так, то квантовая теория и пространство возникают вместе^[148]. Другая (и только умеренно сумасшедшая) гипотеза состоит в том, что нелокальные связи объясняют тайну темной энергии, которая является причиной возрастания темпа расширения нашей вселенной^[149]. Еще более смелой и менее вероятной гипотезой является то, что они могут объяснять темную материю^[150]. И все же более дикая гипотеза в том, что заряженные частицы есть ни что иное, как концы нелокальной связи^[151]. Это напоминает старую идею Джона Уилера, что заряженные частицы вполне могут быть горлышками червоточин в пространстве, поскольку червоточины есть (гипотетически) маленькие туннели, которые соединяют очень сильно разнесенные локации в пространстве. Полевые линии электрического поля оканчиваются на заряженных частицах, но они также появляются на концах червоточин, где они (предположительно) перепрыгивают через туннель и выходят из другого конца. Один конец будет вести себя как частица с положительным зарядом, другой как частица с отрицательным зарядом^[152]. Нелокальная связь могла бы делать ту же вещь. Она могла бы захватывать линии электрического поля и выглядеть как частица и сильно удаленная античастица (см. Рис. 17).

Рис. 17. Дальняя связь, как и червоточина, захватывающая линии электрического потока. Вокруг горлышка червоточины имеется электрическое поле, выглядящее исходящим из точки, которая выглядит как заряженная частица.

* * *

Малое число нелокальных соединений может быть допустимо и даже полезно, если одна из упомянутых выше идей окажется работоспособной. Но если имеется слишком много указанных соединений, вы сталкиваетесь с проблемой, как получить возникновение пространства. Это называется обратная проблема.

Легко получить приблизительное описание отдельной гладкой двумерной поверхности — скажем, поверхности сферы — в виде сети треугольников (см. Рис. 18). Такой граф называется триангуляцией поверхности. Это именно то, что сделал Бакминстер Фуллер, когда изобрел геодезический купол^[153], и был непродолжительный период, когда эти купола заполнили ландшафт, до момента, когда люди вспомнили о преимуществах квадратных помещений. Но теперь рассмотрим обратную проблему. Предположим, я даю вам большое количество треугольников и прошу вас сконструировать структуру путем склеивания их вместе, ребро к ребру. Я не даю вам никаких указаний; я только прошу вас собрать поверхность из треугольников хаотически. Крайне маловероятно, что вы пойдете по пути создания сферы. Вероятнее, что вы будете получать сумасшедшую форму вроде той, что показана на Рис. 19 — поверхность с острыми выступами или каким-то другим усложняющим беспорядком.

Рис. 18. Триангуляция гладких двумерных поверхностей.

Проблема в том, что имеется намного больше способов соединить друг с другом треугольники, чтобы получить ненормальные формы, чем получить красивую двумерную сферическую поверхность. Во всех этих нестандартных формах атомная структура выставляется наружу,поскольку на масштабе индивидуальных треугольников имеется большая сложность формы. Так что не возникает ничего, похожего на красивую структуру.

Результаты, показывающие как ОТО возникает из петлевой квантовой гравитации, избегают обратной проблемы, поскольку базируются на особом выборе графов, которые могут быть сконструированы с помощью триангуляции пространства. Эти результаты, в их контексте, впечатляют, но они не говорят нам, как описать эволюцию более общего графа, который имел бы много нелокальных связей.

Это еще раз подчеркивает, насколько ограничивающим и специальным свойством является локальность пространства. И она преподает важный урок. Если пространство возникает из квантовой структуры, тогда должны быть некоторые принципы или силы, которые ведут «атомы» пространства к объединению таким способом, который ограничивает возможное упорядочение в то, что «выглядят как» пространство. В особенности, должен быть обеспечен факт, что каждый атом пространства имеет по соседству только несколько других атомов пространства — поскольку этого не происходит в случайном ансамбле атомов пространства.

Рис. 19. Искаженные геометрии, полученные путем хаотического склеивания треугольников друг с другом по их сторонам.

Я говорил о квантовой ОТО, сконструированной через петлевую квантовую гравитацию, но вопрос обратной проблемы беспокоит и другие подходы к квантовой гравитации, содержащие идею пространства или пространства-времени, имеющую то, что эквивалентно атомной структуре. Эти подходы включают в себя так называемую теорию причинных серий, матричные модели теории струн и динамические триангуляции. Каждый подход имеет привлекательные особенности, которые мотивируют людей им заниматься, и каждый сталкивается с обратной проблемой.

Главный вопрос, которым задаются эти подходы, почему реальный мир выглядит как трехмерное пространство, а не как сильно связанная сеть.

Чтобы оценить сложность, представьте, что вы живете в сети пользователей сотовых телефонов. Пространство несуществующее, и единственное понятие расстояния, или кто является, а кто не является соседом, определяется тем, кто кому звонит. Если вы разговариваете с кем-то, по меньшей мере, раз в день, мы будем рассматривать вас двоих как ближайших соседей. Чем меньше вы звоните кому-то, тем дальше от этого индивидуума вы будете. Теперь заметим, насколько отличается и является более гибким это понятие расстояния по сравнению с расстоянием в пространстве. В пространстве, как мы видели, каждый имеет одинаковое число потенциальных ближайших соседей; в трехмерном пространстве, в отличие от сети сотовых телефонов, это число ни у кого не может быть больше шести.

В сотовой сети вы также свободны быть настолько рядом или настолько вдали от любого другого пользователя сети, насколько вы захотите. Если я знаю, насколько далеко вы находитесь, скажем, от 50 000 других пользователей, это ничего не говорит мне о том, насколько далеко вы можете быть от 50 001-го пользователя. Следующий добавленный пользователь может быть чужаком, а может быть вашей матерью. Но в пространстве близость жесткая. Раз вы мне сказали, кто ваши ближайшие соседи, я знаю, где вы живете. Я могу сказать, как далеко вы находитесь от любого другого.

Следовательно, для определения того, как соединена сеть, требуется намного больше информации, чем ее нужно для определения того, как упорядочены объекты в двух- или трехмерном пространстве. Чтобы определить, как связаны 5 миллиардов пользователей телефонной сотовой сети, я должен дать отдельный кусочек информации о каждой потенциальной паре пользователей. Грубо это будет квадрат от 5 миллиардов, который записывается как 2,5 х 1019. Но для определения, где находится каждый пользователь на поверхности Земли, требуется только два числа для каждого: его долгота и широта — то есть жалкие 12 миллиардов чисел. Так что если пространство возникает из выключения соединений в сети, то имеется гигантское число потенциальных соединений, которые должны быть отключены.

Как эти соединения должны быть выключены?

Подход квантовых граффити к квантовой гравитации обращается к этому вопросу, предполагая, что создание и поддержание соединений в сети требует энергии. Тогда требуется намного меньше энергии, чтобы сформировать двух- или трехмерную решетку, как на Рис. 13, чем сформировать решетки более высоких размерностей. Это подсказывает простую картину очень ранней вселенной: В начале было очень жарко, так что было достаточно энергии, чтобы подключить большинство соединений. Ранняя вселенная, следовательно, была миром, в котором все было соединено со всем другим, не более, чем в несколько шагов. Когда вселенная остывала, соединения начали распадаться, пока не осталось только несколько, необходимых для создания трехмерной решетки. Это сценарий возникновения пространства (некоторые из моих коллег говорят о Большом Замораживании, а не о Большом Взрыве). Процесс также называется геометрогенезис^[154].

Геометрогенезис может объяснить некоторые запутанные особенности начальных условий вселенной, вроде того, почему радиация КМФ приходит к нам со всех направлений с одинаковой температурой и одинаковым спектром флуктуаций: Это потому, что вселенная изначально была сильно связанной системой. Геометрогенезис, таким образом, обеспечивает альтернативу гипотезе, что вселенная подверглась гигантской инфляции вначале своей жизни.

Конечно, дьявол кроется в деталях, и вопрос о том, как в точности и почему Большое Замораживание должно было дать в итоге трехмерную структуру, которая выглядит регулярной, как двумерная решетка, показанная на Рис. 13, а не более хаотическую структуру, является предметом проводимых в настоящее время исследований^[155].

* * *

Процесс решения обратной проблемы, оказывается, учит нас двум важным урокам в отношении природы времени.

Первый заключается в том, что пространство, более вероятно, должно возникать в моделях квантовой вселенной, которые допускают существование глобальной переменной времени. Это проиллюстрировано моделями динамической триангуляции.

Триангуляция, как отмечалось, это поверхность, построенная из многих соединенных вместе треугольников, как в геодезическом куполе (см. Рис. 18). Трехмерное искривленное пространство может быть сконструировано аналогичным образом путем соединения тетраэдров, которые являются трехмерным аналогом треугольников. Модель динамических триангуляций использует эти тетраэдры как атомы пространства. Квантовая геометрия описывается не с помощью графов, а с помощью упорядочения тетраэдров, склеенных лицом к лицу^[156]. Такая конфигурация пространства эволюционирует во времени посредством набора правил, чтобы построить дискретную триангулированную версию четырехмерного пространства-времени (см. Рис. 20).

Имеется два вида подходов на базе динамических триангуляций: те, в которых пространство-время атомизировано и предполагается возникающим как и в картине монолитной вселенной, и те, в которых допускается универсальное понятие времени, а в качестве возникающего ищется только пространство. Во всем остальном конструкции весьма сходны. Результат таков, что когерентное пространство-время возникает только в моделях, где время предполагается реальным. Другие модели — те, что без глобального времени — пали жертвой обратной проблемы: то есть, они перегружены пагубным влиянием нестандартных геометрий, которые никогда не выглядят подобно пространству (см. Рис. 19).

Рис. 20. Эволюционные правила для триангуляций поверхностей.

К моделям, решающим обратную проблему, относится модель, известная как причинные динамические триангуляции, изобретенная Амбьорном и Лолл. Эмерджентные варианты пространства-времени в ней частично реалистичны в том, что они имеют три размерности пространства и одну времени; некоторые из них показаны на Рис. 21. Они являются первым примером квантовых вселенных, которые на больших масштабах выглядят как решения ОТО Эйнштейна. Они даже демонстрируют, что объем пространства растет во времени тем же образом, который требуют уравнения Эйнштейна.

Тут остаются некоторые вопросы, требующие решения — например, похожи ли эти эмерджентные варианты пространства-времени на решения ОТО в достаточных деталях, чтобы воспроизвести такие явления как гравитационные волны и черные дыры. Другим вызовом является понять судьбу встроенного в модели понятия глобального времени. А также старый вопрос, нарушает ли присутствие глобального времени многозначно установленную временную симметрию ОТО (см. Главу 6). Новый способ задать этот вопрос: является ли ОТО — или может ли быть благодаря некоторой адаптации модели — восстановленной в виде динамики формы, которая, как мы видели в Главе 14, является теорией с глобальным временем, эквивалентной ОТО.

Рис. 21. Типичная пространственно-временная геометрия, возникающая из модели причинных динамических триангуляций^[157].

Второй урок в том, что если пространство эмерджентно, то на самом глубоком уровне не может быть относительности одновременности, поскольку все соединено со всем остальным. Поскольку мы можем послать сигнал между любыми двумя узлами в один или несколько шагов, тут нет проблемы синхронизированных часов. Отсюда следует, что на данном уровне время должно быть глобальным.

Этот урок иллюстрируется результатами моделей квантовых граффити. Здесь местом действия является граф с большим числом узлов, из которых любые два или соединены или нет. Квантовые геометрии тогда включают любой граф, в котором можно сделать соединенными все узлы. Динамический закон включает или выключает соединения. Изучались некоторые модели, в которых предлагались различные законы для включения и выключения ребер. Эти модели, как оказывается, имеют две фазы, аналогичные двум фазам воды. Это высокотемпературная фаза, в которой почти все ребра включены, так что каждый узел тесно связан с каждым другим узлом в один или немного шагов. Тут нет локальности, поскольку информация может легко и быстро перескакивать между любыми двумя узлами. В этой фазе модели нет ничего похожего на пространство. Но если вы охлаждаете модель, проявляется фазовый переход к замороженной фазе, в которой почти все ребра отключены. Как и в низкоразмерном пространстве, каждый узел имеет только несколько ближайших соседей, и требуется много перескоков между большинством пар узлов.

Вы можете также вставить материю в модель квантовых граффити. Частицы живут на узлах и могут перепрыгивать с одного узла на другой только когда соединяющее их ребро подключено. Можно предположить, что динамика фиксирует принцип обратного действия, также реализованный в ОТО, — принцип, что геометрия говорит материи, где та может двигаться, а материя говорит геометрии, как та может эволюционировать. Эти модели проявляют некоторые особенности возникновения пространства, а также имеют феномены гравитационного типа, такие как аналоги квантовых черных дыр, где частицы могут захватываться на длительные периоды времени. Эти области черных дыр не неизменны; они медленно испаряются способом, который напоминает нам процесс испарения черных дыр Стивена Хокинга.

В этих моделях предстоит еще много работы, прежде чем мы сможем заключить, что они могут быть реалистичными, — но уже просто как игрушечные модели они принесли огромную эвристическую пользу. Они показали, что если все потенциально соединено со всем остальным, то должно быть глобальное время. Относительность одновременности в СТО является следствием локальности. Определение того, являются ли удаленные события одновременными, невозможно, поскольку скорость света устанавливает верхний предел скорости передачи сигналов. В СТО вы можете определить одновременность только тогда, когда два события происходят в одном и том же месте. Но в квантовой вселенной, где каждая частица потенциально находится в одном шаге от любой другой частицы, все, по существу, находится «в одном и том же месте». В такой модели нет проблемы синхронизации часов, так как имеется универсальное время.

Когда в такой модели возникает пространство, возникает и локальность. Также возникает и существование лимита скорости передачи сигналов. (Это было показано в некоторых деталях в моделях квантовых граффити^[158]). Пока вы рассматриваете только явления в эмерджентном пространстве-времени и не углубляетесь на масштаб атомов пространства-времени, СТО будет казаться приблизительно верной — что подтверждает главный урок описанных в настоящей главе моделей и теорий, который учит нас: Пространство может быть иллюзией, но время должно быть реальным.

Разработка нашего понимания квантовой гравитации продолжается. Имеется много пользы во всех обсуждавшихся здесь подходах. Каждый из них учит нас чему-то важному по поводу потенциальных квантово-гравитационных явлений, которые могут наблюдаться в природе; они также учат нас следствиям различных гипотез, проблемам, с которыми эти гипотезы сталкиваются, и возможным стратегиям их преодоления. Более успешные подходы или встраиваются в Ньютоновскую парадигму и учат нас квантовому пространству-времени в ящике, или, если они поднимаются до космологического вызова, они указывают нам на реальность времени.

16 Жизнь и смерть Вселенной

Теперь мы обратимся к самому важному и загадочному вопросу, который мы можем задать по поводу вселенной: Почему она благоприятна для жизни? Мы увидим, что значительная часть ответа в том, что время реально.

Если время в самом деле реально, тогда должны существовать особенности вселенной, которые объяснимы, только если мы предполагаем, что время фундаментально. Эти особенности должны казаться непостижимыми и случайными при противоположном допущении — что время эмерджентно. Такие особенности существуют на самом деле; они улавливаются из наблюдения, что наша вселенная имеет историю развития от простого к сложному. Это дает времени строгую направленность — мы говорим, что вселенная имеет стрелу времени. Направленность в высшей степени маловероятна в мире, в котором время несущественно и эмерджентно.

Посмотрим вокруг. Хоть невооруженным глазом, хоть через самый мощный телескоп мы видим вселенную, которая в высшей степени структурирована и сложна.

Сложность невероятна. Она требует объяснения. Ничто не может немедленно перепрыгнуть из простоты к очень сложной организации. Великая сложность требует серии малых шагов. Они происходят в последовательности, что предполагает строгую упорядоченность событий во времени.

Все научные объяснения сложности требуют истории, во время которой уровни сложности медленно и постепенно наращиваются. Это Невероятное Восхождение на Гору Ричарда Докинса^[159]. Так что вселенная должна иметь историю, которая разыгрывается во времени. Имеется причинный порядок, требующийся для объяснения того, как вселенная пришла к ее нынешнему состоянию.

Согласно физикам 19-го столетия и некоторым из наших современных теоретических космологов, которые принимают вневременную картину, сложность, которую мы наблюдаем вокруг нас, является случайной и неизбежно преходящей. С их точки зрения вселенная обречена на конец в состоянии равновесия. Это состояние, названное тепловой смертью вселенной, в котором материя и энергия равномерно распределены по вселенной и ничего никогда не происходит за исключением редких хаотических флуктуаций^[160]. Большую часть времени эти флуктуации рассеиваются как только возникают, ничего не создавая. Но, как я буду объяснять в этой и последующих главах, принципы, выписанные в Главе 10 для новой космологической теории, помогут нам понять, почему вселенная с растущей сложностью является естественной и необходимой.

Так что перед нами лежат две дороги, приводящие к сильно различающимся версиям будущего вселенной. В первой картине будущего нет, поскольку тут нет времени. Время есть иллюзия, которая в лучшем случае есть мера изменения, иллюзия, которая закончится, когда изменения прекратятся.

В ограниченной временем картине, которую я предлагаю, вселенная есть процесс размножения новых явлений и состояний организации, которые всегда будут обновляться по мере их эволюции к состояниям со всегда большей сложностью и организацией.

Записи наблюдений однозначно говорят нам, что вселенная становится все более интересной с течением времени. Ранее она была заполнена плазмой в равновесии; от этого простейшего из начал она эволюционировала к гигантской сложности по широкому диапазону масштабов, от кластеров галактик до биологических молекул^[161].

Живучесть и рост всех этих структур и сложности озадачивают, поскольку исключает простейшее объяснение структуры, которую мы видим, — что это случайное упорядочение. Случайность не могла бы привести к структурам, сохраняющимся миллиарды лет, чья сложность непрерывно растет со временем. Как я кратко объясню, если сложность, которую мы видим вокруг нас, случайна, она почти определенно уменьшалась бы со временем, вместо того, чтобы увеличиваться.

Предсказание о том, что вселенная найдет свой конец в тепловой смерти, является еще одним шагом в изгнании времени из физики и космологии и родственно античной идее, что естественным состоянием вселенной является состояние без изменений. Старейшим прорывом в космологическом мышлении было то, что естественное состояние мира есть равновесие — то есть, состояние, в котором нет импульса в направлении организации, поскольку все находится в своем естественном месте. Это была сущность космологии Аристотеля, которая, как я описывал в Главе 2, базировалась на физике, в рамках которой каждая сущность имеет естественное движение: Например, земля ищет центр, тогда как естественным для воздуха является движение вверх.

Единственная причина того, что в земной сфере еще имеются изменения, по Аристотелю, заключается в наличии других причин для движения, определенных как вынужденные движения, которые могут вывести некоторую вещь из ее естественного состояния. Люди и животные являются источниками вынужденных движений, но есть и другие. Горячая вода допускает в себя воздух и таким образом частично приобретает естественное для воздуха движение вверх, отчего возгоняется, пока не охладится, и в этот момент исторгает из себя воздух и падает в виде дождя. Конечный источник этого вынужденного движения есть нагрев от Солнца, которое является частью небесной сферы. Тем или иным образом Солнце является источником всех вынужденных движений. Если земную сферу отсоединить от небес и оставить ее саму по себе, все пришло бы к равновесию в покое в своем естественном месте, и изменения прекратились бы.

Современная физика имеет собственное понятие о равновесии, которое характеризуется законами термодинамики. Они применимы к физике в ящике. Средой для законов термодинамики является изолированная система, которая не обменивается ни энергией, ни веществом со своим окружением.

Однако мы должны позаботиться, чтобы не спутать понятия равновесия Аристотеля или Ньютона с современным понятием термодинамического равновесия. Равновесие по Аристотелю и Ньютону возникает из баланса сил. Мост стоит потому, что силы, действующие на каждый брус и заклепку, скомпенсированы. Понятие равновесия в современной термодинамике полностью иное. Оно применимо к системам с очень большим числом частиц и существенным образом ссылается на понятие вероятностей.

Прежде, чем мы поговорим о тепловой смерти вселенной, убедимся получше, что мы понимаем нашу терминологию. Это означает, прежде всего, понимание смысла энтропии и второго закона термодинамики.

* * *

Ключом к пониманию современной термодинамики является то, что она содержит два уровня описания. Имеется микроскопический уровень, точно описывающий положения и движения всех атомов любой конкретной системы. Это называется микросостояние. Затем есть макроскопический уровень или макросостояние системы, который представляет собой неполное приблизительное описание в терминах нескольких переменных, таких как температура и давление газа. Изучение термодинамики системы содержит оценку взаимоотношения между этими двумя уровнями описания.

Простым примером является стандартное кирпичное здание. Макросостоянием в данном случае является архитектурный облик; микросостояние это где точно находится каждый кирпич. Архитектору нужно только указать, что должны быть построены кирпичные стены таких и таких размеров с проемами для окон и дверей. Ему не нужно говорить, куда какой кирпич пойдет. Большинство кирпичей идентичны, так что на структуру не повлияет, если два идентичных кирпича поменяются местами. Так что тут имеется гигантское количество различных микросостояний, которые дают одно и то же макросостояние.

Сравним это со зданиями Фрэнка Гэри^[162] вроде Музея Гуггенхайма в Бильбао, чья внешняя поверхность выполнена из индивидуально созданных металлических ячеек. Чтобы сделать кривые поверхности, спроектированные Гэри, каждая ячейка должна отличаться, и имеет значение, где располагается каждая. Здание будет иметь форму, которую имел в виду архитектор, если любая и каждая металлическая ячейка будет уложена на свое точное место. В этом случае архитектурный проект опять определяет макросостояние, а куда идет каждая ячейка есть микросостояние. Но, в отличие от традиционного кирпичного здания, тут нет свободы вмешиваться в микросостояния. Тут имеется только одно микросостояние, которое дает задуманное макросостояние.

Концепция, дающая представление о том, сколько микросостояний могли бы дать одно и то же макросостояние, таким образом, дает нам способ объяснить, почему здания Гэри столь революционны. Эта концепция называется энтропией. Энтропия здания есть мера числа различных способов уложить части вместе, чтобы реализовать проект архитектора. Стандартное кирпичное здание имеет очень высокую энтропию. Здание Фрэнка Гэри может иметь нулевую энтропию^[163], соответствующую его уникальному микросостоянию.

Из этого примера мы можем увидеть, что энтропия обратна по отношению к информации. Потребуется намного больше информации, чтобы описать дизайн здания Гэри, поскольку вам нужно точно сказать, как приготовить каждый кусочек, и точно сказать, куда должен поместиться каждый кусочек. Намного меньше информации потребуется, чтобы описать дизайн нормального кирпичного здания, так как все, что вам нужно знать, это размеры его стен.

Посмотрим, как указанный метод работает в более типичном случае из физики. Рассмотрим контейнер, заполненный газом, состоящим из очень большого числа молекул. Фундаментальное описание является микроскопическим: Оно говорит, где находится и как движется каждая молекула. Это огромное количество информации. Затем имеется макроскопическое описание, в котором газ описывается в терминах его плотности, температуры и давления.

Определение плотности и температуры требует намного меньше информации, чем ее требуется, чтобы сказать, где каждый атом. Следовательно, есть простой путь перехода от микроскопического описания к макроскопическому, но не наоборот. Если вы знаете, где находится каждая молекула, вы знаете плотность и температуру, которая суть средняя энергия движения. Но пройти обратным путем невозможно, поскольку имеется великое множество различных способов, как могут быть расположены индивидуальные атомы с микроскопической точки зрения, чтобы в результате была та же плотность и температура.

Чтобы перейти от микросостояния к макросостоянию полезно посчитать, сколько микросостояний содержится в данном макросостоянии. Как и в примере со зданиями, это число задается энтропией макроскопической конфигурации. Заметим, что определяемая таким образом энтропия является свойством только макроскопического описания. Энтропия, следовательно, есть эмерджентное свойство; не имеет смысла приписывать энтропию точному микросостоянию системы.

Следующий шаг заключается в установлении связи энтропии с вероятностью. Вы можете сделать это, предположив, что все микросостояния одинаково вероятны. Это физический постулат, оправданный тем фактом, что атомы в газе находятся в хаотическом движении, которое имеет тенденцию перетасовывать их и, следовательно, хаотизировать их движения. Чем больше имеется способов сделать макросостояние из микросостояний — то есть, чем выше энтропия макросостояния — тем более вероятно, что это макросостояние реализуется. Самое вероятное макросостояние, с учетом того, что микросостояния случайны, называется состоянием равновесия. Равновесие также является состоянием с наивысшей энтропией.

Разберем кота на составляющие его атомы и смешаем хаотически указанные атомы с атомами воздуха в помещении. Имеется намного больше микросостояний, в которых атомы кота случайно смешаны с воздухом, чем микросостояний, где кот воссоздан и сидит на кушетке, облизывая свой мех и мурлыкая. Кот есть в высшей степени маловероятный способ расположения атомов, следовательно, он имеет низкую энтропию и высокую информацию по сравнению с хаотической смесью тех же атомов с воздухом.

Атомы в газе двигаются хаотично, часто сталкиваясь. Когда они сталкиваются, они посылают друг друга прочь, двигаясь в более-менее случайных направлениях. Так что со временем проявляется тенденция к перемешиванию микросостояний. Если микросостояние сначала не хаотично, оно довольно скоро станет таковым. Это наводит на мысль, что если мы стартуем от состояния с низкой энтропией, отличающегося от состояния равновесия, то самой вероятной вещью с течением времени будет то, что микросостояние станет более случайным, повышая энтропию. Это утверждение второго закона термодинамики.

Чтобы увидеть теперь, как это работает, рассмотрим простой эксперимент. Нам нужна колода карт и игрок. Предположим, что когда эксперимент начинается, карты разложены по порядку. После этого все, что происходит, это что один раз за каждую секунду карты перетасовываются игроком. Эксперимент заключатся в наблюдении, что происходит с порядком карт, когда они раз за разом перетасовываются.

Карты стартуют упорядоченными, но каждая перетасовка делает расположение карт все более и более случайным. Энтропия имеет тенденцию расти. После достаточного количества перетасовок невозможно назвать порядок кроме как чисто случайным порядком; следовательно, любая память о начальном упорядочении, по существу, теряется.

Эта тенденция к распаду порядка в направлении беспорядка фиксируется вторым законом термодинамики. В этом смысле закон говорит, что перетасовка колоды карт будет приводить к разрушению любого специального упорядочения карт, которое мы могли иметь изначально, с заменой его случайным упорядочением.

Энтропия не всегда возрастает. Каждый раз через какое-то время перетасовка будет снижать энтропию — например, путем возврата карт к оригинальному упорядочению. Просто намного более вероятно для перетасовки упорядоченной колоды повысить энтропию, чем понизить ее. Чем больше карт в колоде, тем менее вероятно, что перетасовка произведет полное переупорядочение. Следовательно, тем больше будут интервалы между перетасовками, которые полностью упорядочивают колоду. Тем не менее, пока число карт в колоде конечное, имеется время, после которого перетасовки, имеющие место раз в секунду, вероятно, произведут полное переупорядочение. Оно называется временем повторений Пуанкаре. Если вы наблюдаете за системой в течение более коротких времен, вы, вероятно, увидите только рост энтропии. Но посмотрите за системой дольше, чем время повторений Пуанкаре, и вы, вероятно, увидите, как энтропия с тем же успехом снижается.

История о роли хаотизации в упорядочении карт может быть перенесена на газ. Упорядоченные конфигурации атомов в газе существуют, например, такие конфигурации, в которых все атомы находятся на одной стороне ящика и все движутся в одном направлении. Эти конфигурации аналогичны тем, в которых карты упорядочены. Но, хотя эти упорядоченные конфигурации атомов существуют, они намного более редкие, чем конфигурации, в которых атомы случайно размещены по ящику и двигаются в случайных направлениях.

Если мы стартуем из положения, когда все атомы в одном углу ящика и все двигаются одним и тем же путем, мы увидим, что по мере их движения и рассеивания друг на друге они распределятся по ящику, заполнив его целиком. После некоторого времени положения атомов будут полностью перетасованы, так что плотность атомов в ящике станет равномерной.

Примерно с тем же темпом за счет столкновений атомов будут хаотизированы направления движения атомов и их энергии. В итоге большинство атомов придут к средней энергии, которая и есть температура.

Не имеет значения, насколько упорядочена и необычна конфигурация, с которой вы стартуете, через некоторое время плотность и температура атомов в ящике будет однородной и хаотизированой. Это и есть состояние равновесия. Раз уж газ достиг состояния равновесия, наиболее вероятно, что он и будет в этом состоянии находиться.

Второй закон термодинамики говорит в этом контексте, что через короткое время более вероятное изменение в энтропии будет положительным числом или, по меньшей мере, нулем. Если вы стартуете от конфигурации вне равновесия, вы стартуете от конфигурации с меньшей вероятностью и, отсюда, более низкой энтропией. Наиболее вероятно будет происходить то, что конфигурация продолжит хаотизироваться за счет столкновений атомов, следовательно, повысится вероятность конфигурации. Так что энтропия возрастает. Если вы стартуете от равновесия, где энтропия максимальна, поскольку конфигурация уже хаотизирована, наиболее вероятной вещью для конфигурации будет оставаться хаотизированной. Но если вы наблюдаете за атомами в течение очень длинного периода, то, как отмечалось, будут невероятные флуктуации, которые приведут газ в более упорядоченное состояние. Самые вероятные из этих флуктуаций неуловимы: только чуть больше плотности в одном месте и чуть меньше где-то в другом. Намного менее вероятными будут флуктуации, которые соберут все атомы назад в один из углов ящика. Но при наличии достаточного времени это произойдет. Пока число атомов конечно, будут существовать флуктуации, приводящие к любым конфигурациям, не имеет значения, насколько редко.

Но вы не должны ждать, чтобы увидеть физические эффекты от таких флуктуаций. Эйнштейн превосходно использовал изучение флуктуаций молекул в жидкости, чтобы продемонстрировать существование атомов. Он предположил, что жидкость, такая как вода, состоит из молекул в хаотическом движении, и обдумал влияние этих движений на маленькие частицы вроде зерен пыльцы, взвешенных в воде. Молекулы воды слишком малы, чтобы их увидеть, но их влияние может быть заметно в движении зернышек, которые уже достаточно велики, чтобы быть увиденными в микроскоп. Зернышко со всех сторон получает удары от столкновений с молекулами, что заставляет его двигаться в хаотическом танце.

Через измерения того, насколько энергично танцуют зернышки пыльцы, вы можете вывести, сколько молекул ударяют по зернышку в секунду и с какой силой. В одной из своих статей 1905 года Эйнштейн сделал проверяемые предсказания, позже подтвердившиеся, по поводу свойств атомов, включая число атомов в одном грамме воды^[164]. Из этого и многих аналогичных экспериментов мы знаем, что такие флуктуации реальны и являются частью истории термодинамики.

Флуктуации решают главный парадокс, который мучил ранние исследования по термодинамике. Первоначально законы термодинамики вводились без использования понятий атомов или вероятностей. Газы и жидкости трактовались как непрерывные субстанции, а энтропия и температура определялись вне понятия вероятности, как если бы они имели фундаментальный смысл. В этой исходной формулировке второй закон просто говорил, что в любых процессах энтропия или возрастает или остается той же самой. Другой закон говорил, что когда энтропия максимизирована, система имеет везде одинаковую температуру.

В середине 19-го столетия Джеймс Клерк Максвелл и Людвиг Больцман разработали гипотезу, что материя сделана из хаотически движущихся атомов, и попытались вывести законы термодинамики из применения статистики к движению больших количеств атомов. Например, они предположили, что температура является просто средней энергией хаотического движения атомов. Они ввели энтропию и второй закон, почти как я это сделал здесь.

Но большинство физиков тогда не верили в атомы. Следовательно, они отвергали эти попытки обосновать законы термодинамики из атомного движения и изобретали мощные аргументы, чтобы показать, что законы термодинамики не могли бы быть выведены из этого движения. Один из таких аргументов сводился к следующему: Законы движения, которым должны подчиняться атомы (если они существуют) обратимы во времени (как я обсуждал в Главе 5). Если вы берете фильм о куче атомов, движущихся согласно законам Ньютона, и прокручиваете его в обратном направлении, вы тоже получаете возможную историю, согласующуюся с законами Ньютона. Но второй закон термодинамики не обратим, поскольку он говорит, что энтропия всегда возрастает или остается той же, но никогда не уменьшается. Это невозможно, утверждали скептики, что закон, который необратим во времени, мог бы быть выведен из законов, которые обратимы — то есть законов, управляющих движениями предполагаемых атомов.

Правильный ответ на это был дан Паулем и Татьяной Эренфест, молодой парой, которые были протеже Больцмана и позже стали друзьями Эйнштейна^[165]. Они показали, что второй закон, как он формулировался в доатомной физике, был ошибочен. Энтропия на самом деле иногда уменьшается, это просто маловероятно, но это будет. Если вы подождете достаточно долго, флуктуации время от времени будут уменьшать энтропию системы. Так что флуктуации являются необходимой частью истории того, как термодинамика согласовывалась с существованием атомов, подчиняющихся фундаментальным обратимым во времени законам.

Однако, даже правильная картина кажется лишенной надежды на будущее, поскольку любая изолированная система в соответствии с указанными принципами в конце концов придет к равновесию — после чего не имеет смысла совокупное изменение, нет роста структуры или сложности, а только бесконечное равновесие, в котором ничего не происходит, кроме хаотических флуктуаций.

Вселенная в равновесии не может быть сложной, так как хаотические процессы, которые привели ее в равновесие, разрушают организацию. Но это не означает, что сама сложность может быть измерена отсутствием энтропии. Чтобы полностью охарактеризовать сложность, нам нужны понятия за пределами термодинамики систем в равновесии; они являются предметом следующей главы.

* * *

Когда мы рассматриваем космологию с точки зрения термодинамики, вопрос, почему вселенная так интересна, становится еще более загадочным. С точки зрения Ньютоновской парадигмы вселенная управляется решениями уравнений некоторого закона. Этот закон может быть аппроксимирован некоторой комбинацией ОТО и Стандартной Модели Физики Частиц, но детали не важны. Решение, которое управляет вселенной, выбирается из бесконечного набора возможных решений и может быть определено выбором начальных условий во время Большого Взрыва или около него.

Чему нас учит термодинамика, так это тому, что почти каждое решение законов физики описывает вселенную в равновесии, поскольку определение равновесия в том, что оно состоит из самых вероятных конфигураций. Кроме того, равновесие подразумевает, что типичное решение законов симметрично во времени — в нем локальные флуктуации к более упорядоченному состоянию столь же вероятны, как и флуктуации к менее упорядоченному состоянию. Прокручивание фильма в обратном направлении приводит к равновероятной истории и, в среднем, равно симметричной во времени. Мы можем сказать, что тут нет всеобъемлющей глобальной стрелы времени.

Наша вселенная выглядит совсем не похожей на типичные решения законов. Даже сейчас, более чем через 13 миллиардов лет после Большого Взрыва, наша вселенная не находится в равновесии. И решение, которое описывает нашу вселенную, асимметрично во времени. Такие свойства экстраординарно маловероятны, когда решение, описывающее нашу вселенную, выбирается случайно.

Вопрос, почему вселенная так интересна и, по-видимому, становится все более интересной, сродни вопросу, почему второй закон термодинамики еще действует в направлении хаотизации вселенной к тепловому равновесию, несмотря на то, что у него, очевидно, были миллиарды лет на возможность сделать именно это.

* * *

Простейший признак того, что наша вселенная не находится в тепловом равновесии, заключается в наличии стрелы времени. Поток времени отмечен сильной асимметрией: Мы чувствуем и наблюдаем себя движущимися от прошлого к будущему.

Бесчисленные явления подтверждают направленность времени. Многие вещи необратимы (автокатастрофа, плохо выбранная фраза, высказанная ненадежному другу, разлитый стакан молока). Горячая чашка кофе остывает, а не наоборот; сахар растворяется в ней, а не выделяется из нее; а упавшая чашка разбивается на куски, которые, предоставленные сами себе, никогда не соберутся заново. Мы все стареем в одном и том же направлении; книги и фильмы, в которых кто-нибудь двигается от предсмертного возраста к младенчеству, являются фантазиями, которые никогда не будут реализованы в жизни^[166].

В равновесии нет такой стрелы времени. В равновесии порядок может возрастать только временно через хаотические флуктуации. Эти отклонения от равновесия выглядят в среднем одинаковыми, когда действуют вперед или назад. Если вы взяли фильм о движениях атомов в равновесном газе и прокрутили его назад, вы не сможете сказать, какая из версий является оригинальной, а какая обратной. Наша вселенная не похожа на это.

Сильная стрела времени, которую мы видим в нашей вселенной, требует объяснения, поскольку фундаментальные законы физики симметричны во времени. Любое решение их уравнений имеет призрачное решение-спутник, которое ведет себя в точности так, как первое, но с фильмом, прокрученным назад (с тонким добавлением, что право и лево меняются местами, а частицы заменяются античастицами). Так что фундаментальные законы не могли бы быть нарушены, если бы некоторые люди старились в обратном направлении, или некоторые чашки кофе на прилавке становились горячее или разбитые чашки спонтанно собирались заново.

Почему эти вещи никогда не происходят? И почему все эти различные асимметрии во времени указывают в одну и ту же сторону — в направлении возрастания беспорядка? Это иногда называется проблемой стрелы времени.

На самом деле в нашей вселенной имеется несколько различных стрел времени.

Вселенная расширяется, а не сжимается. Мы называем это космологической стрелой времени.

Малые кусочки вселенной, предоставленные сами себе, проявляют тенденцию становиться со временем более разупорядоченными (разлитое молоко, успокоившийся воздух и так далее). Это называется термодинамической стрелой времени.

Люди, животные и растения рождаются как младенцы, растут, стареют, а затем умирают. Это можно назвать биологической стрелой времени.

Мы чувствуем течение времени от прошлого к будущему. Мы помним прошлое, но не будущее. Это эмпирическая стрела времени.

Имеется другая стрела — менее очевидная, чем перечисленные стрелы, но, тем не менее, являющаяся основной подсказкой. Свет движется из прошлого в будущее. Следовательно, свет, который достигает наших глаз, дает нам картину мира в прошлом, а не в будущем. Это называется электромагнитной стрелой времени.

Световые волны производятся движением электрических зарядов. Покачайте заряд, и свет распространится, всегда двигаясь наружу в направлении будущего, и никогда в направлении прошлого. Это кажется применимым и к гравитационным волнам тоже. Так что имеется гравитационно-волновая стрела времени.

Наша вселенная, видимо, имеет много черных дыр. Черная дыра в высшей степени асимметрична во времени. Что угодно может в нее упасть, но все, что выходит наружу, это тепловое излучение Хокинга. Черная дыра это прибор для превращения чего угодно в газ равновесных фотонов. Этот необратимый процесс производит гигантское количество энтропии.

А как насчет белых дыр? Эти гипотетические объекты являются решениями ОТО, получаемыми обращением времени в черных дырах. Белые дыры ведут себя противоположным по отношению к черным дырам образом. Ничего не может упасть в белую дыру, но что угодно может выйти из нее. Белая дыра могла бы выглядеть как спонтанное появление звезды, которое суть то, что вы получили бы, если бы вы взяли фильм о коллапсе звезды в черную дыру и запустили бы его в обратном направлении. Астрономы не видели ничего, что можно было бы интерпретировать как белую дыру.

Даже если вы рассматриваете только черные дыры, в нашей вселенной есть нечто странное. Согласно уравнениям ОТО она вполне могла бы начаться, будучи заполненной черными дырами. Но, как отмечалось в Главе 11, кажется, что их вообще не было в ранней вселенной. Все черные дыры, о которых нам известно, кажутся сформировавшимися намного позже этого, сформировавшимися из коллапса массивных звезд.

Почему есть только черные дыры, но нет белых дыр? И почему вселенная не началась заполненной черными дырами? Это выглядит стрелой времени черных дыр, проявляющейся в отсутствии черных дыр в ранней истории вселенной.

Может ли существовать галактика на другом конце вселенной, где некоторые изуказанных стрел времени двигаются в обратном направлении? Подтверждений этому нет. Мы можем жить во вселенной, где некоторые стрелы времени меняют направление на обратное от места к месту, но, вероятно, не живем. Почему так?

Эти различные стрелы времени являются фактами по поводу нашей вселенной, которые требуют объяснения. Любое объяснение, предложенное для них, базируется на предположениях о природе времени. Объяснение, предложенное некоторыми из тех, кто верит, что время возникает из вневременного мира, будет отличаться от объяснения, предложенного кем-то, кто верит, что время фундаментально и реально.

Имеется связанный с изложенным вопрос, являются законы физики обратимыми или нет. Как отмечено в Главе 5, тот факт, что законы природы обратимы во времени, может быть принят как свидетельство преимущества точки зрения, что время не фундаментально. Как нам объяснить стрелы времени, если законы природы обратимы во времени? Каждая стрела времени представляет асимметрию времени; как они могли бы возникнуть из симметричных во времени законов?

Ответ в том, что законы действуют на начальные условия. Законы могут быть симметричными относительно обращения направления времени, но начальные условия не должны. Начальные условия могут эволюционировать до конечных условий, которые легко отличаются от первых. На самом деле это так: Начальные условия нашей вселенной, кажется, были точно настроены, чтобы произвести вселенную, асимметричную во времени.

Приведем пример. Начальный темп расширения вселенной, который выбирается начальными условиями, кажется таким, что максимизирует производство галактик и звезд. Будь он намного быстрее, вселенная стала бы разреженной слишком быстро, чтобы сформировались звезды и галактики. Будь он слишком медленным, вселенная могла бы сколлапсировать прямо к финальной сингулярности до того, как звезды получили бы шанс сформироваться. Темп расширения был идеальным для производства гигантского количества звезд, и это звезды, которые, миллиарды лет разливая горячие фотоны в холодное пространство, удерживают вселенную от равновесия, и, таким образом, объясняется термодинамическая стрела времени.

Электромагнитная стрела времени также может быть объяснена асимметрией начальных условий во времени^[167]. В начале вселенной не было электромагнитных волн. Свет был произведен только позже за счет движения материи. Это объясняет, почему, когда мы смотрим вокруг, изображения, которые несет свет, дают нам информацию о материи во вселенной. Если бы мы просто следовали законам электромагнетизма, это могло бы быть иначе. Уравнения электромагнетизма позволяют вселенной начаться в условиях свободного переноса света. Это означает, что свет мог бы сформироваться непосредственно в Большом Взрыве, а не эмитироваться материей позже. В такой вселенной все изображения объектов, которые свет унес от материи, были бы подавлены светом, пришедшим непосредственно от Большого Взрыва.

В таком мире мы не видели бы звезд и галактик, когда мы заглядывали бы в прошлое через наши телескопы. Мы могли бы видеть только хаотическое марево. Или, уж если на то пошло, сформированный в Большом Взрыве свет мог бы переносить изображения вещей, которые никогда там не были, вроде изображений сада со слонами, жующими гигантскую спаржу.

Это означает, что вселенная выглядела бы, как если бы мы взяли фильм о ней в момент времени в далеком будущем и запустили его в обратном направлении. В далеком будущем будет огромное количество путешествующих вокруг изображений — изображений вещей, которые когда-то существовали. Но если мы запускаем фильм в обратном направлении времени, мы видим вселенную, заполненную изображениями вещей, которые еще не произошли. В самом деле, свет, несущий изображение, будет втекать в событие, которое представляет изображение, и заканчиваться там. Свет, который мы увидели бы, сказал бы нам только о вещах, которые пока не произошли.

Мы не живем в такой вселенной, но могли бы жить, если возможные вселенные соответствуют решениям законов физики. Чтобы объяснить, почему мы видим только вещи, которые происходят или произошли, и никогда не видим чего-либо, что еще не произошло или никогда не произойдет, мы должны наложить строгие начальные условия. Эти условия запрещают вселенной стартовать с какими бы то ни было переносимыми светом свободно летающими изображениями. Это сильно асимметричное налагаемое условие, но оно необходимо, чтобы объяснить электромагнитную стрелу времени.

Аналогичная история справедлива и в отношении гравитационно-волновой стрелы времени и стрелы времени черных дыр. Если фундаментальные законы симметричны во времени, то все бремя объяснения, почему наша вселенная асимметрична во времени, падает на выбор начальных условий. Так что вы должны наложить условие, что изначально во вселенной нет свободно двигающихся гравитационных волн, нет начальных или ранних черных дыр и нет белых дыр.

Этот момент был подчеркнут Роджером Пенроузом, и он предложил принцип для его объяснения, который назвал гипотезой кривизны Вейля^[168]. Кривизна Вейля есть математическая величина, которая не равна нулю всякий раз, когда имеется гравитационное излучение или черные или белые дыры. Принцип Пенроуза заключается в том, что в начальной сингулярности эта величина исчезает. Он отметил, что это согласуется с тем, что мы знаем о ранней вселенной. Это асимметричное во времени условие, поскольку оно определенно не выполняется во вселенной в более поздние времена. В более позднее время вселенная имеет огромное количество гравитационных волн и огромное количество черных дыр. Следовательно, утверждает Пенроуз, чтобы объяснить вселенную, которую мы видим, это асимметричное во времени условие должно быть наложено на выбор решения (симметричных во времени) законов ОТО.

Это объяснение нашей вселенной требует асимметричных во времени начальных условий и очень сильно ослабляет аргумент в пользу нереальности времени, основанный на том, что законы природы симметричны во времени. Вы не можете проигнорировать роль начальных условий и заявить, что прошлое подобно будущему, когда, чтобы добиться хотя бы грубого согласия с нашей вселенной, начальные условия должны быть выбраны очень непохожими на те же условия, которые эволюционировали^[169].

Бремя объяснения тогда падает на вопрос о том, как были выбраны начальные условия. Однако мы не имеем рационального объяснения тому, как они выбирались, так что мы достигли тупика, оставив критический вопрос о нашей вселенной без ответа.

Имеется другой и более простой вариант. Мы уверены, что наши законы являются приближениями к более глубокому закону. Что если этот более глубокий закон асимметричен во времени?

Если фундаментальный закон асимметричен во времени, тогда такими являются и большинство его решений^[170]. Тогда не должно быть проблемы в объяснении, почему мы никогда не наблюдаем сумасшедших вещей, которые могли бы появляться из запуска естественных процессов в обратном направлении, поскольку обращенные во времени решения законов больше не будут решениями. Загадка, почему мы видим только изображения из прошлого, но не из будущего, решена. Тот факт, что вселенная в высшей степени асимметрична во времени, непосредственно объяснялся бы асимметрией во времени фундаментального закона. Асимметричная во времени вселенная больше не была бы невероятной, она была бы необходимой.

Как я понимаю, именно это имел в виду Пенроуз, когда предложил гипотезу кривизны Вейля. Разница между физикой вблизи начальной сингулярности и физикой более поздней вселенной навела бы нас на квантовую теорию гравитации, которая, с точки зрения Пенроуза, должна быть сильно несимметричной во времени теорией. Но несимметричная во времени теория неестественна, если время эмерджентно. Если фундаментальная теория не содержит понятия времени, у нас нет способа отличить прошлое от будущего. Экстремальная невероятность нашей вселенной все еще будет требовать объяснения.

Асимметричная во времени теория намного более естественна, если время фундаментально. Действительно, ничто не может быть более естественным, чем иметь фундаментальную теорию, которая отличает прошлое от будущего, поскольку прошлое и будущее весьма различны. В рамках метафизической системы взглядов, в которой время и течение моментов от прошлого к будущему реальны, совершенно естественно иметь асимметричные во времени законы, управляющие асимметричной во времени вселенной. Так что реальность времени за счет этого рассмотрения получает доверие, поскольку она позволяет нам избежать необходимости оставить огромную невероятность — сильную асимметрию нашей вселенной во времени — без объяснения. Будем считать это еще одним шагом в открытии времени.

* * *

Можем ли мы говорить о вселенной как о чем-то невероятном?

Несколько раз в этой главе я ссылался на нашу вселенную или на ее начальные условия как на невероятные — например, когда я утверждал, что невероятно вселенной, управляемой симметричными во времени законами, иметь стрелу времени. Но только что означает утверждение, что вселенная невероятна? Вселенная уникальна и имеет место только раз. Это единственная вещь из ее вида. Ее любое свойство не должно иметь вероятность?

Чтобы устранить указанную путаницу, нам надо знать, что мы имеем в виду, когда говорим, что некоторая система имеет невероятную конфигурацию. В рамках Ньютоновской парадигмы это имеет смысл, поскольку описание ссылается на подсистему вселенной, которая может быть одной из многих подсистем ее вида. Но это, очевидно, неприменимо ко всей вселенной.

Вы можете попытаться определить вероятность того, что наша вселенная имеет некоторое свойство, предположив, что начальные условия были выбраны хаотически из конфигурационного пространства. Но мы знаем, что это предположение ошибочно: Мы знаем, что наша вселенная не была произведена за счет случайного выбора, поскольку для многих ее свойств экстраординарно маловероятно, что они возникли в результате такого выбора.

Вы можете избежать этой проблемы, представив, что имеется большое число вселенных. Однако, как мы говорили в Главе 11, есть два вида теорий мультивселенной: те, в которых наша вселенная нетипична и, следовательно, невероятна подобно другим, сгенерированным вечной инфляцией; и те, которые иллюстрируются космологическим естественным отбором, который генерирует ансамбль вселенных, где вселенные, подобные нашей, вероятны. Как я объяснял в Главе 11, только в последнем виде теорий возможны фальсифицируемые предсказания для осуществимых наблюдений; в первом классе теорий должен быть использован антропный принцип, чтобы выделить нашу вселенную из вида невероятных вселенных, и невозможны предсказания, на основе которых могли бы быть независимо проверены гипотезы, лежащие в основе сценария. Мы должны заключить, что есть ли много вселенных или есть только одна, не существует эмпирического содержания для утверждения, что наша вселенная невероятна.

Но вся наука термодинамика базируется на применении понятий вероятности к микросостоянию системы. Из чего следует, что мы совершаем космологическую ошибку, как только мы применяем термодинамику для обсуждения свойств вселенной как целого^[171]. Единственный способ избежать ошибки и парадокса невероятной вселенной это основывать наше объяснение того, почему вселенная сложна и интересна, на асимметричной во времени физике — физике, которая делает вселенную, подобную нашей, неизбежной, а не невероятной.

Это не единственный пример, когда физики приходят к парадоксальным заключениям, совершая ошибку через применение термодинамики к вселенной как целому. Людвиг Больцман, который изобрел статистическое объяснение энтропии и второй закон термодинамики, по-видимому, был первым, кто предложил ответ на вопрос, почему вселенная не находится в равновесии. Он не знал ничего о расширении вселенной или о Большом Взрыве; его концепция космологии заключалась в том, что вселенная вечна и статична. Вечность вселенной была для него большой загадкой, поскольку это означает, что она уже должна была достичь равновесия, так как у нее было бесконечное количество времени, чтобы сделать это.

Он мог бы думать, что единственной причиной для вселенной не быть в равновесии является то, что наша солнечная система и окружающий ее регион относительно недавно были местом очень большой флуктуации, в которой из равновесного газа спонтанно сформировались Солнце, планеты и окружающие звезды. Энтропия в нашем регионе теперь возрастает, поскольку ищет свой путь обратно к равновесию. Это был, вероятно, лучший ответ, согласующийся с картиной космологии, которую имел Больцман в конце 19-го столетия. Но это ошибочно. Сейчас мы это знаем, поскольку мы можем заглянуть назад к Большому Взрыву и за пределы соответствующих 13 миллиардов световых лет, и мы не видим никаких свидетельств в пользу того, что наш регион вселенной является низкоэнтропийной флуктуацией в статическом находящемся в равновесии мире. Вместо этого мы видим вселенную, эволюционирующую во времени, имеющую структуру на каждом масштабе, развивающуюся по мере расширения вселенной.

Больцман не мог этого знать, но имеется аргумент, который он или его современники могли бы использовать, чтобы подвергнуть свои объяснения сомнению — происходящий из наблюдения, что чем меньше флуктуация, тем более часто она происходит в равновесии. Следовательно, чем меньше область пространства, покинувшая равновесие, тем это более вероятно.

Астрономы во времена Больцмана знали, что вселенная распространяется, по меньшей мере, на десятки тысяч световых лет и содержит многие миллионы звезд. Так что если наш регион пространства был результатом флуктуации, последняя должна была бы быть экстремально редкой — намного реже, чем другие, более мелкие флуктуации, которые могли содержать нас. Рассмотрим флуктуацию, которая состоит только из нашей солнечной системы. Мы знаем, что мы в такой не находимся, поскольку мы ночью не видели бы ничего кроме инфракрасной радиации, испускаемой окружающим нас равновесным газом. Но согласно предположениям Больцмана подобные флуктуации должны возникать в равновесной вселенной намного чаще, чем то, что мы видим — миллиарды звезд, каждая из которых столь же далека от равновесия, как и наша собственная солнечная система. Намного более вероятно, что мы нашли бы себя внутри флуктуации размером с солнечную систему, чем внутри флуктуации размером с галактику^[172].

Мы можем пойти еще дальше. Большая часть солнечной системы совсем не имеет отношения к нашему существованию, так что еще более вероятно, что мы нашли бы себя на Земле с горячим пятном в небе, чем в солнечной системе с Солнцем, семью другими планетами, кометами и прочим парадом. Но это только начало. Все, что мы на самом деле знаем, это что мы мыслящие существа, воспринимающие себя существующими в мире. Но чтобы произвести мозг с памятью и образами потребовалась бы намного меньшая флуктуация, чем флуктуация, производящая целую планету с живыми созданиями, вращающуюся вокруг гигантской звезды. Мы можем назвать флуктуацию, которая производит только один мозг, заполненный памятью и ощущениями воображаемого мира, мозгом Больцмана.

Итак, имеется вереница возможностей для объяснения нашего невероятного существования как флуктуации в вечной равновесной вселенной Больцмана. Мы могли бы быть одними из триллионов живущих на планете созданий внутри флуктуации размером с солнечную систему или с галактику или мы могли бы быть только флуктуацией размером с мозг, заполненный образами и памятью. Последнее требует намного меньше информации — то есть, меньше отрицательной энтропии — так что флуктуации размером с отдельные мозги возникают в вечной вселенной намного чаще, чем флуктуации размером с солнечную систему или с галактику, которые содержат целую популяцию мозгов.

Это называется парадоксом мозга Больцмана: Это означает, что через очень долгое время во вселенной имелось бы в гигантской степени большее количество мозгов, сформированных из малых флуктуаций, чем мозгов, возникших в медленном процессе эволюции, требующей флуктуации, которая длится миллиарды лет. Так что, будучи сознательными существами, мы должны признать, что чрезвычайно вероятно, что мы являемся мозгами Больцмана. Но мы знаем, что мы не являемся такими спонтанно возникшими мозгами — поскольку если бы мы были такими, намного более вероятно, что наши ощущения и память были бы несогласованными, чем согласованными. И это невероятно, что наш мозг содержал бы образы гигантской вселенной из звезд и галактик вокруг нас. Так что сценарий Больцмана оказывается классическим сведением к абсурду.

Мы не должны удивляться тому, что мы совершили космологическую ошибку и она привела нас к парадоксальному заключению. Вневременной взгляд на физику в Ньютоновской парадигме показал свое бессилие перед самыми основными вопросами о вселенной: Почему она интересна и, более того, почему она настолько интересна, что создания вроде нас могут быть здесь, чтобы восхищаться ею?

Но если мы принимаем реальность времени, мы делаем возможной асимметричную во времени физику, в рамках которой вселенная может естественным образом развивать сложность и структуру. Таким образом, мы избегаем парадокса невероятной вселенной.

17 Время, возрожденное из жара и света

В последней главе мы рассмотрели одну из величайших космологических загадок: почему вселенная интересна и, по-видимому, становится все более и более интересной с течением времени. Мы видели, что попытки прийти к пониманию этого, основанные на вневременной картине, предполагаемой Ньютоновской парадигмой, приводят к двум парадоксам: утверждению, что уникальная вселенная невероятна, и парадоксу мозга Больцмана. В этой главе я объясню, как принципы новой космологической теории, провозглашенные в Главе 10, могут привести к пониманию того, почему вселенная интересна, одновременно избежав перечисленных в последней главе парадоксов.

Мы начнем с простого вопроса: Может ли вселенная содержать два идентичных момента времени?

Тот факт, что имеется стрела времени, означает, что каждый момент уникален. По крайней мере, пока вселенная различна в различные моменты времени; эти различия проявляются в свойствах галактик, скажем, в относительном содержании элементов. Вопрос в том, является ли последовательность моментов случайной или отражает более глубокий принцип. В теориях, описываемых в рамках Ньютоновской парадигмы, существование стрелы времени оказывается случайным. В вечной вселенной в состоянии равновесия мы ожидаем огромное число пар идентичных или очень сходных моментов.

Но имеется более глубокий принцип, придерживающийся того, что никакие два момента времени не могут быть идентичны. Это принцип Лейбница идентичности неразличимых, который я описывал в Главе 10 как следствие его принципа достаточного обоснования. Этот принцип утверждает, что во вселенной не может быть двух объектов, которые неразличимы, но не совпадают. Это просто здравый смысл. Если объекты различаются только их наблюдаемыми свойствами, тогда два различимых объекта, которые имеют в точности те же самые свойства, не могут существовать.

Принцип Лейбница следует из основной идеи, что физические свойства тел реляционны. А как насчет двух электронов, один из которых находится в атоме в постельном покрывале, а второй на вершине горы на обратной стороне Луны? Это не идентичные частицы, поскольку их положение является одним из их свойств. С реляционистской точки зрения мы можем сказать, что они различимы за счет того, что имеют различимое окружение^[173].

Не существует абсолютного пространства, так что нет способа спросить, что происходит в отдельной точке, без указания инструкций, как распознать эту точку. Так что мы не можем поместить объект в точку, пока мы не имеем некоторого способа точно определить это место. Один из способов распознать, где вы находитесь, это указать, что особенного во взгляде с этого места. Допустим, что кто-то заявил, что два объекта в пространстве имеют в точности одинаковые свойства и в точности одинаковое окружение. Это означает, как бы далеко от двух объектов вы ни изучали ситуацию, вы откроете ту же самую организацию всего остального в пространстве. Если эта странная ситуация существует, не будет способа подсказать наблюдателю, как отличить один объект от другого.

Так что просить мир содержать два идентичных объекта — это требовать невозможного. Это означает, что во вселенной должно существовать два идентичных места — два положения, из которых вид на вселенную в точности одинаков. Тогда вселенная как целое в значительной степени формируется в результате, казалось бы, простого требования, что она не содержит двух идентичных объектов^[174].

Тот же самый аргумент применим к событиям в пространстве-времени. Принцип идентичности неразличимых требует, чтобы в пространстве-времени не было двух событий, которые имели бы одинаковые наблюдаемые свойства. И не может быть двух моментов времени, которые идентичны.

Когда мы вглядываемся в ночное небо, мы видим вселенную с точки зрения особого места в особый момент времени. Взгляд включает в себя все фотоны, которые достигают нас с близких мест и издали. Если физика реляционистская, тогда эти фотоны составляют в итоге внутреннюю реальность этого особого события — то есть, вашего взгляда в ночное небо в конкретном месте в конкретное время. Принцип идентичности неразличимых тогда говорит, что облик вселенной, который наблюдатель мог бы видеть из каждого события в истории вселенной, уникален. Предположим, пришельцы вас похитили, пока вы спали, и взяли вас в путешествие на своей машине времени. В принципе, если вы проснулись и обнаружили себя далеко от дома в некоторой удаленной галактике, вы смогли бы точно сказать, где вы находитесь во вселенной, составив карту того, что вы видите, глядя вокруг. Более того, вы смогли бы точно сказать, когда во вселенной имеет место тот момент, в который вас переместили.

Это подразумевает, что наша вселенная не может иметь точных симметрий. Фактически, и не имеет, как обсуждалось в Главе 10. Хотя симметрии полезны для анализа моделей малых частей вселенной, все симметрии, до сих пор постулированные физиками, оказывались приблизительными или нарушенными.

Согласно принципу идентичности неразличимых наша вселенная такова, что каждый момент времени и каждое место в каждый момент являются однозначно отличимыми друг от друга. Ни один момент никогда не повторяется. Каждое событие во вселенной, рассмотренное достаточно подробно, уникально. В такой вселенной никогда полностью не реализуются условия, необходимые для придания смысла Ньютоновской парадигме. Этот метод, как отмечалось, требует, чтобы мы могли много раз повторить эксперимент, чтобы зафиксировать его воспроизводимость, а также отделить влияние общих законов от влияния изменения начальных условий. Это может быть достигнуто приблизительно, но никогда точно, поскольку, чем больше деталей мы отмечаем, тем более очевидно, что ни одно событие или эксперимент не может быть точной копией другого.

Это поможет дать имя гипотетической вселенной, в которой каждый момент времени и каждое событие уникально. Мы будем называть вселенную, которая удовлетворяет принципу идентичности неразличимых, вселенной Лейбница.

Это сильно отличается от вселенной, которую рисовал в своем воображении Людвиг Больцман. В его видении космологии большую часть истории вселенной доминировали периоды теплового равновесия, где энтропия была максимальна и не было структуры или организации. Эти длинные подобные смерти периоды прерывались относительно короткими периодами, в которых из-за статистических флуктуаций возникала структура и организация — а затем рассеивалась вследствие тенденции энтропии к возрастанию. Мы можем назвать такой мир вселенной Больцмана.

Вопрос, от которого зависит будущее, таков: Живем ли мы во вселенной Больцмана или во вселенной Лейбница? Во вселенной Лейбница время реально в том смысле, что ни один момент времени не похож на любой другой. Во вселенной Больцмана имеется огромное число моментов, которые повторяются — если и не точно, то с любой степенью точности, которую вы можете пожелать. В приблизительном смысле большинство моментов во вселенной Больцмана похожи на все другие, поскольку в равновесии все моменты, грубо, одинаковы. Объемные величины, такие как температура и плотность, которые измеряют средние, однородны. Да, атомы флуктуируют вокруг своих средних, но почти никогда не достигается достаточное количество флуктуаций для макроскопических уровней структуры и организации. Во вселенной Больцмана, если вы ждете достаточно долго, вселенная подойдет к повторению любой конфигурации настолько близко, насколько вам нравится. В среднем эти «почти повторения» разделяются временем повторений Пуанкаре. Но если время вечно, каждый момент повторяется бесконечное количество раз.

Вселенная Лейбница прямо противоположна: По определению во вселенной Лейбница ни один момент никогда не повторяется. Вселенная не может быть сразу и Больцмановской и Лейбницевской. Так какова наша?

Если время реально, должно быть невозможно иметь два различных, но идентичных момента времени. Время полностью реально только в Лейбницевской вселенной. Лейбницевская вселенная будет полна сложности и будет щедро генерировать массив уникальных конфигураций и форм. И она всегда будет изменяться, обеспечивая, чтобы каждый момент мог быть отличен от каждого другого по присутствующим в них структурам и формам. Как действительно и происходит в нашей вселенной.

* * *

Хорошо знать, что наша вселенная, похоже, удовлетворяет великому принципу, такому как принцип идентичности неразличимых, но это не раскрывает всю тайну. В то время как принципы не действуют на материю, законы действуют. Нам надо знать, как принципы действуют через законы, чтобы обеспечить их выполнение. До некоторой степени мы знаем ответ — который имеет отношение к запутанной связи гравитации с термодинамикой.

Одна из компонент нашей современной Лейбницевской вселенной почти находится в тепловом равновесии; это космический микроволновой фон — но КМФ, как мы знаем, есть реликт ранней вселенной, появившийся примерно через 400 000 лет после Большого Взрыва. Определенно равновесие господствует в гигантских регионах межзвездного и межгалактического пространства. Однако, значительная часть вселенной далека от равновесия. Самые частые объекты в нашей вселенной это звезды, а они не находятся в равновесии со своим окружением. Звезда всегда представляет собой динамический баланс между энергией, генерируемой ядерными реакциями в ее сердцевине, которая ее раздувает, и гравитацией, которая ее сжимает. Она достигнет того, что Больцман назвал бы равновесием, только когда выгорит топливо и звезда успокоится в виде белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры (за исключением того, что, если это черная дыра, она может стать двигателем системы, которая собирает материю, а затем с ускорением отбрасывает ее наружу). Такие системы, однако, не находятся в равновесии; это динамически устойчивые состояния.

Звезда может быть охарактеризована как система, уведенная далеко от равновесия за счет устойчивого потока энергии через нее. Энергия поступает как от ядерной, так и от гравитационной потенциальной энергии, которая медленно преобразуется в звездный свет в диапазоне частот. Звездный свет затем освещает поверхности планет вроде нашей, приводя их самих в далекое от равновесия состояние.

Это пример общего принципа^[175]: Потоки энергии через открытые системы имеют тенденцию приводить последние в состояния более высокой организации. (Повторим, что «открытыми системами» являются любые ограниченные системы, которые могут обмениваться энергией со своим окружением). Мы можем назвать этот принцип управляемой самоорганизацией. Если принцип достаточного обоснования является первостепенным объясняющим принципом в природе, а идентичность неразличимых его король, то принцип управляемой самоорганизации есть добрый ангел, который проводит обстоятельную работу в мириадах звезд и галактик, чтобы обеспечить разнообразную, сложную вселенную.

Наполним кастрюлю водой и поставим ее на плиту. Система (кастрюля и вода в ней) является открытой, поскольку через дно медленно вводится энергия, которая нагревает воду, прежде чем вытечет через поверхность и в воздух. Для упрощения ситуации накроем кастрюлю крышкой, чтобы предотвратить убегание воды, даже когда она превратится в пар. Через некоторое время вода придет к устойчивому состоянию, в котором ни ее температура ни ее плотность не являются однородными. Температура воды горячее у дна и снижается по направлению к поверхности, плотность ведет себя противоположным образом. Энергия, протекающая через воду, сдвигает ее от равновесия. Вскоре начинает появляться структура: конвекционные циклы, в которых вода движется упорядоченным образом в столбиках. Циклы управляются подводом тепла со дна. Вода нагревается, расширяется и поэтому движется вверх в виде столбика восходящей воды. На поверхности она отдает некоторую часть своего тепла, становится плотнее, чем ее окружение, и погружается, создавая столбик падающей воды. Поскольку вода не может восходить и падать в одной и той же области, создается структура, в которой восходящие и падающие столбики разделяются.

Устойчивый поток энергии через систему может привести к сложным формам и структурам, доказывающим, что эти системы далеки от термодинамического равновесия. Другим примером является созданная ветром волнистость песчаных дюн. На другом конце спектра сложности находится жизнь. То и другое, и многие вещи между ними являются результатом устойчивого потока энергии через систему. Это означает, помимо всего прочего, что сложные самоорганизующиеся системы никогда не изолированы.

Эти потоки производят системы, которые сильно Лейбницевские. Живые вещи имеют тенденцию появляться во многих копиях, но каждая отличима от остальных. И чем дальше вы восходите по лестнице сложности, тем более индивидуальности отличаются одна от другой.

Дальше по этой дороге имеется еще более красивая наука. Дело в том, что, как отмечалось в предыдущей главе, вы не можете применить второй закон термодинамики иначе как для изолированной системы, закрытой в ящике, который предотвращает обмен веществом и энергией с внешним миром. Ни одна живая система не является изолированной. Мы все переправляем потоки вещества и энергии — потоки, которые, в конечном счете, приводятся в движение энергией Солнца. Будучи закрытыми в ящик (как прообраз нашего возможного погребения), мы умираем.

Так что Аристотель был прав, когда утверждал, что земная сфера удерживается вдалеке от равновесия за счет потока энергии через нее. Недостаточное признание его идеи привело к тому, что некоторые ученые и философы усмотрели конфликт между вторым законом термодинамики и тем фактом, что естественный отбор производит все более маловероятные структуры. Тут нет противоречия, поскольку закон роста энтропии к биосфере не применим, она не является изолированной системой. Действительно, естественный отбор является механизмом самоорганизации, которая может спонтанно возрасти вследствие тенденции управляемых извне систем организовывать себя.

В контексте самоорганизующихся систем мы можем лучше понять, какие особенности делают систему сложной. Очень сложная система не может находиться в равновесии, поскольку порядок не хаотичен, так что высокая энтропия и высокая сложность не могут сосуществовать. Описание системы как сложной не только означает, что она имеет низкую энтропию. Цепочка атомов, сидящих на прямой, имеет низкую энтропию, но вряд ли является сложной. Лучшей характеристикой сложности, изобретенной Джулианом Барбуром и мной, является то, что мы называем разнообразием: система имеет высокое разнообразие, если каждую пару ее подсистем можно отличить друг от друга заданием минимального количества информации о том, как они связаны или соотносятся с целым^[176]. Город имеет высокое разнообразие, поскольку вы легко опишете, что вы видите вокруг перекрестка, на котором стоите. Такие условия появляются в природе в системах, далеких от равновесия, в результате процессов самоорганизации.

Повсеместным свойством таких самоорганизующихся систем является то, что они стабилизируются за счет механизма обратной связи. Любое живое существо является сложной сетью процессов обратной связи, которые регулируют, канализируют и стабилизируют потоки энергии и вещества через него. Обратная связь может быть положительной, что означает, она ускоряет производство чего-нибудь (вроде скрежета микрофона, когда он поднесен слишком близко к говорящему). Отрицательная обратная связь действует на подавление сигнала, как в термостате, который включает ваш обогрев, когда дом слишком холодный, и выключает его, когда дом слишком теплый.

Структуры в пространстве и времени формируются тогда, когда за контроль над системой соревнуются различные механизмы обратной связи. Когда механизм положительной обратной связи состязается с механизмом отрицательной обратной связи, но они действуют на разных масштабах, вы можете получить структуры в пространстве. Основной механизм биологической самоорганизации, открытый Аланом Тьюрингом^[177], действует, чтобы произвести структуры в эмбрионе, которые выделяют части тела, которым эмбрион станет. Позднее он может действовать снова, чтобы произвести, например, полоски на шкуре кота или крылья бабочки.

Что мы видим, когда заглядываем за пределы масштаба звезд и солнечной системы? Звезды организованы в галактики, поскольку именно в галактиках звезды и делаются. Сами галактики далеки от термодинамического равновесия. Наш собственный Млечный Путь является типичной спиральной галактикой. Он содержит не только звезды, но и гигантские межзвездные облака газа и пыли, из которых формируются звезды. Газ медленно собирается извне в диск галактики; это один из двигателей изменений в галактике. Пыль производится звездами и впрыскивается в галактический диск, когда звезды взрываются в конце своей жизни в виде сверхновых. Газ и пыль существуют в различных фазах; некоторые очень горячие, а некоторые конденсированы в очень холодные облака. Процессы самоорганизации в галактике инициируются звездным светом — потоками энергии, происходящими от звезд. Время от времени массивные звезды взрываются в виде сверхновых, таким образом, также вливая огромное количество вещества и энергии в галактику. Мы также видим структуры на масштабах больше галактических, где галактики организуются в кластеры и сети, разделяемые пустотами (войдами). Эти структуры, как мы верим, сформированы темной материей и удерживаются вместе ее взаимодействиями.

Итак, наша сегодняшняя вселенная характеризуется структурой и сложностью в широком диапазоне масштабов, от организации молекул в живой клетке до организации галактик в кластеры. Имеется иерархия самоорганизующихся систем, управляемых потоками энергии и стабилизируемых и формируемых процессами обратной связи. Это вселенная, которая намного более Лейбницевская, чем Больцмановская.

Что мы видим, когда бросаем взгляд назад? Мы видим вселенную, эволюционирующую от меньшей к большей структуризации, от равновесия к сложности.

Есть хорошая причина для уверенности, что вещество и радиация в ранней вселенной находились вблизи теплового равновесия. Вещество и радиация были в горячем состоянии с удивительно однородной температурой, которая повышается, когда мы двигаемся дальше назад во времени. Перед эрой разделения (отделения фотонов от вещества через 400 000 лет после Большого Взрыва) материя была в равновесии с излучением — в равновесии, которое, насколько нам известно, нарушалось только случайными флуктуациями плотности. Вся структура и сложность, которую мы видим сегодня, сформировалась после разделения вещества и излучения. Начальные структуры были посеяны малыми хаотическими флуктуациями плотности, и эти структуры росли по мере расширения вселенной. Формировались галактики, затем звезды, затем жизнь.

Это определенно непохоже на картину, которую предложило бы наивное применение второго закона термодинамики. Второй закон говорит, что изолированные системы повышают свою хаотичность, становятся более разупорядоченными и менее сложными и структурированными по мере движения времени вперед. Это противоположно тому, что, как мы видим, происходило в истории нашей вселенной, в которой сложность возрастает, когда на всех масштабах формируются структуры, причем самыми сложными структурами являются самые недавние.

Эволюционирующая сложность означает время. Никогда не было статических сложных систем. Главный урок в том, что наша вселенная имеет историю, и это история возрастания сложности со временем. Вселенная не только не является Больцмановской, она с течением времени становится все менее и менее Больцмановской.

Это все не отменяет второй закон термодинамики. Второй закон применим к изолированным системам, и они со временем приходят к равновесию. Более того, формирование сложности на самом деле совместимо с ростом энтропии до тех пор, пока рост энтропии и увеличение сложности происходят в различных местах. Земная биосфера организовывалась примерно 4 миллиарда лет с момента возникновения жизни на нашей планете. Эта растущая организация управлялась потоком энергии от Солнца, поступающей в виде фотонов наиболее видимого света, которые захватываются при фотосинтезе в растениях. Фотосинтез захватывает энергию фотонов в химических связях. В этой форме энергия может катализировать химические реакции, которые, например, формируют молекулы белка. Энергия в конце концов проходит через биосферу, улетучивается в виде тепла и окончательно излучается в виде инфракрасных фотонов в небо и за его пределы. Следующей остановкой фотонов может быть нагрев частичек пыли на орбите вокруг Солнца.

Отдельный квант энергии может катализировать формирование сложной молекулы и, следовательно, уменьшить энтропию биосферы, но, когда он излучен в пространство как инфракрасный свет, это повышает энтропию солнечной системы как целого. Пока рост энтропии, вызванный нагревом частиц пыли где-то в пространстве, больше, чем уменьшение энтропии, вызванное формированием молекулярных связей, долгосрочный результат находится в согласии со вторым законом.

Так что если мы рассматриваем солнечную систему как изолированную систему, тот факт, что ее части подвержены самоорганизации и усложнению, согласуется с общим ростом энтропии. Система как целое пытается прийти к равновесию, и будет наращивать свою энтропию, где сможет. Второй закон делает все возможное, чтобы привести солнечную систему в равновесие, но пока большая звезда излучает в холодное пространство горячие фотоны, равновесие откладывается. Пока оно откладывается, молекулы могут переправлять поток энергии в направлении все больших и больших состояний организации и сложности. А звезды горят миллиарды лет, так что есть очень много времени для распространения сложности. Существование звезд играет большую роль в том, почему вселенная почти через 14 миллиардов лет после ее формирования далека от равновесия.

* * *

Но почему звезды существуют? Если вселенная должна склоняться в сторону энтропии и беспорядка, как происходит, что звезды, которые уводят вселенную от равновесия, повсеместны? Иными словами, если вселенная является Лейбницевской, что-то вроде звезд должно существовать. Какие особенности законов природы гарантируют, что так и есть?

Физика звезд зависит от двух необычных особенностей законов природы. Первая это невероятно тонкая настройка параметров, которые управляют физикой. Эти тонкие настройки включают массы элементарных частиц и интенсивности четырех сил. Они делают возможным ядерный синтез, так что газ водород, содержащийся в звездах, ведет себя иначе, чем если бы ядерных сил не было. Вместо того, чтобы просто хаотично двигаться вокруг, атомы водорода, сжатые вместе в центре звезды, могут взаимодействовать по-новому. Они сливаются, чтобы создать гелий и некоторые другие легкие элементы. Это как если бы вы были посажены в камеру, день за днем, в одном и том же скучном равновесии. Каждый час такой же, как любой другой. Затем внезапно там, где ничего до этого не было, распахивается дверь, и вы ускользаете в целый новый мир. Законы термодинамики, примененные к типичным атомам, никогда не могли бы предсказать ядерный синтез и возможности, которым он дает начало.

Вторая необычная особенность связана с поведением систем, удерживающихся вместе силой гравитации. Очень просто, гравитация ниспровергает наши наивные идеи по поводу термодинамики.

Повседневное наблюдение, которое также является следствием второго закона термодинамики, показывает, что тепло перетекает от более горячих к более холодным телам. Лед тает. Вода на плите кипит. Тепло прекращает перетекание, когда температура двух тел одинакова; они достигают состояния равновесия. Обычно, когда мы забираем энергию от тела, его температура снижается, а когда мы подводим энергию к телу, оно нагревается. Так что, когда тепло перетекает от более горячего тела к более холодному телу, последнее нагревается, а первое остывает. Это происходит до тех пор, пока оба не окажутся при одинаковой температуре. По этой причине воздух в помещении находится при одной температуре. Если бы это было не так, энергия перетекала бы от более теплой стороны к более холодной, пока они не достигли бы единой температуры.

Это поведение делает систему в равновесии стабильной по отношению к эффектам малых флуктуаций. Предположим, что за счет малой флуктуации одна сторона комнаты сталанемного теплее, чем другая. Энергия будет перетекать от теплой стороны, охлаждая ее, к более холодной стороне, нагревая последнюю, так что вскоре температура снова станет однородной. Большинство систем ведут себя таким интуитивно понятным способом. Но не все.

Представим себе газ, который ведет себя иначе, охлаждаясь, когда вы добавляете к нему энергию, и нагреваясь, когда вы забираете энергию прочь. Это может показаться парадоксальным, но такие газы есть. Они должны быть нестабильными. Предположим, вы начинаете наблюдение в комнате, заполненной газом такого сорта при одинаковой температуре. Малая флуктуация перемещает небольшую энергию из левой части к правой. Тогда левая часть нагревается, а правая часть одновременно остывает. Это приводит к тому, что еще большая энергия перетекает с левой, горячей стороны к холодной стороне. Когда это происходит, левая сторона не будет охлаждаться, напротив, она станет еще горячее. И по мере перетекания все большего количества энергии к холодной правой стороне, эта сторона станет еще холоднее. Вскоре вы получите неудержимую нестабильность, в которой две стороны помещения приводятся к постоянно растущей разнице их температур.

Теперь посмотрим только на горячую сторону и повторим сценарий. Предположим, что возникла другая флуктуация, ненамного охладившая центр горячей стороны. То же самое явление действует как положительная обратная связь, все больше охлаждая центр и все больше нагревая область вокруг него. С течением времени малая флуктуация вырастет в особенность. Это может происходить снова и снова. Вскоре вы получите сложную структуру холодных и горячих областей.

Система, которая ведет себя так, естественным образом приводится к формированию сложных структур. Тяжело предсказать, где такая система окажется в конечном итоге, поскольку имеется гигантское число неоднородных, структурированных конфигураций, к которым она может эволюционировать. Мы называем такие системы анти-термодинамическими системами. Второй закон все еще действует в них, но, поскольку введение энергии в область охлаждает ее, состояние, в котором газ однородно распределен, является в высшей степени нестабильным.

Системы, удерживаемые вместе гравитацией, ведут себя именно таким сумасшедшим образом. Звезды, солнечные системы, галактики и черные дыры все являются анти-термодинамическими. Они охлаждаются, когда вы подводите к ним энергию. Это означает, что все эти системы нестабильны. Нестабильности уводят их прочь от однородности и стимулируют формирование структур в пространстве и времени.

Это тесно связано с тем, почему вселенная через 13,7 миллиарда лет после своего возникновения не находится в равновесии. Возрастающая структура и сложность, которые характеризуют историю вселенной, в значительной степени объясняются тем фактом, что заполняющие ее гравитационно-связанные системы, от кластеров галактик до звезд, являются анти-термодинамическими.

Легко понять, почему такие системы являются анти-термодинамическими. Две главные особенности выделяют гравитацию из других сил: Гравитационная сила (1) дальнодействующая и (2) универсально притягивающая. Рассмотрим планету на орбите вокруг звезды. Если вы добавляете энергии, планета переместится на более далекую от звезды орбиту, где она будет двигаться медленнее. Так что введение энергии понижает скорость планеты, а это понижает температуру системы — поскольку температура есть просто средняя скорость вещей в системе. И наоборот, если вы забираете энергию из солнечной системы, планета должна ответить падением ближе к звезде, где она движется быстрее. Следовательно, отвод энергии нагревает систему.

Мы можем сравнить это с поведением атома, который удерживается вместе за счет электрических сил между зарядами. Подобно гравитации, электрические силы действуют на большие расстояния, но отличаются тем, что они являются притягивающими только между противоположными зарядами. Положительно заряженный протон будет притягивать отрицательно заряженный электрон, но раз уж электрон связан с протоном, получившийся атом в итоге не имеет заряда. Говорят, что сила насыщена, и атом не притягивает к себе любые другие частицы. Солнечная система работает противоположным образом, поскольку, когда звезда притягивает некоторую планету, получившаяся система является еще более притягивающей для пролетающих мимо тел, чем была бы одна звезда. Так что тут есть другая нестабильность — гравитационно-связанная система будет притягивать к себе все больше тел.

Это анти-термодинамическое поведение проявляется в вырождении звездных скоплений. Если бы звездное скопление должно было вести себя термодинамически, оно достигло бы равновесия — в этом случае это состояние, в котором все его звезды имели бы одинаковую среднюю скорость и вечно пребывали бы в группе. Вместо этого звездные кластеры медленно рассеиваются. Это происходит интересным образом. Каждый раз, когда звезда сближается с двойной звездой — то есть, двумя звездами, вращающимися друг вокруг друга, — тесное сближение может привести к сужению орбиты двойной звезды. Это орбитальное сжатие высвобождает энергию, которая передается третьей звезде. Теперь третья звезда имеет достаточно энергии, чтобы покинуть скопление, и она начинает путешествие прочь в пространство. Через длительное время от звездного скопления мало что остается, кроме некоторых двойных звезд на близких орбитах и утекающего прочь от скопления облака быстро движущихся звезд.

Это не противоречит второму закону, а только его наивной интерпретации. Закон, что энтропия должна обычно расти, просто закрепляет банальность, что чем больше способов имеется, чтобы что-либо произошло, тем более вероятно, что оно наступит. Нормальные термодинамические системы в конце концов приходят к единственному скучному состоянию однородного равновесия; гравитационно-связанные, анти-термодинамические системы оказываются в конечном итоге в одном из огромного числа в высшей степени неоднородных состояний.

Так что факт, что наша вселенная интересна и нетривиальна, имеет тройное объяснение: Принцип управляемой самоорганизации действует на мириады подсистем и масштабов, от молекулярного до галактического, заставляя их эволюционировать к состояниям все более возрастающей сложности. Двигателями, ведущими этот процесс, являются звезды, которые существуют благодаря комбинации тонкой настройки фундаментальных законов и анти-термодинамической природе гравитации. Но эти силы могут произвести вселенную, заполненную звездами и галактиками, только если начальные условия вселенной сильно асимметричны во времени.

Все это может быть сформулировано и, в некоторой степени, понято в рамках Ньютоновской парадигмы. Но если мы продолжаем думать в рамках этой парадигмы, организация мира, кажется, остается с огромными невероятностями — предельной особостью выбора законов и начальных условий. Печальное заключение в том, что единственная разновидность вселенной, которая естественным образом появляется из вневременных воззрений Ньютоновской парадигмы, есть мертвая вселенная в равновесии, что, очевидно, не та разновидность вселенной, в которой мы живем. Но с точки зрения реальности времени полностью естественно, что вселенная и ее фундаментальные законы асимметричны во времени, с сильной стрелой времени, которая осуществляет рост энтропии для изолированных систем вместе с непрерывным ростом структуры и сложности.

18 Бесконечное пространство или бесконечное время?

Мы видели, что, принимая реальность времени, мы можем осмыслить, почему вселенная полна структуры и сложности. Но как долго она может быть сложной и структурированной? Может ли равновесие быть отложено навсегда? Может быть, мы находимся только в пузырьке сложности в намного большей равновесной вселенной.

Это приводит нас к наиболее умозрительным разделам в современной космологии: очень далеким местам и далекому будущему.

Нет более романтического понятия, чем бесконечность, но в науке эта концепция может легко привести к путанице. Представим себе, что вселенная бесконечна в пространстве. Вообразим также, что везде в ней поддерживаются одни и те же законы, но начальные условия выбирались хаотически. Это картина первоначальной Больцмановской вселенной. Почти все в бесконечной вселенной находится в термодинамическом равновесии; все интересное, что происходит, является следствием флуктуаций. Но все, что происходит внутри флуктуации, будет происходить где-то, но если доступно бесконечное количество этих «где-то», то каждая флуктуация, не важно, насколько вероятная, будет происходить бесконечное число раз^[178].

Так что наша наблюдаемая вселенная могла бы быть просто большой статистической флуктуацией.

Если вселенная на самом деле бесконечна, то наша наблюдаемая вселенная, которая представляет собой область около 93 миллиардов световых лет в поперечнике, будет повторяться бесконечное число раз через бесконечность пространства. Так что, если вселенная бесконечная и Больцмановская, то мы существуем точно как мы есть и действуем точно как мы действуем бесконечное число раз.

Это определенно нарушает Лейбницевский принцип, что не может быть двух идентичных мест во вселенной.

Но не только это. Вообразим любым способом, как вам нравится, что сегодняшний день мог бы быть иным. Я мог бы не родиться. Или вы заключили бы брак с вашей первой любовью. Кто-то мог перебрать алкоголя год назад, не обратить внимания на совет своих друзей, поехать домой и по пути насмерть сбить ребенка. Ваш двоюродный брат был случайно перепутан при рождении, воспитан в неблагополучной семье и стал серийным убийцей. Эволюционировал вид разумных динозавров, решивших для себя проблему изменения климата, и теперь доминирует на планете, так что млекопитающие никогда не владели миром. Все это вещи, которые могли произойти, приведя нас в иную современную конфигурацию вселенной. Каждая такая современная конфигурация есть возможный способ, которым могут быть организованы атомы по соседству от нас. И каждая происходит бесконечное число раз в бесконечном пространстве.

Для меня это ужасная перспектива. Она поднимает этическую проблему, почему я должен заботиться о последствиях выборов, которые я делаю, если все другие выборы сделаны другими версиями меня в других областях бесконечной вселенной? Я могу отдать предпочтение воспитанию моего ребенка в этом мире, но я не должен при этом заботиться о детях в других мирах, которые страдают вследствие плохих решений других моих «я»?

В дополнение к этому этическому вопросу имеются проблемы в отношении полезности науки. Если в мире есть реальный факт, что все, что может происходить, происходит, то сильно уменьшаются возможности объяснения. Принцип достаточного обоснования Лейбница требует, чтобы была рациональная причина каждого случая, когда вселенная идет одним путем, но могла бы идти другим. Но если вселенная есть каждый возможный путь, тут нечего объяснять. Наука может дать нам проникновение в локальные условия, но, в конечном счете, это бесплодное занятие, поскольку правильный закон будет просто в том, что все, что может произойти, происходит прямо сейчас и бесконечное число раз. Это разновидность сведения к абсурду Ньютоновской парадигмы, распространенной на космологию — и другой пример космологической ошибки. Я называю это бесконечной Больцмановской трагедией.

Одна из причин, почему это трагедия, в том, что в огромной степени снижается предсказательная сила физики, поскольку вероятности тут не означают то, что вы думаете, они означают. Предположим, вы проводите эксперимент, для которого квантовая механика предсказывает, что результат А имеет 99-процентную вероятность, а результат В — 1-процентную. Допустим, что вы проводите эксперимент 1000 раз. Тогда вы можете ожидать, что грубо 990 раз из 1000 в результате будет А. Вы можете чувствовать себя в безопасности, заключив пари на исход А, поскольку вы обоснованно можете ожидать, что грубо будут 99 результатов А на каждый 1 результат В. Вы должны были бы иметь хороший шанс подтвердить предсказание квантовой механики. Но в бесконечной вселенной имеется бесконечное число ваших копий, проводящих эксперимент. Бесконечное число этих копий наблюдают результат А. Но имеется также бесконечное число ваших копий, наблюдающих результат В. Так что предсказание квантовой механики, что один результат будет в 99 раз чаще, чем другой, в бесконечной вселенной непроверяемо.

Это называется проблемой измерения в квантовой космологии. После того, как я послушал и почитал ярких людей, работающих над ней, моя точка зрения такова, что она не решаема. Я предпочитаю принять факт, что квантовая механика работает, как подтверждение, что мы живем в конечной вселенной, содержащей только одну мою копию.

Мы можем избежать последствий трагедии бесконечной вселенной, отвергнув мысль, что вселенная бесконечна в пространстве. Несмотря на то, что мы, конечно, не можем заглянуть дальше определенного расстояния, для меня кажется правдоподобным и осмысленным выдвинуть гипотезу, что вселенная конечна в пространственном измерении — как и в предположении Эйнштейна, что она конечна, но не имеет границы. Это означает, что вселенная имеет общую топологию замкнутой поверхности вроде сферы или бублика (то есть, тора).

Это предположение не противоречит нашим наблюдениям. Какая именно топология верна, зависит от средней кривизны пространства. Если кривизна положительна, как у сферы, то имеется только одна возможность, которая является трехмерным аналогом сферической двумерной топологии. Если средняя кривизна пространства нулевая, как у плоскости, тогда также имеется единственный выбор для конечной вселенной, который есть трехмерный аналог двумерной топологии бублика. Если кривизна отрицательна, как у седла, то имеется бесконечное число возможностей для топологии вселенной. Они слишком сложны, чтобы описать их здесь, и их каталогизация была триумфом математики конца 20-го столетия.

Предположение Эйнштейна это гипотеза, которая должна быть подтверждена. Если вселенная замкнута и достаточно мала, то свет должен пройти весь путь вокруг нее, и мы должны видеть удаленные галактики в виде множественных изображений. Это было предметом поисков, но до сегодняшнего дня не найдено.

Имеется, однако, сильное основание предпочесть, чтобы космологическая теория моделировалась пространством-временем, которое пространственно ограничено. Если вселенная не ограничена пространственно, то она должна быть бесконечной в пространственном измерении. Это означает, неожиданно, что имеется граница в пространстве. Эта граница бесконечно удалена, но, тем не менее, это граница, через которую может пройти информация^[179]. Следовательно, вселенная, которая пространственно бесконечна, не может рассматриваться как содержащая саму себя система. Она должна рассматриваться как часть большей системы, что включает любую информацию, приходящую из границы.

Если граница удалена на конечное расстояние, вы могли бы вообразить, что имеется еще больше пространства за ее пределами. Информация о границе может быть объяснена в терминах того, что приходит из мира за пределами границы^[180].

Но граница на бесконечности не позволяет нам представить мир за ее пределами. Нам просто требуется точно определить информацию о том, что приходит из-за нее и уходит за нее, но выбор совершенно произволен. Здесь не может быть дальнейшего объяснения для информации, втекающей во вселенную из бесконечной границы: Выбор должен быть сделан, и выбор произволен. Следовательно, мы должны признать, что в любой модели вселенной, которая имеет бесконечные границы, ничто не может быть объяснено. Принцип объяснительной замкнутости нарушается, а вместе с ним и принцип достаточного обоснования.

В этом утверждении имеются технические тонкости, которые я не хотел бы упоминать здесь. Но это утверждение ключевое, которое, насколько я могу сказать, игнорируется теми космологами, кто допускает, что вселенная пространственно бесконечна. Я не нахожу способа уйти от заключения, что любая модель вселенной должна быть пространственно замкнута и не иметь границ.

Так что не имеется ничего бесконечно удаленного, и нет бесконечных пространств, чтобы бороться с ними. Теперь обратим наше внимание с бесконечного расстояния на бесконечное будущее.

* * *

Литература космологов наполнена беспокойством по поводу будущего. Если вселенная является до настоящего времени более Лейбницевской, чем Больцмановской, не может ли быть так только временно? Возможно, в долгосрочной перспективе умрем не только мы все, но и вселенная.

Ограничение до пространственно конечной вселенной выводит нас из многих трагедий и парадоксов бесконечной Больцмановской вселенной. Однако, не из всех. Конечная в пространстве и замкнутая вселенная все еще может жить бесконечное время, и если она никогда не сократится, она будет расширяться вечно. Тогда для нее доступно бесконечное количество времени, чтобы достигнуть теплового равновесия. Если это произойдет, и не важно, как долго это будет длиться, останется бесконечное количество времени, также как и постоянно растущее количество пространства для флуктуаций, создающих невероятные структуры. Следовательно, мы и тут можем утверждать, что все, что может произойти, в конце концов произойдет за бесконечное количество времени. Это опять приводит к парадоксу мозга Больцмана. Если принципы достаточного обоснования и идентичности неразличимых должны быть удовлетворены, вселенная тем или иным способом должна избежать окончания в таком парадоксальном состоянии. Эти принципы ограничивают варианты для возможной будущей судьбы вселенной.

Имеется небольшое количество научной литературы, пытающейся спланировать, что произойдет в далеком будущем вселенной. Вся она умозрительна, поскольку, чтобы рассуждать о далеком будущем, вы должны делать некоторые значительные допущения. Одно из них, что законы природы никогда не должны изменяться, ибо, если они менялись, наша предсказательная способность будет загнана в угол. И не должно существовать неоткрытых явлений, которые могли бы изменить направление истории вселенной. Например, могла бы быть некоторая сила, настолько слабая, что еще только должна быть обнаружена, но, однако, вступающая в игру выше гигантских расстояний и на временах, больших сегодняшнего возраста вселенной. Это возможно и подробно рассматривалось. Но это затрудняет любое предсказание на базе сегодняшнего знания. Также в запасе не должно быть других сюрпризов, таких как стенки космических пузырей, приходящие к нам со скоростью света из-за пределов нашего нынешнего горизонта.

Предположив, что хорошо установленные законы и явления это все, что имеет место, мы можем надежно вывести следующее:

В конечном счете галактики прекратят делать звезды. Галактики есть гигантские системы по превращению водорода в звезды. Они не очень результативны; типичная спиральная галактика создает примерно одну звезду в год. После почти 14 миллиардов лет большая часть вселенной все еще представляет собой изначальный водород и гелий. Пока что одного водорода настолько много, что, по самой меньшей мере, должно существовать только конечное число звезд. Только если весь водород в конце концов переработается в звезды, будет сделана последняя звезда. И это только предел сверху; более вероятно, что неравновесные процессы, которые управляют формированием звезд, будут затихать задолго до того, как весь водород будет переделан в звезды.

Последние звезды выгорят. У звезд конечное время жизни. Массивные звезды живут несколько миллионов лет и умирают драматически в виде сверхновых. Большинство живут многие миллиарды лет и в конце выдыхаются в виде белых карликов. Но будет время, когда последняя звезда уже умрет.

Что тогда?

Раз последняя звезда умерла, вселенная заполнена материей, темной материей, излучением и темной энергией. Что происходит со вселенной в длительной перспективе зависит, главным образом, от компоненты, о которой мы знаем меньше всего: темной энергии.

Темная энергия это энергия, связанная с пустым пространством. Она была обнаружена, чтобы компенсировать около 73 процентов массы-энергии вселенной. Ее природа на сегодня неизвестна, но наблюдается ее влияние на движение удаленных галактик. В особенности, темная энергия способствовала объяснению недавно открытого ускорения всеобщего расширения.

Отдельно от этого мы о ней ничего не знаем. Она могла бы быть просто космологической константой или она могла бы быть некоторой экзотической формой энергии с постоянной плотностью. Хотя плотность темной энергии оказывается приблизительно константой, мы не знаем, так ли это на самом деле или она просто изменяется более медленно, чем фиксируют наблюдения в настоящее время. Будущее вселенной будет очень разным в зависимости от того, останется ли темная энергия константой или нет.

Рассмотрим сначала сценарий, в котором темная энергия сохраняет свою плотность, когда вселенная расширяется. Если ее плотность постоянна, она ведет себя просто как космологическая константа Эйнштейна. Она не уменьшается по мере того, как вселенная продолжает расширяться. Все остальное — все вещество и все излучение — рассеивается по мере расширения вселенной, а плотность полной энергии от указанных источников монотонно убывает. После нескольких десятков миллиардов лет можно будет пренебречь всем, за исключением плотности энергии, связанной с космологической константой.

Поскольку это такой простой случай, у нас есть довольно хорошая идея о том, что произойдет. Следствием экспоненциального расширения будет, что скопления галактик разделятся настолько быстро, что вскоре они будут не видны друг для друга. Фотоны, покидающие одно скопление и двигающиеся со скоростью света, не перемещаются достаточно быстро, чтобы быть захваченными другими скоплениями. Наблюдатели в каждом скоплении будут окружены горизонтом, за пределами которого исчезли их соседи. Каждое скопление станет изолированной системой. Так что внутренняя часть каждого горизонта будет разновидностью ящика, отграничивая подсистему от остальной вселенной. Так что к каждой такой подсистеме будут применимы методы физики в ящике — что означает, мы можем при рассуждении о ней использовать методы термодинамики.

В этот момент в данной истории включается новый эффект квантовой механики, приводящий к заполнению внутренней части каждого горизонта газом фотонов в тепловом равновесии — разновидностью тумана, созданного процессами, аналогичными процессам, которые создают излучение черных дыр Хокинга. Этот газ называется излучением горизонта. Его температура экстремально низкая, и такова же его плотность, но они остаются постоянными в процессе расширения вселенной. Тем временем все остальное, включая вещество и КМФ, становится все более и более разреженным, так что после прохождения достаточного времени вселенную будет заполнять только излучение горизонта. Вселенная пришла к равновесию.

Это состояние равновесия сохранится навсегда. Нельзя избежать концовку как в вечной вселенной Больцмана. Будут, конечно, флуктуации и возвраты к прежнему, и иногда та или иная конфигурация вселенной будет происходить вновь — включая то, что относится к парадоксу мозга Больцмана, который я описывал в Главе 16 как финал сведения к абсурду Ньютоновской парадигмы. В соответствии с этим сценарием очевидная сложность нашей вселенной до настоящего момента является только кратчайшей вспышкой перед тем, как вселенная успокоится в своем вечном равновесии.

Мы знаем с некоторой определенностью, что мы не являемся Больцмановскими мозгами, поскольку (как отмечалось в Главе 16) если бы мы таковыми были, мы, вероятно, не увидели бы гигантскую и упорядоченную вселенную вокруг нас. Тот факт, что мы не есть мозги Больцмана, означает, что этот сценарий для будущего нашей вселенной ошибочен. Принцип достаточного основания, действуя через своего заместителя, принцип идентичности неразличимых, также требует, чтобы этот сценарий был ошибочен. Вопрос в следующем: Как его избежать?

Простейший способ избежать вечно мертвую вселенную будет иметь место, если вселенная имеет достаточную плотность вещества, чтобы остановить расширение и вызвать коллапс. Вещество притягивает вещество гравитационно, и это замедляет расширение, так что если вещества достаточно, вселенная будет коллапсировать к финальной сингулярности. Или может быть, что квантовые эффекты остановят коллапс и заставят вселенную отскочить, развернув сжатие на расширение, приводящее к новой вселенной. Но сейчас не кажется, что вещества достаточно, чтобы развернуть расширение, не говоря уже о противодействии тенденции темной энергии это расширение ускорять.

Следующий простейший способ избежать бесконечного мертвого будущего имеется, если космологическая константа на самом деле не постоянна. Несмотря на то, что мы имеем подтверждение, что темная энергия — которая для всех намерений и целей есть космологическая константа — не меняется на масштабах сегодняшней эры вселенной, у нас нет доказательств, что она не будет изменяться в конце концов. Это изменение могло бы быть следствием более глубокого закона, одного из тех, что действуют столь медленно, что их действие проявляется ощутимо только на больших временных масштабах. Или изменение могло бы быть просто эффектом общей тенденции законов эволюционировать. На самом деле принцип отсутствия действия без взаимности предполагает, что космологическая константа должна быть подвержена влиянию со стороны вселенной, на которую указанная константа столь решительно действует.

Космологическая константа может распадаться до нуля. Если это происходит, расширение замедляется, но, вероятнее всего, не обращается вспять. Вселенная может быть вечной, но статической; это, по меньшей мере, аннулирует парадокс мозга Больцмана.

Расширяется ли вселенная без космологической константы вечно или коллапсирует, зависит, в конечном счете, от начальных условий. Если энергии в расширении в конечном счете достаточно, чтобы преодолеть взаимное гравитационное притяжение всего во вселенной, последняя никогда не коллапсирует. Но даже если вселенная существует вечно, имеются богатые возможности для возрождения, поскольку каждая черная дыра в результате ликвидации ее сингулярности может привести к рождению дочерней вселенной. Как отмечалось в Главе 11, имеются хорошие теоретические свидетельства, что это должно происходить.

Если это так, то наша вселенная, которая еще далека от смерти, уже имела, по меньшей мере, миллиард миллиардов потомков. Каждая из этих новых вселенных даст рождение следующим потомкам. Так что тот факт, что каждая вселенная может рано или поздно умереть после рождения такого большого количества других, кажется несущественным.

Имеются также возможности возрождения, которые содержат целую вселенную, а не только ее черные дыры. Это гипотезы, исследующие класс космологических моделей, называемых циклическими моделями. Одна из разновидностей циклических моделей, изобретенная Полом Стейнхардтом из Принстонского Университета и Нилом Туроком из Института Периметра, достигает этого, допуская, что космологическая константа уменьшается до нуля, а затем продолжает двигаться к сильно отрицательным величинам^[181]. По причинам, которые я не хочу тут объяснять, это приводит к драматическому коллапсу целой вселенной. Однако, они утверждают, что этот коллапс сменяется отскоком и новым расширением. Этот отскок должен был бы быть следствием эффектов квантовой гравитации, или финальная сингулярность могла бы быть обойдена чрезмерной величиной темной энергии.

Теоретическое обоснование того, что вследствие квантовых эффектов от финальной космологической сингулярности можно отскочить, приводит к новому расширению вселенной, которое даже более сильное, чем в случае сингулярностей черных дыр^[182]. В рамках петлевой квантовой гравитации изучались некоторые модели квантовых эффектов вблизи космологических сингулярностей, и оказалось, что отскок является универсальным феноменом. Однако, необходимо предостеречь, что это только модели, и до сих пор в них применяются радикальные допущения. Ключевое допущение в том, что вселенная пространственно однородна.

В чем мы совершенно уверены, так это в том, что очень однородные регионы вселенной — регионы без гравитационных волн или черных дыр — отскакивают, чтобы дать начало новым вселенным.

В худшем случае регионы, которые сильно неоднородны, не отскакивают. Они просто коллапсируют к сингулярностям, где время останавливается. Однако, даже в этом плохом случае нет худа без добра, ибо это обеспечивает принцип отбора для определения, какие регионы вселенной отскочат и воспроизведут себя. Если отскакивают только более однородные регионы, тогда начало новых вселенных сразу после отскока также будет сильно однородным^[183]. Это дает предсказание: В очень ранние времена сразу после отскока вселенная в высшей степени однородна — нет черных или белых дыр и нет гравитационных волн, точно как мы видим в нашей вселенной.

Но чтобы сценарий отскакивающей вселенной был наукой, должно быть, по меньшей мере, еще одно предсказание, посредством которого гипотеза могла бы быть проверена. Имеется, по меньшей мере, два, которые нужно проделать со спектром флуктуаций в КМФ. Циклический сценарий предлагает объяснение для этих флуктуаций, которое не требует короткого периода экстремальной инфляции, часто принимаемого в качестве их причины. Спектр флуктуаций, который мы видим до сих пор, воспроизводится, но имеется два отличия между предсказаниями циклических инфляционных моделей, и эти предсказания могут быть проверены в экспериментах сегодня и в ближайшем будущем. Первая проверка заключается в том, будут ли наблюдаться гравитационные волны в КМФ; инфляция говорит «да», циклические модели говорят «нет». Циклические модели также предсказывают, что излучение КМФ не полностью хаотично — на техническом языке, они предсказывают негауссовость.

Циклические модели являются примерами, как рассмотрение времени как фундаментального — в том смысле, что время не началось в Большом Взрыве, но существовало до него, — приводит к более предсказывающей космологии. Другими примерами являются теории, в которых предполагается, что скорость света была другой — фактически, более быстрой — в самой ранней вселенной. Эти так называемые теории с переменной скоростью света выбирают предпочтительное понятие времени способом, который нарушает принципы теории относительности. Вследствие этого они не популярны, но перспективны для объяснения флуктуаций КМФ в отсутствие инфляции.

Роджер Пенроуз предложил другой сценарий получения новой вселенной из старой^[184]. Грубо говоря, он соглашается со сценарием вечной Больцмановской вселенной с фиксированной космологической константой, а затем спрашивает, что произойдет после того, как пройдет бесконечное количество времени. (Только Пенроуз мог бы задать такой вопрос). Он рассуждает, что после некоторого момента все элементарные частицы с массой, включая протоны, кварки и электроны, распадутся, и останутся только фотоны и другие безмассовые частицы. Если это так, то не будет ничего, чтобы обнаружить бесконечное прохождение вечности, поскольку фотоны, раз они путешествуют со скоростью света, вообще не чувствуют времени. Для фотона вечность очень поздней вселенной будет неотличима от очень ранней вселенной. Единственной разницей будет температура. Общеизвестно, что температурная разница гигантская, но это, безусловно, единственный масштаб. Пенроуз утверждает, что единственный масштаб не имеет значения. В релятивистски описываемом газе фотонов все, что имеет значение, есть сравнения или отношения между вещами, которые существуют во времени; всеобщая шкала не может быть обнаружена. Так что поздняя вселенная, заполненная газом холодных фотонов и других безмассовых частиц, становится неотличимой от горячего газа тех же частиц, заполняющих раннюю вселенную. Согласно принципу идентичности неразличимых поздняя вселенная также является рождением другой вселенной.

Этот сценарий Пенроуза разворачивается только после бесконечного времени, так что парадокс мозга Больцмана не решает. Но он предсказывает, что в остатках Большого взрыва будут реликты прошлой вселенной, из которых мы могли бы собирать информацию о ней. Хотя много информации уничтожается вечностью, проведенной в тепловом равновесии, одним из носителей информации, который никогда не уничтожается, являются гравитационные волны. Информация переносится гравитационными волнами, и также делает это во время отскока и в новой вселенной.

Самыми громкими сигналами, переносимыми гравитационными волнами, являются изображения столкновений между гигантскими черными дырами, которые когда-то скрывались в центрах давно ушедших галактик. Они струятся наружу, создавая огромные круги в небе. Они путешествуют вечно и выдерживают переход к новой вселенной. Следовательно, предсказывает Пенроуз, эти огромные круги должны быть видимыми в космическом микроволновом фоне, чья структура была зафиксирована в ранние времена нашей вселенной. Это тени событий в предшествующей вселенной.

Более того, Пенроуз предсказывает, что там должно быть очень много концентрических кругов. Они приходят от скоплений галактик, в которых со временем сталкиваются более чем одна пара галактических черных дыр. Это поразительное предсказание, полностью отличающееся от видов узоров, предсказываемых большинством космологических сценариев для КМФ. Если что-нибудь из этого неожиданно подтвердится, это будет расцениваться как доказательство сценария, который произвел указанное предсказание.

Как раз когда это писалось, происходила полемика по поводу того, могут ли концентрические круги Пенроуза быть видны в КМФ^[185]. Однако, это свидетельствует, как мы еще раз видим, что космологические сценарии, в которых наша вселенная эволюционирует из вселенной до Большого Взрыва, делают предсказания, которые могут быть верифицированы или фальсифицированы наблюдениями. Это отличается от сценариев, в которых вселенная является одним из одновременно существующего множества миров — сценариев, которые не делают, а, вероятно, и не могут делать никаких реальных предсказаний.

В Главе 10 я утверждал, что рациональное объяснение тому, почему в нашей вселенной получились особые законы и начальные условия, требует выбора, который бы происходил более одного раза, поскольку в ином случае мы не могли бы знать, почему выбор был сделан так, как сделан — тогда как, если те же самые начальные условия и законы возникают много раз, то появляются основания для этого. Я рассматривал два пути, по которым могли бы быть упорядочены Большие Взрывы — одновременно и последовательно — и я утверждал, что только в последнем случае мы могли бы ожидать разработки космологии, которая смогла бы ответить на вопрос "Почему такие законы?", в то же время оставаясь научной в том смысле, что она дает фальсифицируемые предсказания. В настоящей главе я возвратился к сравнению двух альтернатив, и мы детально увидели, что только в случае последовательных вселенных имеются реальные предсказания для выполнимых экспериментов.

Итак, мы видим, что космология становится более научной, а наши идеи стновятся более уязвимыми для проверки, когда мы работаем в схеме, в которой время реально и фундаментально, а история вселенной является необходимой частью понимания ее сегодняшнего состояния. Те, кто отягощен метафизическими допущениями, что целью науки является открытие вневременных истин, представленных вневременными математическими объектами, могут думать, что уничтожение времени, и, тем самым, представление вселенной похожей на математический объект, есть путь к научной космологии. Но все оказывается наоборот. Как Чарльз Сандерс Пирс понял более ста лет назад, законы должны эволюционировать, чтобы быть объяснимыми.

19 Будущее времени

В Части II мы совершили обратное восхождение от безвременья к восстановлению времени в его законном положении в центре нашей концепции мира. Аргументы, представленные в Части I в пользу нереальности времени, казались сильными, но все они зависят от расширения Ньютоновской парадигмы на полную теорию вселенной как целого. Как мы видели, единственная особенность, которая делает указанную парадигму успешным методом для описания физики малых частей вселенной, подрывает ее применение ко вселенной как целому. Чтобы обеспечить дальнейший прогресс в космологии (а также в фундаментальной физике), нам нужна новая концепция закона природы, применимая на космологическом масштабе, которая избегает ошибок, дилемм и парадоксов и отвечает на вопросы, к которым старая система взглядов не может обратиться. Более того, это должна быть научная теория — то есть, она должна делать фальсифицируемые предсказания для новых, но выполнимых экспериментов.

В Главе 10, я начал поиск такой новой системы взглядов, выдвинув на первый план базовые принципы руководства нашим поиском. Главный среди них есть Лейбницевский принцип достаточного обоснования, который заставляет нас искать рациональную причину для каждого выбора, который вселенная делает одним образом вместо того, чтобы сделать другим. Это подразумевает дальнейшие принципы: идентичности неразличимого, объяснительной замкнутости и отсутствия действия без взаимности. Эти принципы вырабатывают бескомпромиссный реляционистский подход ко всем свойствам вещей в природе.

Я утверждал, что единственный способ реализовать указанные принципы и открыть работоспособную космологическую теорию это предположить, что законы природы эволюционируют во времени. Это требует, чтобы время было реальным и глобальным. Одной из перспективных разработок является динамика формы, которая, как описывалось в Главе 14, вызывает привилегированное глобальное понятие времени изнутри ОТО.

Понятие глобального времени, в рамках которого эволюционируют законы природы, вместе с нашими принципами дает нам основу для новой космологической теории. Разработки, описанные в Части II в Главах с 11 по 18, еще не являются фактом и еще не составляют согласованной теории. Скорее они представляют собой видение того, как мы можем переосмыслить вместе вселенную и задачу космологии. Каждая из этих разработок умозрительна, но некоторые делают по-настоящему проверяемые предсказания для осуществимых экспериментов. Будет любая из них подтверждена экспериментом или нет, они, по меньшей мере, демонстрируют, что гипотеза реальности времени приводит к более научной космологии.

Понятие реальности и глобальности времени также полезно в решении других нерешенных проблем физики. Например, нам нужно выйти за пределы статистического предсказания квантовой механики, чтобы описать и объяснить, что происходит в индивидуальных событиях. В Главах 12 и 13 я описывал два новых подхода к более глубокой теории квантовых явлений, оба из которых требуют, чтобы время было фундаментальным. Эти подходы отличаются от квантовой механики в достаточной степени, чтобы они могли быть отличены от нее экспериментально.

Другой ареной, на которой действует реальное время, является описание поведения в макромире, где возникает термодинамика вместе с такими концепциями, как температура, давление, плотность и энтропия. На этом неквантовом уровне время оказывается строго направленным, и мы можем выделить несколько стрел времени, которые строго отличают прошлое от будущего. В теории, где время несущественно или эмерджентно, этот факт временной асимметрии вселенной является непостижимым. Это заставляет нас приписывать очевидные и несомненные свойства мира экстремально маловероятному выбору начальных условий. Эту трудность можно избежать, признав, что время реально и что фундаментальная теория столь же асимметрична во времени, сколь асимметричной оказывается сама вселенная.

Однако, одно дело сказать, что время реально, но другое дело сказать, что это придает смысл разговору о том, что происходит «прямо сейчас» по всей вселенной — то есть, одновременно с нашим переживанием течения времени. Идея глобального времени означает, что наше ощущение прохождения времени используется во всей вселенной, но, конечно, это прямо противоречит относительности одновременности СТО и ОТО. Этот конфликт необходимо решать, поскольку относительность одновременности вместе с идеей, что реальность есть общее понятие, приводит, как мы видели в Главе 6, к картине монолитной вселенной, в рамках которой самый основной аспект нашего опыта — течение времени — является нереальным.

Можно также попробовать представить себе смысл, в котором время реально, что не противоречит относительности одновременности — но это потребует или солипсистского или зависимого от наблюдателя понятия реальности, в котором различие между реальным настоящим и будущим, которое еще-будет-реальным, не является объективным свойством, разделяемым всеми наблюдателями. И, как я подчеркивал, гипотеза глобального времени сильно помогает в выходе за пределы квантовой теории и в понимании пространства как эмерджентного. Важно также отметить, что гипотеза глобального времени не нуждается в конфликте с экспериментальными подтверждениями СТО, что, как мы видели, верно в динамике формы. Наконец, гипотеза, что в природе имеется привилегированное глобальное время, подлежит разрешению экспериментом, по каковой причине я поддерживал гипотезы, которые могут привести к новым предсказаниям, с помощью которых они могут быть проверены.

* * *

Идея, что законы эволюционируют, обещает сделать фундаментальную физику более предсказательной. Но она приносит с собой некоторую конечную дилемму. Естественно спросить, есть ли закон, который управляет тем, какэволюционируют законы. Мы можем назвать такой закон, который действует на законы, а не непосредственно на элементарные частицы, мета-законом. Наблюдать действие этого мета-закона может быть тяжело, так как он может действовать только во время столь бурных эпизодов, как Большой Взрыв. Однако, если мы хотим дополнить объяснение нашей вселенной, не должен ли такой мета-закон полностью выполнять требования принципа достаточного обоснования?

Но допустим, имеется мета-закон. Не должны ли мы захотеть узнать, почему этот мета-закон, а не какой-то другой управляет эволюцией законов в нашей вселенной? И если мета-закон может действовать на прошлые законы, чтобы произвести законы в будущем, часть объяснения того, что за законы имеются сегодня, будет зависеть от того, что за законы имелись в прошлом, так что мы не можем избежать вопроса: Почему такие начальные условия? Гипотеза мета-закона могла бы приводить к бесконечной регрессии (На вопрос Почему этот мета закон? может быть ответ через мета-мета-законы и так далее). Это одна сторона дилеммы. Другая заключается в возможности, что нет никакого мета-закона. Тогда в эволюции законов будет элемент случайности, результат опять будет такой, что ничто не объяснимо, и принцип достаточного обоснования попирается в самих основах науки. Роберто Мангабейра Унгер и я называем это дилеммой мета-законов.

На первый взгляд она может выглядеть как тупик, но, прожив с ней несколько лет, я пришел к уверенности, что, напротив, это представляет собой великую научную возможность, побуждение к изобретению нового вида теории, которая разрешит дилемму. Я убежден, что дилемма мета-законов разрешима и то, как она будет разрешена, станет ключом к прорывам, которые дадут возможность прогресса космологии и фундаментальной физики в этом столетии.

Дилемму мета-законов временно удалось перехитрить через космологический естественный отбор (см. Главу 11), когда была выдвинута гипотеза об ограниченном и статистическом мета-законе. Когда я постулировал, что параметры Стандартной Модели меняются на малые случайные величины при каждом отскоке, я описывал вид мета-закона, который частично обманывает дилемму. Определенно, мы хотим знать больше о том, как это происходит, и быть в состоянии описать механизм генерирования случайных изменений параметров. Большее проникновение в эту тему может обеспечить квантовая теория гравитации, такая как петлевая квантовая гравитация или теория струн (причем в последнем контексте эта идея была впервые понята). Но даже без дальнейшего понимания гипотеза космологического естественного отбора не только дает объяснения, но и является фальсифицируемой.

Другим подходом к мета-закону является принцип прецедента.

Будучи частично статистическим, он также обманывает — или, как минимум, откладывает — дилемму мета-законов. Даже откладывание дилеммы может быть плодотворным, открывая пространство для гипотез, которые могут быть исследованы экспериментально и, в свою очередь, могут подсказать новые вопросы и подходы. Но чтобы окончательно решить дилемму мета-законов, динамика, по которой эволюционируют законы, должна достаточно отличаться от законов, к которым мы привыкли, так что вопросы Почему такой мета-закон? и Почему такие начальные условия? не возникают.

Имеется один подход, который разрешает дилемму неожиданным образом: Допустим, что любые два предложения для мета-закона будут эквивалентными друг другу — то есть, будут иметь идентичное влияние на то, как эволюционируют законы^[186]. Может существовать принцип универсальности мета-закона, точно так же, как имеется универсальность в вычислениях. В этой области «универсальность» означает, что любая функция, которая может быть вычислена одним компьютером, может быть вычислена и любым другим компьютером, причем не важно, какую он использует операционную систему. Идея универсальности мета-закона аналогична и заключается том, что не имеет значения, какой мета-закон действует, поскольку все экспериментальные предсказания, невзирая ни на что, будут теми же самыми.

Однако, для союза закона и конфигурации можно представить другой подход к космологической науке, который выходит за пределы Ньютоновской парадигмы. Это будет не две вещи для изучения — закон и состояние — а только одна, которая унифицирует их в мета-конфигурацию, содержащую информацию об обеих. Эта идея согласуется с гипотезой о том, что все, что реально, реально в настоящий момент. В той степени, в которой закон действует, его детализация является частью настоящего момента. Детализации закона и конфигурации не могут быть слишком отличающимися, так что мы унифицируем их в единой мета-конфигурации. Точно так же, как Галилей унифицировал небесную и земную сферы, может быть, пора унифицировать их тень, то есть различие между вневременным законом и ограниченной во времени конфигурацией.

Эволюция мета-конфигурации будет определяться настолько простым правилом, что оно объясняется принципом универсальности. Выбор начальной конфигурации будет устанавливать как начальный закон, так и начальные условия. Будут аспекты конфигурации, которые эволюционируют быстро, и аспекты, которые эволюционируют намного медленнее. Первые аспекты будут оцениваться как конфигурация, которая будет эволюционировать посредством того, что мы можем назвать законами, установленными медленно движущимися аспектами. Но на больших временных масштабах различие между законами и конфигурациями будет распадаться. Я разработал простую модель этой идеи, которая на настоящий момент не очень реалистична^[187].

Эти две идеи вместе с принципом прецедента и космологическим естественным отбором уже дают нам четыре способа обратиться к дилемме мета-законов. И это, предположительно, первые шаги. Не будет преувеличением сказать, что направление космологии 21-го столетия будет определяться тем, как будет разрешена дилемма мета-законов.

* * *

В первой главе я поднял некоторые вопросы по поводу роли, которую математика играет в науке. Прежде чем мы закончим, я хочу коротко вернуться к этой теме, поскольку должно быть ясно, что реальность времени имеет важные следствия для роли математики в физике.

В рамках Ньютоновской парадигмы вневременное конфигурационное пространство может быть описано как математический объект. Законы также могут быть представлены математическими объектами, как и их решения, которые являются возможными историями системы. Математика соответствует не реальным физическим процессам, а только однажды выполненным их записям — которые, по определению, вневременные. Однако, мир всегда остается связкой эволюционирующих во времени процессов, и только малая ее часть представима вневременными математическими объектами.

Поскольку Ньютоновская парадигма не может быть расширена до масштабов вселенной как целого, тут не нужен будет никакой математический объект, соответствующий точной истории всей вселенной. Кроме того, для вселенной как целого не понадобится вневременное конфигурационное пространство и вневременные законы, представляемые как вневременные математические объекты.

Джон Арчибальд Уиллер написал физические уравнения на доске, отступил и сказал: «Теперь я хлопну в ладоши, и вселенная начнет существовать». Конечно, она не начала^[188]. Стивен Хокинг спросил в Краткой Истории Времени: «Что вдувает огонь в уравнения и делает так, что вселенная ими описывается?» Такие высказывания обнаруживают абсурдность точки зрения, что математика идет перед природой. В реальности математика приходит вслед за природой. Она не имеет производительной силы. Иными словами, заключения в математике инициируются логическим выводом, тогда как события в природе генерируются причинными процессами, действующими во времени. Это разные вещи; логические выводы могут моделировать аспекты причинных процессов, но они не идентичны причинным процессам. Логика не является зеркалом причинности.

Логика и математика охватывают аспекты природы, но никогда целую природу. Имеются аспекты реальной вселенной, которые никогда не будут представимы в математике. Один из них в том, что в реальном мире всегда имеет место некоторый особый момент.

Так что один из самых важных уроков, который следует сразу, как только мы осознаем реальность времени, заключается в том, что природа не может быть ухвачена никакой отдельной логической или математической системой. Вселенная просто есть — или еще лучше, просто происходит. Она уникальна. Она происходит один раз, как и каждое событие — каждое уникальное событие, — которое содержит в себе природа. Почему это есть, почему имеется нечто вместо ничего, вероятно, не тот вопрос, который имеет ответ — спасает, возможно, то, что для существования нужно находиться во взаимосвязи с другими вещами, которые существуют, и что вселенная есть просто набор всех таких связей. Сама вселенная не имеет связи с чем-либо за ее пределами. Вопрос, почему она существует, а не наоборот, находится за границами принципа достаточного обоснования.

В какой форме должны быть выражены открытия космологии, если не в форме простого вневременного математического закона, действующего на вневременное пространство начальных условий? Это вопрос, от которого зависит будущее космологии. После небольших раздумий возникают некоторые возможные ответы.

Примеры, которые я давал, вроде космологического естественного отбора и принципа прецедента, демонстрируют, что мы можем измыслить проверяемые научные теории, которые выходят за пределы Ньютоновской парадигмы. Это хорошо отражает факт, что в истории науки имеется много гипотез, которые не нуждаются в том, чтобы быть установленными математически. И в некоторых случаях математика не является необходимой, чтобы выработать их следствия. Примером является теория естественного отбора; аспекты ее охвачены в простых математических моделях, но ни одна простая модель не ухватывает все разнообразие механизмов, при помощи которых естественный отбор действует в природе. На самом деле новые механизмы эволюции могут возникнуть в любое время, когда рождаются новые виды.

Чтобы быть научной, гипотеза должна предлагать наблюдения, при помощи которых она могла бы быть верифицирована или фальсифицирована. Иногда это требует выражения в математике; иногда не требует. Математика один из языков науки, и она является мощным и важным методом. Но ее применение к науке базируется на идентификации результатов математических расчетов с экспериментальными результатами, и поскольку эксперименты имеют место вне математики, в реальном мире, связь между указанными двумя аспектами должна быть установлена на повседневном языке. Математика великий инструмент, но окончательным управляющим языком науки является человеческий язык.

* * *

Стоящие перед нами вызовы нельзя недооценивать. Космологическая наука находится в кризисе, и единственно верным будет понимать, что продолжать использовать так хорошо служившие нам ранее методологии — это путь в никуда. Если мы пытаемся взять стандартную Ньютоновскую парадигму в качестве основы для космологии, в результате получаются парадоксы. Так что мы должны двигаться вперед в неизвестное. Перед нами выбор между радикальными программами. Только увидев, какое направление приводит к проверяемым предсказаниям для новых наблюдений, и после того, как эти наблюдения будут сделаны, мы сможем решить, какая из программ окажется правильной. Мы можем также ожидать, что какая-то новая теория обеспечит убедительные объяснения известных фактов, которые в настоящее время удивительны. Мы должны поощрять разнообразные подходы к этим трудным вопросам.

Но выбор, тем не менее, суровый. Чтобы сравнить стоящие перед нами варианты выбора, на следующих двух страницах я привожу список пар противоположных утверждений, с которыми мы сталкивались в этой книге. Они очерчивают выводы, следующие из принятия времени как иллюзии или как ядра реальности.

Время иллюзорно. Истина и реальность — вне времени.

Пространство и геометрия реальны.

Законы природы вечны и необъяснимы, за исключением объяснений, основанных на антропном принципе.

Будущее предопределено законами физики и начальными условиями.

Во всех аспектах история Вселенной являет собой математический объект.

Вселенная бесконечна в пространстве. Вероятностные предсказания проблематичны, поскольку основаны на отношении двух бесконечных величин.

Время начинается в момент Большого взрыва (если оно вообще определено), природа которого необъяснима.

Наблюдаемая Вселенная — одна из бесконечной коллекции Вселенных, не наблюдаемых и существующих одновременно.

Равновесие есть естественное состояние, в которое с неизбежностью придет наша Вселенная. Наблюдаемая сложная структура Вселенной — результат маловероятной флуктуации.

Квантовая механика — окончательная и верная теория. Ее интерпретация связана с существованием бесконечного количества альтернативных событий.

Ничто в науке не определено. Однако, что мы можем сделать перед лицом неопределенности, это попытаться сконструировать обоснованные аргументы для разделения гипотез. Именно это я и делал здесь. И хотя окончательным тестом является эксперимент, мы можем обрисовать некоторые заключения из того, насколько производительной является программа исследований в отношении новых гипотез и предсказаний, посредством которых указанная программа может быть проверена.

Время — наиболее реальный аспект нашего восприятия мира. Все, что истинно и реально, относится к конкретному моменту времени.

Пространство второстепенно, возникающе и приблизительно.

Законы природы эволюционируют во времени и могут быть объяснены в свете своей предыстории.

Будущее предсказуемо лишь отчасти.

Большинство регулярностей в природе может быть описано с помощью математических моделей. Но не все.

Вселенная конечна в пространстве. Вероятности — обычные отношения частот появления событий.

Большой взрыв — это по сути отскок, который находит свое объяснение в предыстории Большого взрыва. Следы предыдущих эпох наблюдаемы.

Лишь небольшие части Вселенной приходят в тепловое равновесие. Гравитационно-связанные системы превращаются со временем в гетерогенные структурированные конфигурации.

Вселенная под действием гравитационных сил — это самоорганизующаяся система, которая со временем усложняется.

Квантовая механика — это приблизительная теория, вытекающая из более глубокой космологической теории.

Программа исследований, основанная на вневременной вселенной, которая принимает квантовую механику и мультивселенную как конечную теорию, имеет место примерно два десятилетия или чуть больше. Она еще не произвела ни одного фальсифицируемого предсказания для выполнимого в настоящее время эксперимента. В лучшем случае, она произвела спекуляции по поводу новых явлений, столкновений пузырей-вселенных, остатки которых могут наблюдаться, если нам повезет.

Однако, эти спекуляции не являются фальсифицируемыми предсказаниями, поскольку крах проверок таких предсказаний может быть легко оправдан не за счет спекуляции. Кроме того, не были решены основные трудности, стоящие перед этой программой, несмотря на многие годы работы умных и мотивированных ученых. Эти трудности должны быть связаны с производством предсказаний в условиях, когда вселенная суть одна из бесконечного количества вселенных, все кроме одной из которых ненаблюдаемы, с определением вероятностей, когда имеется бесконечное число копий каждого события, и с основополагающим фактом, что ни теория, ни наблюдение не могут ограничить изобретение сценариев по поводу вещей, которые могут быть верными за пределами границ наших наблюдений.

Нельзя быть уверенным, что из исследований этих идей не получится ничего важного, но кажется вероятным, что история будет описывать их как провалы — провалы из-за неправильно понятого подхода к фундаментальной проблеме науки. Неудача возникает из того, что берется метод, подходящий для изучения малых частей вселенной, и применяется ко всему сущему.

Если моя характеристика точна, провал не является поверхностным и не может быть исправлен только изобретением другого сценария того же вида. На космологические вопросы, такие как «Почему эти законы?» и «Почему эти начальные условия?», не могут быть даны ответы методом, который принимает законы и начальные условия как входные данные. Средство от болезни должно быть радикальным, содержащим не только изобретение новой теории, но нового метода и потому нового вида теории.

Хотя задача сложная, на нашей стороне есть несколько вещей. Первые и, самое вероятное, примитивные попытки очертить гипотезы об эволюции законов — гипотезы, которые содержат возможные истории вселенной до Большого Взрыва — привели к фальсифицируемым предсказаниям для осуществимых наблюдений. Они включают в себя предсказания космологического естественного отбора и предсказания циклических космологий. Еще слишком рано говорить, верны ли любые из этих идей, но обнадеживает знание, что текущие наблюдения и наблюдения ближайшего будущего могут привести нас к необходимости отвергнуть их как ошибочные. Эти простые примеры подсказывают, что сценарии, в которых вселенная есть этап в последовательности вселенных, проверяемы и, следовательно, научны.

Другая вещь, которую мы имеем в нашу пользу, это мудрость глубочайших космологических мыслителей в истории, особенно Лейбница, Маха и Эйнштейна. Мы получили от них несколько принципов, которые до сих пор служат превосходным руководством к развитию физики.

Самые радикальные предположения, возникшие из обсуждавшегося в этой книге направления мыслей, это настойчивое требование реальности настоящего момента и, сверх того, принцип, что все, что реально, является таковым в настоящий момент. В той степени, в какой эта идея плодотворна, физика больше не может пониматься как поиск точно идентичного математического двойника для вселенной. Эта мечта должна рассматриваться теперь как метафизическая фантазия, которая могла стимулировать поколения теоретиков, но сейчас блокирует путь дальнейшего прогресса. Математика продолжит быть служанкой науки, но она больше не может быть королевой.

Награда, которую мы получаем за принесение королевы в жертву, есть более демократический взгляд на аксессуары физических теорий. Точно так же как давно была отброшена разница между королевской властью и людьми из толпы, мы должны отвергнуть и уйти дальше абсолютной разницы между состояниями дел в мире и законами, посредством которых указанные дела эволюционируют во времени. Больше нельзя рассматривать абсолютные вневременные законы как диктующие эволюцию ограниченным временем конфигурациям мира. Если все, что реально, реально в момент времени, тогда разница между законами и состояниями должна быть относительной разницей, которая возникает и становится заметной в относительно холодные и спокойные космологические эры, подобные нашей собственной. Но в другие, более бурные эры эта разница должна раствориться в новом полностью динамическом описании мира, рациональном и отвечающем принципу достаточного обоснования.

Позволяя законам эволюционировать во времени, мы повышаем наши шансы объяснить их через предположения, которые имеют проверяемые следствия. Может показаться, что наличие эволюции законов ослабляет их силу, но, фактически, возрастает общая сила науки, тогда как распространение идей, которые работают в рамках Ньютоновской парадигмы, на сферу космологии ослабляет силу науки. Если мы допускаем эволюцию и время в нашу концепцию науки на самых глубоких уровнях, мы с большей вероятностью поймем эту загадочную вселенную, в которой находимся.

Будет ли этот новый путь успешным? Сказать сможет только время.

Эпилог: Размышление во времени

Весь прогресс человеческой цивилизации от изобретения первых орудий труда до зарождающихся квантовых технологий является результатом дисциплинированного применения воображения. Воображение есть орган, который позволяет нам преуспевать на распутье между опасностью и возможностью; это приспособление к реальности времени. Мы великолепные охотники, собиратели и обработчики информации, но мы намного больше, чем это: Мы имеем способность представлять себе ситуации, которые не подразумеваются имеющимися у нас данными. Наше воображение позволяет нам предчувствовать опасности до того, как они станут неизбежными, что означает, что мы можем спланировать, как их встретить. У нас нет шансов против тигра в ночи, и мы ничего не можем сделать, чтобы удержать его от съедения наших детей, если он уже атаковал. Но, поскольку мы предвидим это, мы разжигаем костер, который удерживает тигра в стороне.

Знание о том, что мы можем разжечь костер, чтобы удерживать тигров подальше от нас, может казаться не впечатляющим, но вернемся мысленно назад на несколько сотен тысяч лет к личности, которая впервые сделала это. В то время могло казаться безумным использовать одну смертельную угрозу, чтобы удержать подальше другую. Сама идея о том, что огонь можно контролировать, должна была потребовать огромного воображения и мужества. В современном мире мы живем с огнем, скрытым в наших домах, в проводах в стенах, в кухонной плите, в печи в подвале. Мы даже не думаем о нем — или, по меньшей мере, пока мы не оказываемся в машине на нашем пути куда-нибудь и не размышляем, выключили ли мы духовку. Но если бы мы не произошли от людей, которые сотни и тысячи лет тому назад выдумали способы обуздать огонь, мы все еще были бы добычей.

Это великое приобретение человеческой жизни: преуспевать на грани неопределенности. Мы преуспеваем на границе между возможностью и опасностью и живем со знанием, что мы не можем все контролировать или мешать плохим вещам то и дело происходить.

Другие животные развиваются, чтобы быть в гармонии со своим окружением. Для них сюрприз — это почти всегда плохие новости, об этом сигнализирует изменение в окружающей среде, которое выявляет опасность, к которой они не приспособлены. В некоторой точке нашей эволюции наши прародители развили орган воображения, который позволяет нам приспосабливаться к новому окружению. Воображение позволило нам превращать изменения и сюрпризы в возможности, чтобы расширить нашу область обитания на всю планету.

Около 12 000 лет назад мы адаптировали наше окружение к нам самим, став фермерами вместо приспосабливающихся охотников-собирателей. С тех пор следы наших действий распространились до таких пределов, где наша эксплуатация естественной системы Земли уже грозит нам великим ущербом. Поскольку воображение наша игра и воображение привело нас сюда, только воображение может обеспечить нам новые идеи, которые надежно проведут нас через грядущие сюрпризы.

То же самое воображение, которое руководило нашей адаптацией, приводит к чрезвычайно трагическому аспекту человеческой жизни, заключающемуся в том, что мы можем представить нашу неизбежную смерть. Нуждаясь, бедствуя, чтобы продолжить существование так долго, как возможно, мы оттягиваем неизбежное и, поскольку мы люди, мы допускаем явный и не маленький перебор в своих действиях. Один результат, заключающийся в расцвете цивилизации, науки, искусства, замечательных технологий, мы считаем почти само собой разумеющимся. Другой заключается во всей излишней расточительности, которую производят наши чрезмерные действия вследствие того, что самая лучшая защита от экспоненциального спада есть экспоненциальный рост. Так что вид, который эволюционировал, чтобы приспособиться к относительно узкой и редкой нише, завоевал всю поверхность планеты. Нашими ближайшими родственниками являются почти вымирающие виды, живущие в нескольких лесах в Африке, а нас миллиарды. Видообразование, которое отделило нас от других приматов, часто приписывается «культуре», но не есть ли это просто другое слово для нашего непрекращающегося воображения и стремления к лучшей жизни?

Мы можем вообразить существ, которые не запрашивают большего, которые берут минимум от своих окружений и обществ, кто инстинктивно живет в балансе со своими мирами. Некоторые из нас хотели бы стать такими; жить более просто действительно является хорошим советом, но в целом это не путь людей. Наш путь это всегда стремиться к иному и большему, чем мы имеем. Быть человеком означает воображать то, чего нет, чтобы найти выход за пределы, чтобы проверить ограничения, чтобы исследовать, взять штурмом и опрокинуть устрашающие границы известного нам мира.

Это романтическая идея, что разрушение границ и жизнь вне равновесия со своим окружением, является патологией капитализма и современного технологического общества. Но не только это. Как завоеватели Северной Америки каменного века мы нахлынули от края до края континента, уничтожив на своем пути большую часть млекопитающих. В племенной войне погибла намного большая доля охотников-собирателей, чем доля убитых европейцев в двух мировых войнах 20-го столетия.

Как вид мы кажемся находящимися на пике нашего доминирования над экосистемой и ресурсами планеты. Все мы знаем, что сегодняшняя ситуация неустойчива. Неустойчивость обязательно должна была случиться; она всегда является результатом экспоненциального роста. Мы просто счастливчики, которые живут в период пика и кризиса, который последует, если мы быстро не научимся действовать более мудро, чем в прошлом. Если мы упорствуем в мышлении за пределами времени, мы не преодолеем беспрецедентные проблемы, вырастающие из изменения климата. Мы не можем полагаться на стандартный набор политических решений, поскольку соответствующие проблемы определяются крахом наших сегодняшних политических систем. Только мышление во времени дает нам шанс процветать еще на протяжении веков.

Были некоторые, кто впервые имел мужество обезопасить своих детей путем использования огня. Кто будет иметь мужество осознать, что безопасность наших детей может зависеть от того, как мы научимся управлять климатом?

* * *

Представим, что сейчас 2080 год и перед нами встали и возросли проблемы изменения климата. Наши дети будут пожилыми — или, возможно, еще в расцвете жизни благодаря развитию медицины. Как изменится их мышление вследствие предотвращения ими катастрофы?

Легко представить, какой будет их точка зрения, если мы ничего не сделаем, чтобы поставить под контроль выброс двуокиси углерода. Когда они столкнутся с ростом температуры и уровня моря, засухой и падением урожайности, когда северные города заполнятся беженцами, вы можете легко представить, что они захотели бы сказать нам.

Но допустим, что мы нашли мудрость избежать всего этого. Чему мы научимся на пути, который сделает успех возможным? И какую положительную выгоду (в противоположность преодолению беды) получит общество за счет разрешения кризиса? Литература по изменению климата обычно выражается в отрицательном ключе. Раз за разом мы читаем об ужасных последствиях бездействия, но нигде не можем найти обсуждение добавочных преимуществ, которые получатся, когда мы решим эту проблему. Люди, которые тренируются и хорошо едят, находят положительные эффекты в том, чтобы быть здоровыми, что перевешивает мотивы избегать болезней и ранней смерти. Могут ли быть также положительные выгоды в такой экономической жизни, которая способствует здоровью планеты?

Последствия преодоления климатического кризиса трудно предсказать, поскольку, чтобы преуспеть, мы должны сделать больше, чем решить глобальную инженерную проблему. Даже среди тех, кто понимает серьезность кризиса, реальный прогресс тормозится приверженностью к одной или другой из двух противоположных точек зрения, обе из которых ошибочны. Для тех, кто видит мир в экономических терминах, природа есть ресурс для эксплуатации и преодоления — и изменение климата является только сельскохозяйственной проблемой на больших масштабах, которая должна управляться путем анализа затрат-прибылей. Для активистов окружающей среды природа есть главное и первоначальное, и она может быть только ослаблена за счет вторжения цивилизации; для них изменение климата есть просто очередная проблема предохранения. Обе точки зрения упускают суть, поскольку обе предполагают, что природа и технология являются взаимоисключающими категориями, так что, когда они сталкиваются, между ними должен быть сделан выбор. Но адекватное разрешение кризиса требует размывания отличия между естественным и искусственным. Оно требует не выбора между природой и технологией, а переориентации их взаимоотношений друг на друга.

Подавляющий научный консенсус говорит нам, что мы те, кто дестабилизирует климат, но также верно, что климат и в прошлом неожиданно флуктуировал между сильно различающимися состояниями. Если это происходит снова — с нашей помощью или без — это будет иметь ужасные последствия для нас. Поскольку мы в состоянии предотвратить или отрегулировать главные изменения в климате, мы должны это сделать — по той же причине, по которой мы должны наблюдать вокруг и уничтожать астероиды, которые могут столкнуться с Землей. После того, как мы разрешим это критическое положение, мы будем привержены продолжению регулирования климата, чтобы поддерживать его в пределах, в которых человечество может преуспевать. Это означает объединение наших технологий с естественными циклами и системами, которые уже регулируют климат.

Когда-нибудь мы поймем, как естественные системы регулирования климата реагируют на наши технологии, и начнем оперировать нашими технологиями и экономиками так, что они будут работать в гармонии с климатом, тогда мы преодолеем разделение между естественным и искусственным на планетарном масштабе. Экономика и климат будут аспектами единой системы. Чтобы пережить климатический кризис, мы должны понять и установить новый вид системы, симбиоз естественных процессов, определяющих климат, с нашей технологической цивилизацией.

Мы привыкли рассматривать себя отдельно от природы, а наши технологии как наложение на естественный мир. Но фантазируем ли мы о нашем завоевании природы или природа переживает нас, мы достигли пределов полезности идеи, что мы отделены от природы. Если мы хотим выжить как вид, нам нужен новый способ рассмотрения себя, в котором мы и все, что мы делаем и создаем, столь же естественны, как циклы углерода и кислорода, которых мы втягиваем и исторгаем при каждом дыхании.

Чтобы начать решать эту задачу, нам надо понять корни различия между искусственным и естественным. Эти категории имеют много общего со временем. Ошибочная идея, которую мы должны оставить позади, это идея, что все, что связано со временем, это иллюзия и все, что вне времени, реально.

Ранние выражения этой неувядающей философии находятся в христианских интерпретациях космологии Аристотеля и Птолемея, в которых, как я описывал в Главе 1, земная сфера является единственным домом для жизни, но также и для смерти и распада, окруженным совершенными сферами неизменной кристаллической конструкции, которая вращается вокруг Земли, перенося Луну, Солнце и планеты. Звезды фиксированы на самой внешней сфере, выше которой живет Бог и Его ангелы. Из этого сценария вытекает доминирующее представление, что божественность и истина должны находиться над нами, зло и ложь ниже нас. Чтобы научиться жить с нашей планетой, мы должны избавиться от остатков этого старого стремления, чтобы возвыситься над ним.

Та же самая иерархия применяется к разделению естественный/искусственный, хотя разные люди смотрят на него по-разному. Некоторое количество искусственного в естественном мире живых существ поэтому — будучи продуктом разума, а не беспорядочной неразумной эволюции — ближе к абсолютному совершенству, а, следовательно, ближе к безвременью. Другие оценивают естественное как имеющее чистоту, которой не хватает в искусственных конструкциях.

Как мы можем избавиться от концептуальной структуры разделенного и иерархического мира, отделяющей естественное от искусственного? Чтобы выбраться из этой концептуальной ловушки нам надо уничтожить идею, что все сущее является или может быть вневременным. Нам нужно рассматривать все в природе, включая нас самих и наши технологии, как ограниченное временем и являющееся частью большей, постоянно эволюционирующей системы. Мир вне времени это мир с фиксированным набором возможностей, которые нельзя превзойти. С другой стороны, если время реально и все ему подвержено, тогда нет фиксированного набора возможностей и нет помех для изобретения подлинно новых идей и решений проблем. Таким образом, чтобы выйти за пределы различия между естественным и искусственным и установить системы, которые суть то и другое, нам нужно разместить нас самих во времени.

Нам нужна новая философия, которая предвосхищает слияние естественного и искусственного через достижение совпадения естественных и социальных наук, в котором человеческое посредничество занимает законное место в природе. Это не релятивизм, в котором может быть все, что мы хотим, чтобы было верным. Чтобы мы пережили вызов изменения климата, большое значение имеет именно то, что истинно. Мы также должны отвергнуть как такое модернистское понятие, что правильность и красота определяются формальными критериями, так и постмодернистский отпор этому понятию, согласно которому реальность и этика всего лишь социальные конструкции. Что действительно необходимо, так это реляционализм, в соответствии с которым будущее ограничено, но не определено настоящим, так что новшества и изобретения возможны. Это заменит собой ошибочную надежду выхода за грань к вневременному, абсолютному совершенству на искреннюю надежду на вечно расширяющуюся сферу человеческой деятельности в рамках космоса с открытым будущим.

Частью программы новой философии является защита космологии от ненаучных отклонений через признание центральной роли, которую время играет на космологическом масштабе. Эта научная задача являлась фокусом данной книги. Но равно важным является то, что вряд ли цивилизация, ученые и философы которой учат, что время есть иллюзия, а будущее фиксировано, соберет силу воображения и изобретательности, чтобы создать общность политических организаций, технологий и естественных процессов — ключевую общность, если мы хотим устойчиво процветать за пределами этого столетия.

* * *

Вероятно, самый большой вред, причиненный метафизическим взглядом, что реальность вневременная, заключается в его влиянии на экономику^[189]. Базовый недостаток в мышлении многих экономистов заключается в том, что рынок есть система с единственным равновесным состоянием. Это состояние, в котором цены установлены так, что предложение каждого товара в точности соответствует спросу на него, в соответствии с законом спроса и предложения. Далее такое состояние называют оптимальным для удовлетворения каждого. Есть даже математическая теорема, устанавливающая, что в равновесии никто не может быть сделан счастливее без того, чтобы сделать менее счастливым кого-то другого^[190].

Если каждый рынок имеет одну и только одну подобную равновесную точку, то мудрой и этичной вещью будет оставить рынок в покое, чтобы он мог обосноваться в этой точке. Силы ранка (то есть, способ, которым производители и потребители реагируют на изменения в ценах) должны быть достаточны, чтобы сделать это. Недавней версией этой идеи является гипотеза эффективного рынка, которая устанавливает, что цены отражают всю важную для рынка информацию. На рынке со многими игроками, вкладывающими свои знания и взгляды посредством предлагаемых и запрашиваемых ими цен, невозможно, чтобы любой актив был долгое время неверно оценен. Замечательно, что эта линия рассуждений поддерживается элегантными математическими моделями, в рамках которых имеются формальные доказательства, что точки равновесия всегда существуют; то есть всегда можно выбрать такие цены, что предложение в точности уравновешивает спрос.

Эта простая картина, в которой рынок всегда действует, чтобы восстановить условия равновесия, зависит от предположения, что имеется только одно равновесие. Но это не так. Экономисты с 1970-х годов знают, что их математические модели рынков обычно имеют много равновесных точек, где предложение уравновешено спросом. Как много? Число тяжело оценить, но оно, несомненно, растет, как минимум, пропорционально числу компаний и потребителей, если не быстрее. В сложной современной экономике со множеством товаров, изготовленных множеством фирм и покупаемых множеством потребителей, имеется огромное количество способов установить цены товаров, чтобы предложение и спрос находились в балансе^[191].

Поскольку есть много точек равновесия, где силы рынка сбалансированы, все не может быть полностью стабильным. Тогда вопрос, как общество выбирает точку равновесия, в которой ему быть. Выбор не может быть объяснен исключительно силами рынка, поскольку предложение и спрос сбалансированы во множестве возможных точек равновесия. Правила, законы, культура, этика и политика тогда играют необходимую роль в определении эволюции рыночной экономики.

Как это возможно, что влиятельные экономисты десятилетиями исходят из предпосылки единственного уникального равновесия, когда результаты знаменитых коллег в их собственной литературе показывают, что это неверно? Я уверен, что причина заключается в натягивании вневременного поверх ограниченного временем. Если бы существовало только единственное стабильное равновесие, динамика эволюции рынка во времени была бы не сильно интересна. Что бы ни происходило, рынок найдет равновесие, и если рынок подвержен возмущению, он будет колебаться вокруг этого равновесия, пока не успокоится в нем. Ничего другого вам знать не нужно.

Если имеется единственное в своем роде стабильное равновесие, остается немного свободы действий для человеческого посредничества (не считая того, что каждая фирма максимизирует свою прибыль, а каждый потребитель максимизирует свое удовольствие) и лучшее, что можно сделать, это оставить рынок в покое, чтобы он достиг этого равновесия. Но если имеется много возможных состояний равновесия и ни одно полностью не стабильно, тогда человеческое посредничество должно принимать участие и направлять динамику выбора одного равновесия из многих возможных. В размышлениях экономических гуру, которые выиграли битву за дерегулирование, роль человеческого посредничества пренебрежимо мала в отличие от воображаемого мистического вневременного состояния природы. Такова была глубокая концептуальная ошибка, которая открыла путь для ошибок в политике, которые привели к существующему экономическому кризису и рецессии.

Другой способ поговорить об этой ошибке заключается в использовании терминологии зависимости от пути и независимости от пути. Система зависима от пути, если имеет значение, как система эволюционирует от одной конфигурации к другой — то есть, наша нынешняя обстановка зависит не только от того, где мы находимся, но и от того, как мы сюда попали. Система независима от пути, если все зависит только от ее текущей конфигурации и ничего не зависит от того, как она в этой конфигурации оказалась. В независимых от пути системах время и динамика играют минимальную роль, поскольку в любой момент времени система или находится в ее уникальном состоянии или флуктуирует вокруг него. В зависимой от пути системе время играет важную роль.

Неоклассическая экономика осмысливает экономику как независимую от пути. Эффективный рынок независим от пути, так как это рынок с единственным стабильным положением равновесия. В независимой от пути системе должно быть невозможно делать деньги исключительно на торговле, не производя какой-либо стоимости. Этот сорт действий называется арбитраж, и базовая финансовая теория устанавливает, что на эффективном рынке арбитраж невозможен, поскольку все уже оценено таким образом, что не осталось несоответствий. Вы не можете продавать доллары за йены, затем йены за евро, евро опять за доллары и получать прибыль. Тем не менее, хедж-фонды и инвестиционные банки ведут успешную торговлю на валютных рынках. Их успех должен быть невозможен на эффективном рынке, но не кажется, что это беспокоит экономических теоретиков.

Десять лет назад экономист Брайан Артур, в то время самый молодой заведующий кафедрой в Стэнфордском университете, начал утверждать, что экономика зависима от пути^[192]. Его доказательством данного обстоятельства было то, что экономическая максима, известная как закон убывающей отдачи, не всегда корректна. Этот закон говорит, что чем больше вы чего-то производите, тем меньшую прибыль вы получаете с каждой единицы вашей продажи. Это не обязательно верно, например, в бизнесе программного обеспечения, где почти ничего не стоит создать и распространить дополнительные копии программы, так что все затраты авансовые. Труд Артура был воспринят как ересь — и действительно, без предположения об убывающей отдаче некоторые математические доказательства моделей неоклассической экономики разваливаются.

В середине 1990-х аспирантка Гарварда по экономике Пиа Мелани, работая с математиком Эриком Вайнштейном, нашла математическое представление зависимости экономики от пути. В геометрии и физике есть хорошо изученная методика изучения зависимых от времени систем, которая называется калибровочные поля; они обеспечивают математические основания для нашего понимания всех сил в природе. Мелани и Вайнштейн применили этот метод к экономике и нашли, что он зависим от пути. На самом деле имеется легко вычисляемая величина, называемая кривизной, которая измеряет зависимость от пути, и они нашли, что она неравна нулю в типичных моделях рынков, где изменяются цены и предпочтения потребителей. Следовательно, подобно геометрии Земли или пространства-времени, математические пространства, моделирующие рынки, искривлены. В своих тезисах на степень доктора философии Мелани применила их модель к росту Индекса Потребительских Цен и нашла, что он неверно рассчитывается экономистами, которые не учитывают зависимость от пути при расчетах в своих экономических моделях^[193].

Труд Мелани и Вайнштейна был проигнорирован академическими экономистами, но зависимость рынков от пути была с тех пор заново открыта большим числом физиков, которые нашли естественным применение к ней калибровочных теорий^[194]. Невозможно узнать, сколько хедж-фондов делают деньги, открывая арбитражные возможности через измерение кривизны — то есть, через зависимость от пути, которая в неоклассической экономике предполагается несуществующей — но это, несомненно, происходит.

Зависящий от пути рынок это одна из систем, где время на самом деле имеет значение. Как неоклассическая экономическая теория обходится с фактом, что в реальности рынки эволюционируют во времени в ответ на изменения технологий и предпочтений, постоянно открывают возможности делать деньги, существование которых не предполагается возможным в ее моделях? Неоклассические экономисты трактуют время, абстрагируясь от него подальше. В неоклассической модели вы как потребитель представляетесь как функция полезности. Это математическая функция, задающая число для каждой возможной комбинации товаров и услуг, которая может быть приобретена в экономике, в которой вы живете. Это гигантский набор, но — привет! — это математика, так что продолжаем. Идея в том, что чем большую полезность для вас имеет набор товаров и услуг, тем больше из них вы захотите купить. Модели далее предполагают, что вы покупаете пакет товаров и услуг, который максимизирует ваше желание, как это измеряется вашей функцией полезности, задавая ограничение в виде того, сколько вы можете себе позволить.

Как насчет времени? Идея в том, что список товаров и услуг включает все товары и услуги, которые вы можете захотеть купить на протяжении всей вашей жизни. Так что налагаемое ограничение бюджета превышает доход всей вашей жизни. Теперь это явный абсурд; как люди могут знать, что они захотят или что им потребуется через десять лет от сего момента, или какой будет их доход за всю жизнь? Модели обходятся с такими непредвиденными обстоятельствами — факт, что в течение жизни каждый сталкивается с мириадами непредсказуемых обстоятельств, — сваливая их в кучу в список товаров и услуг. Так что, они предполагают, что в любой момент времени и для любой ситуации, которая может возникнуть, имеется определенная цена для каждого возможного набора товаров и услуг — даже на десятилетия в будущем. Скажем, это цена не только для Форда Мустанг, но и для Форда Мустанг в 2020 при любых непредвиденных обстоятельствах. Модели также предполагают не только, что все товары и услуги, которые мы можем купить сейчас, оценены совершенным образом в точке равновесия, но и что каждая будущая цена любого набора товаров и услуг при любых непредвиденных обстоятельствах также определена совершенным образом. Более того, они предполагают, что имеется настолько много инвесторов с таким разнообразием взглядов, что они полностью охватывают все пространство возможных непредвиденных обстоятельств и позиций, — тогда как исследования реальных рынков показали, что большая часть трейдеров занимает только малую часть возможных позиций^[195].

То, что неоклассические экономические модели заходят так абсурдно далеко к абстрактному времени и непредвиденным обстоятельствам, только показывает, насколько центральной является проблема времени. Имеется сильная, если не общепризнанная, притягательность теорий, в которых время не играет роли — наверное, потому, что они дают теоретикам смысл обитания во вневременных сферах чистой истины, рядом с которыми бледнеют время и случайность реального мира.

Мы живем в мире, в котором невозможно предвидеть большинство случайностей, которые будут возникать. Ни политический контекст, ни изобретения, ни мода, ни погода, ни климат не могут быть точно определены заранее. В реальном мире нет возможности работать с абстрактным пространством всех случайностей, которое может эволюционировать. Чтобы делать реальную экономику без мифологических элементов, мы нуждаемся в теоретической схеме, в которой время реально и будущее не предопределено заранее, даже в принципе. Только в таком теоретическом контексте могут иметь смысл полные пределы нашей силы для конструирования нашего будущего.

Более того, чтобы объединить экономику и экологию, нам нужно постигнуть их в общих терминах — как открытые сложные системы, эволюционирующие во времени, с зависимостью от пути и множеством точек равновесия, регулируемые обратной связью. Это соответствует описанию, коротко данному здесь для экономики, и это с таким же успехом соответствует теоретической структуре экологии, в которой климат есть сумма и выражение сети химических реакций, ведомых и управляемых основными циклами биосферы^[196].

* * *

Одна из трудностей, с которыми мы сталкиваемся, когда пытаемся конструктивно поговорить о будущем, заключается в том, что наша современная культура характеризуется бессвязностью. Люди на одном рубеже знания с трудом узнают, о чем говорят искатели на другом рубеже. Наши разговоры разрозненные. Большинство ученых-физиков мало знают о прорывах в биологии, игнорируют происходящее на переднем фронте социальной теории и не имеют понятия о том, какие вопросы задают друг другу известные артисты.

Если наша цивилизация должна преуспеть, будет полезно основывать принятие наших решений на связном взгляде на мир, в котором, для начала, имеется совпадение между естественными и социальными науками. Реальность времени может быть основой для этого нового совпадения, в котором будущее открыто и возможны новшества на каждом уровне от фундаментальных законов физики до организации экономики и экологии.

В прошлом великие концептуальные этапы в физической науке получали отклик в социальной науке. Ньютоновская идея абсолютного времени и пространства, как говорят, сильно повлияла на политическую теорию его современника, Джона Локка. Понятие о том, что положение частиц определяется по отношению не друг к другу, а по отношению к абсолютному пространству, отразилось в понятии о правах, определяемых каждым гражданином по отношению к неизменному абсолютному фону юридических принципов.

ОТО двигало физику по направлению к реляционистской теории пространства и времени, в которой все свойства определяются в терминах взаимоотношений. Отражено ли это в аналогичном движении в социальной теории? Я уверен, что да и что это можно найти в записях Унгера и многих других социальных теоретиков. Они исследовали в контексте социальной теории следствия реляционистской философии, в соответствии с которой все свойства, приписываемые действующим лицам в социальной системе, возникают из их взаимоотношений и взаимодействия друг с другом. Как и в космологии Лейбница, тут нет внешних вневременных категорий или законов. Будущее открыто, поскольку нет конца новым режимам организации, которые могут быть изобретены обществом в его продолжающемся столкновении с беспрецедентными проблемами и возможностями.

Новая социальная теория пытается переделать демократию в глобальную форму политической организации, способную управлять эволюцией разрастающихся мультиэтнических и мультикультурных сообществ. Эта переделанная демократия должна также подняться до задачи принятия необходимых решений, чтобы пережить глобальный кризис, вызванный изменением климата.

Таково мое понимание, на что похожа демократия с реляционистской точки зрения новой философии. Замечательно, что те же самые идеи обеспечивают понимание того, как работает наука. Это важно, поскольку вызов из-за изменения климата требует взаимодействия науки и политики.

Как демократическое управление, так и работа научного сообщества развивались, чтобы управлять некоторыми основными фактами, относящимися к людям. Мы умны, но мы в известном роде не совершенны. Мы в состоянии изучить нашу ситуацию в природе на протяжении одной жизни и собрать знания за многие жизненные сроки. И мы также развили способность думать и способность реагировать на хруст ветки. Это означает, что мы часто делаем ошибки и обманываем себя. Чтобы бороться с нашей склонностью к ошибкам, мы развили сообщества, которые охватывают противоречивый диапазон между консервативным и бунтарским на службе будущих поколений. Будущее совершенно непознаваемо, но в одной вещи мы можем быть в некоторой степени уверены, что наши отпрыски будут знать намного больше нас. Путем работы внутри сообществ и объединений мы можем достичь намного больше, чем в индивидуальном порядке, однако прогресс требует индивидуальностей, чтобы сильно рискнуть для изобретения и проверки новых идей.

Научные сообщества и куда большие по размерам демократические общности, из которые развились первые, прогрессируют, поскольку их работа управляется двумя базовыми принципами^[197].

(1) Когда рациональный аргументы из представленного публично доказательства достаточен, чтобы решить вопрос, он должен рассматриваться как решаемый таким образом.

(2) Когда рациональный аргументы из представленного публично доказательства не достаточен, чтобы решить вопрос, сообщество должно постараться расширить диапазон точек зрения и гипотез, совместимых с добросовестной попыткой выработать убедительное публичное доказательство.

Я называю их принципами открытого будущего. Они лежат в основе нового, плюралистического этапа Просвещения — этапа, возникающего сейчас. Мы признаем силу обоснования, когда оно решающее, а когда оно не приводит к решению, мы отдаем должное тем, кто добросовестно с нами не согласен. Ограничиваться добросовестными людьми означает людей внутри сообщества, которые признают указанные принципы. В рамках таких сообществ знание может прогрессировать, и мы можем стараться принимать мудрые решения по поводу будущего, которое полностью не познаваемо.

* * *

Даже установив строгую приверженность принципам открытого будущего, наука вряд ли когда-либо решит некоторые вопросы, на которые мы больше всего хотели бы получить ответ.

Почему имеется что-то вместо ничего? Я не могу представить что-либо, что бы могло служить ответом на этот вопрос, не говоря уже об ответе, поддержанном доказательством. Даже религия тут пасует, ибо если ответ «Бог», то было что-то — то есть, Бог — для начала. Или: Если время не имеет начала, все причины отступают в бесконечное прошлое? У вещей нет конечной причины? Это реальные вопросы, но если у них и есть ответы, они, вероятно, навсегда останутся за пределами науки. Затем имеются вопросы, на которые наука не может ответить сейчас, но они настолько понятны и содержательны, что когда-нибудь в будущем, надеемся, наука выработает язык, концепции, экспериментальные подходы, чтобы обратиться к ним.

Я утверждал, что все, что реально и правильно, является таковым в момент времени, который суть один из последовательности моментов. Но что означает быть реальным? Что за сущность этих моментов и процессов соединяет их?

Мы согласны, что вселенная не идентична и не изоморфна математическому объекту, и я обосновывал, что нет копии вселенной, так что нет ничего, на что вселенная «похожа». Но что тогда есть вселенная? Хотя любая метафора нас подведет и каждая математическая модель будет неполна, тем не менее, мы хотим знать, из чего состоит мир. Не "На что это похоже?", но "Что это?" Что является сущностью мира? Мы думаем о материи как о простой и инертной, но мы не знаем ничего о том, что такое материя на самом деле. Мы знаем только как материя взаимодействует. В чем сущность существования камня? Мы не знаем; это тайна, которая только углубляется с каждым открытием по поводу атомов, ядер, кварков и так далее.

Я дорого бы дал, чтобы знать ответ на этот вопрос. Временами я думаю о том, что из себя представляет камень, когда я пытаюсь идти спать, и я успокаиваюсь за счет идеи, что где-нибудь должен быть ответ на вопрос, что такое вселенная. Но у меня нет идеи, как его найти, через науку или иным путем. Так легко собрать материал, и книжные полки полны метафизическими предложениями. Но мы хотим реальное знание, что означает, должен быть способ подтвердить предложенный ответ. Это ограничивает нас наукой. Если имеется другой путь к надежному познанию мира вне науки, я вряд ли приму его, поскольку моя жизнь сосредоточена вокруг приверженности научной этике.

Что касается самой науки, мы не можем предсказать будущее (в этом суть данной книги), но реляционистская точка зрения внушает мне сомнения, что наука может сказать нам, что такое мир на самом деле. Это потому, что реляционализм требует, чтобы все величины, которые физика может измерить и описать, касались взаимосвязей и взаимодействий. Когда мы спрашиваем о сущности материи или мира, мы спрашиваем, что это в действительности — что это в отсутствие взаимосвязей и взаимодействий^[198]. Установка реляционализма в том, что в мире нет ничего реального в стороне от тех свойств, которые определены через взаимосвязи и взаимодействия. Иногда эта идея кажется мне захватывающей; в другое время она кажется абсурдной. Она аккуратно избавляется от вопроса, что из себя представляют вещи на самом деле. Но придает ли это смысл тому, что две вещи имеют отношение — взаимодействуют, — если они в действительности ничто?

Возможно, что все, что нужно для существования, это взаимоотношение. Но если так, еще предстоит получить понимание о том, как это может или должно иметь место?

Этот вопрос слишком глубок для меня. Кто-нибудь с другой подготовкой и темпераментом, возможно, будет в состоянии продвинуть прогресс в нем, но не я. Одна вещь, которую я не могу сделать, это отвергнуть вопрос о том, что такое мир в реальности, назвав его абсурдным вопросом. Некоторые защитники науки настаивают, что вопросы, на которые наука не может ответить, бессмысленны, но я нахожу это неубедительным — и неприглядно ограниченным. Занятия наукой привели меня к заключению, что будущее открыто и новшества реальны. Поскольку я определяю науку через приверженность этике, а не методу, я должен согласиться с возможностью существования научных методологий, о которых никто еще не имеет понятия.

Это приводит нас к по-настоящему тяжелой проблеме: проблеме сознания.

Я получаю массу электронных писем по поводу сознания. На большинство из них я отвечаю, что, хотя имеются реальные тайны по вопросу о сознании, они находятся за пределами того, что наука может ухватить на современном уровне знания. Как физик я ничего не могу сказать об этом.

Есть только одна персона, которой я позволяю говорить со мной о проблеме сознания — близкий друг по имени Джеймс Джордж. Джим дипломат в отставке, который был главой дипломатического представительства Канады в Индии и Шри-Ланке и послом в Непале, Иране и Странах Залива, не считая других стран. Мне говорили, что он является легендой как представитель канадской дипломатии в эпоху премьер-министров Пирсона и Трюдо, когда Канада распространяла идею поддержания мира во всем мире. Теперь в свои девяносто лет он пишет книги о духовных основаниях проблем окружающей среды и помогает запуску фонда, посвященного вопросам окружающей среды^[199]. Им восхищается широкий круг его друзей и знакомых за его мудрые советы — и он один из нескольких известных мне людей, которые живут, кажется, руководствуясь уровнем мудрости, достижение которого для меня непредставимо.

Так что когда Джим говорит мне: «То, что ты говоришь мне о смысле времени в физике, очаровательно, но ты упускаешь ключевой элемент, к которому сводятся все твои мысли и который заключается в роли сознания во вселенной», я слушаю. Я слушаю, но мне почти нечего сказать.

Но, как минимум, я примерно знаю, что он говорит об этом. Позвольте пояснить, что я имею в виду под проблемой сознания. Я не имею в виду вопрос, могли бы мы иметь программу, чтобы компьютер узнал или отобразил свое собственное состояние. Также я не имею в виду вопрос, как системы развиваются через сети химических реакций, чтобы стать втономными факторами, тут используется термин Стюарта Кауфмана для обозначения систем, которые могут принимать решения для своей собственной выгоды. Это тяжелые проблемы, но они, по всей видимости, разрешимы и научны.

Под проблемой сознания я имею в виду то, что если я описываю вас на всех доступных нам языках физических и биологических наук, я кое-что упускаю. Ваш мозг есть гигантская сеть из примерно 100 миллиардов сильно соединенных друг с другом ячеек, каждая из которых сама представляет собой сложную систему, действующую на контролируемых цепочках химических реакций. Я мог бы описать это настолько детально, насколько мне хочется, но я никогда не смог бы приблизиться к объяснению того факта, что вы имеете внутреннее переживание, поток сознания. Если я не знал из моего собственного случая, что я сознаю, то мое знание ваших нейронных процессов не даст мне оснований подозревать, что вы есть.

Самое таинственное, конечно, это не содержание нашего сознания, а сам факт, что мы сознаем. Лейбниц воображал уменьшение самого себя и прогулку по внутренней части чьего-либо мозга так, как он мог бы гулять по внутренней части мельницы (сегодня мы сказали бы «фабрики»). В случае фабрики вы могли бы дать ее полное описание путем описания того, что видит персона, гуляя внутри нее. В случае мозга вы не смогли бы сделать этого.

Одним из способов поговорить о том, что физическое описание работы мозга что-то упускает, является указание на некоторые вопросы, на которые физическое описание не отвечает. Вы и я смотрим на женщину в красном платье, сидящую за соседним столом. Будет ли каждый из нас испытывать одно и то же ощущение (я имею в виду, красного цвета)? Может ли быть, что то, что вы ощущаете как красный, будет тем же ощущением, которое я испытываю как синее? Как мы можем сказать?

Предположим, ваше зрение расширено на область ультрафиолета. На что будут похожи новые цвета? Какими могли бы быть исходные ощущения от них?

Что теряется, когда мы описываем цвет как длину волны света или как определенное возбуждение нейронов в мозгу, так это сущность переживания восприятия красного. Философы дали этой сущности качества, свойства чувственного опыта название квалиа. Вопрос в том, почему мы переживаем квалиа красного, когда глаза поглощают фотоны определенной длины волны? Это то, что философ Дэвид Чалмерс называет тяжелым вопросом сознания.

Имеется другой способ задать этот вопрос: Допустим, мы отобразили нейронное устройство в вашем мозгу на кремниевые чипы и загрузили ваш мозг в компьютер. Будет ли этот компьютер иметь сознание? Будет ли у него квалиа? И еще один вопрос для концентрации наших мыслей: Допустим, вы могли бы делать только то, что не приносит вам вред. Могут ли сейчас быть два мыслящих существа с вашими воспоминаниями, чье будущее с настоящего момента расходится?

Проблема квалиа или сознания кажется не имеющей ответа в рамках науки, поскольку есть аспект мира, который не охватывается, когда мы описываем все физические взаимодействия между частицами. Он лежит в области вопросов о том, что такое мир на самом деле, а не как он может быть смоделирован или представлен.

Некоторые философы утверждают, что квалиа просто идентична определенному нейронному процессу. Это кажется мне ошибочным. Квалиа может очень хорошо коррелировать с нейронным процессом, но она не то же самое, что нейронные процессы. Нейронные процессы подвержены описанию физикой или химией, но никакое количество детальных описаний в указанных терминах не даст ответа на вопросы вроде того, на что похожа квалиа или объяснить, почему мы ее воспринимаем.

Я не сомневаюсь, что имеется масса всего, чего мы могли бы изучить по поводу отношений между квалиа и мозгом, что могло бы нас приблизить к формулированию проблем квалиа и сознания как научных вопросов. Мы можем проводить эксперименты над мыслящими субъектами, которые могут научить нас многому о том, какие именно особенности или аспекты нейронных процессов связаны с квалиа. Это научные вопросы, подведомственные методологиям науки.

Вопросы о квалиа делают сознание подлинной тайной, одной из тех, которая еще не прониклась методами науки. Я не знаю, будет ли так всегда. Наверное, когда мы узнаем намного больше о биологии и мозге, это приведет к революционному преобразованию в языке, который мы используем для описания живых и мыслящих существ. После этой революции мы можем получить невообразимые нами сейчас концепции и язык, которые позволят нам сформулировать тайны сознания и квалиа как научные вопросы.

Проблема сознания является стороной вопроса о том, что такое мир на самом деле. Мы не знаем, что такое камень на самом деле, или атом, или электрон. Мы можем только наблюдать, как они взаимодействуют с другими вещами и, тем самым, описывать их реляционные свойства. Возможно, все имеет внешний и внутренний аспекты. Внешние свойства это то, что наука может ухватить и описать — через взаимодействия, в терминах взаимосвязей. Внутренние аспекты это внутренняя сущность; это реальность, которая не выражаема на языке взаимодействий и отношений. Сознание, чем бы оно ни было, есть аспект внутренней сущности мозга.

Еще одним аспектом сознания является факт, что оно имеет место во времени. Действительно, когда я декларирую, что в мире всегда имеется некоторое время, я делаю экстраполяцию из факта, что мои переживания мира всегда имеют место во времени. Но что я имею в виду под моими переживаниями? Я могу говорить о них научно как о случаях записи информации. Чтобы говорить так, мне не надо упоминать сознание или квалиа. Но это может быть уверткой, поскольку эти переживания имеют аспекты, которые являются осознанием квалиа. Так что мое убеждение, что то, что реально, реально в настоящий момент, связано с убеждением, что квалиа реальна.

* * *

Наука одно из величайших приключений человека. Рост знаний является сердцевиной любого разговора о человеческой истории, и для тех, кто достаточно счастлив, чтобы принимать в нем участие, в этом суть нашей жизни. Хотя будущее непредсказуемо — иначе не могло бы быть исследований — единственная определенность в том, что в будущем мы будем знать больше. На любом масштабе от квантового состояния атома до космоса и на любом уровне сложности от фотона, созданного в ранней вселенной и пролетевшего свой путь к нам, до человеческих личностей и обществ, ключом является то, что время и будущее открыты.

Библиография

Здесь приведена выборка наиболее популярных книг по теме времени в физике или космологии (и связанные издания), многие из которых представляют альтернативные идеи или идеи, конфликтующие с теми, которые я предложил на этих страницах.

Guido Bacciagaluppi & Antony Valentiny, Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference «Квантовая Теория на Перепутье: Пересмотр Сольвеевской Конференции 1927 года» (New York: Cambridge University Press, 2009).

Per Bak, How Nature Works: The Science of Self-Organized Criticality «Как Работает Природа: Наука Самоорганизующегося Критического Режима» (New York: Copernicus, 1996).

Julian B. Barbour, The End of Time: The Next Revolution in Physics «Конец Времени: Следующая Революция в Физике» (New York: Oxford University Press, 2000).

Julian B. Barbour, The Discovery of Dynamics: A Study from a Machian Point of View of the Discovery and the Structure of Dynamics Theories «Открытие Динамики: Исследование Открытия и Структуры Динамических Теорий с Точки Зрения Маха» (New York: Oxford University Press, 2001).

J. S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics «Произносимое и Непроизносимое в Квантовой Механике», 2-nd ed. (New York: Cambridge University Press, 2004).

James Robert Brown, Platonism, Naturalism, and Mathematical Knowledge «Платонизм, Натурализм и Математическое Знание» (Oxford U.K.: Routledge, 2011).

Bernard Carr, ed., Universe or Multiverse? «Вселенная или Мультивселенная?» (New York: Cambridge University Press, 2007).

Sean Carroll, From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Arrow of Time «От Вечности Сюда: Поиск Основной Стрелы Времени» (New York: Dutton, 2010).

P.C.W. Davies, The Physics of Time Asymmetry «Физика Асимметрии Времени» (San Francisco: University of California Press, 1974).

David Deutsch, The Fabric of Reality. The Science of Parallel Universes — and Its Implications «Ткань Реальности: Учение о Параллельных Вселенных — и Его Следствия» (New York: Allen Lane/Penguin Press, 1997).

Dan Falk, In Search of Time: The History, Physics, and Philosophy of Time «В Поиске Времени: История, Физика и Философия Времени» (New York: St. Martin's, 2010).

Adam Frank, About Time: Cosmology and Culture at the Twilight of the Big Bang «О Времени: Космология и Культура в Сумерках Большого Взрыва» (New York: Free Press, 2011).

Rodolfo Cambini & Jorge Pullin, A First Course in Loop Quantum Gravity «Первый Курс Петлевой Квантовой гравитации» (New York: Oxford University Press, 2011).

Marcelo Gleiser, A Tear at the Edge of Creation: A Radical New Vision for Life in an Imperfect Universe «Разрыв на Краю Творения: Радикально Новый Взгляд на Жизнь в Несовершенной Вселенной» (New York: Free Press, 2010).

Brian Greene, The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos «Скрытая Реальность: Параллельные Вселенные и Глубокие Законы Космоса» (New York: Knopf, 2011).

Stephen W. Hawking & Leonard Mlodinov, The Grand Design «Великий Замысел» (New York: Bantam, 2010).

Stuart A. Kauffman, At Home in the Universe: The Search for the Laws of Self-Organization and Complexity «Дома во Вселенной: Поиск Законов Самоорганизации и Сложности» (New York: Oxford University Press, 1995).

Stuart A. Kauffman, The Origins of Order: Self-Organization and Selection in Evolution «Происхождение Порядка: Самоорганизация и Отбор в Эволюции» (New York: Oxford University Press, 1993).

Helge Kragh, Higher Speculations: Grand Theories and Failed Revolutions in Physics and Cosmology «Высшие Предположения: Великие Теории и Неудавшиеся Революции в Физике и Космологии» (New York: Oxford University Press, 2011).

Janna Levin, How the Universe Got its Spots: Diary of a Finite Time in a Finite Space «Как Вселенная Получает Свои Пятна: Дневник Конечного Времени в Конечном Пространстве» (Princeton, NJ: Princeton University Press, 2002).

Joao Magueijo, Faster than the Speed of Light: The Story of a Scientific Speculation «Быстрее Скорости Света: История Научной Теории» (Cambridge, MA: Perseus, 2003).

Roberto Mangabeira Unger, The Self Awakened: Pragmatism Unbounded «Пробуждение Себя: Прагматизм без Границ» (Cambridge, M.A.: Harvard University Press, 2007).

Harold Morowitz, Energy Flow in Biology «Движение Энергии в Биологии» (New York: Academic Press, 1968).

Richard Panek, The 4-Percent Universe: Dark Matter, Dark Energy, and the Race to Discover the Rest of Reality «4-Процентная Вселенная: Темная Материя, Темная Энергия и Гонка к Открытию Остальной Реальности» (Boston, M.A.: Houghton Mifflin Harcourt, 2011).

Roger Penrose, Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe «Круги Времени: Экстраординарно Новый Взгляд на Вселенную» (New York: Knopf, 2011).

Roger Penrose, The Road to Reality: A Complete Guide to the Laws of the Universe «Дорога к Реальности: Полное Руководство к Законам Вселенной» (New York: Knopf, 2005).

Roger Penrose, The Emperor's New Mind: Concerning Computers, Minds, and the Laws of Physics «Новый Ум Императора: О Компьютерах, Умах и Законах Физики» (New York: Oxford University Press, 1989).

Huw Price, Time's Arrow and Archimedes Point: New Directions for the Physics of Time «Стрела Времени и Точка Архимеда: Новые Направления Физики Времени» (New York: Oxford University Press, 1996).

Lisa Randall, Warped Passages: Unraveling the Mysteries of the Universe's Hidden Dimensions «Искаженные пути: Раскрытие Тайн Скрытых Размерностей Вселенной» (New York: Ecco/HarperCollins, 2005).

Carlo Rovelli, The First Scientist: Anaximander and His Legasy «Первый Ученый: Анаксимандр и Его Наследие» (Yardley, PA: Westholme Publishing, 2011).

Simon Sauners et al., eds., Many Worlds? Everett, Quantum Theory and Reality «Много Миров? Эверетт, Квантовая Теория и Реальность» (New York: Oxford University Press, 2010)

Lee Smolin, The Life of the Cosmos «Жизнь Космоса» (New York: Oxford University Press, 1997)

Lee Smolin, Three Roads to Quantum Gravity «Три Дороги к Квантовой Гравитации» (New York: Basic Books, 2001)

Lee Smolin, The Trouble with Physics «Неприятности с Физикой» (Boston, M.A.: Houghton Mifflin Harcourt, 2006)

Paul J. Steinhardt & Neil Turok, Endless Universe: Beyond the Big Bang «Бесконечная Вселенная: За Пределами Большого Взрыва» (New York: Doubleday, 2007).

Leonard Susskind, The Cosmic Lsndscape: String Theory and the Illusion of Intelligent Design «Космический Ландшафт: Теория Струн и Иллюзия Разумного Замысла» (New York: Little, Brown, 2005).

Alex Vilenkin, Many Worlds in One: The Search for Other Universes «Мир Многих Миров: Поиск Других Вселенных» (New York: Hill & Wang, 2006).

Благодарности

Написание этой книги было великим приключением, отражающим продолжающуюся всю жизнь встречу с природой времени. Как это делает любой путешественник, на мне гигантский долг перед многими людьми, которые помогали, подбадривали, управляли и иногда вели меня в этом путешествии.

Приключение началось в 1980, когда я летом учился в Оксфорде в качестве гостя Роджера Пенроуза. Роджер сказал мне, что если я на самом деле хочу поразмышлять о природе времени, я должен поговорить с парнем по имени Джулиан Барбур, который живет и работает в поселке недалеко от Оксфорда. Договоренность была достигнута, и я вместе с философом науки Амелией Рэчел-Кон нанес ему визит. Это было во время тех дискуссий, с которых Джулиан начал его философское наставничество надо мной, познакомив меня с трудами Лейбница и идеями реляционного пространства и времени. Я был одним из первых, но далеко не последним молодым физиком, который разворачивал голову и свое мышление в правильном направлении под руководством Джулиана.

Путешествие приобрело неожиданный поворот в 1986, когда Эндрю Строминджер рассказал мне о своем открытии огромного числа теорий струн и своем беспокойстве, что их изобилие может нанести поражение любым попыткам вывести Стандартную Модель Физики Частиц из первых принципов. Медитируя над этим, я вообразил ландшафт теорий струн, сходный с ландшафтом приспособленности в биологии, в котором аналогичный естественному отбору механизм мог бы управлять эволюцией законов. Поощряемый незадолго до ее преждевременной смерти моей близкой подругой физиком и драматургом Лаурой Кукес, я разработал идею космологического естественного отбора, которую опубликовал в 1992 и описал в моей первой книге, Жизнь Космоса.

Когда я заканчивал эту книгу, другой друг, Друсилла Корнелл, посоветовала мне почитать бразильского философа Роберто Мангабейра Унгера, который в книге по социальной теории также обсуждал эволюцию законов в космологии. Она познакомила нас, и после захватывающих обсуждений в его офисе в Гарварде я предложил объединиться для создания серьезной академической книги о следствиях реальности времени и эволюции законов. Этот проект, полным ходом идущий последние пять лет, стал главным стимулом и двигателем для разработки идей в этой книге. Благодаря, в большей степени, ясному и провокационному мышлению Роберто, я в конце концов пришел к пониманию радикальности предположения, что время реально. Трудный вопрос Эпилога — что открытость будущего должна подтолкнуть людей к достижению новых решений для проблем на всех масштабах — был инспирирован в большей степени его статьями. Те читатели, которые ждут более строгих формулировок аргументов, обрисованных здесь, имеют стимул обратиться к предстоящей книге, предварительно названной Сингулярная Вселенная и Реальность Времени.

Также в 1986 я начал работу по квантованию новой формулировки ОТО, изобретенной годом ранее Абэем Аштекаром. Это привело к открытию петлевой квантовой гравитации, которое я осуществил в совместной работе с Карло Ровелли. Наша техническая работа мотивировалась и направлялась постоянными обсуждениями природы времени с Абэем и Карло вместе с Луисом Кране, Тедом Джекобсоном, Крисом Исхамом, Лаурентом Фрейделем, Жуаном Магейжу, Фотини Маркопулу, Джованни Амелино-Камелиа, Джерзи Ковальски-Гликман и Ринатой Лолл среди многих других. На самом деле я приходил позже к нескольким моим друзьям с идеей, что относительность одновременности могла бы быть сдана на космологическом масштабе. Антонии Валентини много лет назад понял, что такова цена приспособления теорий со скрытыми переменными, а Жуан Магейжу уже был провокативно настроен по поводу разрушения относительности, когда мы встречались в Лондоне в 1999. Фотини Маркопулу была первой, кто подчеркнул важность обратной проблемы и убедительно защищал подход к квантовой гравитации, в котором время фундаментально, а пространство возникает, и главные идеи Главы 15, включая нарушенную локальность и геометрогенезис, принадлежат ей.

Хотя я физик, мне повезло быть частым гостем в доме философа науки, где я получил много друзей, которые через годы частично слушали и критически читали мои попытки ясно подумать о природе времени. Они включают Саймона Саундерса, Стива Вайнштейна, Харви Брауна, Патрицию Мариино, Джима Брауна, Дженана Исмаэля, Черил Мисак, Иана Хакинга, Джозефа Берковица и Джереми Баттерфилда, а также моего исходного учителя в философии физики Абнера Шимони. Джулиан Барбур, Джим Браун, Друсилла Корнелл, Дженан Исмаэль, Роберто Мангабейра Унгер и Саймон Саундерс были достаточно любезны, чтобы прочитать весь черновик и дать мне критический отклик.

Я признателен Шону Кэрроллу, Мэтту Джонсону, Полу Стейнхарду, Нилу Туроку и Алексу Виленкину, чьи обсуждения и комментарии к главам черновика направляли меня на космологические проблемы. Моя работа над описываемыми здесь основаниями квантов сильно поддерживалась за счет взаимодействия с сообществом основателей Института Периметра, особенно с Крисом Фуксом, Люсьеном Харди, Адрианом Кентом, Маркусом Мюллером, Робом Спеккенсом и Антони Валентини.

Ключевую поддержку и критический взгляд на ранние черновики и многое другое, как всегда, оказали Сен Клер Кемин, Жерон Ланье и Донна Мойлан.

Тема Эпилога касательно изменения климата была инспирирована и снабжена информацией на семинаре по пороговому поведению в политической науке, организованном совместно с Томасом Хомер-Диксоном из Школы Международных Отношений Балсилли (Ватерлоо, Канада). Я благодарен Теду и другим участникам, особенно Марьяне Милкорайт и Татьяне Барляевой, за обсуждения и совместную работу над этой проблемой.

За мое просвещение в экономике, также отраженное в Эпилоге, я благодарю тех, кто работал со мной над организацией Конференции по экономическому кризису и его следствиям для экономической науки, проведенной Институтом Периметра в мае 2009; и других, с кем я встречался на конференции и после нее, особенно Брайану Артуру, Майку Брауну, Эммануэлю Дерману, Дойну Фармеру, Ричарду Фримену, Пие Мелани, Нассиму Талебу и Эрику Вайнштайну.

За дружбу, сотрудничество и взгляды на самоорганизацию я в неоплатном долгу благодарности перед Стю Кауфманом и Пером Баком.

Я вечно признателен Говарду Бартону и Майку Лизаридису за честность и уникальный шанс помочь в становлении Института Периметра Теоретической Физики, и я также благодарен Нилу Туроку за его постоянную поддержку наших попыток что-то понять и что-то открыть. Каждый ученый и студент должен иметь счастливую судьбу, которую я нашел в таком стимулирующем, разнообразном и поддерживающем большие амбиции интеллектуальном доме как Институт Периметра.

Моя работа в физике щедро финансировалась Национальным Научным Фондом (США), Национальным Советом Естественных Наук и Инженерных Исследований (Канада), Фондом Джесси Филипса (США), Институтом Вопросов Фондирования (FQXi) и Фондом Темплтона (США), всем им я очень благодарен за возможность делать мою работу, а также за поддержку и курирование многообещающих молодых ученых.

Книга намного лучше, чем она могла бы быть, благодаря комментариям первых читателей, которые предоставили мне обратную связь по всей рукописи или ее части. В дополнение к уже упомянутым выше коллегам они включают Яна Амбьорна, Брайана Артура, Кристу Блэйк, Говарда Бартона, Марину Кортес, Эммануэля Дермана, Майкла Дасченеса, Лаурента Фрайделя, Джеймса Джорджа, Дину Гразер, Томаса Хомер-Диксона, Сабину Хоссенфельдер, Тима Козловски, Ринату Лолл, Фотини Маркопулу, Катерину Палечни, Натали Кваглиотто, Генри Рейча, Карло Ровелли, Полин Смолин, Майкла Смолина, Риту Туркову, Антони Валентини, Наташу Ваксман и Рика Юнга.

Я один из тех писателей, кто любит быть редактируемым, — потому что он мучительно осознает, что он извлекает пользу из этого. Во время превратностей публикации ни одна из моих книг не имела большую команду преданных редакторов. Книга обязана своей концепцией усилиям Аманды Кук, ныне из издательства Crown Publishing, которой я обязан за ее веру в проект, а также за ее убеждение, что книга заслуживает концентрации внимания и выделения времени. Куртни Юнг из издательства Houghton Mifflin Harcourt и Сара Липпинкотт со своими многочисленными комментариями и советами были лучшими редакторами, которых мог бы желать автор. Книга также получила великую помощь от мудрого взгляда Луизы Деннис из издательства Knopf (Канада). Поощрение от Томаса Пенна в критические моменты также высоко ценится. Я также очень благодарен Генри Рейчу, много сделавшему для рисунков. Как и по всем моим книгам, я имею гигантский долг благодарности Джону Брокману, Катинке Мэтсон и Максу Брокману; без их веры эта книга никогда бы не состоялась.

Мои благодарности Родиле Грегорио за постоянные уроки терпения, изящества и любящей отзывчивости — и Кей, у кого я изучил все, что я знаю о времени, что не обсуждалось здесь. Спасибо Полин, Майку и Лорне за их любовь и уверенность во мне. Наконец, не хватает слов, чтобы выразить мою благодарность Дине, которая с бесконечной любовью и терпением держалась вместе со мной под давлением возникавших время от времени попыток прекратить книгу.

Примечания

1

Эта книга может быть рассмотрена как введение или как популяризация к строго аргументированному труду по натуральной философии, предпринятому мной в сотрудничестве с Роберто Мангабейра Унгером, — который завершится книгой с предварительным названием The Singular Universe and the Reality of Time «Сингулярная Вселенная и Реальность Времени», в которой мы отстаиваем реальность времени и эволюцию законов и в которой мы исследуем возможные решения того, что мы назвали проблемой мета-законов (см. Главу 19).

(обратно)

2

Более ранние версии представленных здесь аргументов могут быть найдены в следующих статьях, а также в публикациях исследований, перечисленных ниже в примечаниях:

Lee Smolin, «A Perspektive on the Landscape Problem», «Перспективы Проблемы Ландшафта», 2012);

Lee Smolin, «The Unique Universe», «Уникальная Вселенная», Phys. World, June 2, 21–6 (2009);

Lee Smolin, «The Case for Background Independence», «Обоснование Независимости от Фона», в The Structural Foundations of Quantum Gravity, «Структурные Основания Квантовой Гравитации», ed. Dean Rickles et al. (New York: Oxford University Press, 2007);

Lee Smolin, «The Present Moment in Quantum Cosmology: Challenges for the Argument for the Elimination of Time», «Текущий Момент в Квантовой Космологии: Возражения к Аргументам об Устранении Времени» в Time and the Instant, «Время и Мгновение», ed. Robin Durie (Manchester, U.K.: Clinamen Press, 2000);

Lee Smolin, «Thinking in Time Versus Thinking Outside of Time», «Мышление во Времени Против Мышления Вне Времени», в This Will Make You Smarter, «Это Сделает Вас Умнее», ed. John Brockman (New York: Harper Perennial, 2012);

Stuart Kauffman & Lee Smolin, «A Possible Solution to the Problem of Time in Quantum Cosmology», «Возможное Решение Проблемы Времени в Квантовой Космологии», (1997).

(обратно)

3

Этот взгляд умаляет больше, чем время; для него все аспекты нашего ощущения мира — цвет, касание, музыка, эмоции, сложные мысли — сводятся к перераспределению атомов. В этом суть атомистической точки зрения на мир, предложенной Демокритом и Лукрецием, формализованной в «первом и втором качествах» Джона Локка и с тех пор, по-видимому, подтвержденной каждым аспектом прогресса науки. С этой точки зрения все, что реально, так это движение — в современных представлениях, переход между квантовыми состояниями. Все другое до некоторой степени является иллюзией. Мое предложение не вступать в борьбу ни с одной из этих мудростей, большинство из которых должны быть признаны верными, так хорошо они поддерживаются наукой. Моей целью является борьба только с последним шагом, который утверждает, что время тоже иллюзия.

(обратно)

4

Единственное исключение, как мы увидим, раскрыто в главе 11 и имеет место, если можно обосновать, что наша вселенная является типичным членом коллекции вселенных.

(обратно)

5

Некоторые читатели немедленно спросят, должны ли быть законы, которые управляют эволюцией законов. Это приводит к проблеме мета-законов, детально обсуждаемой в главе 19.

(обратно)

6

Charles Sanders Peirse, «The Architecture of Theories», «Архитектура Теорий», The Monist, «Монист», 1:2, 161–76 (1891).

(обратно)

7

Roberto Mangabeira Unger, Social Theory: Its Situation and Its Task, «Социальная Теория: Ее Состояние и Ее Задача», vol.2 of Politics, «Политика», (New York: Verso, 2004), pp. 179–80.

(обратно)

8

Paul A. M. Dirac, «The Relation Between Mathematics and Physics», «Связь Между Математикой и Физикой», Proc. Roy. Soc. (Edinburg) 59: 122–29 (1939).

(обратно)

9

Цитируется по James Gleick, Genius: the Life and Science of Richard Feynman, «Гений: Жизнь и Наука Ричарда Фейнмана», (New York: Pantheon, 1992), p.93.

(обратно)

10

«Richard Feynman — Take the World from another Point of View», «Ричард Фейнман — Понять Мир с другой Точки Зрения», NOVA (PBS, 1973). Расшифровка стенограммы в http://calteches.library.caltech.edu/35/2/PointofView.htm.

(обратно)

11

Первая публикация этой идеи была в Lee Smolin, «Did the Universe Evolve?» «Эволюционировала ли Вселенная?», Class. Quantum. Grav. 9: 173–91 (1992).

(обратно)

12

Слово «динамический» я часто использую в этой книге. Оно означает изменчивый в соответствии с законом.

(обратно)

13

И это несмотря на многие серьезные попытки исламских и средневековых философов понять причины движения.

(обратно)

14

Математики любят говорить о кривых, числах и так далее как о математических «объектах», которые подразумеваются разновидностью бытия. Если вы не можете комфортно воспринять радикальную философскую позицию такого традиционного языка, вы можете вместо этого называть их концепциями. Я буду использовать любое из этих двух слов как взаимозаменяемые, когда обсуждаем математику, и тем самым не предрешать, к какому виду бытия ониотносятся.

(обратно)

15

Также не вполне правильно говорить, что истины математики лежат вне времени, поскольку наши ощущения и мысли имеют место в определенные моменты во времени — и среди вещей, о которых мы думаем во времени, находятся математические объекты. Только дело в том, что сами эти математические объекты не кажутся имеющими какое-либо существование во времени. Они не рождаются, они не изменяются, они просто есть.

(обратно)

16

Многие другие великие математики верили в это, например Ален Конн. См. Jean-Pierre Changeux & Alain Connes, Conversations on Mind, Matter, and Mathematics, «Беседы о Разуме, Материи и Математике», ред. и перевод M. B. DeBevoise (Princeton, NJ:, Princeton University Press, 1998).

(обратно)

17

Кто-то подумает, заметил ли кто-нибудь в античности, что вода из фонтана следует параболическому пути. Имеются греческие вазы, которые показывают воду из фонтана, падающую так, как выглядит парабола, так что для математика не было бы невозможным усмотреть это и поинтересоваться, не следуют ли падающие тела параболам и в общем случае.

(обратно)

18

Aristotle, On the Heavens, «В Небесах», книга 1.

(обратно)

19

Я знаю нескольких математиков и физиков, которые делали выбор между карьерой в науке и в музыке. Один из них, Жуан Магейжу, который обучался как композитор современной классической музыки до того, как решил переключиться на физику. Будучи человеком крайностей, он говорит, что с тех пор не прикасался к фортепиано. Знакомство с ним помогает мне представить характер Галилея.

(обратно)

20

Картинка из: Peter Apian, Cosmographia «Космография» (1539). Перепечатано в Alexandre Koyre, From the Closed World to the Infinite Universe «От Замкнутого Мира к Бесконечной Вселенной» (Baltimore, MD; Johns Hopkins, 1957).

(обратно)

21

Как предполагается в фильме Agora испанско-чилийского режиссера Алехандро Аменáбара (Alejandro Amenábar).

(обратно)

22

Когда Ньютон представил следствия своих законов движения в книге Principia Mathematica «Принципы Математики», он использовал более элементарную математику, а не дифференциальное исчисление, которое он изобрел задолго до этого. Это выглядит загадочным, пока вы не осознаете, что он еще не опубликовал математический анализ; так что он объяснял свои открытия в рамках математики, которая должна была быть известна его читателям.

(обратно)

23

Рассмотрим мяч, падающий вблизи поверхности Земли. Он притягивается гравитацией от каждого из атомов, составляющих Землю. Ключевая догадка Ньютона заключалась в том, что все эти силы могут быть сложены вместе и результат таков, как если бы имелся единственный объект, притягивающий мяч из центра Земли. Если я подбрасываю мяч вверх, эта дистанция может увеличиться на несколько метров, что на самом деле очень маленькое изменение, так что сила меняется очень трудно. Сила, действующая на подброшенный вверх или скинутый вниз мяч, может быть принята постоянной. Это означает, что ускорение у поверхности Земли постоянно, что было великим открытием Галилея.

(обратно)

24

Некоторые возразили бы, что математика может кодировать время — то есть, f(t) есть функция времени. Это полное непонимание сути, которая в том, что функция f(t) является вневременной.

(обратно)

25

Квартал на западе Нижнего Манхэттена, Нью Йорк (прим. перев.)

(обратно)

26

«96 Tears», 1966, исполнитель — Question Mark & the Mysterians (прим. перев.)

(обратно)

27

Sara Diamond et al., CodeZebra Habituation Cage Performances «Проект CodeZebra: Ознакомительные Представления в Тюрьме» (Rotterdam: Dutch Electronic Arts Festival, 2003).

(обратно)

28

Спасибо Saint Clair Cemin за дискуссию на эту тему.

(обратно)

29

Рассмотрим систему звезд, движущихся под действием их взаимного гравитационного влияния. Взаимодействие двух звезд может быть описано точно; Ньютон решил эту проблему. Но нет точного решения у проблемы описания гравитационного взаимодействия трех звезд. Любая система из трех или более тел должна быть рассмотрена приблизительно. Такие системы демонстрируют широкий набор вариантов поведения, включая хаос и экстремальную чувствительность к начальным условиям. Хотя это следующая простейшая система после проблемы двух звезд, которую Ньютон решил в 17-м столетии, эти явления не были открыты до начала 20-го века, до французского математика Анри Пуанкаре. Осмысление так называемой проблемы трех тел потребовало изобретения целой новой ветви математики: теории хаоса. Относительно недавно системы тысяч или миллионов тел были рассмотрены путем проведения моделирования на суперкомпьютерах. Это дало нам понимание поведения звезд в галактиках и даже взаимодействия галактик в кластерах. Но полученные результаты, несмотря на их полезность, базировались на грубейших аппроксимациях. Звезды, состоящие из огромного числа атомов, рассматривались, как если бы они были точками, и обычно игнорировалось влияние чего бы то ни было за пределами системы.

(обратно)

30

Где мы будем исследовать и объяснять явный парадокс, что законы термодинамики, такие как закон, что энтропия только растет, не обратимы во времени, тогда как более фундаментальные законы обратимы.

(обратно)

31

Ludwig Boltzmann, Lectures on Gas Theory «Лекции по Теории Газов» (Dover Publications, 2011)

(обратно)

32

The Principle of Relativity «Принципы Теории Относительности» (Dover Publications, 1952) состоит из семи статей Эйнштейна, двух Хендрика Антона Лоренца и по одной Германа Вейля и Германа Минковского.

(обратно)

33

«On the Electrodynamics of Moving Bodies» «К Электродинамике Движущихся Тел», Ann. der Phys., 17(10): 891–921, «Does the Inertia of a Body Depend upon its Energy Content?» «Зависит ли Инерция Тела от Содержащейся в нем Энергии?», Ann. der Phys., 18: 639–41 (1905).

(обратно)

34

Те читатели, которые желают увидеть объясненные таким образом аргументы, могут обратиться к онлайн-приложениям в www.timereborn.com.

(обратно)

35

Строго говоря, нет необходимости предполагать, что скорость света есть предел скорости, но это делает педагогику намного более простой.

(обратно)

36

Это не то же самое, что сказать, что есть факт по поводу того, являются ли два события одновременными, но это невозможно узнать. Поскольку различные наблюдатели не согласны друг с другом по поводу того, являются ли два события одновременными, нет объективного смысла говорить, являются они таковыми или нет.

(обратно)

37

Это не означает, что все часы будут тикать одинаковое количество раз между двумя событиями. Рассмотрим двое движущихся часов, которые пролетают друг мимо друга, когда те и другие показывают полдень, а затем разлетаются. Одни из часов ускоряются и меняют направление движения на обратное, пролетая мимо других часов снова, когда эти часы отсчитывают 12:01. Ускорявшиеся часы будут показывать другое время. Но суть в том, что все наблюдатели согласятся с тем, сколько раз те или иные часы протикают между событиями. Часы, которые тикали между двумя событиями большее количество раз, являются свободно падающими часами — а поскольку время, которое измеряют свободно падающие часы, таким образом выделяется, мы называем его собственным временем.

(обратно)

38

Hermann Weyl, Phylosophy of Mathematics and Natural Science «Философия Математики и Естественных Наук» (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1949).

(обратно)

39

Если область пространства-времени ограничена в пространстве, вы можете также добраться из любого А в любое В в причинном будущем события А через серию шагов, использующих несколько промежуточных Х. Так что бесконечная протяженность пространства-времени Минковского помогает создать доказательство в один элегантный этап, но это не существенно.

(обратно)

40

Hilary Putnam, «Time and Physical Geometry» «Время и Физическая Геометрия», Jour. Phil. 64: 240–47 (1967).

(обратно)

41

От английского eternal — вечный, неизменный (прим. перев.)

(обратно)

42

От английского compatibility — совместимость, сочетаемость (прим. перев.)

(обратно)

43

John Randolph Lucas, The Future «Будущее» (Oxford, U.K.: Blackwell, 1990) p.8.

(обратно)

44

Геодезические пространства-времени, в отличие от пространства, являются путями, занимающими наибольшее собственное время, а не наоборот наименьшую дистанцию. Это индивидуальная особенность того способа, которым формулируется геометрия пространства-времени; свободно падающие часы тикают быстрее и, следовательно, более часто, чем любые другие часы, путешествующие между двумя событиями. Это приводит к хорошему совету: если вы хотите помолодеть, ускоряйтесь.

(обратно)

45

Техническое название этого свойства есть глобальная координатная инвариантность; она тесно связана с другим свойством, называемым инвариантностью диффеоморфизмов. Ньютоновская механика также может быть сформулирована способом, в котором часы могут быть частью системы и имеется полная свобода в их определении. Эта формулировка была разработана Джулианом Барбуром в сотрудничестве с Бруно Бертотти. Она проходит некоторый путь по преобразованию Ньютоновской парадигмы в реляционистском направлении, но она все еще основывается на вневременных законах, действующих на вневременное конфигурационное пространство.

(обратно)

46

Charles W. Misner, Kip S. Torn & John Archibald Wheeler, Gravitation «Гравитация» (San Francisco: W. H. Freeman, 1973).

(обратно)

47

Много различных интерпретаций квантовой теории и их следствий для аргументов этой книги можно найти в онлайн приложениях.

(обратно)

48

Квантовое состояние приводит к указанным вероятностям через двухэтапный процесс. На первом этапе квантовое состояние может быть представлено заданием числа для каждой возможной конфигурации, называемого квантовой амплитудой этой конфигурации. На втором этапе вы берете квадрат амплитуды каждой конфигурации, чтобы получить вероятность того, что система находится в этой конфигурации. Почему два этих этапа? Амплитуда есть комплексное число — комбинация двух привычных действительных чисел. Такое представление позволяет распределениям вероятности для других величин, таких как импульс, быть закодированными в том же самом квантовом состоянии.

(обратно)

49

Так если вы хотите проверить получающееся из квантового состояния предсказание для вероятностей нахождения электронов атома в разных местах, вы готовите много атомов в данном состоянии и измеряете положения электронов в каждом атоме. Обобщение этих данных дает вам экспериментальное распределение вероятностей. Вы можете сравнить экспериментальную вероятность с теоретической, рассчитанной из квантового состояния. Если они согласуются в пределах обоснованного поля ошибок, вы убедитесь, что начальное предположение, что система находилась в отдельном квантовом состоянии, верно.

(обратно)

50

Коэффициент пропорциональности есть h, знаменитая постоянная Планка, означающая величину кванта действия и названная в честь ее открывателя Макса Планка.

(обратно)

51

Имеются приблизительные описания квантово-космологических состояний, соответствующих расширяющимся вселенным, но они зависят от экстремально тонких выборов начальных условий. Обобщенное состояние есть суперпозиция расширяющихся и сжимающихся вселенных. Я должен также заметить, что это не единственный аргумент для уничтожения времени в квантовой космологии, но его достаточно для наших целей. Другие доводы заданы в контексте подходов к квантовой космологии через интегралы по путям; также Конн и Ровелли предположили, что время возникает как следствие наличия у вселенной конечной температуры.

(обратно)

52

Еще одна проблема возникает из того факта, что в квантовой механике не все свойства, которые могут наблюдаться, имеют определенные значения во все моменты времени. Так не все квантовые состояния системы имеют определенные значения энергии системы, а только некоторые из них. Эти состояния определенной энергии, оказывается, также колеблются с определенной частотой. На самом деле, это все, что они делают — колеблются на месте с частотой, пропорциональной энергии системы.

Для многих систем имеется дискретный набор состояний с определенной энергией. Мы говорим, что энергия этих систем квантуется. Но большинство квантовых состояний не имеют определенного значения энергии; в таких случаях для системы имеются вероятности иметь различные значения энергии. Системы в этих состояниях также не имеют определенных значений частоты.

Чтобы заставить квантовую систему сделать что-то большее, чем просто осциллировать на месте, вы должны привести ее в состояние без определенного значения энергии. Это легко сделать вследствие принципа, известного как принцип суперпозиции, который говорит, что квантовые состояния могут быть сложены друг с другом. Это один из аспектов волновых свойств квантовой системы: струна гитары или фортепиано вибрирует одновременно с несколькими частотами, и движение струны есть сумма колебаний на каждой индивидуальной частоте. Кинем два камня в ведро с водой: Каждый вызовет волну, и профиль воды, когда они встретятся, будет суммой профилей, созданных каждым индивидуальным всплеском. Принцип суперпозиции работает похоже; задав два любых квантовых состояния, вы можете сделать третье, сложив их.

Эта возможность складывать квантовые состояния существенна для нашего утверждения, что Ньютоновская физика аппроксимирует квантовую механику. Она нужна нам, чтобы воспроизвести простой факт, что конфигурации в Ньютоновской физике изменяются, когда частица двигается оп пространству. Это не может быть выведено из состояний, которые только осциллируют во времени, как это делают состояния с определенной энергией. Чтобы воспроизвести движение, мы должны иметь состояние, поведение которого более сложно, а это требует состояний с неопределенным значением энергии. Такие состояния строятся путем сложения или суперпозиции состояний с различными энергиями.

Но в квантовой космологии все состояния имеют одну и ту же энергию, так что обычный путь выделения поступательного движения из квантовой физики не действует. Мы не можем вывести предсказания ОТО из квантового состояния вселенной.

(обратно)

53

Abhay Ashtekar, «New Variables for Classical and Quantum Gravity» «Новые Переменные для Классической и Квантовой Гравитации», Phys.Rev.Lett. 57:18, 2244–47 (1986).

(обратно)

54

Ted Jacobson & Lee Smolin, «Nonperturbative Quantum Geometries» «Непертурбативные Квантовые Геометрии», Nucl.Phys.B, 299:2, 295–345 (1988).

(обратно)

55

Carlo Rovelli & Lee Smolin, «Knot Theory and Quantum Gravity» «Теория Узлов и Квантовая Гравитация», Phys.Rev.Lett. 61:10, 1155–58 (1988).

(обратно)

56

Thomas Thiemann, «Quantum Spin Dynamics (QSD): II. The Kernel of the Wheeler-DeWitt Constraint Operator» «Квантовая Спиновая Динамика (КСД): II. Ядро Оператора Связи Уилера-ДеВитта», Class.Quantum Grav. 15, 875–905 (1998).

(обратно)

57

Недавно разработанные квантово-космологические модели изучают квантовые версии упрощенных космологических моделей, подобных тем, что мы обсуждали в Главе 6. Они называются моделями петлевой квантовой космологии. Ранние квантово-космологические модели изучались в рамках грубых приближений, которые затуманивали фундаментальные проблемы; недавние модели просты и достаточно точно определены, чтобы выдать точные решения этих уравнений. Это впечатляет, но необходимо подчеркнуть, что это чрезвычайно упрощенные модели. В особенности, отставлена в сторону проблема времени путем разговора не о времени, а о корреляциях между величинами различных наблюдаемых. Одно поле трактуется как часы, по отношению к которым измеряются изменения в других полях. Это обеспечивает приблизительный и реляционистский подход к выделению времени из вневременного описания мира. Более того, дело не ограничивается петлевой квантовой гравитацией или петлевой квантовой космологией, даже если они самые активные в указанных контекстах. Теория струн в той степени, в какой она может быть применена к замкнутой космологической ситуации, имеет аналог уравнения Уилера-ДеВитта. И некоторые спекуляции по поводу бесконечных вселенных, вечной инфляции и тому подобного установлены в контексте уравнений Уилера-ДеВитта. Проблемы интерпретации вневременной вселенной, появляющейся в итоге, являются вызовом для всех теоретиков, кто думает об унификации или об очень ранней вселенной.

(обратно)

58

Джим Браун говорил мне, что Карнап держал в уме нечто подобное разнице между первичными и вторичными величинами. Мы воспринимаем красное, но реально происходит то, что атомы вибрируют и выдают наружу свет определенной частоты. Мы воспринимаем прохождение времени, но реально правильно то, что мы являемся пучком мировых линий в монолитной вселенной со способностью осознавать и сохранять воспоминания. Для меня этот путь ставит проблему, но не решает ее.

(обратно)

59

The Philosophy of Rudolph Carnap: Intellectual Autobiography «Философия Рудольфа Карнапа: Интеллектуальная Автобиография», ed. Paul Arthur Schillp (La Salle, II.: Open Court, 1963) pp. 37–8.

(обратно)

60

Carlo Rovelli, The First Scientist: Anaximander and His Legasy «Первый Ученый: Анаксимандр и Его Наследие» (Yardley, PA: Westholme Publishing, 2011).

(обратно)

61

Andrew Strominger, «Superstrings with Torsion» «Суперструны с Кручением», Nucl. Phys. B 274:2, 253–84 (1986).

(обратно)

62

Дилемма есть довод, приводящий к выбору из двух заключений, ни одно из которых не является приемлемым.

(обратно)

63

Кто-то может возразить, что когда мы конструируем космологические модели в ОТО, мы применяем уравнения Эйнштейна к целой вселенной. Но это не так. Мы применяем усеченные уравнения Эйнштейна к подсистеме, заключенной в радиусе кривизны вселенной. Все малое — включая нас, наблюдателей — исключается из моделируемой системы.

(обратно)

64

Например, Стандартная Модель могла бы быть расширена путем добавления экстремально массивных частиц, которые могли бы сильно влиять на вселенную в течение большей части ее истории.

(обратно)

65

Другие структуры с фиксированным фоном включают геометрию пространств, где живут квантовые состояния; понятие расстояния в таких пространствах, используемое для определения вероятностей; и геометрию пространств, где живут степени свободы Стандартной Модели. Фоновые структуры, используемые в ОТО, включают характерную структуру пространства-времени и, часто, геометрию асимптотических границ.

(обратно)

66

Термины фоново-зависимый и фоново-независимый имеют более узкое применение в дискуссиях о квантовой теории гравитации; в этом контексте фоново-зависимая теория это та, что допускает фиксированный фон классического пространства-времени. Теории возмущений, такие как пертурбативная квантовая ОТО и пертурбативная теория струн, зависят от фона. Фоново-независимые подходы к квантовой гравитации включают петлевую квантовую гравитацию, причинные серии, причинные динамические триангуляции и квантовые граффити.

(обратно)

67

Amit P. S. Yadav & Benjamin Wandelt, «Detection of Primordial Non-Gaussianity (fNL) in the WMAP 3-Year Data at Above 99,5 % Confidence» «Детектирование Изначальной НеГауссовости (fNL) в Трехлетних Данных WMAP на 99,5 % Достоверности», Phys.Rev.Lett., 100:181 301 (2008).

(обратно)

68

Xingang Chen et. al., «Observational Signatures and Non-Gaussianities of General Single Field Inflation» «Наблюдаемые Характерные Черты и НеГауссовости Общей ОдноПолевой Инфляции», (2008); Clifford Cheung et. al., «The Effective Field Theory of Inflation» «Эффективная Полевая Теория Инфляции», (2008); R. Holman & Andrew J. Tolley, «Enhanced Non-Gaussianity From Excited Initial States» «Расширенная НеГауссовость из Возбужденных Начальных Состояний», (2008).

(обратно)

69

Это не означает, что эффекты начальных условий в КМФ никогда не могут быть отделены от изменений в инфляционной теории, по меньшей мере, в рамках фиксированного класса моделей. См. Ivan Agullo, Jose Navarro-Sallas, Leonard Parker. Большое спасибо Мэтью Джонсону за обсуждения этого момента.

(обратно)

70

Уникальность вселенной портит другие попытки протестировать теории ранней вселенной. В обычной физической лаборатории мы всегда должны иметь дело с шумом, возникающим от статистической неопределенности в данных. Часто это может быть уменьшено за счет проведения множества измерений, поскольку влияние хаотических помех уменьшается по мере того, как усредняются взятые вместе данные разных испытаний. Поскольку вселенная произошла только один раз, это невозможно в космологических наблюдениях. Эти статистические неопределенности известны как космическая вариация.

(обратно)

71

Lee Smolin, «The Thermodynamics of Gravitational Radiation» «Термодинамика Гравитационного Излучения», Gen. Rel. & Grav. 16:3, 205–10 (1984); «On the Intrinsic Entropy of the Gravitational Field» «О Внутренней Энтропии Гравитационного Поля», Gen. Rel. & Grav. 17:5, 417–37 (1985).

(обратно)

72

Может быть, нас ждет фазовый переход, когда распадется ложный вакуум, в котором мы, возможно, живем. См., например, Sidney Coleman & Frank de Luccia, «Gravitational Effects on and of Vacuum Decay» «Гравитационные Эффекты при Распаде Вакуума», Phys. Rev. D 21:12, 3305–15 (1980).

(обратно)

73

Это, кстати, объясняет, почему падающие тела движутся вдоль парабол — эти кривые удовлетворяют уравнениям, которые просты, поскольку требуют только два кусочка данных, чтобы определить их, а именно, ускорения вследствие гравитации и начальной скорости с направлением движения.

(обратно)

74

Здесь я следую рекомендациям Дэвида Финкельштейна, почетного профессора Технологического института Джорджии и одного из мудрецов современной физики, который однажды сказал мне, что, запуская большой концептуальный скачок, нам в физике нужно иметь возможность обозреть ее историю за последние четыреста лет.

(обратно)

75

Будьте осторожны, чтобы отличить симметрию от калибровочной симметрии. Первая влечет за собой физические преобразования, оставляющие законы неизменными. Вторая есть математическая перезапись описания конфигурации системы. Аргумент, который я тут привожу, мешает первому, но не второму.

(обратно)

76

E. Noether, «Invariante Variationsprobleme» «Инвариантые Вариационные Задачи», Nachr. v. d. Ges. d. Wiss. zu Gottingen, pp. 235–57 (1918).

(обратно)

77

Общее рассуждение подтверждается в ОТО, которая, будучи применена к целой вселенной, не имеет ни симметрий, ни законов сохранения.

(обратно)

78

Роджер Пенроуз утверждал это много времени назад. Действительно, мы видим на примере теории струн, что чем больше симметрии имеет теория, тем меньше ее способность что-либо объяснить.

(обратно)

79

Единственная вещь в заключении Пирса, которая не точна, это то, что он думает об эволюции. Последователи утверждали, что он ссылался на что-то вроде Дарвиновского естественного отбора. Известно, что он был очень сильно подвержен влиянию Дарвина. Но из самого текста мы можем предположить только то, что он имел в виду эволюцию в более общем смысле изменения во времени в соответствии с некоторым динамическим процессом. Этого достаточно для наших сегодняшних доводов, которые заключаются в установлении, что вопрос Почему такие законы? может быть научно объяснен, только если время реально.

(обратно)

80

Roberto Mangabeira Unger, черновик рукописи.

(обратно)

81

Lee Smolin, «Did the Universe Evolve?» «Развивалась ли Вселенная?», Class. Quant. Grav. 9: 173–91 (1992).

(обратно)

82

Alex Vilenkin, «Birth of Inflationary Universes» «Рождение Инфляционных Вселенных», Phys. Rev. D, 27:12, 1848–55 (1983); Andrei Linde, «Eternally Existing Self-Reproducing Chaotic Inflationary Universe» «Вечно Существующая Само-Воспроизводящаяся Хаотическая Инфляционная Вселенная», Phys. Lett. B, 175:4, 395–400 (1986).

(обратно)

83

Было опубликовано несколько критических работ по космологическому естественному отбору и, насколько я знаю, на все был дан ответ в приложении к книге Жизнь Космоса и в последующих статьях. По поводу критики см. T. Rothman and G. F. R. Ellis, «Smolin's Natural Selection Hypothesis» «Гипотеза Смолина Естественного Отбора», Q. Juor. Roy. Astr. Soc. 34, 201–12 (1993); Alex Vilenkin, «On Cosmic Natural Selection» «О Космическом Естественном Отборе», (2006); Edward R. Harrison, «The Natural Selection of Universes Containing Intelligent Life» «Естественный Отбор Вселенных, Содержащих Разумную Жизнь», Q. Juor. Roy. Astr. Soc. 36, 193–203 (1995); Joseph Silk, «Holistic Cosmology» «Глобальная Космология», Science, 277:5326, 644 (1997); и John D. Barrow, «Varying G and Other Constants» «Изменение G и других констант», (1977). В особенности, утверждение, что имеется простой довод, что изменение Ньютоновской константы (при фиксировании всех остальных параметров) повышает число черных дыр, неверно, поскольку не принимаются во внимание запутанные эффекты при формировании галактик и звезд, а также звездная эволюция.

(обратно)

84

В биологической эволюции на самом деле два ландшафта: ландшафт генов, который описывает возможные генотипы (последовательности ДНК), и ландшафт фенотипов, которые являются физическим выражением генов. В применении естественного отбора к физике мы также имеем два уровня описания. Вероятность воспроизводства вселенной зависит от величин параметров Стандартной Модели — они являются аналогами фенотипов. Но в фундаментальной теории вроде теории струн Стандартная Модель является приблизительным описанием; в основе нее лежит выбор теорий — они являются аналогами генотипов. В биологической эволюции соотношение между генотипом и фенотипом может быть сложным и непрямым, то же самое верно и в физике. Таким образом, чтобы быть аккуратным, вы должны поводить отличие между ландшафтом предложений для фундаментальной теории, такой как теория струн, и ландшафтом параметров Стандартной Модели.

(обратно)

85

Другими способами являются (1) изменение на обратный знака разницы масс протон/нейтрон; (2) увеличение или уменьшение константы Ферми, достаточно большое, чтобы повлиять на энергию и материю, выбрасываемую сверхновыми; (3) увеличение разницы масс протон/нейтрон, массы электронов, массы электрон/нейтрино и постоянной тонкой структуры, или уменьшение константы связи сильного взаимодействия, достаточно большое, чтобы дестабилизировать углерод (или любые одновременные изменения, имеющие тот же эффект); и (4) увеличение массы странного кварка.

(обратно)

86

James M. Lattimer and M. Prakash, «What a Two Solar Mass Neutron Star Really Means» «Что Такое на Самом Деле Нейтронные Звезды с Двумя Солнечными Массами», (2010).

(обратно)

87

В оригинальной статье по космологическому естественному отбору, как и в книге Жизнь Космоса, я использовал нижнюю оценку для критической массы — то есть 1,6 массы Солнца. Когда я изучал сообщения о наблюдениях нейтронных звезд с двойной массой Солнца, я начал читать со статьи, в которой указывалось на то, что космологический естественный отбор фальсифицирован. Я ожидал этого, поскольку вторая лучшая вещь, которая может случиться в области квантовой гравитации, это сделать предсказание, которое опровергается экспериментом. Однако, я еще раз просмотрел теоретические оценки для критической массы и нашел, что эксперты предупреждают, что она будет допускать каон-нейтронные звезды с 2-кратной солнечной массой.

(обратно)

88

См. A.D. Linde, Particle Physics and Inflationary Cosmology «Физика Частиц и Инфляционная Космология» (Chur, Switzerland: Harwood, 1990), pp. 162–8; интересен, главным образом, аргумент, приводящий к уравнению 8.3.17. (Книга также доступна). Параметром, который может повысить флуктуации плотности, является сила, с которой взаимодействуют инфлатоны (частицы, переносящие инфляционные силы). Как показал Линде, в некоторых простых моделях увеличение этого параметра уменьшает размер вселенной экспоненциально от обратного квадратного корня от параметра взаимодействия. Большое спасибо Полу Стейнхарду за обсуждение, прояснившее этот вопрос.

(обратно)

89

Более подробно о космологическом естественном отборе см. Жизнь Космоса или следующие мои статьи: «The Fate of Black Hole Singularities and the Parameters of the Standard Models of Particle Physics and Cosmology» «Судьба Сингулярностей Черных Дыр и Параметры Стандартных Моделей Физики Частиц и Космологии», (1994); «Using Neutron Stars and Primordial Black Holes to Test Theories of Quantum Gravity» «Использование Нейтронных Звезд и Изначальных Черных Дыр для Проверки Теорий Квантовой Гравитации», (1998); «Cosmological Natural Selection as the Explanation for the Complexity of the Universe» «Космологический Естественный Отбор как Объяснение Сложности Вселенной», Physica A: Statistical Mechanics and its Applications 340:4, 705–13 (2004); «Scientific Alternatives to the Anthropic Principle» «Научные Альтернативы Антропному Принципу», (2004); «The Status of the Cosmological Natural Selection» «Статус Космологического Естественного Отбора», (2006); и «A Perspective on the Landscape Problem» «Взгляд на Проблему Ландшафта», приглашенный доклад в специальное издание Foundations of Physics, озаглавленное «Forty Years of String Theory: Reflecting on The Foudations» «Сорок Лет Теории Струн: Размышления об Основах», см. также.

(обратно)

90

Роджер Пенроуз возражал мне, что сингулярности черных дыр имеют геометрию, весьма отличающуюся от начальной космологической сингулярности, что делает невероятным, что черные дыры могли бы являться источниками нашей вселенной или любых других. Это проблема, но ей можно заниматься, если квантовые эффекты играют большую роль в устранении сингулярности.

(обратно)

91

Заметим, что идея эволюционирующих законов сама по себе не требует глобальной одновременности. Изменение в законах могло бы происходить при событии, которое влияет на события только в своем причинном будущем. Как объяснялось в Главе 6, причинное упорядочение согласуется с относительностью одновременности. Но космологический естественный отбор требует глобального времени, чтобы иметь смысл — и это на самом деле вступает в конфликт с относительностью одновременности.

(обратно)

92

Обоснование этого в том, что масштабом физики, производящей пузыри, обычно выбирается масштаб великого объединения, который, по меньшей мере, на 15 порядков величины больше, чем массы кварков и лептонов Стандартной Модели. Так что вероятно, что массы этих легких фермионов в конечном итоге при формировании пузыря вселенной выбирались существенным образом хаотически.

(обратно)

93

B. J. Carr & M. J. Rees, «The Anthropic Principle and the Structure of the Physical World» «Антропный Принцип и Структура Физического Мира», Nature 278: 605–12 (1979); John D. Barrow & Frank J. Tipler, The Anthropic Cosmological Principle «Антропный Космологический Принцип» (NewYork: Oxford University Press, 1986).

(обратно)

94

Shamit Kachru et al., «De Sitter Vacua in String Theory» «Вакуумы Де Ситтера в Теории Струн», (2003).

(обратно)

95

Oliver DeWolfe et al., «Type II A Moduli Stabilization» «Стабилизация Модулей Типа IIA», (2005); Jessie Shelton, Washington Taylor and Brian Wecht, «Generalized Flux Vacua» «Вакуумы с Обобщенными Потоками», (2006).

(обратно)

96

George F. R. Ellis & Lee Smolin, «The Weak Anthropic Principle and the Landscape of String Theory» «Слабый Антропный Принцип и Ландшафт Теории Струн», (2009).

(обратно)

97

Вселенные с отрицательной космологической константой, описанные Вашингтоном Тейлором с коллегами, отличаются от нашей в двух отношениях. Первое, что верно во всех теориях струн, в них привлекаются дополнительные размерности. Они не наблюдаемы, поскольку они малы и свернуты, но во вселенных Тейлора они могут стать большими. Это противоречит наблюдениям даже более явно, чем имеющийся неправильный знак космологической константы, и может быть взято как еще одно неверное предсказание теории струн. Однако, вы также можете утверждать, что жизнь в этих мирах не могла бы существовать. Почему это так, для меня не совсем ясно, так как имеются сценарии теории струн, в которых частицы и силы живут на трехмерных поверхностях, именуемых бранами, которые плавают в дополнительных измерениях. В конфигурациях такого сорта жизнь может быть совместима с тем, что дополнительные измерения большие.

Гипотетические миры с отрицательной космологической постоянной также имеют симметрию, которую наш мир не имеет, а именно суперсимметрию. Это может предотвращать формирование сложных структур; однако, возможно, что некоторая их часть может позволять суперсимметрии быть спонтанно нарушенной, а в этом случае жизнь в них может процветать. Раз уж имеется бесконечно больше теорий струн с отрицательной космологической постоянной, чем с положительной, даже если очень малая часть первых может поддерживать жизнь, они будут доминировать над последними. Спасибо Бену Фрейфогелю за обсуждение этой проблемы.

(обратно)

98

В лучшем случае мы могли бы детектировать влияние последних столкновений других вселенных с нашей вселенной. Эта возможность изучалась, и это привело к однобоким предсказаниям — что может быть видно нечто интересное, что могло бы быть интерпретировано как столкновение другой вселенной с нашей собственной, но если не видно ничего, что до настоящего времени, кажется, и имеет место, гипотеза не фальсифицируется. Stephen M. Feeney et al., «First Observational Test of Eternal Inflation: Analysis Methods and WMAP 7-Year Results» «Первый Наблюдательный Тест Вечной Инфляции: Методы Анализа и Семилетние Результаты WMAP», (2011); и Anthony Aguirre & Matthew C. Johnson, «A Status Report on the Observability of Cosmic Bubble Collisions» «Отчет о Состоянии Наблюдаемости Столкновений Космических Пузырей», (2009) и Rept. Prog. Phys. 74:074 901 (2011).

(обратно)

99

Stephen Weinberg, «Anthropic Bound on the Cosmological Constant» «Антропные Ограничения на Космологическую Константу», Phys. Rev. Lett., 59:22, 2607–10 (1987).

(обратно)

100

В единицах длины шкалы Планка.

(обратно)

101

Adam C. Rees et al., «Observational Evidence of Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant» «Наблюдаемые Свидетельства по Сверхновым для Ускоряющейся Вселенной и Космологической Константы», Astron. Jour. 116, 1009–38 (1998).

(обратно)

102

Надо опасаться, оценивая утверждение, что аргумент Вайнберга обеспечивает доказательство гипотезы о существовании других вселенных, ошибочных рассуждений, что тот факт, что космологическая константа выбрана невероятно малой величиной, сам является доказательством утверждения, что наша вселенная является одной из гигантской коллекции вселенных, в каждой из которых величины космологической константы выбрана хаотически. Это рассуждение сходно с обратной ошибкой игроков, обсужденной философом Яном Хакингом. Предположим, некто зашел в комнату и увидел, что кто-то так кинул кости, что выпала двойная шестерка. Некто будет иметь соблазн заключить, что кости много раз переворачивались перед этим или перекатывались одновременно многими местами, но это будет ошибочное заключение, поскольку вероятность получить двойную шестерку каждый раз одна и та же. Хакинг называет это обратной ошибкой игроков; Jan Hacking, «The Inverse Gambler's Fallacy: The Argument from Design. The Anthropic Principle Applied to Wheeler Universe» «Обратная Ошибка Игроков: Телеологический довод. Антропный Принцип, Приложенный к Вселенной Уилера», Mind 96:383 (July 1987), pp. 331–340, Джон Лесли возражал в Mind 97:386 (April 1988), pp. 269–272, что ошибка не применима к антропному аргументу, поскольку мы должны находиться в благоприятной для жизни вселенной. Но аргумент Вайнберга правильно ведет речь не о гостеприимной для жизни вселенной, а только о вселенной, которая полна галактиками. Мы могли бы жить во вселенной, где сформировалась только одна галактика, и все еще быть живыми — так что факт, что вселенная полна галактиками, не является необходимым для жизни.

(обратно)

103

Жауме Гаррига и Алекс Виленкин обратили внимание в «Anthropic Prediction for Lambda and Q Catastrophe» «Антропное Предсказание для Лямбды и Q-Катастрофа», (2005), что особая комбинация двух констант улучшает ситуацию, когда применяется к аргументу Вайнберга: Это происходит для космологической константы, поделенной на размер флуктуаций в третьей степени. Но и тут остаются две проблемы: Первая, что определяет размер флуктуаций? Вторая, нам уже известно, что с аргументом все было в порядке, когда рассматривалась только космологическая константа. Имеется множество комбинаций двух констант, которые могли бы быть попробованы; факт, что одна комбинация работает лучше других, не удивителен, и, даже если имеются доводы в пользу этой комбинации, он не составляет доказательства гипотезы, что наша вселенная является лишь одним миром из гигантской мультивселенной.

(обратно)

104

Michael L. Graesser, Stephen D. H. Hsu, Alejandro Jenkins, & Mark B. Wise, «Anthropic Distribution for Cosmological Constant and Primordial Density Perturbations» «Антропное Распределение для Космологической Константы и Изначальные Возмущения Плотности», Phys. Lett. B600, 15–21 (2004).

(обратно)

105

Объяснение для величины космологической константы, сильно отличающееся от объяснения Вайнберга, дано Рафаэлем Соркином и соавторами на основе теории причинных рядов: Maqbool Ahmed et al., «Everpresent Lambda» «Вездесущая Лямбда», (2002).

(обратно)

106

Имеются альтернативные взгляды на квантовую теорию, в соответствии с которыми она может быть применена ко вселенной. По поводу оснований, почему я считаю это неверным, см. онлайн-приложения.

(обратно)

107

Импульс для обычных частиц есть их масса, умноженная на их скорость. Другое выражение несовместимых измерений есть принцип неопределенности, который говорит, что чем более точно измеряется положение, тем менее точно мы можем измерить импульс, и наоборот.

(обратно)

108

Для объяснения на более техническом уровне см. Lee Smolin, «Precedence and Freedom in Quantum Physics» «Прецедент и Свобода в Квантовой Физике», (2012).

(обратно)

109

Charles Sanders Peirce, «A Guess at the Riddle» «Догадка на Загадку», in The Essential Pierce, Selected Philosophical Writings «Основной Пирс, Избранные Философские Записки», ed. Nathan Houser & Christian Kloesel (Bloomington IN: Indiana University Press, 1992), p.277. Записки Пирса редко ясны, так что ниже приводится обобщение из Стэнфордской Энциклопедии Философии (http://plato.stanford.edu/entries/peirce/#anti): Один из возможных путей, вдоль которых природа развивается и приобретает свои характерные черты, был исследован Пирсом с использованием статистического анализа в ситуациях экспериментальных проб, в которых вероятности исходов в более поздних пробах не были независимы от реальных исходов в более ранних пробах, ситуациях так называемых «не-Бернуллиевских проб». Пирс показал, что если мы постулируем определенную первоначальную особенность в природе, а именно, даже самую незначительную тенденцию приобрести даже самую крошечную особенность, то результат в конечном счете имеет высокую степень регулярности и большую макроскопическую точность. По этой причине Пирс предположил, что в удаленном прошлом природа была заметно более стихийной, чем она стала сейчас, и что в общем случае и в общей массе все черты, которые демонстрирует природа,эволюционировали. Так же, как и идеи, геологические формации и биологические виды эволюционировали, естественные особенности развивались.

(обратно)

110

John Conway & Simon Kochen, «The Free Will Theorem» «Теорема о Свободе Воли», Found. Phys., 36:10, 1441 (2006).

(обратно)

111

Для полноты я должен заметить, что некоторые физики отвечают на этот аргумент, отстаивая сильную форму детерминизма, в соответствии с которой наблюдатели не могут рассматриваться как свободные при выборе, что измерять. С этой «супердетерминистической» точки зрения мы можем представить, что имеются корреляции между выборами, которые делают наблюдатели, и выборами, которые делают атомы, установленными далеко в прошлом эксперимента. Учитывая это предположение, мы можем отвергнуть заключения теорем Конвея и Кочена, так же как и теоремы Белла.

(обратно)

112

Lucien Hardy, «Quantum Theory from Five Reasonable Axioms» «Квантовая Теория из Пяти Разумных Аксиом», (2001).

(обратно)

113

Lluis Masanes & Markus P. Mueller, «A Derivation of Quantum Theory from Physical Requirements» «Вывод Квантовой Теории из Физических Требований», (2011). Связанная работа была сделана Borivoje Dakic & Caslav Brukner, «Quantum Theory and Beyond: Is Entanglement Special?» «Квантовая Теория и За Ее Пределами: Является ли Запутывание Особенным?», (2009).

(обратно)

114

Маркус Мюллер выполняет в настоящее время интересную работу, имеющую отношение к этому вопросу.

(обратно)

115

Исчерпывающее обсуждение труда де Бройля и английский перевод его статьи 1927 года см. в Guido Bacciagaluppi & Antony Valentini, Quantum Theory at the Crossroads: Reconsidering the 1927 Solvay Conference «Квантовая Теория на Перепутье: Пересмотр Сольвеевского Конгресса 1927 Года» (New York: Cambrige University Press, 2009), доступно на (2009).

(обратно)

116

См. John S. Bell, Speakable and Unspeakable in Quantum Mechanics: Collected Papers on Quantum Philosophy «Произносимое и Непроизносимое в Квантовой Механике: Собрание Статей по Квантовой Философии» (New York: Cambrige University Press, 2004).

(обратно)

117

John von Neumann, Mathematische Grundlagen der Quantenmechanik «Математические Основы Квантовой Механики» (Berlin, Julius Springer Verlag, 1932) pp. 167 и далее или Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, R. T. Beyer, перевод (Princeton, NJ: Princeton University Press, 1996).

(обратно)

118

Grete Herrmann, «Die Naturphilosophischen Grundlagen der Quantenmechanik» «Натурфилософские Основы Квантовой Механики», Abhandlungen der Fries schen Schule (1935).

(обратно)

119

David Bohm, Quantum Theory «Квантовая Теория» (New York: Prentice Hall, 1951).

(обратно)

120

David Bohm, «A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Therms of „Hidden“ Variables. II» «Предлагаемая Интерпретация Квантовой Теории в Терминах «Скрытых» Переменных. II», Phys. Rev., 85:2, 180–93 (1952).

(обратно)

121

Antony Valentiny, «Hidden Variables and the Large-scale Structures of Space-Time» «Скрытые Переменные и Крупномасштабные Структуры Пространства-Времени» в Einstein, Relativity and Absolute Simultaneity «Эйнштейн, Относительность и Абсолютная Одновременность», eds. W. I. Craig & Q Smith (London: Routledge, 2008), pp. 125–55.

(обратно)

122

Lee Smolin, «Could Quantum Mechanics Be an Approximation to Another Theory?» «Может ли Квантовая Механика Быть Приближением к Другой Теории?» (2006).

(обратно)

123

Albert Einstein, «Remarks to the Essays Appearing in This Collective Volume» «Замечания к Очеркам, Появившимся в Этой Коллективной Книге», в Albert Einstein: Philosopher-Scientist, ed. P. A. Schlipp (New York: Tudor, 1951), p. 671.

(обратно)

124

Для объяснений на более техническом уровне см. Lee Smolin, «A Real Ensemble Interpretation of Quantum Mechanics» «Интерпретация Реального Ансамбля для Квантовой Механики», (2011).

(обратно)

125

Чтобы быть уверенным, картина монолитной вселенной могла бы включать в себя идею, что законы изменяются во времени, но мое утверждение в том, что она не могла бы объяснить, как и почему они изменяются.

(обратно)

126

Можно было бы подумать, что эфир был уничтожен экспериментом Майкельсона-Морли, но никто до Эйнштейна в 1905 не проявил проницательность, чтобы осознать это.

(обратно)

127

Обоснование этого содержит простую геометрию, но я не буду обременять ею читателя. Ее можно найти в любом учебнике по ОТО.

(обратно)

128

Предположим, вы двигаетесь на север по отношению к этому специальному наблюдателю. Вы увидите, что излучение КМФ, приходящее к вам с севера, будет иметь синее смещение вследствие эффекта Доплера, который сдвигает выше энергию каждого фотона и увеличивает температуру фотонов, приходящих к вам с севера. Фотоны КМФ, приходящие с юга, испытывают противоположный эффект; их частоты сдвигаются в красную сторону спектра, а их температура понижается. Так что вы можете заключить, что вы двигаетесь по отношению к космическому микроволновому фону. И наоборот, наблюдатель, который видит, что температура та же самая во всех направлениях, может заключить, что он покоится по отношению к КМФ.

(обратно)

129

В последние годы эксперименты проверили справедливость принципа относительности в экстремальных обстоятельствах, в которых наблюдались протоны, путешествующие со скоростью 0,99 999 от скорости света. При этой немыслимой скорости эффекты относительности настолько важны, что переносимая протонами энергия в 10 миллиардов раз превышает энергию, связанную с их массой. Я не был бы удивлен, если бы эти наблюдения обнаружили нарушение принципа относительности, такое нарушение предсказывалось некоторыми подходами к квантовой гравитации примерно при этих энергиях. Другие недавние наблюдения проверили — и подтвердили — принцип, что все фотоны имеют одинаковую скорость, с такой точностью, что наблюдения смогли бы обнаружить, если бы один фотон опередил другого на секунду после того, как эта пара путешествовала вместе миллиард лет. Эти результаты разочаровали тех теоретиков, которые ожидали, что эффекты квантовой гравитации будут менять скорость света на фактор, который зависит от энергии фотонов. Другая серия наблюдений подтвердила с высокой степенью точности, что нейтрино имеют тот же предел скорости, что и свет (при всем уважении к преждевременным сообщениям о сверхсветовых нейтрино, которые обошли заголовки по всему миру в 2011).

(обратно)

130

Предлагались и другие определения привилегированного понятия времени в ОТО. Какое из них корректно — это, в конечном счете, научный вопрос, который должен быть решен дальнейшими исследованиями, а, возможно, даже экспериментами. Так что мы можем предположить, что имеется привилегированное понятие времени, хотя остается открытым вопрос, какое именно. Среди других предложений: Chopin Soo & Hoi-Lai-Yu, «General Relativity Without Paradigm of Space-Time Covariance: Sensible Quantum Gravity and Resolution of the Problem of Time» «ОТО Без Парадигмы Пространственно-Временной Ковариантности: Здравая Квантовая Гравитация и Решение Проблемы Времени», (2012); Niall O'Murchadha, Chopin Soo & Hoi-Lai-Yu, «Intrinsic Time Gravity and the Lichnerowicz-York Equation» «Гравитация Внутреннего Времени и Уравнение Лихнеровича-Йорка», (2012) и George F. R. Ellis & Rituparno Goswami, «Space Time and the Passage of Time» «Пространство Время и Течение Времени», (2012).

(обратно)

131

Henrique Gomes, Sean Gryb and Tim Koslowsky, «Einstein Gravity as a 3D Conformally Invariant Theory» «Гравитация Эйнштейна как 3D Конформно Инвариантная Теория», (2011).

(обратно)

132

Это известно по техническим причинам как AdS/CFT соответствие.

(обратно)

133

Для большей информации по поводу динамики формы см. онлайн приложения.

(обратно)

134

Ранее в этой главе я отмечал, что некоторые симметричные решения ОТО имеют привилегированное состояние покоя, а следовательно, привилегированное время. Тут речь идет о другом. Ранние случаи сводились к специальным решениям, тогда как привилегированное время, выявленное динамикой формы, является общим и существует даже в пространствах-временах, которые не имеют симметрии. Имеется слабое ограничение на пространство-время, заключающееся в том, что оно имеет так называемое слоение постоянной средней кривизны; это не считается препятствием для применения теории к космологическим пространствам-временам. Это понятие времени является глобальным, и оно динамически определено гравитационным полем и материей. Так что это не является отходом к абсолютному времени Ньютона. Грубо говоря, выбранные слои пространства-времени минимально искривлены. В том же смысле, в котором мыльные пузыри принимают форму, минимизирующую их кривизну, слои, на которые разделяется пространство-время, могут минимизировать их кривизну.

(обратно)

135

Архитекторы студии Saucier + Perrotte, когда мы сказали им, сколько мы хотели бы мест, занятых классными досками, подсказали, что все здание целиком могло бы быть покрыто шифером и стеклом, так что мы могли бы писать на этом везде.

(обратно)

136

См. недавние обзоры J. Ambjorn et al., «Nonperturbative Quantum Gravity» «Непертурбативная Квантовая Гравитация», (2012); «Emergence of a 4-D World from Causal Quantum Gravity» «Возникновение 4-D Мира из Причинной Квантовой Гравитации», Phys. Rev. Lett. 93 (2004).

(обратно)

137

Fotini Markopoulou, «Space Does Not Exist, So Time Can» «Пространства Не Существует, Поэтому Время Может.

(обратно)

138

Tomasz Komopka, Fotini Markopoulou & Lee Smolin, «Quantum Graphity» «Квантовые Граффити», (2006); Tomasz Komopka, Fotini Markopoulou & Simone Severini, «Quantum Graphity: A Model of Emergent Locality» «Квантовые Граффити: Модель Эмерджентной Локальности», (2008); Alioscia Hamma et al., «A Quantum Bose-Hubbard Model with Evolving Graph as Toy Model for Emergent Spacetime» «Квантовая Модель Бозе-Хаббарда с Эволюционирующим Графом как Игрушечная Модель для Эмерджентного Пространства-Времени», (2010).

(обратно)

139

Petr Horava, «Quantum Gravity at a Lifshitz Point» «Квантовая Гравитация в Точке Лифшица», (2009).

(обратно)

140

T. Banks et al., «M Theory as a Matrix Model: A Conjecture» «М Теория как Матричная Модель: Гипотеза», (1997).

(обратно)

141

Эксперты могут указать, что объем и площадь не являются физическими наблюдаемыми, поскольку они не инвариантны относительно пространственно-временных диффеоморфизмов. Но имеются случаи, где указанные величины являются физическими, либо из-за того, что они есть свойства границы, где диффеоморфизмы фиксированы, либо из-за фиксации последних вследствие временной калибровки, приводящей к физическому описанию эволюции, генерируемому гамильтонианом.

(обратно)

142

См., например, Aurelien Barrau et al., «Probing Loop Quantum Gravity with Evaporating Black Holes» «Проверка Петлевой Квантовой Гравитации с Испаряющимися Черными Дырами», (2011).

(обратно)

143

В каком времени? При любом определении времени! В петлевой квантовой гравитации время произвольно, так как эта теория есть квантование ОТО, в котором время может быть выбрано произвольно, что отражает его многозначную природу.

(обратно)

144

В оригинальном подходе к петлевой квантовой гравитации граф рассматривается как содержащийся в трехмерном пространстве, которое имеет только простейшие свойства. Ничего из того, что должно измеряться — вроде длины, площади или объема — не фиксируется. Но фиксируется число пространственных размерностей, как и связность пространства или топология. (Под «топологией» мы понимаем общий смысл того, как части соответствуют друг другу; она остается неизменной, когда форма плавно искажается).

Топология лучше всего объясняется на примерах и легче всего визуализируется в двух измерениях. Рассмотрим замкнутую двумерную поверхность. Она может быть подобна сфере или тору (форма бублика). Вы можете гладко деформировать сферу в различные формы, но вы не можете гладко исказить сферу, чтобы получить тор. Другие топологии двумерных поверхностей могут походить на бублик со многими дырками.

Раз уж мы зафиксировали топологию пространства, мы можем рассмотреть различные способы, которыми в нее может быть вставлен граф. Например, ребра графа могут быть завязаны узлом или переплетены или как-то иначе связаны друг с другом. Каждый способ вставить граф в пространство приводит к особому квантовому состоянию геометрии (хотя в большинстве современных работ по квантовой гравитации графы определяются без ссылки на любой способ встраивания).

(обратно)

145

См., например, Muxin Han & Mingyi Zhang, «Asymptotics of Spinfoam Amplitude on Simplicial Manifold Lorentzian Theory» «Асимптотики Амплитутды Спиновой Пены в Лоренцевой Теории Симплектического Многообразия», (2011); Elena Magliaro &Claudio Perini, «Emergence of Gravity from Spinfoams» «Возникновение Гравитации из Спиновых Пен», (2011); Eugenio Bianchi & You Ding, «Lorentzian Spinfoam Propagator» «Лоренцев Пропагатор Спиновой Пены», (2011); John W. Barrett, Richard J. Dowdall, Winston J. Fairbairn, Frank Hellmann, Roberto Pereira, «Lorentzian Spin Foam Amplitudes: Graphical Calculus and Asymptotics» «Амплитуды Лоренцевой Спиновой Пены: Графические Расчеты и Асимптотики»; Florian Conrady & Laurent Freidel, «On the Semiclassical Limit of 4D Spin Foam Models» «О Полуклассическом Лимите 4D Моделей Спиновой Пены», (2008); Lee Smolin, «General Relativity as the Equation of State of Spin Foam» «ОТО как Уравнение Состояния Спиновой Пены», (2012).

(обратно)

146

На техническом языке это дуальность триангуляции 3-многобразия.

(обратно)

147

См. Fotini Markopoulou & Lee Smolin, «Disordered Locality in Loop Quantum Gravity States» «Нарушенная Локальность в Состояниях Петлевой Квантовой Гравитации», (2007).

(обратно)

148

Эта идея определяет программу исследований, над которой я работаю с перерывами многие годы. См. Markopoulou $ Smolin, «Quantum Theory from Quantum Gravity» «Квантовая Теория из Квантовой Гравитации», (2004). См. также Julian Barbour & Lee Smolin, «External Variety as the Foundation of a Cosmological Quantum Theory» «Внешнее Разнообразие как Основание Космологической Квантовой Теории», (1992);

Lee Smolin, «Matrix Models as Nonlocal Hidden Variables Theories» «Матричные Модели как Нелокальные Теории Скрытых Переменных», (2002);

Lee Smolin, «Quantum Fluctuations and Inertia» «Квантовые Флуктуации и Инерция», Phys. Lett. A, 113:8, 408–12 (1986);

Lee Smolin, «On the Nature of Quantum Fluctuations and Their Relation to Gravitation and the Principle of Inertia» «О Природе Квантовых Флуктуаций и Их Отношении к Гравитации и Принцип Инерции», Class. Quant. Grav. 3:347–59 (1986);

Lee Smolin, «Stochastic Mechanics, Hidden Variables, and Gravity» «Стохастическая Механика, Скрытые Переменные и Гравитация», in Quantum Concepts in Space and Time «Квантовые Концепции в Пространстве и Времени», ed. R. Penrose & C. J. Isham (New York: Oxford University Press, 1986);

Lee Smolin, «Derivation of Quantum Mechanics from a Deterministic Nonlocal Hidden Variable Theory. 1. The Two-Dimensional Theory» «Вывод Квантовой Механики из Теории Детерминистических Нелокальных Скрытых Переменных. 1. Двумерная Теория», IAS preprint, July 1983.

(обратно)

149

Chanda Prescod-Weinstein & Lee Smolin, «Disordered Locality as an Explanation for the Dark Energy» «Нарушенная Локальность как Объяснение Темной Энергии», (2009).

(обратно)

150

Темная материя представляет собой гипотетический вид материи, которая не испускает света, но необходима, если вращение галактик должно объясняться на основе Ньютоновских законов.

(обратно)

151

Lee Smolin, «Fermions and Topology» «Фермионы и Топология», (1994).

(обратно)

152

C. W. Misner and J. A. Wheeler, Ann. Phys. (U.S.A.), 2, 525–603 (1957), перепечатано в Wheeler Geometrodynamics «Геометродинамика Уилера» (New York: Academic Press, 1962).

(обратно)

153

Ричард Бакминстер Фуллер (1895–1983) — американский архитектор, дизайнер, инженер и изобретатель. Предложенные им геодезические купола (структуры из треугольных компонентов, покрывающих поверхность сферы) становятся все более прочными с ростом размеров, так как напряжение перераспределяется по всей их поверхности. Это теоретически позволяет строить купола гигантских размеров. В честь Фуллера фуллеренами названа аллотропная форма углерода, открытая в 1985 (прим. перев.)

(обратно)

154

Fotini Markopoulou, «Conserved Quantities in Background Independent Theories» «Сохраняющиеся Величины в Фоново-Независимых Теориях», (2007)

(обратно)

155

Francesco Caravelli & Fotini Markopoulou, «Disordered Locality and Lorentz Dispersion Relations: An Explicit Model of Quantum Foam» «Нарушенная Локальность и Лоренцевы Дисперсионные Соотношения: Явная Модель Квантовой Пены», (2012); Caravelli & Markopoulou, «Properties of Quantum Graphity at Low Temperature» «Свойства Квантовых Граффити при Низкой Температуре», (2011); Caravelli et al., «Trapped Surfaces and Emergent Curved Space in the Bose-Hubbard Model» «Замороженные Поверхности и Эмерджентное Искривленное Пространство в Модели Бозе-Хаббарда», (2011); Florian Conrady, «Space at Low-temperature Regime of Graphs» «Пространство при Низкотемпературном Режиме Графов», (2011). Другой подход к геометрогенезису имеется в Joao Magueijo, Lee Smolin, & Carlo R. Contaldi, «Holography and the Scale-Invariance of Density Fluctuations» «Голография и Масштабная Инвариантность Флуктуаций Плотности», (2006).

(обратно)

156

Графы и триангуляции тесно связаны. Задав триангуляцию, вы можете сделать граф, в котором узлы представляют тетраэдры, а два узла связаны ребром, если соответствующие тетраэдры соединены гранями.

(обратно)

157

Рисунок показывает квантовую вселенную с одним измерением пространства и одним времени, взято из R. Loll, J. Ambjorn, K. N. Anagnostopoulos, «Making the Gravitational Path Integral More Lorentzian, or: Life Beyond Liouville Gravity» «Как Изготовить Гравитационный Интеграл по Путям Более Лоренцевым или: Жизнь за Пределами Гравитации Лиувилля», Nucl. Phys. Proc. Suppl. 88, 241–244 (2000). Используется с разрешения.

(обратно)

158

Alioscia Hamma et al., «Lieb-Robinson Bounds and the Speed of Light from Topological Order» «Границы Либа-Робинсона и Скорость Света из Топологического Порядка», (2008).

(обратно)

159

Richard Dawkins, Climbing Mount Improbable «Невероятное Восхождение на Гору» (New York: W. W. Norton, 1996).

Речь идет о научно-популярной книге Ричарда Докинса с этим названием, вышедшей в 1996 и посвященной вероятностям и их применению к теории эволюции. Цель книги — разоблачение креационизма и его претензий к механизмам, подобным естественному отбору (прим. перев.)

(обратно)

160

Флуктуация это одно из используемых физиками слов, которые могут смутить непрофессионального читателя. Флуктуация это малое случайное изменение в малой части системы. Флуктуация может внести беспорядок в систему, подобно капле краски с кисти, которая портит тщательно изготовленный портрет. Но флуктуация может также спонтанно привести к более высокой степени организации, подобно тому, как мутация, возникшая из случайного изменения в молекуле ДНК, производит более приспособленное животное.

(обратно)

161

Интересно отметить, что органические (или предбиологические) молекулы обнаружены не только на Земле, но и в метеоритах, кометах и межзвездных облаках пыли и газа.

(обратно)

162

Frank Owen Gehry — один из крупнейших архитекторов современности, стоявший у истоков архитектурного деконструктивизма (прим. перев.)

(обратно)

163

Поскольку логарифм единицы равен нулю. По техническим причинам мы обычно берем энтропию равной логарифму числа эквивалентных микросостояний.

(обратно)

164

«Űber die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flűssigkeiten suspendieren Teilchen» «О требуемом молекулярно-кинетической теорией тепла движении частиц, взвешенных в покоящихся жидкостях», Ann. der Phys. 17(8):549–60 (1905).

(обратно)

165

Martin J. Klein, Paul Ehrenfest: The Making of a Theoretical Physicist «Пауль Эренфест: Становление Физика-Теоретика» (New York: Elsevier, 1970).

(обратно)

166

См., например, роман английского прозаика Мартина Эмиса (Martin Amis) Time's Arrow Or the Nature of the Offence «Стрела Времени или Природа Преступления» или фильм, основанный на новелле Фрэнсиса Скотта Фитцджеральда (Francis Scott Fitzgerald), The Curious Case of Benjamin Button «Загадочная История Бенджамина Баттона».

(обратно)

167

Искренняя благодарность Стивену Вайнштейну из Университета Ватерлоо за обсуждения, в которых он убедил меня в важности электромагнитной стрелы времени. Его статья 2011 года «Electromagnetism and Time-Asymmetry» «Электромагнетизм и Асимметрия Времени», сильно повлияла на последующий раздел.

(обратно)

168

Roger Penrose, «Singularities and Time-Asymmetry» «Сингулярности и Асимметрия Времени», in S. W. Hawking & W. Israel, eds., General Relativity: An Einstein Centenary Survey «Общая Теория Относительности: Обзор к Столетию Эйнштейна» (Cambridge, U.K.: Cambridge University Press, 1979), pp. 581–638.

(обратно)

169

Многие физики и философы задавались вопросом, на самом ли деле имеются несколько различных стрел времени. Может ли одна или больше стрел быть объясненными через другие? Космологическая стрела времени, вероятно, не связана с другими.

Легко вообразить расширяющуюся вселенную, которая расширяется настолько быстро, что ни одна гравитационно-связанная структура не имела бы времени на формирование. Такая вселенная будет оставаться в равновесии всегда, и поэтому она не будет иметь термодинамической стрелы времени. Так что факт, что вселенная расширяется, сам по себе не существенен для объяснения термодинамической стрелы времени.

Также возможно представить вселенную, которая расширяется до своего максимального размера, а затем коллапсирует. Насколько нам сейчас известно, это не та вселенная, в которой мы живем, но имеются решения уравнений ОТО, которые ведут себя подобным образом. Это был бы мир, где космологическая стрела времени переворачивается в середине пути. Будет ли термодинамическая стрела времени тоже переворачиваться, так что всё, пострадавшее от внезапно пролитого молока, почистилось бы само, а Шалтай-Болтай (Humpty-Dumpty) восстановил бы себя? Писатели-фантасты рады вообразить это, но это дико невероятно.

Но биологическая стрела времени вполне может быть следствием термодинамической стрелы. Мы стареем, как утверждают, вследствие беспорядка, накапливающегося в наших клетках. Термодинамическая стрела также берется для объяснения, по меньшей мере, некоторых из экспериментальных стрел. Мы помним прошлое, но не будущее, поскольку память есть форма организации, а организация в будущем уменьшается — или так утверждается.

Наконец, может ли термодинамическая стрела времени быть сведена к выбору начальных условий? Это было предложено Пенроузом, который утверждал, что гипотеза кривизны Вейля могла бы объяснить термодинамическую стрелу времени, поскольку вселенная, изначально не имеющая черных и белых дыр, имеет намного меньше энтропии, чем она может иметь, если она хаотически заполнена черными и белыми дырами. Он полагается здесь на идею, что черные дыры имеют энтропию, поразительный факт, открытый Якобом Бекенштейном в 1972 и исследованный Стивеном Хокингом вскоре после этого. Черные дыры имеют гигантское количество энтропии, поскольку самая необратимая вещь, которую вы можете сделать, это послать что-либо в черную дыру. Учитывая огромное количество энтропии, которое может существовать во всех черных дырах, вселенная могла начаться с такой энтропией, но не началась, настоящая вселенная без всяких начальных черных дыр стартовала в состоянии почти минимальной энтропии.

Предложение Пенроуза преуспевает, пока мы сохраняем условие, что вселенная расширяется достаточно медленно и однородно, чтобы могли формироваться гравитационно-связанные структуры. С этой точки зрения сложная вселенная в высшей степени невероятна, поскольку большинство начальных условий приводили бы ко вселенной, которая начинается и остается в равновесии. Она была бы заполнена светом и гравитационными волнами, существующими с самого начала и не переносящими изображений прошлого или будущего. Черные дыры и белые дыры будут доминировать с самого начала. В рамках мира, управляемого симметричными во времени законами, объяснение того, почему мы живем в сложной вселенной, остается в значительной степени на экстремально маловероятном выборе асимметричных во времени начальных условий.

(обратно)

170

Фундаментальный асимметричный во времени закон должен был бы приводить к симметричным во времени законам, когда он аппроксимируется эффективной теорией при низкой энергии и далеко от областей с высокой кривизной пространства-времени. Таким образом, асимметрия времени была бы весьма резко выраженной в очень ранней вселенной, что могло бы объяснять необходимость сильно асимметричных во времени начальных космологических условий.

(обратно)

171

Заметим, что мы говорим о свойствах целой вселенной, которые не являются свойствами ее малой подсистемы. Мы всегда можем применить вероятность к малым подсистемам или областям вселенной, но они не исчерпывают всего, что мы хотим знать о вселенной.

(обратно)

172

Конечно, при заданном бесконечном времени, флуктуации любого масштаба происходят бесконечно много раз. При этом оказывается немного сложнее сказать, что более редкие флуктуации происходят меньше раз, поскольку отношение двух бесконечных чисел есть величина плохо определенная.

(обратно)

173

Читатель может спросить, не находится ли принцип Лейбница идентичности неразличимых в противоречии со статистикой Бозе, которая позволяет и способствует бозонам разделять одно и то же квантовое состояние. Краткий ответ, подробно изложенный в онлайн приложениях, в том, что принцип Лейбница запрещает два события из тех, что имеют одинаковую ожидаемую величину квантовых полей.

(обратно)

174

Как я отмечал в Главе 10, это запрещает вселенной быть совершенно симметричной.

(обратно)

175

Более подробно о самоорганизации см. книги Бака, Кауфмана и Моровица в Библиографии. Одной из версий принципа управляемой самоорганизации является циклическая теорема, описываемая в книге Моровица, другим примером служат явления самоорганизующегося критического режима, описанные в книге Бака.

(обратно)

176

Julian Barbour & Lee Smolin, «Variety, Complexity and Cosmology» «Разнообразие, Сложность и Космология». Прим. перев.: Ссылка дана на статью, озаглавленную «Extremal Variety as the Foundation of a Cosmological Quantum Theory» (1992), т. е. «Экстремальное Разнообразие как Основание Космологической Квантовой Теории».

(обратно)

177

Alan Turing, «The Chemical Basis of Morphogenesis» «Химические Основы Морфогенеза», Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. 237:641, 37–72 (1952).

(обратно)

178

Это потрясающе, но этому имеется простое объяснение. Для подробностей см. последнюю книгу Брайана Грина, The Hidden Reality. Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos «Скрытая Реальность. Параллельные Вселенные и Глубокие Законы Космоса», (New York: Knopf, 2011) или обсуждение в онлайн приложениях.

(обратно)

179

Вообразим ровную двумерную плоскость. Отметим точку, затем отметим направление, идущее наружу из точки. Оно определяет линию в плоскости. Следуем по этой линии так далеко, как она идет. Она идет на бесконечное расстояние, но перед умственным взором математика она, тем не менее, куда-то приходит. То, куда она приходит, называется бесконечно удаленной точкой. Отметим другое направление из начальной точки. Вы получаете другую линию. Следуем по ней так далеко, как она идет, это даст нам другую бесконечно удаленную точку. Бесконечно удаленные точки составляют окружность. Направления, по которым вы можете уйти из точки в плоскости, определяют окружность. Следуя этим направлениям так далеко, как они идут, вы достигаете границу бесконечно удаленных точек. То же самое имеет место в плоском трехмерном пространстве, за исключением того, что бесконечно удаленные точки составляют сферу. Это также имеет место, если пространство бесконечно, но отрицательно искривлено, как седло.

Когда вы хотите решить уравнения ОТО, вы должны задать информацию о том, что происходит на этой границе. Вы должны задать, что приходит внутрь от границы и что уходит за нее. Необходимость задать информацию о том, что происходит на бесконечно удаленной границе не отдана на наше усмотрение; это требуется теорией. (Для экспертов, уравнения Эйнштейна для пространственно бесконечной вселенной не могут быть выведены из вариационного принципа без того, чтобы имелись граничные члены, добавленные к действию, и граничные условия, определенные на пространственной бесконечности). Вы не можете описать, что есть во вселенной, без обсуждения, что через границу входит внутрь и уходит наружу вселенной. Даже если граница бесконечно удалена.

(обратно)

180

В практике ОТО мы часто используем пространства с бесконечными границами как удобные модели изолированных систем. Рассмотрим галактику. В действительности она является малой частью вселенной, но для некоторых целей мы можем захотеть смоделировать ее как изолированную: например, мы можем захотеть смоделировать взаимодействие черной дыры в центре со звездами в галактическом диске. Так что мы рисуем границу вокруг галактики и конструируем решение ОТО, содержащее только то, что находится внутри этой границы. Но имеются некоторые технические трудности в работе с информацией, которая должна быть задана на конечной границе. Так что, исключительно для технического удобства, мы идеализируем ситуацию и выталкиваем границу прочь на бесконечность. Это радикально упрощает описание, поскольку мы можем наложить условие, что все вещество в этой модели содержится в одной галактике. Ничто не может прийти извне и уйти вовне, кроме гравитационных волн и света, которые мы можем использовать для наблюдения за галактикой.

Этот вид использования бесконечных пространств прагматичен, и по нему не может быть возражений. Тот факт, что информация должна быть задана поступающей из бесконечной границы, напоминает нам, что мы работаем с идеализацией, в которой мы вырезаем часть вселенной и описываем ее, как если бы она была всем, что существует. Но бессмысленно моделировать целую вселенную как имеющую внешнюю границу, которая требует конкретизации информации, поступающей из-за пределов бесконечной вселенной. Пока что именно это мы должны делать, если мы используем ОТО как нашу космологическую теорию и берем вселенную как пространственно бесконечную.

(обратно)

181

Подробнее об этих циклических космологиях см. Paul J. Steinhardt & Neil Turok, Endless Universe Beyond the Big Bang «Бесконечная Вселенная за Пределами Большого Взрыва» (New York: Doubleday, 2007).

(обратно)

182

Martin Bojowald, «Isotropic Loop Quantum Cosmology» «Изотропная Петлевая Квантовая Космология», (2002);

Martin Bojowald, «Inflation from Quantum Geometry» «Инфляция из Квантовой Геометрии», (2001);

Martin Bojowald, «The Semiclassical Limit of Loop Quantum Cosmology» «Полуклассический Предел Петлевой Квантовой Космологии», (2001);

Martin Bojowald, «Dynamical Initial Conditions in Quantum Cosmology» «Динамические Начальные Условия в Квантовой Космологии», (2001) и Shinji Tsujikava, Parampreet Singh, & Roy Maartens, «Loop Quantum Gravity Effects on Inflation and CMB» «Эффекты Петлевой Квантовой Гравитации в Инфляции и Космический Микроволновой Фон», (2004).

(обратно)

183

Jean-Lac Lehners, «Diversity in the Phoenix Universe» «Разнообразие во вселенной Феникса», (2011).

(обратно)

184

Roger Penrose, Cycles of Time: An Extraordinary New View of the Universe «Круги Времени: Экстраординарно Новый Взгляд на Вселенную» (New York: Knopf, 2011).

(обратно)

185

См. утверждения, что круги обнаружены, в: V. G. Gurzadyan & R. Penrose, «CCC-Predicted Low-Variance Circles in CMB Sky and LCDM» «Предсказанные Конформной Циклической Космологией Низко-Дисперсные Круги в Небе Космического Микроволнового Фона и LCDM Модель», (2011);

V. G. Gurzadyan & R. Penrose, «More of the Low-Variance Circles in CMB Sky» «Еще о Низко-Дисперсных Кругах в Небе Космического Микроволнового Фона», (2010);

V. G. Gurzadyan & R. Penrose, «Concentric Circles in WMAP Data May Provide Evidence of Violent Pre-Big-Bang Activity» «Концентрические Круги в Данных WMAP Могут Обеспечить Подтверждение Бурной Активности Перед Большим Взрывом», (2010).

Некоторые статьи утверждают, что это согласуется с шумом:

I. K. Wehus & H. K. Eriksen, «A Search for Concentric Circles in the 7-Year WMAP Temperature Sky Maps» «Поиск Концентрических Кругов в 7-Летних Картах WMAP Температуры Неба», (2010);

Adam Moss, Douglas Scott, & James P. Zibin, «No Evidence for Anomalously Low-Variance Circles on the Sky» «Отсутствие Подтверждения Аномально Низко-Дисперсных Кругов в Небе», (2011) и Amir Hajian, «Are There Echoes from the Pre-Big-Bang Universe? A Search for Low-Variance Circles in the CMB Sky» «Есть ли Эхо от Вселенной До Большого Взрыва? Поиск Низко-Дисперсных Кругов в Небе Космического Микроволнового Фона», (2010).

(обратно)

186

Эта идея реализована в модели в работе Lee Smolin, «Matrix Universality of Gauge and Gravitational Dynamics» «Матричная Универсальность Калибровочной и Гравитационной Динамики», (2008).

(обратно)

187

Lee Smolin, «Unification of the State with the Dynamical Law» «Унификация Состояния и Динамического Закона», (2012).

(обратно)

188

Уилер также сказал: «Ни один феномен не является реальным феноменом, пока он не является наблюдаемым феноменом». Я должен сказать, что с возрастом все больше и больше начинаю оценивать его загадочные и провоцирующие требования к нам.

(обратно)

189

Для дополнительой информации о представленных тут взглядах и для ссылок см. Lee Smolin, «Time and Symmetry in Models of Economic Markets» «Время и Симметрия в Моделях Экономических Рынков», (2009).

(обратно)

190

Для введения в неоклассическую экономику см. Ross M. Starr, General Equilibrium Theory «Общая Теория Равновесия», 2-nd edition (New York: Cambridge University Press, 2011).

(обратно)

191

Это показано теоремой Зонненшайна-Мантеля-Дебро или «теоремой вседозволенности», доказанной в 1972 тремя известнейшими экономистами. Один из них, Хьюго Зонненшайн, является не только членом Чикагской школы экономистов, но и служил президентом в этом университете. Hugo Sonnenschein, «Market Excess Demand Functions» «Функции Превышения Рыночного Спроса», Econometrica, 403, 549–63 (1972). Debreu, G. «Excess Demand Functions» «Функции Превышения Спроса», Journal of Mathematical Economics 1: 15–21 (1974); R. Mantel, «On the Characterization of Aggregate Excess Demand» «К Характеристике Совокупного Превышения Спроса», Jour. of Econ. Theory 7: 348–353 (1974).

(обратно)

192

W. Brian Arthur, «Competing Technologies, Increasing Returns, and Lock-In by Historical Events» «Конкурирующие Технологи, Растущие Отдачи и Замкнутость Исторических Событий», Econ. Jour. 99:394, 116–31 (1989).

(обратно)

193

Pia Malaney, «The Index Number Problem: A Differential Geometric Approach» «Проблема Числа Индексов: Подход Дифференциальной Геометрии», Harvard PhD thesis, 1996.

(обратно)

194

Идеи Мелани и Вайнштейна побудили Самуэля Вазгуеза, тогда постдока Института Периметра, измерить зависимость от пути в реальных рыночных данных. То, что он сделал, было невозможным и еретическим в рамках неоклассической экономической теории, но это было в реальных данных, показывающих, что существование фондов с успешной стратегией лонг-шорт арбитража подтверждает, что на самом деле имеется кривизна, а следовательно, зависимость от пути на рынке. Samuel E. Vazguez & Simon Farinelli, «Gauge Invariance, Geometry and Arbitrage» «Калибровочная Инвариантность, Геометрия и Арбитраж», (2009).

(обратно)

195

Vince Darley & Alexander V. Outkin, A NASDAQ Market Simulation: Insights on a Major Market from the Science of Complex Adaptive Systems «Моделирование Рынка NASDAQ: Взгляд на Глобальные Рынки со Стороны Науки о Сложных Адаптивных Системах» (World Scientific, 2007).

(обратно)

196

Я вижу начало этой общей концепции в том факте, что как биолог-теоретик Стюарт Кауфман, так и философ права Роберто Мангабейра Унгер говорят о необходимости сформулировать свои области в терминах смежной возможности — набора следующих шагов — а не в абстрактных вневременных пространствах всех возможных конфигураций.

(обратно)

197

Следствия этих двух принципов разработаны дальше в Главе 17 моей книги 2006 года, Неприятности с Физикой.

(обратно)

198

Заметим, что взаимосвязи это в точности то, что выражает математика. Ни числа не имеют внутренней сущности, ни точки в пространстве; они полностью определяются своим положением в системе чисел или точек — все свойства которых должны быть связаны с их взаимоотношениями с другими числами или точками. Эти взаимоотношения закреплены в аксиомах, которые определяют математическую систему. Если значение имеет что-то большее, чем взаимоотношения и взаимодействия, то это за пределами математики.

(обратно)

199

Джеймс Джордж автор книг Asking for the Earth «Спрашивая Землю» (Barrytown NY: Station Hill Press, 2002) и The Little Green Book on Awakening «Маленькая Зеленая Книга Освобождения от Иллюзий» (Barrytown NY: Station Hill Press, 2009). Он также является сооснователем Фонда Порога и президентом Садатовского Фонда Мира, и он ведет международную миссию в Кувейте, занимающуюся оценкой ущерба, нанесенного окружающей среде вследствие Войны в Персидском Заливе.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

Введение

Часть I Тяжелое наследие: Изгнание времени

  1 Падение

  2 Исчезновение времени

  3 Игра в мяч

  4 Изучение физики в ящике

  5 Изгнание новшеств и сюрпризов

  6 Относительность и безвременье

  7 Квантовая космология и конец времени

Часть II Просвет в облаках: Возрожденное время

  Интерлюдия: Недовольство Эйнштейна

  8 Космологическое заблуждение

  9 Космологический вызов

  10 Принципы новой космологии

  11 Эволюция законов

  12 Квантовая механика и освобождение атома

  13 Битва относительности и квантов

  14 Время, возрожденное из относительности

  15 Возникновение пространства

  16 Жизнь и смерть Вселенной

  17 Время, возрожденное из жара и света

  18 Бесконечное пространство или бесконечное время?

  19 Будущее времени

Эпилог: Размышление во времени

Библиография

Благодарности

*** Примечания ***