Что такое время с точки зрения науки
Откуда берётся время и почему нам кажется, что оно течёт?
У Пола Давьеса [Paul Davies] есть, над чем задуматься. Он работает физиком в Аризонском государственном университете и ведёт исследования во многих областях, от абстрактных полей теоретической физики и космологии до астробиологии, изучения жизни за пределами Земли. Мы провели интервью с Давьесом, и разговор естественным образом перешёл на тему времени – один из давних его интересов.
Течение времени – реальность или иллюзия?
Так откуда берётся это впечатление течения?
Могу предложить вам аналогию. Допустим, я встану, несколько раз повернусь, и затем остановлюсь. У меня будет полное впечатление того, что вся вселенная вращается. Я буду чувствовать, что она вращается – хотя я, разумеется, знаю, что это не так. Точно так же я ощущаю течение времени, но я, разумеется, знаю, что это не так. Вероятно, объяснение этой иллюзии связано с чем-то в вашей голове, и связано, вероятно, с памятью – откладыванием воспоминаний и т.п. Так что это чувство, которое у нас есть, но не свойство самого времени.
И ещё одно, что ошибочно предполагают люди: что отрицание течения времени есть отрицание асимметрии мира. Конечно же, события в мире происходят в направленной последовательности. Уроните яйцо на пол, и оно разобьётся. Вы не видели, чтобы яйца собирались обратно. Здания рушатся после землетрясений, и не встают из куч обломков. В повседневной жизни есть множество примеров асимметрии во времени, это свойство мира. Это не свойство времени, и объяснение тому нужно искать на очень ранних этапах жизни Вселенной, и в её начальных условиях. Это совершенно отдельная и уважительная тема.
Фундаментально ли время для Вселенной?
Время и пространство – это платформа, на которой мы формулируем все наши текущие теории о Вселенной, но есть сомнения по поводу того, являются ли они изначальными или же производными свойствами Вселенной. Может быть так, что фундаментальные законы Вселенной формулируются в терминах каких-либо подпространства и подвремени, а пространство-время вытекает из чего-то более фундаментального.
В повседневной жизни мы, очевидно, ощущаем трёхмерный мир и одномерное время. Но в Большом взрыве – мы точно не знаем, каким именно образом Вселенная появилась из Большого взрыва, но считаем, что к этому может иметь отношение квантовая физика – возможно, что это понятие, которое мы называем классическим пространством-временем, где всё вроде бы хорошо определено, тогда не существовало. Возможно, что не только мир материи и энергии, но и само пространство-время – результат особого раннего состояния Вселенной. Это нам неизвестно, этот вопрос изучается.
Может ли время быть производным?
Эта дихотомия по поводу того, что пространство-время может быть производным, вторичным свойством – что нечто получается из чего-то более примитивного, из чего-то, лежащего на самом дне описания природы – существовала ещё до того, как я начал свою карьеру. Джон Уилер был в этом уверен и писал об этом в 1950-х – о том, что может существовать некая предгеометрия, из которой проистекает геометрия, точно так же, как из атомов составляется огромное многообразие гибких тел – и люди работают с этой идеей.
Проблема в том, что у нас нет никаких возможных экспериментов в этой области. Можно придумать всякие математические модели, но их проверка выглядит довольно безнадёжной затеей. Думаю, это из-за того, что большинство людей считает, что если и есть какое-то непонятное подпространство и подвремя, то любой отход от нашей идеи непрерывного пространства-времени может проявить себя только на т.н. «планковских масштабах», что на 20 порядков меньше атомного ядра, и наилучшие наши инструменты в данный момент способны зондировать масштабы только на много порядков больше. Очень сложно представить, как мы можем добраться до планковских масштабов контролируемым способом.
Если существует несколько вселенных, синхронизированы ли у них часы?
Сравнение хода времени разными наблюдателями в разных местах – дело тонкое даже внутри нашей Вселенной. Скорость хода часов, допустим, вблизи поверхности чёрной дыры, будет сильно отличаться от скорости хода на Земле. Так что и во Вселенной нету общего времени.
Но если у нас есть мультивселенная, то проверить, отличаются ли собственные времена вселенных друг от друга, можно было бы только при наличии возможности передачи сигналов от одной вселенной к другой. Это зависит от модели мультивселенной. Моделей много, но в той, о которой часто рассуждают космологи – когда в некоей сверхструктуре появляются пузырьки вселенных – нет прямого способа сравнить ход часов в двух разных пузырьках.
Что вы думаете по поводу самых интересных их новых подвижек в понимании времени?
Особенно меня привлекает работа по восприятию времени, потому что я считаю, что эту область в ближайшем будущем ожидает быстрое продвижение. К примеру, есть известные эксперименты, в которых люди вроде бы делают свободный выбор в определённые моменты, а потом оказывается, что решение было принято чуть раньше, но их собственное восприятие времени и их действия были неким образом отредактированы мозгом. Когда мы наблюдаем за миром, то видим непротиворечивое и плавное развёртывание событий, но на самом деле органы чувств просто бомбардируют мозг, который собирает всё это вместе. Он это интегрирует и предоставляет уже последовательное изложение. Поэтому у нас и сохраняется такое ощущение, что мы всё контролируем и всё со всем сочетается. Но на самом деле это всё изложение, воссозданное уже после происшедших событий.
Что особенно удивительно, так это что люди реагируют гораздо быстрее мысли. Можно просто последить за работой пианиста или теннисиста, чтобы увидеть, что кажущаяся нам осознанность их действий: «мяч летит отсюда, мне лучше переместиться туда и ударить по нему»,- не может быть таковой. Времени на то, чтобы сигнал прошёл в мозг, потом через систему моторики и обратно, просто не хватит. И всё равно создаётся полное впечатление, что они наблюдают мир в реальном времени и всё контролируют. Мне кажется, что это весьма удивительно.
А есть ли что-нибудь новое по поводу времени в фундаментальной физике? Да не особенно. Есть новые идеи. Думаю, что фундаментальные проблемы никуда не делись. Одну мы уже обсудили: является ли время вторичным или фундаментальным свойством? Да и по поводу происхождения стрелы времени, асимметрии мира по времени, всё ещё идут споры. Мы знаем, что это надо отслеживать обратно к Большому взрыву, но на этом пути есть разные проблемы, которые мы до сих пор не решили. Но это всё теоретические и философские вопросы с точки зрения измерения времени и его природы.
Мы, конечно же, всегда ждём, что наши коллеги-экспериментаторы улучшат измерения времени. В какой-то момент они так хорошо научатся это делать, что мы наверняка увидим появление всяких необычных эффектов. Существует из ряда вон выходящая фундаментальная проблема – хотя законы физики по большей части симметричны во времени, есть один набор процессов, связанный со слабым взаимодействием, в котором происходит небольшой фундаментальный разлад этой симметрии к обращению времени в другую сторону. Но этот эффект играет важную роль. Думаю, в этом направлении есть ещё куда копать. Так что в физике частиц можно ещё проводить эксперименты, которые могут раскрыть это асимметрию к изменению направления времени, существующую в слабых взаимодействиях, и показать, как это всё увязывается со стрелой времени.
Осторожно, наука: существует ли время на самом деле?
Большинство из нас знает, что такое время, пока не задумываются о нем. Тикающие часы на запястье, будильник около кровати, пустые клетки календаря. Может показаться, что время цельное и единое, и все мы живем в этом потоке, стараясь не опаздывать на работу и вовремя забирать детей из школы. Иногда мы просто смотрим на часы и желаем, чтобы в сутках было больше времени. В минуте шестьдесят секунд, в часе шестьдесят минут, двадцать четыре часа в сутках и триста шестьдесят пять дней в году. Время едино и абсолютно, если верить сэру Исааку Ньютону. Но что, если я скажу вам, что время — это иллюзия, проявление наших представлений о причинности?
Если ваша научная школа чего-то стоит, вы наверняка знаете, что есть три предполагаемых измерения пространства и четвертое, временное измерение. Четыре измерения составляют полноту пространственно-временного континуума. Исаак Ньютон, один из праотцов современной математики и изобретатель (а точнее, первооткрыватель) исчисления, внес в физику массу бесценных идей. Среди самых важных из них — три закона движения, описывающие отношения между объектами и силами природы, которые с ними взаимодействуют. Другая важная идея — важная для нашего обсуждения — концепция абсолютного пространства и абсолютного времени.
Законы Ньютона предполагают, что время — неизменная величина во Вселенной, оно течет без какого-либо внешнего влияния и всегда одинаково для всех его наблюдателей. Но мы-то знаем, что теория относительности Эйнштейна противоречит мнению Ньютона. Время протекает по-разному в Москве и на Марсе. Оно ведет себя по-разному у подножья Фудзи и на горизонте событий черной дыры. Время меняется, когда вы движетесь быстрее. И когда до Эйнштейна впервые это дошло, его видение буквально изменило все, что мы знали о физике. Однако несколько отдельных людей решили возвести его идеи до максимума.
Авторы двух конкретных работ предлагают новый взгляд на пространственно-временной континуум; даже больше: один из авторов предлагает определить вселенную как «безвременную», скажем так.
Трое физиков, Амрит Сорли, Давид Фискалетти и Дюзан Клинар, просят вас представить время как ось X на графике; переменная поможет визуализировать эволюцию физической системы (физической системы в нашей вселенной). Мы измеряем частоту и скорость объекта, но время обычно не измеряется. Кроме того, его математическая ценность обычно не принимается во внимание. По существу, мы имеем дело не со временем в качестве переменной, а используем движение объекта для получения другой информации. По словам ученых, это будет означать, что пространство Минковского не трехмерно, а четырехмерно, без необходимости отделять одно измерение под время. Еще разок:
«Точка зрения, согласно которой время представлено физической сущностью, в которой происходят материальные изменения, заменяется более удобной точкой зрения, в которой время будет просто числовым порядком материального изменения. Этот взгляд лучше отвечает физическому миру и лучше объясняет мгновенные физические явления: гравитацию, электростатическое взаимодействие, передачу информации в ходе эксперимента ЭПР и другие».
Они полагают, что эта точка зрения лучше подойдет на данный момент:
«Идея того, что время представляет собой четвертое измерение пространства, не принесла особого прогресса физике и находится в противоречии с формализмом специальной теории относительности. Сейчас мы разрабатываем формализм трехмерного квантового пространства на основе работ Планка. Похоже на то, что вселенная трехмерна на макро- и микроуровнях в планковских объемах. В таком трехмерном пространстве нет «сокращения длины», нет «замедления времени». А что есть, так это скорость материальных изменений, которая «относительна» в эйнштейновском смысле».
Когда они говорят про эйнштейновский смысл, они частично ссылаются на комментарий Эйнштейна, оставленный им в своей же книге на тему теории относительности.
«Поскольку больше в этой четырехмерной структуре не существует ни одной секции, в которой «сейчас» представлено объективно, понятия «случается» и «происходит» еще не исчезают полностью, но весьма усложняются. Похоже, более естественно думать о физической реальности как о четырехмерном бытии, а не как об эволюции трехмерного бытия».
И еще разочек. Давайте представим мысленный эксперимент.
У вас есть фотон, который движется вперед и назад между двумя точками в пространстве. Пространство между ними полностью состоит из планковских длин, то есть из мельчайших дистанций, которые может преодолеть фотон в момент времени. Когда фотон перемещается на планковскую длину, он описывается как передвигающийся исключительно в пространстве и не совсем во времени.
Фотон можно рассматривать как движущийся из точки 1 в точку 2, и его позиция в точке 1 — это «перед» позицией в точке 2 в том смысле, что цифра 1 идет перед цифрой 2 в числовом ряде. Числовой порядок не эквивалентен временному порядку, то есть цифра 1 во времени не существует перед цифрой 2, только численно.
Этот эксперимент показывает, что время может быть просто числовым порядком изменения, а не четвертым измерением. Рассмотрение времени таким образом — как способа отслеживания изменений в течение долгого времени — не только решит парадоксы Зенона о движении (Ахиллес и черепаха, например), но и позволят лучше описать характеристики природного мира.
«Теория времени как четвертого измерения в пространстве — фальсификация, и своей последней работой мы показываем, что есть большая вероятность этой фальсификации. Экспериментальные данные показывают, что время — это то, что мы измеряем часами. А часами мы измеряем численный порядок материальных изменений, то есть движение в пространстве».
14 научных теорий и фактов о времени, которые расширят ваши перспективы и горизонты
Научные теории, которые заставят вас по-новому взглянуть на реальность, наш мир и Вселенную.
Время влияет на каждый аспект нашей жизни. Мы ориентируемся на него, когда просыпаемся, идем на работу, приступаем к еде, ложимся спать. И несмотря на такие, казалось бы, «близкие отношения», вы едва ли ответите: что же такое время?
Тысячелетиями философы и ученые со всего мира строили собственные теории о времени, но лишь единицы из них привели к какому-либо консенсусу. И хотя до сих пор не существует полного общепринятого определения, грубо говоря, время — это единица измерения.
Мы используем его для описания событий или продолжительности между ними. И это определение работает как в повседневной жизни, так и в точных науках, например в математике. В разговорной речи мы часто употребляем обороты «время идет» и «время летит», когда речь идет о поступательном движении жизни. А физики называют этот опыт «стрелой времени».
Однако истинная сущность этого явления по сей день остается противоречивой и загадочной. Несмотря на то что физики могут активно использовать единицы времени в своих уравнениях, вопрос «как работает время?» продолжает приводить в недоумение все научное сообщество.
Действительно, за пределами поверхностных слоев времени здравый смысл и интуитивные идеи подвергаются сомнению, что затрудняет разговор о существовании, без упоминания о чем-то более метафизическом. В результате загадка времени фактически заставила некоторых философов и ученых переосмыслить всю модель нашей Вселенной.
Сегодня наша редакция решила рассказать вам о 14 научных теориях о времени, которые ставят под сомнение наше собственное восприятие реальности.
1. Время — это иллюзия
Возможно, вы когда-нибудь слышали от вашего учителя физики, преподавателя естественных наук или энергичного гостя на «модном» официальном приеме, что время нереально. И хотя это утверждение по своей природе необязательно неверно, основной принцип, который лежит в его основе (и порой называется B-теорией времени), на самом деле утверждает, что время является иллюзией.
Говоря более конкретно, наш опыт времени (прошлого, настоящего и будущего) больше связан с нашими собственными субъективными ощущениями, чем с какой-либо фундаментальной особенностью существования.
Большинство современных физиков поддерживают эту точку зрения, утверждая, что время, которое мы воспринимаем нашим человеческим разумом на местном уровне, значительно отличается от изначального поведения времени в масштабе Вселенной.
2. Время — это измерение
Мы все понимаем основную концепцию трехмерного пространства. Технически это значит, что каждая точка в нашей Вселенной имеет физический адрес, который можно определить по координате вдоль трех перпендикулярных плоскостей (X, Y и Z). Это просто одна из многих интересных вещей о космосе. Но действительно ли точка в пространстве «существует» без времени, в которое это можно сделать?
Нет такого физического закона, который бы требовал, чтобы время было измерением. Однако специальная теория относительности Альберта Эйнштейна привела именно к этому утверждению. Называя его четвертым измерением, широкий круг современных ученых признает, что время плавно переплетается с трехмерным пространством в континууме «пространство-время».
3. Время относительно
Утверждения Эйнштейна не закончились на взаимозависимости пространства-времени. Специальная теория относительности вывела идею о том, что время и скорость напрямую связаны.
Этот принцип, известный как «замедление времени», гласит, что время замедляется для движущихся объектов: чем быстрее движется предмет, тем медленнее для него проходит время. Бесчисленные эксперименты подтвердили эту теорию, доказав, что часы в движении «идут» медленнее, чем их синхронизированные аналоги, пребывающие в состоянии покоя.
Несмотря на то что этот эффект невозможно обнаружить на человеческих скоростях, они становятся заметнее с увеличением скорости.
К примеру, двухлетний полет космического корабля со скоростью света эквивалентен 30 годам на Земле. В таком случае, возможно, недостижимый источник молодости человечества вовсе не место, а космическое путешествие?
4. Время объективно
В противовес специальной теории относительности Эйнштейна и современному пониманию пространства-времени, которое существует в научном сообществе, некоторые физики и философы представляют время как независимое и фундаментальное свойство нашей Вселенной.
К примеру, согласно теории Ньютона, не зависит от внешних факторов. Известная как концепция «абсолютного времени и пространства», она утверждает, что эти особенности нашей Вселенной действуют как своего рода сцена и фон для всего, что в ней содержится и происходит.
5. Путешествие во времени возможно
Один неоспоримый закон существования гласит, что если поднимается тема времени, ее сопровождают разговоры о временных путешествиях. И хотя было выпущено множество книг, фильмов и телешоу, посвященных этой теме, науке не хватало доказательств правдоподобия перемещений во времени.
В игру снова вступает теория относительности Эйнштейна с утверждением о том, что путешествие во времени действительно возможно, но для этого требуется скорость, близкая к скорости света, — что-то, что в настоящее время находится за пределами технической досягаемости.
Тем не менее, если решить эту проблему, математика поддерживает только путешествие в будущее, но не в прошлое, как мы привыкли видеть в художественной литературе и кинематографе.
Еще одна популярная концепция, которая может учитывать движение как вперед, так и назад, — это искривление пространства-времени. Теоретически эта концепция считается возможной, но при условии задействования кротовой норы. Но вновь возникает вопрос: как создать эту самую червоточину?
Выступая в качестве святого грааля путешествий во времени, эта концепция постепенно переходит из области фантастики к тяжелой науке.
Ее потенциальная возможность приводит к возникновению множества парадоксов и вопросов.
Например, если в один прекрасный день путешествие во времени станет возможным, почему никто до сих пор не вернулся из будущего, чтобы сказать нам, как это сделать?
6. Возможно, нельзя узнать, что произошло до Большого взрыва, поскольку времени вовсе не существовало
Направляя свои телескопы в далекую Вселенную, космологи фактически имеют возможность заглянуть в прошлое. Дело в том, что свету требуется время, чтобы преодолевать большие расстояния, и когда он «доходит» до нас, проходит невообразимое количество лет.
Если однажды мы действительно сможем запечатлеть начало времени, маловероятно, что мы когда-нибудь узнаем, что было до этого. Одна из причин связана с нашими ограниченными методами исследования.
В основном они полагаются на известные законы физики, которые, предположительно, перестают работать за пределами нашей Вселенной. Другая причина — сама природа Вселенной.
По крайней мере, не в том виде, который мы знаем и можем понять.
7. Время может существовать в другом месте
Все больше ученых считают, что наша Вселенная является лишь одной из множества. Так гласит теория Мультивселенной. Одни ученые предсказывают, что эти вселенные могут быть идентичными или лишь слегка отличаться от нашей, в то время как другие представляют их совершенно уникальными.
В первом случае время, скорее всего, существует и ведет себя так же, как и в нашей Вселенной. Но если вселенная радикально отличается от той, в которой живем мы с вами, в ней может существовать нечто подобное времени или, быть может, что-то еще более ошеломляющее и экзотическое. При таком раскладе почти невозможно представить, как будет функционировать подобная вселенная.
8. Время не имеет настоящего
Кадр из фильма «Назад в Будущее»
Наиболее распространенные представления о времени связаны с тем, как человеческий вид, то есть мы, его испытываем. Мы пребываем в настоящем моменте. Этот момент проходит, становится прошлым, а будущее становится нашим новым настоящим.
Эта серия временных отрезков продолжается и продолжается без задержек и сбоев. Однако с опорой на теорию относительности философский подход этернализм предполагает, что мы обитаем в «блок-вселенной», где течения времени вовсе не существует.
С этой точки зрения прошлое, настоящее и будущее являются частью единого, статичного блока «пространства-времени».
9. Время динамично
Sian Butcher / BuzzFeed
В то время как этерналистская «блок-вселенная» предполагает, что все, что происходит в прошлом и будущем, так же реально, как и в настоящем, все больше и больше ученых и философов обращаются к концепции презентизма, согласно которой время динамично и имеет физическую природу.
Другими словами, с этой точки зрения течение времени реально. Существует только настоящее, в котором мы живем. Прошлое остается в прошлом, а будущее — это то, чего еще не было.
10. Время может быть чьим-то творением
В «Матрице» персонаж Киану Ривза, Нео, с удивлением обнаруживает, что все его переживания происходят в рамках сложной компьютерной программы. А его реальный разум и тело вырабатывают биоэлектрическую энергию, необходимую для выживания машин с искусственным интеллектом.
Гипотеза не утверждает, что наши тела и умы (обязательно) были узурпированы гнусными роботами. На самом деле, она даже не требует, чтобы у нас было тело и разум. Согласно концепции, наша реальность — это симулированный опыт, где наши предположения о том, что является «реальным», — продукт какого-то внешнего, более высокого интеллекта.
Если бы это было действительно так, то весь наш опыт, включая опыт времени, был бы алгоритмической конструкцией, созданной специально для смоделированного мира, в котором мы сейчас находимся.
11. Время циклично
Циклическая теория Вселенной предполагает, что наша Вселенная рождается, разрушается и вновь возрождается. И не без оснований. Наша реальность вызвана Большим взрывом — с одной стороны, периодом расширения, за которым следует период сокращения, и Большим кризисом — с другой.
Этот, возможно, вечный цикл не предполагает существование каких-либо предшествующих или последующих вселенных. Однако, если они похожи на наше нынешнее существование, пространство и время, скорее всего, будут найдены внутри них.
12. Время повторяется
Фраза «Время — это плоский круг», которая обрела особую популярность благодаря персонажу Мэттью МакКонахи из «Настоящего детектива», своим происхождением обязана ницшеанской философии. Однако Фридрих Ницше не высказывал идеи о постоянно повторяющихся жизни и существовании.
Обнаруженная во многих мировых религиозных текстах, концепция вечного возвращения является популярной и древней по своему существу.
Подобно цикличной теории Вселенной, приверженцы вечного возвращения предполагают, что каждый момент бытия может повториться бесконечное число раз, поскольку его время бесконечно, а число элементов ограничено.
Хотя научных доказательств такой идеи недостаточно, некоторые ученые считают, что в достаточно большой вселенной с ограниченным числом возможностей точные молекулярные конфигурации и даже точные моменты все же могут повторяться.
13. Время имеет конец
Особо популярная теория о том, как наша Вселенная встретит свой конец, известна как Большое замораживание. В момент, когда Вселенная достигнет максимальной энтропии, она переживет процесс тепловой смерти.
Поскольку энергия равномерно распределена по всему пространству, которое мы называем реальностью, ничто не будет двигаться вперед — ни материя, ни пространство, ни стрела времени. И мы ничего не сможем сделать, чтобы это остановить.
14. Время бесконечно
Хотя наша Вселенная невероятных размеров, большинство физиков все же считают ее конечной. Тем не менее интерпретация многих миров, которая имеет некоторые общие черты с гипотезой Мультивселенной, утверждает, что существует бесконечное количество миров или вселенных, схожих с нашими собственными, где происходит все, что когда-либо могло произойти.
Если это так, то само время должно происходить в бесконечном количестве случаев, что означает, что оно не имеет конца.
