Для большинства людей время - одна из самых очевидных вещей. Мы видим, как движутся стрелки часов, наблюдаем смену дня и ночи, помним прошлое и ожидаем будущее. Кажется, что время должно быть одним из самых фундаментальных элементов реальности.
Однако история физики привела ученых к неожиданному результату. Чем глубже исследователи пытались понять устройство мира, тем меньше места оставалось для времени. Более того, в некоторых фундаментальных уравнениях современной теоретической физики время вообще исчезло.
Мы же с вами помним, что каким-то хитрым индейским способом математика почти всегда определяет физику. Так получается очень часто и следовательно мы подходим к популярной фразе, что времени на самом деле не существует. Давайте изучим научную логику детально.
Когда время было главным
В классической физике Ньютона время занимало особое положение. Оно считалось абсолютным и существовало независимо от любых событий. Вселенная представлялась гигантским механизмом, внутри которого все процессы происходят на фоне равномерно текущего времени.
Если записать второй закон Ньютона, то время появляется в нем напрямую. Скорость- это изменение положения со временем. Ускорение - изменение скорости со временем. Чтобы описать движение любого тела, необходимо знать, как его состояние меняется от одного момента времени к другому.
В этой картине время играло роль универсальных космических часов. Оно одинаково текло для всей Вселенной. Где бы ни находился наблюдатель время считалось одним и тем же.
На протяжении более двухсот лет такая картина прекрасно работала.
Первый удар по времени нанес Эйнштейн
Все изменилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности.
Оказалось, что время не является универсальным. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, могут измерять разные промежутки времени между одними и теми же событиями.
Это был настоящий переворот. Время перестало быть абсолютным. Оно превратилось в величину, зависящую от движения наблюдателя.
Через десять лет общая теория относительности сделала следующий шаг. Выяснилось, что гравитация тоже влияет на течение времени. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее идут часы.
Сегодня этот эффект измеряется регулярно. Часы на спутниках GPS идут немного быстрее, чем часы на поверхности Земли. Если бы инженеры не учитывали эту разницу, навигация быстро стала бы бесполезной.
Но самое важное заключалось не в этом.
Эйнштейн показал, что пространство и время нельзя рассматривать отдельно. Они образуют единую четырехмерную структуру — пространство-время.
С этого момента время перестало быть внешним фоном для физических процессов. Оно стало частью самой физической реальности.
Пространство и время стали почти одинаковыми
После появления теории относительности многие физики начали рассматривать Вселенную как четырехмерный объект.
Мы привыкли думать, что мир существует в трех измерениях пространства и движется сквозь время. Но математически теория относительности гораздо естественнее выглядит иначе. Вся история Вселенной существует сразу внутри единого четырехмерного пространства-времени.
Представьте железнодорожный путь. Для поезда существуют разные точки маршрута. Но сам путь существует целиком. С точки зрения математики теории относительности прошлое, настоящее и будущее оказываются разными областями одной и той же структуры.
Здесь возникает первый вопрос - если вся история Вселенной уже присутствует в пространстве-времени, то что именно «течет»?
В уравнениях Эйнштейна нет механизма, который заставлял бы время двигаться вперед. В них существует геометрия пространства-времени целиком и всё.
Ощущение течения времени начинает выглядеть скорее особенностью нашего восприятия, чем свойством фундаментальных законов природы.
Квантовая механика сохранила время
Интересно, что квантовая механика пошла другим путем.
В знаменитом уравнении Шрёдингера время по-прежнему присутствует.
Состояние квантовой системы меняется со временем, и время здесь играет роль внешнего параметра. Оно не является частью квантовой системы, а как будто приходит извне.
Получилась странная ситуация.
В общей теории относительности время является частью физического мира. В квантовой механике время остается внешними часами, относительно которых происходит эволюция системы.
Две самые успешные теории физики начали говорить о времени совершенно разными языками.
Долгое время это не считалось серьезной проблемой. Но затем физики попытались объединить обе теории. Именно тогда время начало исчезать.
Почему квантовая гравитация уничтожает время
Главная цель современной фундаментальной физики - создать квантовую теорию гравитации.
Она должна описывать ситуации, где одновременно важны и квантовые эффекты, и сильная гравитация. Например, внутренность черной дыры или самые первые мгновения после Большого взрыва. Это очень важная проблема и, пожалуй, одна из самых главных.
Но при попытке объединить квантовую механику и общую теорию относительности возникла неожиданная трудность. В общей теории относительности само пространство-время является физическим объектом. Оно может искривляться, растягиваться и изменяться.
Если пространство-время становится квантовым объектом, то квантовыми должны стать и пространство, и время. Однако квантовая механика требует наличия внешнего времени для описания эволюции системы.
Возникает логическое противоречие. Чтобы описывать квантовое пространство-время, нужно время. Но само время является частью этого пространства-времени. Получается замкнутый круг.
Уравнение Уилера—Девитта и великое исчезновение
В 1960-х годах физики Джон Уилер и Брайс Девитт попытались записать фундаментальное уравнение для всей Вселенной.
Результат оказался шокирующим. Полученное уравнение не содержало времени. Вообще.
Если в уравнении Шрёдингера есть производная по времени, которая отвечает за изменение квантового состояния, то в уравнении Уилера—Девитта такой производной нет.
С математической точки зрения Вселенная описывается не как объект, изменяющийся во времени, а как единое квантовое состояние. Для многих физиков это выглядело почти абсурдно. Ведь весь наш опыт говорит о постоянных изменениях. Однако математика упорно указывала на другое.
Когда гравитация полностью включается в квантовое описание мира, время перестает быть независимой переменной. Оно просто исчезает из фундаментальных уравнений. Это явление получило название «проблема времени».
Может быть, время никогда и не было фундаментальным
После появления уравнения Уилера—Девитта некоторые физики начали задавать радикальный вопрос.
А что если время вообще не является фундаментальной частью природы?
Возможно, оно похоже на температуру. Температура кажется вполне реальной величиной. Но отдельная молекула температуры не имеет. Температура возникает только при описании огромного числа частиц одновременно.
Может быть, время устроено аналогичным образом. На глубоком уровне существуют только квантовые состояния и связи между ними. А время появляется лишь тогда, когда огромное количество таких состояний образует сложную систему.
Тогда исчезновение времени из фундаментальных уравнений становится не ошибкой, а подсказкой. Мы просто пытаемся найти в микромире объект, которого там никогда не было.
Как можно получить время без времени
Одна из самых интересных современных идей заключается в том, что время может возникать из отношений между физическими объектами.
Представьте Вселенную, в которой нет часов и нет внешнего времени. Но есть множество объектов, которые могут изменяться относительно друг друга. Например, положение одной частицы может использоваться как часы для описания движения другой.
Тогда время перестает быть самостоятельной сущностью. Оно становится способом сравнения изменений. Некоторые модели квантовой гравитации показывают, что такого относительного времени может быть достаточно для восстановления привычной картины мира.
Получается удивительная возможность. На фундаментальном уровне существует только сеть взаимосвязанных состояний. А время возникает как удобное приближенное описание этих взаимосвязей.
Почему мы все равно ощущаем течение времени
Даже если время отсутствует в глубочайших уравнениях природы, наш мир от этого не становится неподвижным.Мы живем внутри чрезвычайно сложной системы, состоящей из триллионов триллионов взаимодействующих частиц.
На таких масштабах возникают новые явления, которых нет на фундаментальном уровне. Так появляются температура, давление, вязкость жидкости и многие другие свойства. Возможно, время относится к тому же классу возникающих явлений.
Тогда течение времени будет не фундаментальным законом природы, а коллективным эффектом огромного количества взаимодействий. Подобно тому как волна существует на поверхности океана, хотя ни одна отдельная молекула воды не является волной.
Исчезновение времени может оказаться величайшим открытием физики
На протяжении тысячелетий человечество воспринимало время как нечто первичное и очевидное. Однако развитие физики привело к поразительному результату. Сначала Эйнштейн лишил время абсолютности. Затем оказалось, что пространство и время представляют собой единую геометрическую структуру. А при попытке создать теорию квантовой гравитации время и вовсе исчезло из фундаментальных уравнений.
Сегодня никто не знает окончательного ответа на вопрос, что такое время на самом деле. Но одна из самых серьезных возможностей современной теоретической физики заключается в том, что времени в привычном смысле просто не существует.
Оно может быть не строительным блоком Вселенной, а лишь возникающим эффектом, который появляется на определенном уровне сложности реальности. И если это действительно так, то однажды физикам придется объяснить не то, почему время течет, а гораздо более странную вещь: почему нам вообще кажется, что оно существует.
Не забывайте ставить лайки статье и подписываться! Это очень важно для развития проекта, а вы будете видеть ещё больше интересных статей в ленте! На канале есть премиум, где много интересного.