Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

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:

Современный философ Роберто Мангабейра Унгер совсем недавно заявил:

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 высокоуровневое описание, 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.