Привет, Хаброжители! Что есть время и пространство? Откуда берется материя? Что такое реальность?
«Главный парадокс науки состоит в том, что, открывая нам твердые и надежные знания о природе, она в то же время стремительно меняет ею же созданные представления о реальности. Эта парадоксальность как нельзя лучше отражена в книге Карло Ровелли, которая посвящена самой острой проблеме современной фундаментальной физики — поискам квантовой теории гравитации. Упоминание этого названия многие слышали в сериале “Теория Большого взрыва”, но узнать, в чем смысл петлевой гравитации, было почти негде. А между тем эта теория — один из важных игроков на переднем крае фундаментальной физики», — Александр Сергеев, сооснователь, автор заданий и завлаб проекта «Открытая лабораторная».
Отрывок. Время — не то, что мы о нем думаем
То, что природа времени отличается от общепринятых представлений, которые есть у всех нас, стало ясно уже более столетия назад. Специальная и общая теории относительности сделали это очевидным. Сегодня неадекватность нашего обыденного представления о времени можно легко продемонстрировать в лаборатории.
Рассмотрим, например, первое следствие общей теории относительности, описанное в главе 3. Возьмем двое часов, убедимся, что они показывают в точности одинаковое время, положим одни из них на пол, а другие — на стол. Подождем полчаса и снова поместим их рядом. Будут ли они по-прежнему показывать одно и то же время?
Как говорилось в главе 3, ответ будет отрицательный. Обычные наручные часы или те, что встроены в мобильный телефон, не обладают необходимой точностью, чтобы проверить этот факт. Однако в физических лабораториях по всему миру есть часы, имеющие точность, которая позволяет продемонстрировать возникающее расхождение: часы, оставленные на полу, идут медленнее, чем такие же часы, расположенные выше.
Почему? Потому что время не течет одинаково повсюду в мире. В некоторых местах его поток быстрее, в других — медленнее. Чем ближе к Земле, где гравитация [Гравитационный потенциал — Ред.] сильнее, тем медленнее течет время. Помните близнецов из главы 3, чей возраст стал различаться в результате того, что один жил у моря, а другой в горах? Этот эффект ничтожен — выигрыш во времени, полученный за всю жизнь приморским жителем в сравнении с горцем, составляет доли секунды, — однако столь малая величина не меняет того факта, что это реальное различие. Время ведет себя не так, как мы привыкли себе представлять.
Мы не должны думать о времени так, словно где-то существуют великие космические часы, которые отмеряют жизнь Вселенной. Уже более 100 лет мы знаем, что о времени следует думать как о локальном явлении: каждый объект во Вселенной имеет свое собственное время, темп которого определяется локальным гравитационным полем.
Но даже это представление о локальном времени перестает работать, когда мы принимаем в расчет квантовую природу гравитационного поля. Квантовые события в планковском масштабе больше не упорядочены ходом времени. Время, в некотором смысле, перестает существовать.
Что означают слова о том, что времени не существует?
Прежде всего, отсутствие временно́й переменной в фундаментальных уравнениях не означает, что всё становится неподвижным и что перестают происходить какие-либо изменения. Напротив, это означает, что изменения вездесущи. Вот только элементарные процессы не могут быть упорядочены вдоль привычной последовательности мгновений. В предельно малых масштабах, соответствующих квантам пространства, танец природы не подчиняется ритму, задаваемому одной дирижерской палочкой для всего оркестра: каждый процесс танцует независимо от соседей, следуя своему собственному ритму. Течение времени — это внутреннее свойство мира, оно рождается самим миром из отношений между квантовыми событиями, которые и есть мир и которые сами порождают свое собственное время.
Фактически несуществование времени не означает ничего особенно сложного. Давайте попробуем это понять.
Пульс и люстра со свечками
Время входит в большинство уравнений классической физики. Это переменная, обозначаемая буквой t. Уравнения говорят нам, как вещи меняются во времени. Если мы знаем, что случилось в прошлом, они позволяют нам предсказать будущее. Точнее, мы измеряем некоторые величины, например положение A объекта, угол B отклонения маятника, температуру C объекта, а физические уравнения говорят, как эти величины будут меняться во времени. Они предсказывают функции A(t), B(t), C(t) и т. д., которые описывают изменения этих величин с течением времени t.
Галилей был первым, кто понял, что движение объектов на земле может описываться уравнениями как функции времени A(t), B(t), C(t), и первым записал формулы для этих уравнений в явном виде. Например, первый закон земной физики, найденный Галилеем, описывал падение предмета, иначе говоря, показывал, как его высота x меняется с ходом времени t [
— Ред.]
Для открытия и проверки этого закона Галилею потребовались два типа измерений. Он измерял высоту x предмета и время t. Поэтому ему был нужен инструмент для измерения времени — часы.
Во времена Галилея не было точных часов. Сам Галилей еще в молодости нашел способ изготовления точных хронометров. Он обнаружил, что колебания маятника всегда имеют одинаковую длительность (независимо от амплитуды). Поэтому можно измерять время, просто считая качание маятника. Эта идея кажется такой очевидной, но только Галилей обратил на нее внимание, до него она никому не приходила в голову. Так нередко бывает в науке.
Но на самом деле всё не так однозначно.
Согласно легенде, эта идея озарила Галерея в величественном Пизанском соборе, где он наблюдал за медленными покачиваниями гигантской люстры со свечами. (Легенда не соответствует действительности, поскольку люстра впервые закачалась там через много лет после смерти Галилея, но история всё равно хороша. И не исключено, что в те времена в соборе висело что-то другое.) Ученый наблюдал за этими колебаниями во время религиозной службы, которой он, очевидно, не был особенно поглощен, и замерял длительность каждого качания люстры, подсчитывая удары собственного пульса. С нарастающим волнением он обнаружил, что число ударов одинаково для каждого качания — оно не менялось, когда люстра замедлялась и раскачивалась с ничтожной амплитудой. Все колебания имели одинаковую длительность.
Эта история звучит замечательно, но если задуматься, она вызывает недоумение, и это недоумение ведет нас к самой сути проблемы времени. Откуда Галилей знал, что удары его собственного пульса происходят через равные отрезки времени [Особенно когда он стал волноваться… — Ред.]?
Вскоре после Галилея доктора стали измерять пульс своих пациентов, используя часы, которые, в конечном счете, представляли собой не что иное, как маятник. Получается, что мы использовали пульс, чтобы удостовериться в регулярности качаний маятника, а затем с помощью маятника проверяли постоянство пульса. Не кажется ли вам, что здесь имеет место какой-то порочный круг? Что бы это значило?
В действительности мы никогда не измеряем время само по себе, мы всегда измеряем физические величины A, B, C… (колебания, пульс и множество других вещей) и сравниваем одну величину с другой, то есть, иными словами, мы измеряем функции A(B), B( C ), C(A) и т. д. Мы можем подсчитать, сколько ударов пульса в каждом колебании, сколько колебаний приходится на каждое тиканье секундомера, сколько тиканий секундомера между ударами башенных часов…
Суть в том, что нам удобно представлять себе, что существует величина t — «истинное время», — которая лежит в основе всякого движения, даже если ее нельзя измерить непосредственно. Мы записываем уравнения для физических переменных относительно этой ненаблюдаемой величины t — уравнения, которые говорят нам, как вещи меняются с изменением t: например, сколько времени занимает каждое колебание и сколько длится удар пульса. Отсюда мы можем вывести, как величины меняются друг по отношению к другу — сколько ударов пульса приходится на одно колебание — и сравниваем эти предсказания с тем, что наблюдаем в мире. Если эти предсказания оказываются корректными, мы верим в то, что наша сложная схема верна, и в частности в полезность переменной времени t, даже если ее нельзя непосредственно измерить.
Иными словами, существование переменной времени — это удобное допущение, а не результат наблюдений.
Первым, кто всё это понял, был Ньютон: он догадался, что это эффективный подход, прояснил и развил данную схему. Ньютон открыто пишет в своей книге, что нельзя измерить истинное время t, но если предположить, что оно существует, то получается эффективная конструкция для описания природы.
Прояснив этот момент, мы можем вернуться к квантовой гравитации и к смыслу утверждения о том, что «времени не существует». Это попросту означает, что ньютоновская схема перестает работать, когда мы имеем дело с очень маленькими вещами. Она была хороша, но только для больших вещей.
Если мы хотим добиться глубокого понимания мира, если хотим понять, как он функционирует в менее знакомых нам ситуациях, в которых становится существенной квантовая гравитация, нам придется отказаться от этой схемы. Представление о времени t, которое течет само по себе и по отношению к которому эволюционируют вещи, перестает быть полезным. Мир не описывается уравнениями эволюции во времени t. Мы должны просто перечислить переменные A, B, C, ..., которые мы действительно наблюдаем, и записать уравнения, выражающие отношения между этими переменными и ничем больше: то есть уравнения для отношений A(B), B( C ), C(A), ..., которые мы наблюдаем, а не для функций A(t), B(t), C(t), ..., которые мы не наблюдаем.
В примере с пульсом и люстрой у нас вместо происходящих во времени пульса и качаний люстры будут только уравнения, которые описывают, как две соответствующие им величины меняются друг по отношению к другу, то есть уравнение, которое прямо говорит нам, сколько ударов пульса приходится на одно качание люстры без упоминания t.
«Физика без времени» — это физика, в которой мы говорим только о пульсе и люстре, не упоминая о времени.
Это простое изменение, но с концептуальной точки зрения — это огромный скачок. Мы должны научиться думать о мире не как о чем-то изменяющемся во времени, но неким иным способом. Вещи меняются только по отношению друг к другу. На фундаментальном уровне времени не существует. Наше обыденное чувство течения времени есть лишь приближение, которое верно для наших макроскопических масштабов. Оно возникает в силу того, что мы воспринимаем мир в очень загрубленном, крупнозернистом виде.
Таким образом, мир, описываемый этой теорией, очень далек от того, что нам привычно. Больше не существует пространства, которое вмещает мир, и не существует времени, в течение которого происходят события. Есть элементарные процессы, в которых кванты пространства и материи непрерывно взаимодействуют друг с другом. Эту картину мира можно сравнить с чистым и спокойным альпийским озером, которое состоит из мириад быстро танцующих крошечных молекул воды. Иллюзия, будто мы окружены непрерывным пространством и временем, есть результат рассматривания издали плотного роя элементарных процессов.
От автора
На протяжении всей моей научной карьеры друзья и просто любопытствующие просили меня объяснить, что происходит в области исследований квантовой гравитации. Как удается находить новые способы осмыслить пространство и время? Меня не раз просили рассказать об этих исследованиях в доступной форме. В то время как существует множество книг, посвященных космологии и теории струн, книги, где описывались бы исследования по квантовой природе пространства и времени, а также по петлевой квантовой гравитации, практически невозможно найти. Я долго колебался, поскольку хотел сосредоточиться на исследованиях. Несколько лет назад, завершив монографию по этой теме, я почувствовал, что коллективная работа многих ученых довела эту область исследований до той стадии зрелости, когда стало возможным написать научно-популярную книгу. Ландшафт, который мы исследуем, восхитителен — стоит ли продолжать скрывать его от других людей?
Но я продолжал откладывать проект, поскольку не мог «увидеть» книгу в своей голове. Как описать мир без пространства и времени? В 2012 году, сидя в одиночестве за рулем на ночной дороге из Италии во Францию, я вдруг понял, что единственный способ доходчиво объяснить постоянную модификацию понятий пространства и времени состоит в том, чтобы рассказать всю историю с самого начала: от идей Демокрита и до представления о квантах пространства. В конце концов, именно так я сам понимаю эту историю. Я стал мысленно набрасывать структуру книги прямо за рулем, приходя во все большее возбуждение, пока не услышал полицейскую сирену и требование остановиться — я намного превысил разрешенную скорость. Итальянский полицейский вежливо спросил меня, не сошел ли я с ума — ехать с такой скоростью. Я ответил, что только что нашел идею, которую так долго искал; он не стал выписывать мне штраф и пожелал удачи с новой книгой. Эта книга перед вами.
Первоначально книга была написана на итальянском и впервые опубликована в 2014 году. Вскоре после этого я подготовил несколько статей о фундаментальной физике для одной итальянской газеты. Знаменитый итальянский издатель Адельфи заказал мне расширенную версию этих статей, которая вышла в виде брошюры. Так появилась небольшая книга «Семь коротких лекций по физике», которая, к моему огромному удивлению, стала международным бестселлером и стала поводом для общения со многими замечательными читателями по всему миру. Таким образом, «Семь лекций» были написаны после этой книги и в какой-то мере стали синтезом некоторых вопросов, которые затрагиваются здесь. Если вы уже читали «Семь коротких лекций по физике» и хотите узнать больше, чтобы еще глубже погрузиться в странный мир, описанный в той книге, то здесь вы найдете необходимые подробности.
Несмотря на то что традиционная физика представлена в этой книге с довольно необычной точки зрения, в целом это не вызывает споров. Однако та часть книги, которая касается современных исследований по квантовой гравитации, отражает мое личное понимание состояния изученности этой темы. Эта область знания находится на границе между тем, что мы понимаем, и тем, чего еще не понимаем, поэтому нам еще очень далеко до достижения консенсуса по основным связанным с ней вопросам. Некоторые из моих коллег-физиков согласятся с тем, что я написал в этой книге, другие — не согласятся. Это обычная ситуация для актуальных исследований, ведущихся на границах нашего знания, но я предпочитаю говорить об этом ясно и открыто. Эта книга не о том, в чем мы уверены; эта книга — о приключениях на пути к непознанному.
В целом она о путешествии, посвященная одному из самых впечатляющих приключений, выпавших на долю человечества: путешествию за пределы парохиальных взглядов на реальность ко все более глубокому пониманию строения вещей. И это невероятное путешествие за пределы обыденной картины мира еще далеко не закончено.
» Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
» Оглавление
» Отрывок
Для Хаброжителей скидка 20% по купону — Реальность
По факту оплаты бумажной версии книги на e-mail высылается электронная книга.
Автор: ph_piter
