Ричард Мюллер - Сейчас. Физика времени

• Название: Сейчас. Физика времени
• Автор: Ричард Мюллер
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 2017
• ISBN: 978-5-00100-574-2

Ричард Мюллер, профессор Калифорнийского университета в Беркли, собирает все достижения современной физики и предлагает нам сложить из них пазл. Он рассказывает об открытиях Эйнштейна, о черных дырах, в которых, возможно, сосредоточена большая часть энтропии Вселенной, делится последними новостями из квантовой физики, а также исследует три модели движения времени.

Книга будет интересна студентам и преподавателям, а также всем, кто интересуется физикой и концепцией времени и хочет расширить свой кругозор.

На русском языке публикуется впервые.

---

Я исследую три возможные четырехмерные модели движения времени. Наблюдаемое сейчас ускорение расширения Вселенной, связанное с темной энергией[5], должно сопровождаться увеличением скорости течения времени. Эта теория предполагает, что нынешнее время бежит быстрее, чем прошлое. На основании этого можно решить, что произойдет новое и, возможно, наблюдаемое замедление времени, новое космологическое красное смещение. Это способно повлиять на наше представление о начале Большого взрыва и эре инфляционной модели Вселенной[6], то есть том периоде ее расширения, который мы можем исследовать, обнаруживая появившиеся во время взрыва гравитационные волны, а их уже опосредованно изучать на явлении вращения плоскости поляризации микроволнового излучения[7].

Третья модель была задумана, когда в 2016 году международное исследовательское сообщество LIGO (Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) сообщило об обнаружении на своих установках уникального явления – слияния двух черных дыр. Такие события создают новое пространство во Вселенной, а также, в соответствии с теорией четырехмерного пространства-времени, и новое время. Это время течет медленнее, если последующие события масштабнее по размеру, ближе к нам и излучают более сильный сигнал.

Для тех, кто интересуется математикой, подробности теории относительности и ее математический аппарат показаны в приложениях.

Давайте приступим к сбору нашего пазла.

Часть I Удивительное время

Глава 1 Запутанная тайна Великие философы имели весьма разноречивые и путаные представления о времени, но физика дала надежду на то, что мы поймем его

Время летит, как ветер;
Фрукты летят, как бананы.

Детская считалка

Вот вам факт о вас самих, который мало кто знает. Возможно, даже никто, кроме вас. Он состоит в том, что именно сейчас вы читаете эту книгу. Я могу быть даже более точным: именно сейчас вы читаете слово сейчас.

Более того, вы знаете, что это правда, хотя я об этом не знал и до сих пор не знаю. Вы читаете слово сейчас именно сейчас, а мне этот факт совершенно неизвестен, если только я не стою за вашей спиной и вы не указываете пальцем на те слова, которые прочитываете.

Сейчас – это очень простое и одновременно удивительное и таинственное понятие. Вы знаете, что оно означает, но его значение трудно объяснить без постоянного хождения по кругу. «Сейчас – это момент времени, который отделяет прошлое от будущего». Хорошо, а теперь попытайтесь дать определение прошлому и будущему, не используя слово сейчас. То, что вы подразумеваете под «прошлым» и «будущим», постоянно меняется. Только недавно чтение вами этого абзаца лежало в плоскости будущего. Сейчас большая часть этого события уже в прошлом.

Теперь уже весь абзац в прошлом (если только вы не пропускаете строчки). Сейчас относится ко вполне определенному времени. Но это время беспрерывно меняется. Именно поэтому мы используем часы. Они сообщают нам цифры, связанные с сейчас. Цифры называют «настоящее», или «реальное» время. Часы обновляют его непрерывно, обычно ежесекундно. Движение времени неостановимо. Мы можем занимать одно и то же место в пространстве, но не во времени. Мы движемся во времени, но не контролируем этот процесс. Конечно, если только путешествия во времени не станут возможными.

Смысл сейчас – одна из многих тайн, заключенных в этом странном явлении, которое называется временем. Замечательно, что сегодня мы так много знаем о нем, особенно благодаря причудливым и сверхъестественным понятиям, связанным с теорией относительности Эйнштейна. Но настолько же очевидно и то, что мы так мало знаем о фундаментальных характеристиках времени: что это вообще такое и как оно связано с окружающей нас реальностью. Эта книга – о времени. О том, что мы о нем знаем и чего не знаем.

Течет ли время? В 5 часов 12 минут утра 18 апреля 1906 года в Сан-Франциско произошло страшное землетрясение. Время этого природного катаклизма не изменилось; вы можете прочесть о нем в «Википедии». То, что течет, движется, – это наше понимание сейчас. Сейчас движется, изменяется и продвигается во времени.

Или, может быть, имеет больший смысл говорить, что время течет мимо этого сейчас. Вообще описать смысл слова «движение» довольно трудно. Говоря, что движется автомобиль, мы замечаем его положение в один момент времени и затем – в другой момент времени. Скорость движения машины будет определяться делением расстояния на время, которое заняло его покрытие. Например, это может быть столько-то миль в час. Такой подход к описанию сейчас никуда не годится. Сейчас – это именно сейчас. Остановитесь на секунду, и сейчас останется именно сейчас. Разве это сейчас движется? Да, ход времени иллюстрируется тем обстоятельством, что значение сейчас постоянно меняется. С какой же скоростью движется время? Со скоростью секунда в секунду.

Есть еще третий взгляд. Он состоит в том, что каждый момент генерируется новое время, и именно это вновь возникшее время – то самое сейчас. Лежат ли в основе этих взглядов философские либо физические различия? Можно ли свободно выбирать один из них или в том или ином больше истины и смысла, чем в других? Этот вопрос мы также исследуем на страницах книги.

Давайте предположим, что время остановилось. Вы заметите это? Каким образом? Или, например, оно унеслось скачками вперед или изменило скорость своего движения каким-то другим образом. Сможете обнаружить разницу? Это, пожалуй, нелегко; по крайней мере, если бы вы использовали то изображение времени, которое часто встречается в кинематографе. Например, в фильмах «Темный город»[8], «Клик: с пультом по жизни»[9], «Интерстеллар»[10] или «Лара Крофт: расхитительница гробниц»[11]. Восприятие нами момента сейчас, судя по всему, определяется количеством миллисекунд, необходимых для того, чтобы наши глаз, ухо или кончики пальцев послали в мозг сигнал, который он заметит, запечатлеет и запомнит. Для человеческого существа это несколько десятых секунды, для мухи – несколько тысячных секунды. Кстати, поэтому так трудно ловить мух. Для мухи ваша рука приближается словно в замедленной съемке, совсем как в фильме «Останавливающие время»[12].

Скорость течения времени вопрос не только научной фантастики. Теория относительности дает некоторые вполне определенные примеры этого, скажем, в парадоксе о близнецах[13]. Тот близнец, который путешествует в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, испытает более медленное течение времени, чем его брат, оставшийся на Земле. Оба одинаково ощутят течение времени, но его скорость для каждого будет разная. Ниже мы изучим этот странный парадокс детальнее.

Надежда на эвентуальное (возможное при соответствующих условиях, обстоятельствах. Прим. ред.) понимание сейчас основывается на том гигантском прогрессе, который сделала физика в XX веке. Но сейчас давайте вернемся в прошлое, чтобы взглянуть на сложности, с которыми сталкивались в этом вопросе древние.

Не поддающееся описанию сейчас

Труд Аристотеля под названием «Физика»[14] доминировал в науке вплоть до Возрождения. Это была научная библия средневековой католической церкви. Отрицание некоторых положений Аристотеля привело Галилея к суду инквизиции. Четыре части своей «Физики» автор посвятил разбору идей о времени и сейчас и в результате сам оказался совершенно сбитым с толку. Он писал:

«Сейчас» не часть чего-то, поскольку часть есть мера целого, которое должно состоять из частей. Время же нельзя себе представить состоящим из многих «сейчас». Кроме того, «сейчас», которое кажется связывающим прошлое и будущее, – остается ли всегда одним и тем же или все время становится другим? Трудно ответить. Если оно все время другое и другое, и если разные части времени не одновременны (если только одна не содержит другую, а другая не содержится в первой, как более короткое время содержится в более длинном), и если «сейчас», которого нет, но которое существовало в прошлом и прекратило свое существование, то многие «сейчас» не могут существовать одновременно с другими, а предшествующее «сейчас» всегда должно прекращать свое существование[15].

Глубоки эти мысли или просто запутанны? Пытаясь быть точным в отношении сейчас, Аристотель запутывается в собственных словах. Мы до известной степени можем успокаивать себя тем, что даже такой почитаемый мыслитель находил этот вопрос непостижимым.

Блаженный Августин[16] в своей «Исповеди»[17] жаловался на неспособность понять, что такое течение времени. Он писал: