Существует ли время или это иллюзия?

Время — это то, что мы обычно измеряем с помощью часов: устройств, которые регистрируют его течение от одного момента к другому. Хотя есть интересный философский довод, что время — это иллюзия, тот факт, что мы можем измерить, количественно оценить и не можем остановить его течение, убедительно свидетельствует о том, что оно действительно существует.

Ход времени — это то, что мы все переживаем, переходя от одного момента к другому. Но может ли это всё быть просто иллюзией?

Одним из самых важных аспектов физики, как и любой науки в целом, является постоянная проверка ведущих физических теорий. Вы можете оспаривать предыдущие результаты, методы, использованные для их получения, создавать новые тесты в новых областях потенциального применения и даже подвергать сомнению предположения, лежащие в их основе. Когда дело доходит до нашего понимания Вселенной, мы верим, что обитаем в четырехмерной "ткани", известной как пространство-время, с тремя пространственными измерениями и одним временным, которые неразрывно связаны друг с другом.

Все это, конечно, предполагает, что само время — это реальная вещь: физически реальная и фундаментальная по своей природе. Но являются ли эти предположения обязательно истинными? Есть ли способ обойти их, и может ли время быть просто иллюзией, хотя и убедительной? Именно это хочет узнать Дэйв Дрюс, который пишет с вопросом:

"Мы все слышали философский вопрос: 'Если дерево падает в лесу и никто не слышит, издает ли оно звук?' Некоторые люди считают, что время — это иллюзия, конструкция человеческого разума и опыта. Если это так, то существует ли время, если нет разумных существ, чтобы его воспринимать?"

Это трудный вопрос, и у нас есть множество способов подойти к нему. Попробуем быть как можно более всеобъемлющими, рассматривая этот ключевой вопрос: существует ли время?

Пример светового конуса, трехмерной поверхности всех возможных световых лучей, приходящих в точку пространства-времени и исходящих из нее. Чем больше вы движетесь в пространстве, тем меньше вы движетесь во времени, и наоборот. Только вещи, содержащиеся в вашем прошлом световом конусе, могут повлиять на вас сегодня; только вещи, содержащиеся в вашем будущем световом конусе, могут быть восприняты вами в будущем. Это иллюстрирует плоское пространство Минковского, а не искривленное пространство общей теории относительности.

Природа времени

Мы когда-то думали, еще в начале 20 века, что время одинаково для всех. Что независимо от того, где вы находитесь, с какой скоростью вы движетесь и когда вы его измеряете, все, везде и всегда будут согласны с тем, что такое время: мы будем измерять его течение одинаково для всех. Но оказалось, что хотя мы можем:

• измерять его,
• количественно оценивать его,
• наблюдать его течение
• и наблюдать и измерять последствия его прохождения,

ответ на, казалось бы, простой вопрос "сколько времени прошло" между любыми двумя событиями оказывается разным для всех.

Эйнштейн научил нас, что ответ на вопрос "сколько времени прошло" между началом и концом любого события сильно зависит от того, где вы находитесь и как вы двигаетесь в момент наблюдений. Например, если вы находитесь в движущемся поезде и стреляете световой волной от одного конца поезда к другому (или к потолку и затем к полу), вы получите определенное значение времени, за которое свет достигнет другого конца поезда. Если же вы находитесь на платформе и наблюдаете, как человек в поезде стреляет светом, вы получите другой ответ, чем наблюдатель, движущийся в поезде вместе со светом.

«Световые часы» будут казаться идущими по-разному для наблюдателей, движущихся с разной относительной скоростью, но это связано с постоянством скорости света. Закон специальной теории относительности Эйнштейна управляет тем, как эти преобразования времени и расстояния происходят между разными наблюдателями. Однако каждый отдельный наблюдатель будет видеть, что время идет с одинаковой скоростью, пока он остается в своей собственной системе отсчета: одна секунда в секунду.

Для человека в движущемся поезде потребуется определенное количество времени, чтобы свет достиг дальнего конца поезда. Но для человека на земле ответ будет не только другим и более длительным, но и он придет к выводу, что человек (и всё остальное) в поезде стареет медленнее, чем он сам. Для неподвижного наблюдателя объект в движении стареет медленнее, чем объект в покое.

Причина этого явления заключается в том, что "абсолютная" величина в природе — это не пространство и не время, а скорость света в вакууме: максимальная скорость, с которой что-либо может двигаться через пространство и время вместе. Оказывается, чем больше ваше движение через пространство, тем меньше ваше движение через время и наоборот. Это означает, что если вы хотите максимально увеличить своё движение через время, вы останетесь абсолютно неподвижными; любой, кто находится в относительном движении к вам, будет испытывать более медленное течение времени.

Для наблюдателя на земле по сравнению с наблюдателем в поезде их измерения будут разными, но они будут последовательно разными друг с другом. Когда вы выполните расчеты времени, прошедшего для одного наблюдателя относительно другого, каждый наблюдатель сможет правильно предсказать не только показания своих собственных часов, но и показания часов другого наблюдателя. Всё, что нужно, — это знание специальной теории относительности.

На этой фотографии изображены Хафеле, Китинг и их двое атомных часов во время кругосветного полета, где они экспериментально проверили замедление времени. Неопознанный бортпроводник наблюдает. Этот полет 1972 года был первым экспериментом по непосредственному измерению направленного замедления времени, обусловленного как специальной, так и общей теорией относительности.

Время, которое мы воспринимаем

Когда дело доходит до наших восприятий, мы знаем, каково это — "ощущать" течение времени. Даже если время относительно для наблюдателя, это всё равно подразумевает его существование, просто добавляя немного контринтуитивности к его свойству: его относительности, что является свойством, с которым мы в основном не знакомы из-за того, что мы обычно движемся через пространство медленно по сравнению со скоростью света. Однако стоит рассмотреть еще одну идею: что наше восприятие течения времени, или его существования вообще, является лишь иллюзией, вызванной каким-то другим явлением, помимо фундаментального "тикающего часов", которое мы используем для измерения течения времени.

Одной из интересных перспектив для рассмотрения является изучение понятий симметрии в физике. Одной из самых глубоких теорем во всей физике является теорема Нётер, которая связывает симметрии в физике с сохранением физических величин. И одной из самых простых физических систем для рассмотрения является система прыгающего мяча. Если вы посмотрите фильм о мяче, падающем под действием гравитации, вы не сможете определить, всё ли равно, идет ли время вперед, и гравитация тянет мяч вниз с высоты, или же время идет назад, и вы видите, как мяч, брошенный вверх, преодолевает сопротивление гравитации.

Это потому, что законы движения подчиняются симметрии обратимости времени: законы одинаковы, независимо от того, идет ли время вперед или назад.

Мяч в середине прыжка, как показано здесь, может двигаться вправо и терять энергию с каждым последующим прыжком, или может двигаться влево и набирать энергию с каждым последующим прыжком. Хотя законы движения Ньютона одинаковы, независимо от того, движете ли вы часы вперед или назад во времени, не все правила физики ведут себя одинаково, если вы движете часы вперед или назад.

Это относится не только к законам движения, но и почти ко всем законам физики. Три из четырех фундаментальных взаимодействий во Вселенной — гравитация, электромагнетизм и даже сильное ядерное взаимодействие — все подчиняются этой симметрии обратимости времени. Законы, которым они подчиняются, одинаковы, независимо от того, идет ли время вперед или назад, и, просто наблюдая за тем, как частицы в вашей системе развиваются в соответствии с этими законами, вы не сможете определить, в каком направлении течет время.

Однако оказывается, что существуют два способа различить физическую разницу между системами, которые работают либо вперед, либо назад во времени. Первый — это наблюдение за реакциями, которые происходят через слабое ядерное взаимодействие, например, радиоактивный распад. Представьте, что у вас есть тяжелое атомное ядро, полное протонов и нейтронов. Если в этом ядре много нейтронов по сравнению с числом протонов, существует вероятность, что ядро претерпит специфический вид радиоактивного распада: бета-распад.

Бета-распад — это когда один из нейтронов в ядре распадается на протон, электрон и антинейтрино, что происходит у многих элементов и изотопов. Более того, это происходит даже у свободных (несвязанных) нейтронов, которые не являются частью какого-либо большего атомного ядра.

Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Только если (отсутствующая) энергия и импульс нейтрино включены, эти величины могут быть сохранены. Переход от нейтрона к протону (и электронному и антиэлектронному нейтрино) энергетически выгоден, поскольку дополнительная масса преобразуется в кинетическую энергию продуктов распада. Обратная реакция, когда протон, электрон и антинейтрино объединяются, чтобы создать нейтрон, никогда не происходит в природе.

Часто случается, что нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Но никогда не происходит так, чтобы протон, электрон и антинейтрино спонтанно реагировали друг с другом, образуя нейтрон. Фактически, в различных аспектах слабое взаимодействие является эталоном для реакций с нарушением симметрии обратимости времени в физике. Это не только бета-распад нейтронов нарушает симметрию обратимости времени, но и все распады, вызванные слабым взаимодействием.

Второй способ определить, идет ли система вперед или назад во времени, гораздо более распространен и знаком. Каждый раз, когда мы делаем что-то вроде:

• взбивания и приготовления яйца,
• открытия дверцы холодильника в отапливаемом доме,
• или случайного разбивания стеклянного или фарфорового сосуда,

мы создаем ситуацию, при которой увеличивается энтропия нашей системы, или где термодинамическая стрела времени направлена вперед.

Вы, вероятно, слышали о концепции энтропии как о "мере беспорядка" в физической системе, но то, что происходит внутри, гораздо глубже. Внутри любой системы существует некий градиент энергии. Не взбитое яйцо имеет градиент энергии между белком и желтком, и барьер вокруг желтка предотвращает их смешивание. В неготовом яйце есть потенциальная энергия, хранящаяся в его молекулах, и когда вы готовите их, эта (химическая) энергия высвобождается, образуя новые связи и изменяя структуру яйца. В стеклянном или фарфоровом сосуде есть потенциальная энергия в его структуре, и когда он разбивается, эта потенциальная энергия высвобождается.

Бокал для вина, если его вибрировать с нужной частотой, разобьется. Это процесс, который резко увеличивает энтропию системы и является термодинамически выгодным. Обратный процесс, когда осколки стекла снова собираются в целый, неразбитый стакан, настолько маловероятен, что он никогда не происходит спонтанно на практике. Однако, если бы движение отдельных осколков, когда они разлетаются, было бы точно обратным, они бы действительно слетели вместе и, по крайней мере на мгновение, успешно собрали бы бокал для вина. Симметрия обращения времени точна в ньютоновской физике, но не соблюдается в термодинамике.

Тем не менее, хотя верно, что термодинамическая стрела времени всегда направлена вперед — энтропия замкнутой изолированной системы никогда не может уменьшаться, а только увеличиваться — это неверно, что это либо вызывает, либо связано с воспринимаемым течением времени. Мы можем проверить это, искусственно уменьшая энтропию внутри системы, делая её незамкнутой и не изолированной, а вводя в систему энергию таким образом, чтобы энтропия в ней уменьшалась. Например, мы можем взять комнату, заполненную горячими и холодными частицами, поместить перегородку в комнату и открыть отверстие в перегородке каждый раз, когда:

• холодная частица перемещается с левой стороны на правую,
• горячая частица перемещается с правой стороны на левую,

и держать перегородку закрытой во всех других случаях. Переход от одной большой комнаты с равномерной температурой к состоянию, когда у вас есть две разделенные комнаты, одна заполнена горячими частицами слева, а другая холодными частицами справа, представляет собой значительное уменьшение энтропии. Однако, если у вас есть способ измерить течение времени из любой точки внутри любой из комнат, вы обнаружите, что ваши восприятия не говорят вам, что время идет назад, даже если энтропия уменьшается.

Другими словами, наше восприятие течения времени — что оно движется вперед со скоростью одна секунда за секунду для любого наблюдателя — не связано с термодинамической стрелой времени и увеличением (или нет) энтропии.

На этой иллюстрации показаны две стороны комнаты: горячая и холодная, с демоном между ними, способным открывать и закрывать разделитель между ними. Если разделитель открыт, газы смешаются; если газы изначально были хорошо перемешаны, демон, открывающий и закрывающий разделитель, может сортировать комнату, даже для закрытой (но не изолированной) системы.

Является ли время иллюзией?

Существует старый философский вопрос: "Если дерево падает в лесу, и никто не слышит, издает ли оно звук?" Как правильно отметил Барт Симпсон, абсолютно издает. Хотя философская идея состоит в том, что "звук" не может существовать без "слушателя", мы теперь знаем, что звук — это просто звуковая волна, состоящая из коллективного движения частиц: через воздух, воду или твердую Землю, и что он существует независимо от того, есть ли слушатель (или наблюдатель), чтобы испытать эффект "звука" для себя. Макроскопическая реальность существует, независимо от того, есть ли наблюдатель, чтобы её наблюдать или нет.

Однако эта идея не всегда верна на квантовом уровне. Существует знаменитый эксперимент, который был проведен — в разных вариациях — с 19 века: эксперимент с двойной щелью. Если вы отправите волну, например, водную волну, через две щели, часть волны, проходящая через них, создаст интерференционную картину на другой стороне. Это работает не только для классических волн, но и для фотонов, электронов и любых других квантовых частиц, проявляющих волновые свойства, даже если вы отправляете их через двойную щель по одному.

Однако, если вы измерите, через какую щель проходит каждый отдельный фотон или электрон, вы не получите интерференционную картину; просто два "кучки" частиц. Это как если бы природа знала, наблюдаете ли вы её или нет.

Установив подвижную маску, вы можете выбрать, заблокировать ли одну или обе щели для эксперимента с двумя щелями, наблюдая за результатами и их изменением при движении маски. Пока обе щели не загорожены и вы не измеряете, через какие «щелевые» частицы проходят, вы увидите интерференционную картину.

Может ли это быть верно и для времени? Может ли время не существовать, пока — и если — нет наблюдателя, чтобы его измерить?

Это кажется невероятно маловероятным, и есть веская причина, на которую мы можем указать: прямые наблюдения ранней Вселенной. Мы знаем, что по законам физики на самых ранних стадиях Вселенной не было наблюдателей вообще. Потребовалось много событий, чтобы возникло что-то, способное наблюдать, включая:

• создание материи вместо антиматерии,
• образование атомных ядер,
• образование нейтральных атомов,
• образование множества поколений звезд для создания тяжелых элементов,
• и для этих тяжелых элементов нужно было пройти через огромное количество химических реакций, чтобы создать что-то, способное наблюдать Вселенную.

И все эти процессы заняли как минимум несколько сотен миллионов лет, а возможно, и миллиарды лет, учитывая, как медленно возникает и развивается жизнь. Тем не менее, когда мы смотрим на далекую Вселенную, мы видим доказательства того, что все эти вещи происходили очень давно: задолго до появления наблюдателей. Это представляет собой сильное доказательство того, что время существовало в реальном физическом смысле задолго до появления наблюдателей. У нас есть возможность с помощью современных обсерваторий вернуться и посмотреть на эти доказательства — от космического микроволнового фона до обилия легких элементов до самых ранних звезд и галактик — когда захотим.

JADES-GS-z14–0, в верхнем врезном поле, находится позади (и чуть правее) более близкой, более яркой, более голубой галактики. Только благодаря мощности спектроскопии с невероятным разрешением, способной разделить два источника, удалось определить природу этого рекордно далекого объекта. Его свет приходит к нам из того времени, когда Вселенной было всего 290 миллионов лет: всего 2,1% от ее нынешнего возраста. JADES-GS-z14–1, чуть ниже, приходит из того времени, когда Вселенной было ~300 миллионов лет.

Единственный способ, которым время может быть иллюзией, — это возможность того, что оно является возникающим свойством Вселенной, а не фундаментальным. Мы считаем пространство, время и частицы (кванты) фундаментальными сущностями во Вселенной, тогда как величины, которые можно вывести из них, такие как энтропия, являются возникающими свойствами. Однако существуют альтернативные формулировки, которые математически осуществимы, где вы можете делать такие вещи, как рассматривать энтропию как фундаментальную, а затем другие свойства, включая время, можно выводить как возникающие. Хотя и время, и энтропия явно существуют с физической точки зрения, не обязательно ясно, что из них является фундаментальным, а что возникающим; это не то, что мы знаем, как проверить в настоящее время.

Тем не менее, мы можем быть достаточно уверены, что время действительно существует, по крайней мере на каком-то уровне. Когда физика задается вопросом о существовании чего-либо, вопросы, которые мы обычно задаем, включают:

• Можете ли вы измерить это?
• Можете ли вы количественно оценить это?
• Можете ли вы определить это математически самосогласованным образом?
• Является ли это само по себе наблюдаемой величиной?
• И зависят ли другие наблюдаемые величины от этой неразрывным образом?

От квантового до макроскопического до космического уровня, ответ на все эти вопросы "да", когда дело доходит до времени. Хотя существуют многие странности в его поведении и многие недостатки в любом определении, которое мы пытаемся ему присвоить (аналогично энергии), всё, что мы можем наблюдать, измерять и проверять о нём, указывает на его реальность. Если это действительно иллюзия, то это иллюзия, обманувшая даже наши лучшие методы понимания нашего физического существования до сих пор.