Главная›Физика и математика›Карло Ровелли›Срок времени

Название книги:

Срок времени

Автор:

Карло Ровелли

000

ОтложитьЧитал

Аннотация
Читать онлайн
Обложки

Шрифт:

-100%+

CARLO ROVELLI

L’ORDINE DEL TEMPO

* * *

www.traektoriafdn.ru

Фонд “Траектория” создан в 2015 году.

Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.

В рамках издательского проекта Фонд “Траектория” поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.

Посвящается Эрнесто, Било и Эдуардо

Стихотворные эпиграфы в начале каждой главы взяты из “Од” Горация в переводе Джулио Галетто, опубликованных издательством Paniere в 1980 году в виде изящного томика под заголовком In questo breve cerchio [“В этом узком кругу”]^[1]

Может быть, это самая большая тайна – время

И те слова, что ныне произносим, грабитель-время ухватило и тащит прочь; ничто уж не вернется

(i 11)

Я остановился и ничего не делаю. Ничего не происходит. Ни о чем не думаю. Просто слушаю, как бежит время.

Это время. Такое знакомое и близкое. Время-грабитель. Тащит нас прочь. Торопливый поток секунд, часов и лет пронизывает нашу жизнь, подталкивая нас к небытию… Мы живем в нем как рыбы в воде. Наше существование – это существование во времени. Под его заунывное пение мы пробуждаемся, открываем мир, тревожимся, пугаемся и навеки этот мир покидаем. Во времени разворачивается будущее Вселенной, сроку времени она следует.

В древнеиндийской мифологии космическая река течет лишь в воображении танцующего Шивы: этот танец направляет и развитие Вселенной, и течение времени. Что может быть очевиднее и универсальнее этого течения?

И однако же все не так просто. Реальность часто отличается от того, чем кажется: Земля кажется плоской, а в реальности – шарообразна; Солнце кажется катящимся по небу, а в реальности – мы кружимся вокруг него. Так и время отличается от того, чем нам кажется: оно вовсе не похоже на равномерный вселенский поток. Это я с изумлением обнаружил в учебниках физики, учась в университете. Со временем все не так, как мы думаем.

Из тех же самых книг я почерпнул: чтó и как на самом деле происходит со временем, мы наверняка пока не знаем. Природа времени остается тайной – возможно, величайшей. Загадочные нити связывают ее с другими великими тайнами: природой сознания, происхождением Вселенной, течением жизни. Всякое явление исключительной важности раз за разом возвращает нас к размышлениям о загадке времени.

В недоумении и удивлении кроется источник нашего стремления к знанию^[2], а открытие, что время не таково, каким нам кажется, дает дорогу тысячам новых вопросов. Природа времени оставалась в центре всех моих исследований по теоретической физике всю мою жизнь. На следующих страницах этой книги я рассказываю о том, что я понял о времени, о путях, по которым шел к более ясной картине, о явлениях, которые нам пока непонятны, и о тех, которые мне кажутся уже разгаданными.

Почему мы помним прошлое, а не будущее? Это мы существуем во времени или время существует в нас? Что в действительности означает фраза “время течет”? Что связывает время с природой нашей субъективности?

Что я слышу, прислушиваясь к течению времени?

Книга поделена на три неравных части. В первой мы резюмируем, чтó удалось понять о времени современной физике. Это будет похоже на изучение снежинки, лежащей на ладони: пока мы ее рассматриваем, она исчезает, норовя каплей воды проскользнуть меж пальцев. Нам привычно думать о времени как о чем-то простом и фундаментальном, равномерно текущем независимо ни от чего от прошлого к будущему, измеряемом с помощью часов. По ходу времени упорядочены события во Вселенной – прошлые, настоящие, будущие; прошлое неизменно, будущее неопределенно… Ну что же, все это оказалось ложным.

Характерные особенности времени, одна за одной, оборачиваются следствием погрешностей, ошибок, родственных явлению перспективы, кажущейся неподвижности плоской Земли или движению Солнца вокруг нее. Рост нашего знания привел к медленному снятию всех покровов, окружающих понятие времени. То, что мы называем временем, представляет собой сложный комплекс структур^[3], множество разных слоев. Чем глубже мы проникаем в суть этого понятия, тем дальше нам приходится погружаться, слой за слоем, шаг за шагом. И первая часть книги посвящена этому разоблачению времени.

Вторая часть описывает то, что остается нам как итог этого разоблачения. Пейзаж пустынный и продуваемый ветрами, почти утративший свою связь со временем. Мир странный и чужой – и тем не менее наш. Словно мы поднялись высоко в горы, где нет ничего, кроме снега, камней и неба. Или словно мы вдруг, подобно Армстронгу и Олдрину, ступили на застывшие в неподвижности пески лунной поверхности. Оказались в сущностном мире, сияющем своей сухой, ясной и тревожной красотой. Та физика, с которой я работаю, квантовая гравитация, силится постичь суть, а затем и дать связное описание этого чуждого и прекрасного пейзажа – мира без времени.

Третья часть книги – самая сложная, но в то же время самая живая и самая мне близкая. В мире без времени должно все-таки существовать нечто такое, что дает начало времени, каким мы его знаем, с устанавливаемыми им сроками, различием между прошлым и будущим, его сладостным течением. Наше время должно в каком-то смысле возникать внутри нас, в соответствии с нашей мерой, ради нас^[4].

Это – путешествие домой, назад ко времени, утраченному в первой части книги, в соответствии с элементарной грамматикой нашего мира. Словно в детективном романе, мы отправимся на поиски преступника, давшего времени начало. Восстановим, одну за другой, все части, из которых состоит знакомое нам время, – не как элементарные структуры реальности, а как ее приблизительные описания, полезные для нелепых и неуклюжих существ, которыми все мы, смертные, являемся, как аспекты нашей собственной перспективы, а также, вероятно, как аспекты – или детерминанты – того, чем являемся мы сами. Потому что в конце концов – возможно – тайна времени в большей степени связана с тем, что такое мы сами, чем с тем, что такое космос. Может, как и в самом первом и самом великом из детективов, “Царе Эдипе” Софокла, преступник – это сам сыщик. И тут книга заполнится горячей пеной идей, то блистательных, то обескураживающих, и если вы следовали за мной, то я приведу вас туда, где находится, по моему убеждению, самый передний край наших знаний о времени, к берегу того великого океана, полного отражений ночного звездного неба, о котором мы пока еще ничего не знаем.

Часть первая
Заблуждения относительно времени

Глава 1
Утрата единственности

В танце любовном сплетаясь,
прекрасные дочери
озарены сияньем лунным
прозрачною этой ночью

(i 4)

Замедление времени

Начну с простого факта: время движется быстрее на горé и медленнее в долине.

Разница невелика, но ее можно измерить с помощью точных часов, продающихся в интернет-магазинах примерно за тысячу евро. Немного попрактиковавшись, всякий сможет зафиксировать замедление времени. С помощью специальных лабораторных часов такое замедление можно заметить даже при разнице в высоте над уровнем моря в несколько сантиметров. Часы, лежащие на полу, идут чуточку медленнее часов, лежащих на столе.

Замедляются не только часы: внизу все процессы идут медленнее. Два друга расстаются: один отправляется жить на равнине, а другой – в горах. По прошествии лет они снова встречаются: тот, что жил на равнине, меньше прожил и меньше постарел, кукушка в его ходиках меньше куковала, у него было меньше времени на дела, деревья у его дома меньше выросли, его мыслям досталось меньше времени на созревание… Внизу прошло меньше времени, чем вверху.

Удивительно? Может быть. Но так устроен мир. В одних местах время проходит быстрее, в других медленнее. Еще удивительнее, что нашелся человек, который догадался об этом замедлении времени на век раньше, чем у нас появились часы, с помощью которых замедление можно измерить, – это Эйнштейн.

Способность понять прежде, чем увидеть, – в этом суть научной мысли. Анаксимандр понял, что небо продолжается и у нас под ногами, еще в эпоху античности – до того, как появились корабли, способные совершить кругосветное путешествие. Коперник понял, что Земля вращается, в начале Нового времени – прежде, чем астронавты смогли увидеть ее вращение с Луны. Так и Эйнштейн понял, что время бежит не везде одинаково, раньше, чем появились достаточно точные часы, чтобы измерить разницу.

Такие изменения в представлениях учат нас, как казавшееся очевидным оборачивается предрассудком. Небо очевидно – казалось – наверху, а не внизу, иначе Земля свалилась бы туда. Земля очевидно – казалось – никуда не движется, а то бы на ней все порушилось. Время – казалось – повсюду течет одинаково, это очевидно… Детишки вырастают и узнают, что мир снаружи не совсем такой, как им казалось, пока они сидели дома; и человечество в целом обнаруживает то же.

Эйнштейн задал вопрос, который мы, пожалуй, и сами могли бы себе задать, узнав о силе всемирного тяготения: с какой силой Солнце может притягивать к себе Землю, если они не касаются друг друга и не действуют ни на какую среду между ними? Эйнштейн стал искать правдоподобное объяснение. Он представил себе, что Солнце и Земля не притягиваются напрямую, но оба постепенно изменяют что-то такое, в чем сами находятся. А поскольку вокруг них нет ничего, кроме пространства и времени, он заключил, что Солнце и Земля как-то изменяют пространство и время вокруг себя – вроде как тело, погруженное в воду, приводит воду вокруг себя в движение. А изменение структуры времени, в свою очередь, оказывает влияние на движение всех тел, заставляя одни “падать” на другие^[5].

Что означает “изменить структуру времени”? Это означает то самое замедление, о котором шла речь выше: всякое тело замедляет время около себя. У Земли большая масса, и она замедляет время рядом с собой. Больше в долине, меньше – на горé, потому что гора дальше от земли. И поэтому друг, живущий в долине, стареет медленнее.

Если предметы падают, то и время замедляется. Там, где время течет равномерно, в межпланетном пространстве, там и предметы не падают, а просто плавают себе, не испытывая притяжения. А здесь же, на поверхности нашей планеты, их движение, естественно, направлено туда, где время течет медленнее всего; так, когда мы бежим по пляжу к морю, сопротивление воды, действуя на наши ноги, заставляет нас падать лицом прямо в волны. Все предметы падают вниз, потому что внизу Земля замедляет течение времени^[6].

Хотя это замедление времени и не очень легко заметить, оно все-таки приводит ко вполне зримым последствиям: благодаря ему тела падают вниз, а мы сами твердо стоим на ногах. И если ноги опираются о землю, то именно по той причине, что все наше тело стремится в область наибольшего замедления времени, а время течет медленнее для ног, чем для головы.

Странно? Не так ли на закате, при взгляде на радостно уходящее за горизонт солнце, на его постепенно гаснущие в далеких облаках лучи, нам вдруг приходит в голову, что это не Солнце движется, а Земля вращается, и тогда мы, словно обезумев, мысленным взором окидываем всю нашу планету – и себя самих на ней, – поворачивающуюся вспять, прочь от Солнца. Подобно дураку с холма из песни Пола Маккартни^[7], как это часто случается с иными безумцами, мы можем заглянуть намного дальше, чем обычно видят наши затуманенные повседневностью глаза.

Десять тысяч танцующих Шив

Я всегда восхищался Анаксимандром, древнегреческим философом, жившим двадцать шесть веков назад и внезапно догадавшимся, что Земля висит в пространстве, ни на что не опираясь^[8]. Что думал Анаксимандр, мы знаем благодаря другим, рассказавшим нам об этом, из его сочинений сохранился лишь один фрагмент. Вот этот:

А из каких [начал] вещам рожденье, в те же самые и гибель совершается по роковой задолженности, ибо они выплачивают друг другу правозаконное возмещение неправды [= ущерба] в назначенный срок времени^[9].

“В назначенный срок времени” (κατὰ τὴν τον~ χρόνου τάξιν). От одного из исходных моментов науки о природе нам не осталось ничего, кроме неясных слов, вызывающих священный трепет, – этого намека на “срок времени”.

Астрономия и физика росли и развивались в соответствии с указанием Анаксимандра: понимать, как случаются события в назначенный срок времени. Античная астрономия описывала движения звезд во времени. Уравнения физики описывают, как изменяются вещи во времени. От уравнений Ньютона, на которых строится классическая механика, уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные явления, и уравнения Шрёдингера, описывающего, как развиваются квантово-механические явления, до уравнений квантовой теории поля, описывающих поведение субатомных частиц, – вся наша современная физика представляет собой науку об эволюции вещей “в назначенный срок времени”.

В соответствии с давней традицией обозначим время латинской буквой t (слово “время” начинается на t во французском, английском и испанском языках, но не в немецком, арабском, русском или китайском). Что означает t? Оно означает число, которое мы узнаем, когда смотрим на часы. Уравнения нам говорят, как изменяются вещи с течением времени, измеряемом нашими часами. Но если разные часы показывают разное время, как мы убедились выше, что тогда означает t? Когда встречаются два друга, один из которых жил на равнине, а другой в горах, часы у них на запястьях показывают разное время. Какое из двух правильное t? В физической лаборатории часы идут с разной скоростью, если одни лежат на столе, а другие на полу: какие из двух показывают правильное время? Как нам описать разницу в их показаниях? Мы должны сказать, что часы на полу отстают относительно истинного времени, измеряемого на столе? Или что часы на столе спешат относительно истинного времени, измеряемого на полу?

Этот вопрос лишен смысла. Это как спросить, что более истинно – стоимость фунта стерлингов в долларах или стоимость доллара в фунтах стерлингов? Нет никакой истинной стоимости, а есть две монеты, обладающих определенной стоимостью по отношению друг к другу. Ни одна из них не может быть более истинной, чем другая.

Но тут хуже: у нас не то чтобы два времени, у нас их легионы. Свое время для каждой точки пространства. Нет единого времени. “Времен” бесконечно много.

Время, показанное какими-то определенными часами, относится к какому-то определенному явлению и называется в физике “собственным временем”. Каждые часы предлагают свое собственное время. Всякое явление развивается в своем собственном времени, своем собственном ритме.

Эйнштейн научил нас получать уравнения, описывающие, как собственное время одного явления развивается по отношению к собственному времени другого. Он показал нам, как вычислить разницу между ними^[10].

Единая мера – “время” – разворачивается в целую паутину разных “времен”. Мы не описываем, как мир развивается во времени, мы описываем только, как разные предметы развиваются в своем локальном времени и как одно локальное время развивается по отношению к другому. Мир совсем не похож на взвод солдат, дружно шагающих по команде сержанта. Он как сеть, сотканная из событий, влияющих друг на друга.

Так изображается время в общей теории относительности Эйнштейна. В ее уравнение входит не одно какое-то время, а времена в неисчислимых количествах. Между двумя событиями, при которых, например, разлучаются, а потом встречаются вновь двое часов, протяженность отнюдь не одна^[11]. Физика не описывает, как развиваются события “во времени”. Напротив, она описывает, как развиваются события в своем времени каждое и как развивается одно время по отношению к другому^[12].

Время потеряло свой первый привычный нам атрибут – свою единственность. В каждом месте у времени свой ритм и свой шаг. Сплетаются в танце с разными ритмами разные вещи. Если мир управляется танцующим Шивой, то Шива должен быть не единственным, должны быть десятки тысяч Шив, объединенных общим танцем, словно на картине Матисса…

1. Переводы Галетто оказались поэтическим парафразом сочинений Горация, поэтому их пришлось переводить заново с итальянского. Для английского издания эти переводы выполнили Эрика Сегре и Саймон Карнелл, на русский с итальянского их перевел Дмитрий Манин. – Прим. перев.

2. Аристотель. Метафизика. I, 2, 982 b. (См.: Аристотель. Сочинения: В 4 т. М.: Мысль, 1976–1982. Т. 1. С. 69. – Прим. перев.)

3. Подробное обсуждение вопроса, как расслаивается понятие времени, можно найти, например, в книге: Fraser J. T. Of Time, Passion, and Knowledge. New York: Braziller, 1975.

4. Философ Мауро Дорато настаивает на необходимости элементарной концептуальной картины, в явной и связной форме представляющей физику нашего опыта (Dorato M. Che cos’è il tempo? Roma: Carocci, 2013).

5. В этом суть общей теории относительности: Einstein A. Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie // Annalen der Physik, 49, 1916, pp. 769–822. (См.: Эйнштейн А. Основы общей теории относительности // Собрание научных трудов: В 4 т. / Под ред. И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова. М.: Наука, 1965. Т. 1. С. 452–505. – Прим. перев.)

6. В приближении слабого поля мы можем написать для метрики ds² = (1+2ϕ(x))dt² – dx², где ϕ (x) – ньютонов потенциал. Ньютоновская гравитация возникает из временнóй компоненты метрики, goo, то есть из локального замедления времени. Геодезические этой метрики описывают падение тел – это кривые, направленные к минимуму потенциала, то есть туда, где больше всего замедляется время. (Это и другие подобные пояснения – для тех, кто знаком с теоретической физикой.)

7. “But the fool on the hill / sees the sun going down, / and the eyes in his head / see the world spinning ’round…” (“А дурак на горе, / весь в закатной дали, / зрит очами во лбу / обращенье Земли…” Перевод Д. Ю. Манина. – Прим. перев.)

8. Rovelli C. Che cos’è la scienza. La rivoluzione di Anassimandro. Milano: Mondadori, 2011.

9. B 1 DK. Цит. по: Фрагменты ранних древнегреческих философов. Ч. 1 / Ред. [и перев.]: А. В. Лебедев. М.: Наука, 1989. С. 127. – Прим. перев.

10. Например: tстол – tна земле = 2gh/c² tна земле, где c – это скорость света, g = 9,8 м/с² – галилеевское ускорение (ускорение свободного падения) и h – высота стола.

11. Они могут также описываться единой переменной t, “временнóй координатой”, но она ничего не скажет вам о том времени, которое измеряется часами (и определяется величиной ds, а не величиной dt), и его можно произвольно изменять, никак не изменяя описываемый мир. Это t не представляет собой никакой физической переменной. А то, что измеряют часы, это их собственное время на мировой линии γ, для которого мы можем написать выражение tγ = ∫γ(gab(x)dxadxb)½. Физическая связь между этим выражением и величиной gab(x) будет предметом обсуждения ниже.

12. Лексическое замечание. Слово “время” мы употребляем в различных значениях, хотя и связанных друг с другом, но все же несхожих: 1) Время как философская категория, отражающая свойство событий следовать друг за другом (“Время неумолимо”). 2) Время как более или менее протяженный интервал в этой последовательности (“Цветущее время весны”). 3) Время как протяженность (“Сколько времени ты ждешь?”). 4) Время как некий определенный момент (“Настало время отправляться”). 5) Время как переменная, служащая мерой продолжительности (“Ускорение – это производная скорости по отношению ко времени”). На протяжении книги слово “время” используется во всех этих значениях без специальных оговорок. Если возникают недоразумения, перечитывайте эту сноску.