Возрожденное время. От кризиса в физике к будущему вселенной

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-го века 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 с изолирования 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:

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 поезд ускоряются? 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 более частые, 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».