Возвращение времени. От античной космогонии к космологии будущего

Смолин Ли

Большинство физиков считает, что уравнения Эйнштейна перестают быть применимы, потому что изучаемые модели слишком просты. Они утверждают: если учесть, что во Вселенной могут существовать локальные особенности, такие как звезды, галактики и гравитационные волны, то сингулярность была бы устранена и вы могли бы продолжить экстраполировать время назад за эту точку. Эту гипотезу было трудно подтвердить или опровергнуть, потому что до изобретения суперкомпьютеров было невозможно в полной мере изучить общие решения уравнений теории Эйнштейна. В конце концов эта гипотеза оказалась неверна. В 60-х годах Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали теорему о том, что существуют особенности во всех решениях уравнений ОТО, которые могут быть применимы к описанию нашей Вселенной.

Если ОТО верна, нельзя не прийти к заключению, что время не может быть фундаментальным. В противном случае

придется отвечать на ряд трудных вопросов, например, что было до того, как начался отсчет времени, из чего родилась Вселенная? А если законы вечны, то какими они были прежде, чем возникла Вселенная, которая управляется ими? Очевидно, что прежде возникновения Вселенной не было никакого времени, а это означает, что законы природы более фундаментальны, чем время.

В одних из этих решений ход времени, однажды начавшись, будет продолжаться вечно, пока Вселенная расширяется. В других решениях Вселенная достигает максимального расширения и затем сжимается в точку (Большое сжатие), где многие наблюдаемые величины снова становятся бесконечными. Такие решения описывают Вселенные, в которых время имеет конец. Запуск и остановка времени не являются проблемой в блочной модели, в которой история Вселенной – единое целое вне времени.

В этой картине мира реальность не пострадает, если время начинается или заканчивается. Тот факт, что решения уравнений ОТО предполагают момент начала, укрепляет позиции блочной модели: он ослабляет доводы в пользу времени как понятия более фундаментального, чем законы природы.

Итак, мы совершили экскурс в историю устранения времени из физической картины мира. Как Галилей и Декарт, мы начали с фиксации движения и времени с помощью метода построения графиков, в которых время представлено в качестве координатной оси измерения пространства. В теории относительности эти графики стали основой построения пространства-времени, вневременной картины истории Вселенной, в которой настоящее не соответствует ничему реальному. Вследствие относительности одновременности мы не можем отделить время от пространства. Мы можем лишь описать Вселенную в виде блочной модели. С СТО и ОТО, предсказания которых подтверждены экспериментально, физики получили основания принять картину реальности, в которой времени нет.

Глава 7

Квантовая космология и конец времени

После первого семестра в колледже я приехал на рождественские каникулы в Нью-Йорк и остановился у двоюродной сестры в Гринвич-виллидже. Утром я отправился на метро на свою первую конференцию по физике, громко называвшуюся “VI Техасский симпозиум по релятивистской астрофизике”. Конференция проходила в одном из шикарных отелей Манхэттена. Меня туда, конечно, не звали (и не припоминаю, чтобы я регистрировался): просто мой профессор физики Герб Бернштейн посоветовал туда заглянуть. Разумеется, я никого не знал, но мне повезло. Я познакомился с Кипом Торном из Калифорнийского технологического института (он порекомендовал мне для ознакомления с общей теорией относительности учебник, который сам недавно написал вместе с Чарльзом Мизнером и Джоном А. Уилером) [44] , а также с Лейном Хьюстоном, молодым американцем-математиком, учившимся в Оксфорде. Хьюстон долго пытался объяснить мне новейшую теорию твисторов, а после представил меня ее автору – Роджеру Пенроузу.

44

Misner, Charles W., Thorne, Kip S., and John Archibald Wheeler Gravitation. San Francisco: W. H. Freeman, 1973.

На одной из сессий я пристроился в проходе. Мимо проехал человек в инвалидной коляске. Стивен Хокинг был уже знаменит своими работами по ОТО, а еще год спустя он сделал открытие, что черные дыры – горячие. С Хокингом остановился поболтать высокий бородатый мужчина с хорошими манерами. Затем его (а это был Брайс С. Девитт) вызвали делать доклад. Не помню, о чем говорил Девитт, но я уже слышал о нем и его уравнениях, описывающих квантовые Вселенные. У меня не хватило смелости подойти. И уж конечно я не думал, что 7 лет спустя, когда я закончу кандидатскую, эти два гиганта современной физики пригласят меня работать с ними.

Девитт, Уилер, Мизнер и Хокинг стали первооткрывателями квантовой космологии, связавшей ОТО с квантовой физикой. Квантовая космология – это последняя вершина, на которую нам предстоит подняться. В описанной Девиттом, Уилером, Мизнером и Хокингом Вселенной нет времени. Квантовый

космос не развивается и не меняется, не расширяется и не сжимается: он просто-напросто есть.

Следует подчеркнуть, что квантовая космология в высшей степени спекулятивная область теоретической физики, и пока она не располагает надежными экспериментальными подтверждениями. Ей не хватает весомости теории относительности, многократно подтвержденной экспериментами и продолжающей удивлять точностью своих предсказаний.

Начнем с квантовой механики. Для начала придется объяснить, как в квантовой механике моделируются подсистемы Вселенной. Чтобы получить квантовую теорию гравитации, мы должны объединить квантовую механику с ОТО. Есть разные подходы, и, хотя известно, как сформулировать такую теорию, эксперименты пока не позволяют определить, какой подход удачнее. Поэтому сразу перейдем к включению всей Вселенной в квантовую теорию. Результатом этого явится вневременная картина природы.

Квантовая механика успешно описывает микроскопические системы вроде атомов и молекул. Но неясно вот что. После неоднократных попыток уяснить смысл квантовой механики сложилось несколько ее интерпретаций, сильно друг от друга отличающихся (в том числе и по отношению к вопросу о времени) и по-разному отвечающих на вопрос, применима ли квантовая теория ко всей Вселенной. Это в высшей степени важные проблемы [45] .

45

Подробнее см. сайт.

Мне кажется, объяснение квантовой механики следует начать с вопроса, для чего нужна наука. Многие думают, что ее цель – описывать природу, предложить картину мира, которая была бы истинной даже в случае, если бы нас не было. И если вы тоже так считаете, квантовая механика вас разочарует: она не дает картину того, что происходит в каждом эксперименте.

Нильс Бор, один из основоположников квантовой теории, утверждал, что такие люди неверно представляют себе, что такое наука. Проблема не в теории, а в том, чего мы ожидаем от нее. Бор объявил, что теория должна не описывать природу, а давать правила работы с ее объектами и язык, на котором мы можем изложить результаты.

Язык квантовой теории предполагает активное вмешательство в природу. Он описывает, как экспериментатор ставит опыты с микроскопическими системами. Экспериментатор может изолировать систему и подготовить ее; преобразовать систему, подвергая ее внешним воздействиям; измерить систему путем внедрения в нее устройств, позволяющих считывать ответы на вопросы, которые он, возможно, хотел бы задать системе. Математический язык квантовой механики описывает каждый шаг подготовки, преобразования и измерения. Из-за особого внимания к манипуляциям с системой этот подход к квантовой физике можно назвать операциональным.

Центральным математическим понятием в квантовом описании системы является квантовое состояние. Оно содержит всю информацию, которую наблюдатель может узнать о квантовой системе в результате ее подготовки и измерения. Эта информация ограничена и в большинстве случаев не позволяет достаточно точно сказать, где находятся образующие систему частицы. Квантовое состояние – это вероятное положение частиц, если бы мы взялись измерить их положение.

Рассмотрим атом, состоящий из ядра и нескольких электронов. Наиболее точное описание атома включало бы информацию о положении каждого электрона. Совокупность расположения электронов представляет собой конфигурацию. В квантовой механике лучшим является описание, которое вместо этого дает вероятность для каждой возможной конфигурации, в каковой могут быть обнаружены электроны [46] .

46

Вероятность квантового состояния вычисляется в два этапа. На первом шаге квантовое состояние может быть представлено числом для каждой возможной конфигурации. Такое число называется амплитудой конфигурации. На втором шаге вы возводите амплитуду в квадрат, чтобы получить вероятность того, что система будет находиться в такой конфигурации. Почему необходимы эти два действия? Амплитуда – комплексное число, комбинация двух простых действительных чисел. Эта кодировка позволяет вычислить вероятность для других свойств (например импульс) системы, находящейся в том же квантовом состоянии.