Ликбез про время
«Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что это такое; если же я хочу объяснить это спрашивающему, - нет, не знаю» - Августин Аврелий
Мы живём во времени. Мы тратим его, экономим, убиваем и теряем. Спросите себя: «Что это такое время?», как ответ ускользает. Это самая знакомая и одновременно самая загадочная величина во Вселенной. С точки зрения физики, время - это не просто тиканье часов. Это гибкая, динамичная и порой пугающая сущность, которая переплетена с тканью самой Вселенной. Сегодня постараемся разобраться в форме краткого ликбеза что же это и можем-ли мы им управлять.
Как Эйнштейн часы сломал
До начала XX века наука жила в уютном мире Исаака Ньютона. Это мир строгого порядка, симметрии и предсказуемости, существующий только в идее как показала практика, ведь наш мир вообще не идеален. В модели мира Ньютона время было абсолютным. Это значит, что для всей Вселенной оно идёт одинаково, есть какая-то общая точка системы отсчёта.
Однако вот уже в 1905 году Альберт Эйнштейн открывает специальную теорию относительности. Чтобы скорость света оставалась постоянной, изменяться должны пространство и время.
Из неё следует, что время не одинаково для всех. Оно относительно. Чем быстрее вы движетесь, тем медленнее для вас течет время по сравнению с теми, кто стоит на месте. А два события или более событий, которые кажутся одновременными вам, могут произойти в разное время для наблюдателя, пролетающего мимо на ракете. Ваши биологические часы, сердцебиение и старение действительно замедляются при высоких скоростях.
Учёный не остановился и на этом, он объединил три измерения пространства (длину, ширину, высоту) и одно измерение времени в единую сущность - пространственно-временной континуум.
Уже в 1915 году Альберт Эйнштейн открывает общую теорию относительности, добавив к пространственно-временному континууму гравитацию. Материя говорит пространству, как искривляться, а пространство говорит материи, как двигаться.
Представьте себе туго натянутое резиновое полотно. Если положить на него тяжелый шар для боулинга (в нашем случае, например, звезду), полотно прогнется. Всё точно так же происходит и в мире. Это искривление - гравитация. Но искривляется не только пространство, искривляется и время. Чем сильнее гравитация, тем медленнее течет время.
Кротовые норы
Официальное название - мост Эйнштейна-Розена. Это гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, которая соединяет две удалённые точки коротким туннелем.
Помните аналогию с резиновым полотном? Представьте, что на полотне есть 2 точки А и Б и вы согнули ткань так, чтобы точки касались друг друга. Если вы проткнёте это место шилом, вы получите туннель - ту самую кротовую дыру.
У нас есть ряд проблем с такими дырами:
1. Гравитация. Уравнения Эйнштейна допускают существование таких нор, но они крайне нестабильны. Как только вы попытаетесь войти в такую нору, гравитация схлопнет её горловину быстрее скорости света. Вы будете раздавлены в сингулярности, так и не выбравшись с другой стороны.
2. Экзотическая материя. Чтобы держать горловину открытой, нужно что-то, что «расталкивает» пространство, противодействуя гравитации. Обычная материя (имеющая положительную массу) притягивает. Нам нужна экзотическая материя - субстанция с отрицательной плотностью энергии. Существует-ли она? Теоретически, квантовая механика допускает состояния с локальной отрицательной энергией, но мы не знаем как получить достаточное количество для кротовой дыры.
Кротовые норы так же рождают парадоксы путешествий во времени. Если у нас есть такой туннель, который позволяет мгновенно перемещаться из точки в точку, почему бы нам не поставить один вход на Земле, а второй на космическом корабле с околосветовой скоростью? Как уже было сказано выше, чем выше ваша скорость, тем медленнее течёт время. После, давайте приземлил корабль. Теперь входя в тоннель из первой точки, мы будем попадать в во вторую точку - прошлое (так как время для этого входа текло медленнее, чем для первого). Недурно, не так-ли?
Представьте, бильярдный шар катится по столу к одной лузе - это вход в машину времени. Траектория рассчитана так, что шар вылетит из выходной лузы (которая находится в прошлом, за пару секунд до этого) и ударит сам себя - того, «молодого» шара, который еще только катится ко входу. Удар собьет «молодой» шар с курса, и он не попадет в машину времени.
Проверим физик вы или логик. Вопрос на засыпку: прошлое изменится или шар по какой-то причине не сможет себя ударить как следует?
Так вот в физике у нас есть принцип согласованности Новикова. Вселенная физически запрещает парадоксы. В случае с шаром: как бы вы ни старались настроить траекторию, «вернувшийся» шар ударит «молодого» лишь по касательной. Этот слабый удар слегка изменит траекторию «молодого», но ровно настолько, чтобы он все-таки попал в машину времени и стал тем самым «вернувшимся» шаром, наносящим слабый удар. Петля времени всегда самосогласована. Свободы воли в прошлом не существует. То, что случилось, неизбежно.
Стрела времени
Если уж заговорили про путешествие в прошлое, фундаментальным будет вопрос: «А почему время не течёт во все стороны?». Вот тут ответ у нас уже есть, кроется он в энтропии и во 2 законе термодинамики.
Энтропия - мера беспорядка/мера хаоса в системе.
2 закон термодинамики гласит: энтропия в изолированной (замкнутой) системе всегда возрастает или остаётся неизменной, достигая максимального значения в состоянии термодинамического равновесия.
К слову, второй закон термодинамики не запрещает уменьшение энтропии в неизолированных системах, но при увеличении энтропии в окружающей среде.
Что из этого следует?
Согласно формуле Больцмана (S=k*ln(W)), системы эволюционируют от менее вероятных состояний (порядок) к более вероятным (хаос). Стрела времени существует только потому, что наша Вселенная началась в состоянии экстремально низкой энтропии (Большой взрыв).
Представьте кружку целую и уже разбитую. У целой кружки энтропия куда меньше, чем у разбитой. Следовательно вероятность того, что кружка когда-нибудь разобьётся в огромное количество раз выше, чем у разбитой собраться в целую (но, благодаря математике, есть такое понятие как «ненулевая вероятность»).
Квантовая гравитация
С открытием квантовой механики у нас появились противоречия. В общей теории относительности время - динамическое, физическое измерение. Его течение зависит от массы и скорости наблюдателя. В квантовой механике время - просто параметр, на фоне которого происходят квантовые события. Оно не является квантованным или динамическим, а предполагается бесконечно точным и непрерывным.
Когда физики пытаются объединить эти теории в квантовую гравитацию (то есть, квантовать само гравитационное поле, или пространство-время), они пытаются сделать динамическое время квантовым, но в рамках квантовой механики для этого нет места, потому что она требует внешнее, классическое время.
Главное математическое выражение этого конфликта - это уравнение Уилера-Де Витта. Это попытка записать уравнение Шредингера для Вселенной в целом, учитывая принципы Эйнштейна.
Не буду грузить вас формулами, просто рассмотрим вывод: уравнение описывает состояние без изменений. Оно предполагает, что волновая функция Вселенной не зависит от времени. То есть, в этом фундаментальном описании, Вселенная статична. Знаете что из этого следует? Если уравнение квантовой гравитации является верным, то время, как мы его понимаем (как течение, как поток), не является фундаментальным свойством реальности. То есть его вообще не существует, время - иллюзия.
Вывод
Исследование природы времени выводит нас за рамки повседневного опыта, ставя под вопрос саму ткань реальности. Время предстает не как простая река, а как многомерный феномен, чьё определение зависит от масштаба наблюдения - от нейронов в нашем мозгу до края Вселенной. Это многослойная тайна, которая является одновременно четырёхмерным измерением, статистической мерой хаоса, возможной математической иллюзией и, вероятно, самой большой преградой на пути к окончательной теории Вселенной.