Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Другими словами, Эйнштейн ошибался. Ньютон ошибался. Галилей ошибался. Не существует относительности движения.
Это наш выбор. Или квантовая механика является конечной теорией и нельзя проникнуть за ее статистическую вуаль, чтобы достичь более глубокого уровня описания, или прав Аристотель и имеется привилегированная версия движения и покоя.
к оглавлению
14
Время, возрожденное из относительности
Мы видели, что реальность времени открывает новые подходы к пониманию того, как вселенная выбирает свои законы, в то же время делая возможным новое разрешение тайн квантовой механики. Но мы все еще должны преодолеть большое препятствие, которое заключается во внушительном аргументе СТО и ОТО в пользу картины монолитной вселенной. Этот аргумент делает вывод, что реальна только история вселенной как вневременного целого [1].
Аргумент в пользу монолитной вселенной покоится на относительности одновременности, которая является составной частью СТО (см. Главу 6). Но если время реально в смысле реального настоящего момента, имеется граница, с которой могут согласиться все наблюдатели, между реальным настоящим и еще не реальным будущим. Это подразумевает универсальное физической понятие одновременности, которое включает в себя удаленные события и даже всю вселенную. Это может быть названо привилегированным глобальным временем ('глобальное' тут означает, что определение времени распространяется по всей вселенной). Мы имеем прямую конфронтацию между утверждением, что должно существовать привилегированное глобальное время, и утверждением, что принципы теории относительности
к оглавлению
этому препятствуют. К тому же, как мы видели в последней главе, привилегированное глобальное время является необходимым ингредиентом любой теории скрытых переменных, которая объясняет выборы, сделанные любой индивидуальной квантовой системой. Поэтому, как мы также видели в последней главе, налицо конфликт между относительностью одновременности и принципом достаточного обоснования.
Целью настоящей главы является разрешение конфликта в пользу принципа достаточного обоснования. Это означает отказ от относительности одновременности и принятие его противоположности: что имеется привилегированное глобальное время. Замечательно, что это не требует свержения теории относительности; оказывается, что достаточно ее переформулировать. Сутью разрешения конфликта является новый и более глубокий способ понимания ОТО, который раскрывает новую концепцию реального времени.
Привилегированное понятие глобального времени выделяет семейство наблюдателей, распределенных по вселенной, чьи часы измеряют указанное время. Это предполагает привилегированное состояние покоя, напоминающее понятие покоя Аристотеля или эфир из физики 19-го столетия, которые Эйнштейн разрушил своим изобретением СТО. Для физиков до Эйнштейна указанный эфир был необходим, поскольку световая волна нуждалась в среде, по которой она должна распространяться. Эйнштейн уничтожил его, поскольку его принцип относительности одновременности предполагает отсутствие эфира, отсутствие состояния, всегда и всюду покоящегося [2].
Тут не только противоречие, но также и причина для депрессии. Уничтожение эфира было великим триумфом целенаправленных рассуждений над ленивыми традициями мышления. Так легко думать о мире в терминах Аристотеля. Галилей и Ньютон установили относительность инерциальных систем отсчета, что сделало невозможным детектирование привилегированного состояния покоя через наблюдение за тем, как движутся тела. Но идея покоя как чего-то естественного все еще тихо пряталась в умах физиков, давая место эфиру в ожидании, когда теоретикам понадобится среда для распространения света. Только Эйнштейн имел проницательность, необходимую, чтобы все это вместе уничтожить. И, тем не менее, кажется, что у нас есть основания вернуться к идее привилегированного глобального понятия времени. Факт, что это противоречит триумфу Эйнштейна над эфиром, является психологическим барьером для принятия аргументов в пользу реальности времени всерьез - или, по меньшей мере, так было в моем случае.
к оглавлению
Перед тем, как обсуждать, как теория может разрешить указанное противоречие, посмотрим на то, что должен сказать эксперимент. Привилегированное глобальное понятие времени предполагает привилегированного наблюдателя, часы которого измеряют это привилегированное время. Это противоречит относительности инерциальных систем отсчета, в соответствии с которой нет экспериментального или наблюдательного способа выделить наблюдателя, предположительно покоящегося, от других, движущихся с постоянной, но произвольной скоростью.
Первая вещь, на которую надо обратить внимание, это что вселенная устроена таким образом, что действительно выделяет привилегированное состояние покоя. Мы это знаем, потому что когда мы смотрим вокруг через наши телескопы, мы видим великое множество галактик, двигающихся прочь от нас примерно с той же скоростью в любом направлении. Но это может быть только правдой одного наблюдателя, поскольку кто-то, быстро удаляющийся от нас в пространство, будет видеть те галактики перед ним, с которыми он связан, двигающимися медленнее, чем галактики позади него. Более того, у нас есть хорошее свидетельство, что галактики однородно распределены в пространстве, по меньшей мере, когда их положение усреднено на достаточно большом масштабе, - то есть, вселенная кажется одинаковой, когда мы смотрим в любом направлении. Из этих фактов мы можем вывести, что в каждой точке в пространстве будет выделенный специальный наблюдатель, который видит галактики, удаляющиеся от него с той же скоростью в каждом направлении [3]. Так что движения галактик выделяют привилегированного наблюдателя и, следовательно, привилегированное состояние покоя в каждой точке пространства.
Другим способом выделить привилегированное семейство наблюдателей является использование космического микроволнового фона. Эти привилегированные наблюдатели видят КМФ, приходящий к ним с одинаковой температурой со всех направлений в небе [4].
К счастью, два семейства привилегированных наблюдателей совпадают. Галактики оказываются, в среднем, покоящимися в той же системе отсчета, в которой КМФ приходит к нам с той же температурой со всех направлений. Так что вселенная организована таким образом, что выделяет привилегированное состояние покоя. Но этот факт не обязательно противоречит принципу относительности движения. Теория может иметь симметрию, которая не соблюдается ее решениями. Иначе: Решения теорий часто нарушают симметрии теорий. Факт, что не имеется фундаментально
к оглавлению
привилегированного направления в пространстве, не предотвращает ветра, дующего сегодня с севера. Наша вселенная представляет собой только одно решение уравнений ОТО. Это одно решение может быть асимметричным - то есть, оно может включать привилегированное состояние покоя - без противоречия с тем принципом, что теория имеет симметрию. Вселенная могла стартовать путем, который нарушает симметрию.
С другой стороны, мы хотим спросить, почему вселенная находится в таком специальном состоянии, что явно выделяет привилегированное семейство наблюдателей. Это другой вопрос о том, почему начальные условия вселенной были такими особыми. Это вопрос, на который сама ОТО не может ответить - еще одно свидетельство, что имеется нечто в отношении вселенной, что не ухватывается ОТО. Итак, достойна рассмотрения возможность, что привилегированное состояние покоя во вселенной представляет собой нечто более глубокое. Возможно, она говорит нам что-то об уровне физики, более глубоком, чем ОТО.
Если привилегированное состояние покоя во вселенной представляет нечто более глубокое, то это состояние должно проявиться в других видах экспериментов. Но на масштабах меньше космологических принцип относительности инерциальных систем отсчета проверен достаточно хорошо. Предсказания СТО Эйнштейна подтверждает гигантское количество экспериментальных доказательств, многие из которых могут пониматься как проверка того, существует или нет в природе привилегированное состояние покоя [5].
Так что наблюдения дают нам разнородные сообщения. На большом масштабе имеется подтверждение привилегированного состояния покоя, которое должно быть объяснено чем-то специальным в начальных условиях вселенной. Но на любом меньшем масштабе имеется подтверждение, что господствует принцип относительности. Изобретательное решение указанной загадки было придумано только недавно. Оказывается, ОТО может быть красиво переформулирована как теория с привилегированным понятием времени. Эта новая формулировка только другой способ понимания ОТО, но она раскрывает физически предпочтительную синхронизацию часов по всей вселенной. Более того, выбор этой привилегированной синхронизации зависит от распределения материи и гравитационного излучения по всей вселенной, так что это не возврат к Ньютоновскому абсолютному
