Краткая теория времени - Карло Ровелли

характеристик макроскопического мира? К концу девяностых годов я работал над одним возможным решением этой проблемы. Идея имела большое влияние на обстоятельства моей жизни: она привела меня в Европу – благодаря новому другу и по новому интеллектуальному маршруту.

Вселенная огромна и сложна. В ней существуют миллиарды частиц и еще больше переменных, описывающих поля. Мы никогда не контролируем все переменные задачи. Когда у нас есть этот контроль (то есть в самых простых случаях), мы убеждаемся, что система подчинена уравнениям динамики, а на фундаментальном уровне, как мы видели, время в таких уравнениях не появляется. Но в большинстве случаев мы измеряем лишь маленькую часть неисчислимых переменных, характеризующих систему. К примеру, если мы изучаем кусок металла при определенной температуре, мы можем измерить эту его температуру, его величину, его положение, но не микроскопические движения каждого его атома, которые, как нам известно, и есть причина температуры. В таких случаях мы используем для описания физической системы не только уравнения динамики, но в равной степени и те, которые применяются в статистической механике и термодинамике. Эти статистические уравнения позволяют нам делать предсказания, даже если мы и не знаем в точности изменения всех микроскопических переменных. Так, термодинамика – это раздел физики, которая изучает системы, состоящие из большого количества частиц и описанные статистическими законами, а не на уровне каждой из частиц.

Мысль о том, как можно было бы, исходя из вневременно́й фундаментальной теории, достичь макроскопического времени, заключалась в следующем: время появляется только в контексте термодинамической статистики. Это значит, что оно может быть таким феноменом, который возникает в результате ряда процессов в очень малом масштабе, но дает о себе знать только на шкале более крупных величин, макроскопической. Иначе можно выразить это так: время – это следствие нашего незнания детального устройства мира. Если бы мы знали в совершенстве все детали мироздания, на уровне каждого отдельного атома, у нас не было бы ощущения того, что время течет. Но мы воспринимаем только средние арифметические и равнодействующие, и отсюда возникает новое понятие – время; точно так же как мы испытываем общее впечатление тепла там, где накладываются большие количества движущихся молекул. На уровне молекул мы видим только движения, ни одна из них сама по себе не теплая.

Я долго работал над этой идеей времени как феномена, в виде которого что-то выявляет себя для нас, и над математическим обоснованием такой идеи. Математика должна была показать, как типичные явления, связанные с протеканием времени, могут возникать в безвременном мире, поскольку наши восприятие и познание ограничены. Однажды я попал в Институт Ньютона в Кембридже, в Англии, один из тех великолепных институтов, куда приглашают ученых со всего мира с единственной целью – увидеться со своими коллегами и обменяться идеями. Но слегка претенциозная обстановка, царящая в Кембридже, не очень-то мне понравилась, и я уже начал думать, что зря теряю здесь время, когда в один из вечеров оказался за столом рядом с исключительной личностью – Аленом Коном.

Ален – один из величайших из ныне живущих математиков. Он получил самые значимые международные премии в своей области. Когда мы начали разговор, я обнаружил, что это мужчина, обладающий энтузиазмом и страстностью мальчика и потрясающим умом. Он был настоящим вулканом идей, не только математических, но и физических, и в этой сфере он тоже добился удивительных результатов.

Мы сидели рядом во время обеда, в немного скованной и скучной кембриджской обстановке, и у нас завязался разговор на разные актуальные научные темы. Потом, пропустив несколько стаканов вина, Ален походя бросил фразу: «У меня есть отличная идея насчет того, как появляется время, но никто не принимает ее всерьез». Я аж подпрыгнул и стал расспрашивать его подробнее. Мне пришлось настаивать, потому что он был не в настроении погружаться в технические вопросы, но в итоге он сдался и стал мне объяснять, в чем его мысль. Он рисовал диаграммы вилкой на салфетке и подбрасывал крошки хлеба в воздух, чтобы проиллюстрировать свои замечания. После момента некоторой неясности я осознал, что он мне объясняет именно то, над чем и я работал. Я поднялся к себе в комнату и вернулся со своими публикациями на эту тему. Мы пользовались очень разными математическими методами, но Ален быстро понял, что мои расчеты – не что иное, как частный случай его.

Когда ученый формулирует новую концепцию, он склонен обычно верить, что она верна. Если никто другой не одобряет ее, он зачастую продолжает верить, что он прав, а другие ошибаются, но… у него уже есть некоторые сомнения. Если он обнаруживается, что кто-то другой наткнулся на ту же идею независимо от него, искушение верить, что «мы» правы и что прочие «ничего не понимают», становится непобедимым…

Мы с Аленом опубликовали статью, объясняя эту свою концепцию, соединив то, что понял он, с тем, что понял я. И я нашел в нем нового друга – замечательного друга, наделенного неповторимыми интеллектуальной страстностью и умом.

Мы оба пришли к тому, что время возникает на поверхности явлений, исходя из квантовой механики и из термодинамики. Я называю это «термодинамическим временем».

Понятие термодинамического времени имеет смысл только тогда, когда имеешь дело с большим числом переменных, то есть с термодинамическим контекстом. И только в этом контексте временны́е характеристики – необратимость, память, направленность – дают о себе знать. В более фундаментальном плане происхождение временны́х явлений может быть связано с тем, что явления в квантовой механике не взаимозаменяемы. Операции не могут заменять друг друга, то есть если осуществить операцию А и затем операцию Б, это не сводится к тому же самому, что осуществить Б, а затем А. Таково глубинное происхождение времени.

Поведение термодинамических систем имеет вероятностный характер, и энтропия[17] возрастает со временем. Так и возникает время нашего общего опыта. Напротив, системы, не являющиеся термодинамическими (к примеру, один атом или одна частица, перемещающиеся в пространстве), не имеют отношения к энтропии и не порождают типичных феноменов времени. Для них все обратимо, они не испытывают воздействия времени как особой переменной.

Вернемся к примеру высокого и низкого. Они – часть повседневности, но их нет в уравнениях классической физики. Во Вселенной не существует верха и низа, все направления одинаковы. В отдельно взятом месте, на Земле (или на Марсе) объекты падают «вниз» под действием гравитационного поля – притяжения. Не «низ» притягивает к себе предметы, а Земля. Это падение объектов дает жизнь такому явлению, как низ, а не наоборот. Низ всегда