Глава 14 Теория относительности и возвращение времени

Глава 14

Теория относительности и возвращение времени

Итак, признание реальности времени открывает новые подходы к пониманию того, как Вселенная выбирает законы, а также способы разрешения затруднений квантовой механики. Однако нам предстоит еще преодолеть серьезное препятствие – сильный довод общей (ОТО) и специальной (СТО) теории относительности в пользу блочной Вселенной. Он сводится к тому, что реальна лишь история Вселенной как вневременное целое[124].

Доводы в пользу блочной модели основаны на принципе относительности одновременности СТО (см. главу 6). Но если время реально (в том смысле, что настоящее время существует), то все наблюдатели могут согласиться, что существует граница между реальным настоящим и пока нереальным будущим. Это подразумевает универсальное, физическое понятие одновременности, которое включает в себя далекие события во Вселенной. Его можно назвать выделенным глобальным временем. Здесь мы сталкиваемся с прямым противоречием между доводом в пользу выделенного глобального времени и принципами теории относительности, не допускающими существования такого времени. Кроме того, как мы видели в главе 13, глобальное время – необходимый ингредиент любой теории со скрытыми параметрами, которая могла бы полностью описать процессы в индивидуальных квантовых системах. Таким образом, налицо противоречие между принципом относительности одновременности и принципом достаточного основания.

Цель настоящей главы – разрешить указанный конфликт в пользу принципа достаточного основания. Это подразумевает отказ от относительности одновременности и принятие противоположного утверждения – о существовании выделенного глобального времени. Заметим, что здесь не требуется отказ от теории относительности в целом. Для этого достаточно ее переформулировать. Главным для разрешения этого конфликта является более глубокое понимание ОТО и новой концепции реальности времени.

Понятие глобального времени подразумевает присутствие во Вселенной некоторого количества наблюдателей с часами. Это означает существование выделенной системы покоя, напоминающей состояние покоя у Аристотеля или эфир в физике XIX века. И то, и другое Эйнштейн разрушил своей СТО. До Эйнштейна эфир был необходим, поскольку световые волны нуждались в среде распространения. Принцип относительности одновременности подразумевает, что эфира нет, как нет и состояния покоя[125].

Это не только противоречие, но и повод впасть в уныние. Устранение эфира стало триумфом над умственной ленью: так легко жилось в мире Аристотеля! Галилей и Ньютон установили относительность инерциальных систем отсчета, что сделало невозможным обнаружение выделенного состояния покоя при наблюдении за движением тел. Но идея состояния покоя осталась в умах физиков и, когда им понадобилась среда для распространения света, породила эфир. Лишь Эйнштейн смог отказаться от этих идей. И все-таки, похоже, у нас есть все основания вернуться к идее выделенного глобального времени. То, что это противоречит победе Эйнштейна над эфиром, представляет психологический барьер для принятия доводов в пользу реальности времени (по крайней мере, в моем случае).

Прежде чем говорить о том, как теория может разрешить противоречие, оценим возможности экспериментов. Понятие выделенного глобального времени подразумевает существование выделенного наблюдателя, чьи часы измеряют это время. Это противоречит теории относительности инерциальных систем отсчета, согласно которой нет способа отличить якобы покоящихся наблюдателей от наблюдателей, двигающихся с постоянной, но произвольной скоростью.

Вселенная устроена так, что существует выделенное состояние покоя. Мы это знаем, поскольку видим в телескоп, что подавляющее большинство галактик удаляется от нас во всех направлениях примерно с одной скоростью. Но это верно лишь для одного наблюдателя. Тот же, кто стремительно удаляется от нас, видит другую картину: галактики, которые он догоняет, движутся медленнее тех, что остаются позади. Кроме того, у нас достаточно доказательств того, что галактики равномерно распределены в пространстве. По крайней мере, их расположение усредняется на достаточно больших масштабах, то есть Вселенная одинакова в любом направлении. Отсюда следует, что в каждой точке пространства может находиться один наблюдатель, который видит галактики, удаляющиеся от него с одной и той же скоростью во всех направлениях[126]. Так, с помощью движения галактик в каждой точке пространства можно выбрать выделенного наблюдателя и, следовательно, выделенное состояние покоя. Другой способ выбрать выделенных наблюдателей связан с измерением реликтового или микроволнового фонового излучения (МФИ). Такие наблюдатели регистрируют МФИ с одной и той же температурой во всех направлениях небесной сферы[127].

К счастью, группы наблюдателей, выбранных первым и вторым способом, совпадают. В среднем галактики находятся в состоянии покоя в той же системе отсчета, в которой МФИ обладает одной и той же температурой независимо от направления. Вселенная устроена так, что существует выделенное состояние покоя. Но это не должно противоречить принципу относительности движения. Теория может иметь симметрию, которая в ее решениях не соблюдается, и, напротив, решения нередко нарушают симметрию теории. Тот факт, что в пространстве нет принципиально предпочтительного направления, не мешает ветру дуть сегодня с севера. Наша Вселенная представляет собой лишь одно из решений уравнений ОТО. И это решение может быть асимметричным, то есть содержать выделенное состояние покоя, при этом не нарушая принцип наличия симметрии в теории. Возможно, наша Вселенная образовалась с самого начала с нарушением симметрии.

С другой стороны, мы хотели бы знать, почему во Вселенной явно существуют выделенные наблюдатели. Это еще один вопрос о том, почему начальные условия Вселенной были особенными. И на этот вопрос ОТО не может ответить (еще один признак того, что она не является полной теорией). Поэтому, возможно, выделенное состояние покоя во Вселенной представляет нечто более фундаментальное, чем ОТО.

Если так, то это состояние должно проявиться в других экспериментах. Однако в масштабах меньших, чем космологические, принцип относительности инерциальных систем отсчета тщательно проверен, и множество экспериментальных данных подтверждает предсказания специальной теории относительности. Многие из этих предсказаний можно интерпретировать как проверку того, существует ли выделенное состояние покоя[128].

Таким образом, наблюдения противоречивы. В самом крупном масштабе получены доказательства существования выделенного состояния покоя, которое должно быть объяснено присутствием чего-либо особенного в начальных условиях Вселенной. А во всех меньших масштабах опыт говорит нам, что принцип относительности верен. Недавно был найден выход. Оказывается, ОТО можно элегантно переформулировать как теорию, в которой присутствует понятие выделенного времени. Это просто иной способ ее представления, но он предлагает новую физически выделенную синхронизацию часов во Вселенной. Более того, выбор синхронизации часов зависит от распределения материи и гравитационного поля во всей Вселенной и поэтому не сводится к ньютонову абсолютному времени. Его также невозможно обнаружить с помощью любых локальных измерений. Поэтому он полностью совместим с принципом относительности для малых подсистем Вселенной.

Эта теория называется формодинамикой[129]. Ее главный принцип: все реальное в физике связано с формой объектов, и все реальные изменения – это просто изменения форм. Размер, в сущности, не имеет значения, и то, что объекты кажутся нам имеющими размер – лишь иллюзия.

Формодинамика появилась благодаря Джулиану Барбуру (см. главу 7). Он большой поклонник реляционной концепции пространства и времени, и работа над формодинамикой началась с его попыток сделать физическую картину мира настолько реляционной, насколько это возможно. В последнее десятилетие он очень продвинулся по этому пути вместе с Ниалом О’Модаха и несколькими молодыми коллегами, однако теорию доработали летом и осенью 2010 года трое ученых из института теоретической физики “Периметр”: аспиранты Шон Гриб и Энрике Гомес и постдок Тим Козловски[130].

Если вы знакомы с основными положениями теории относительности, вы легко разберетесь и в формодинамике – естественном ее продолжении. Давайте вспомним некоторые аспекты одновременности. Имеет смысл говорить о двух соседних событиях, происходящих одновременно. Мы также можем упорядочить их во времени. Это важно, поскольку одно событие может быть причиной другого. Но когда мы попытаемся упорядочить события, далекие друг от друга, мы увидим, что в этом случае отсутствует абсолютный порядок их следования во времени, о котором все наблюдатели могут прийти к согласию. Для некоторых наблюдателей два события могут быть одновременными, для других первое событие может опережать второе.

Барбур утверждает, что размер ведет себя точно так же. Если у нас имеются два объекта рядом, имеет смысл упорядочить их по размеру: если мышь помещается в коробку, имеет смысл сказать, что мышь меньше коробки. Если у вас два футбольных мяча, имеет смысл сказать, что у них одинаковый диаметр. Эти сравнения имеют физический смысл, все наблюдатели соглашаются с результатом.

Но зададимся вопросом: размер нашей мыши меньше, чем размер мыши в коробке в соседней галактике? Этот вопрос имеет смысл? Все ли наблюдатели согласятся с ответом? Проблема в том, что, поскольку они далеко друг от друга, вы не можете посадить мышь в коробку, чтобы сравнить. Можно переместить коробку ближе к мыши и проверить, помещается ли она в коробку. Но это ответ на другой вопрос, потому что тогда коробка и мышь окажутся в одном месте. Можно ли быть уверенным, что нет физического эффекта расширения всего, что мы перемещаем в нашу Галактику? Не увеличивается ли коробка размером с мышиный глаз настолько, что вмещает мышь целиком? Конечно, мы можем оставить коробку там, где она есть, и вместо этого отправить в другую галактику линейку. Но можно ли быть уверенным, что с линейкой не произойдет обратное, что она не уменьшится по мере продвижения от мыши к коробке?

Эти рассуждения привели Барбура и его коллег к выводу: не стоит сравнивать размеры объектов, удаленных один от другого. Можно сравнить их форму, потому что она произвольно не изменяется. Единственным исключением из относительности размеров является вся Вселенная, объем которой зафиксирован. Это непросто объяснить. Если вы сжали все предметы в одном месте, то в другом, чтобы скомпенсировать сжатие, все настолько же увеличится, и общий объем Вселенной останется прежним.

Хотя формодинамика и радикальна по отношению к размерам, в отношении времени она занимает консервативную позицию: ход времени одинаков во всей Вселенной, и вы не можете изменить его. В ОТО, напротив, размеры объектов остаются неизменными при их перемещении в пространстве, так что имеет смысл сравнивать размеры удаленных друг от друга предметов. При этом в ОТО скорость хода времени относительна. Нет смысла спрашивать, отстают или спешат часы далеко от нас по сравнению с часами рядом: ускорение и замедление далеких часов для различных наблюдателей неодинаковы. Даже если вам удастся синхронизировать свои часы с удаленными, они легко могут рассинхронизироваться, потому что нет физического смысла синхронного хода времени.

Словом, в ОТО размер универсален, а время относительно, а в формодинамике наоборот. Примечательно, что эти две теории эквивалентны друг другу, потому что вы можете (с помощью некоего математического приема, о котором нет нужды здесь рассказывать) заменить относительность времени на относительность размеров. Можно описать историю Вселенной двумя способами: на языке ОТО и формодинамики. Физическое содержание обоих описаний будет одним и тем же, и любой вопрос о количественных наблюдаемых будет иметь один ответ.

Когда история описывается на языке ОТО, определение времени произвольно. Время относительно, и нет смысла говорить о времени в удаленных областях Вселенной. Но когда история описана на языке формодинамики, универсальным понятием является время. Ценой, которую вы платите за это, является размер, который в этом описании становится относительным, и лишается смысла сравнение размеров объектов, разделенных большим расстоянием.

Как и дилемма “волна – частица” в квантовой теории, это пример дуальности: два описания одного и того же феномена используют два подхода, каждый из которых завершен, но не совместим с другим. Такая двойственность – одно из самых глубоких открытий современной теоретической физики. Она была предложена в несколько иной форме[131] в 1995 году Хуаном М. Малдасеной в контексте теории струн и стала наиболее плодотворной идеей в этой области. Сейчас точная связь между формодинамикой и дуальностью Малдасены остается неясной, но, похоже, она существует[132].

Хотя в ОТО нет выделенного времени, оно присутствует в дуальной теории. Мы можем использовать тот факт, что обе теории являются взаимозаменяемыми, и перевести время из мира формодинамики в мир теории относительности. Там оно проявит себя в качестве выделенного времени, скрытого в уравнениях[133].

Понятие глобального времени подразумевает, что для каждого события в пространстве-времени найдется наблюдатель. Но нет способа определить такого наблюдателя с помощью эксперимента, проведенного в небольшой области. Выбор специального глобального времени определяет то, как материя распределена во Вселенной. При этом эксперименты согласуются с принципом относительности в масштабах меньших, чем Вселенная. Так в формодинамике достигается согласие между экспериментальными подтверждениями принципа относительности и необходимостью глобального времени. Последнее необходимо в теории эволюционирующих законов и для объяснения квантовых явлений с помощью скрытых параметров. Как я отмечал, лишь один количественный параметр не разрешается изменять, когда вы растягиваете или сжимаете шкалу: объем Вселенной. Это придает понятию полного объема Вселенной универсальный смысл и может быть принято за универсальные физические часы. Время вернулось.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.