Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной - Юрий Артамонов
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
к оглавлению
времени. Также этот выбор не может быть открыт никакими локальными измерениями, так что он полностью совместим с принципом относительности для малых подсистем вселенной.
Теория, которая сделала возможным это полное изменение перспективы, называется динамика формы [6]. Ее главный принцип в том, что все, что в физике реально, связано с формами объектов, и любое реальное изменение есть просто изменения в их формах. Размер ничего фундаментально не означает, и факт, что объекты кажутся нам имеющими внутренний размер, есть иллюзия.
Динамика формы была создана последователями цепочки идей, предложенных Джулианом Барбуром, чья вневременная квантовая космология обсуждалась в Главе 7. Барбур великий защитник реляционистской философии, и дорога к динамике формы началась с его настойчивого требования сделать физику настолько реляционистской, насколько возможно. Многие из ключевых шагов были предприняты им в течение последнего десятилетия вместе с Найлом О'Мурчадхой и несколькими молодыми соавторами, но заключительные части были введены в действие летом и в конце 2010 тремя молодыми людьми, работающими в Институте Периметра: аспирантами Шоном Грайбом и Энрике Гомесом и постдоком Тимом Козловски [7].
Раз уж мы знаем базовые идеи теории относительности, легко понять и динамику формы, поскольку эта теория является естественным следующим шагом. Повторим некоторые аспекты одновременности: Имеет смысл говорить о двух соседних событиях, происходящих одновременно. Мы можем также упорядочить их во времени, и это имеет смысл делать, так как одно событие могло бы быть причиной другого. Но когда мы пытаемся упорядочить события, находящиеся далеко друг от друга, мы находим, что не существует абсолютного упорядочения, с которым могут согласиться все наблюдатели. Для некоторых наблюдателей два события могут быть одновременны; для других наблюдателей одно событие может оказаться в прошлом другого события.
Барбур говорит нам, что размер ведет себя аналогичным образом. Если мы имеем два соседних объекта, имеет смысл ранжировать их по размеру: Если вы можете поместить мышь в ящик, имеет смысл сказать, что мышь меньше ящика. Если вы имеете два футбольных мяча, имеет смысл сказать, что у них одинаковый диаметр. Эти сравнения имеют физический смысл, и все наблюдатели с ними согласятся.
Но теперь спросим, меньше ли мышь здесь, чем ящик в соседней
к оглавлению
галактике. Этот вопрос все еще имеет смысл? Имеется ли ответ на него, с которым согласятся все наблюдатели? Проблема в том, что, поскольку они удалены друг от друга, вы не можете поместить мышь в ящик, чтобы убедиться, что она входит.
Чтобы ответить на вопрос, вы можете передвинуть ящик туда, где находится мышь, и посмотреть, поместится ли мышь внутрь. Но это будет ответ на другой вопрос, поскольку теперь ящик и мышь находятся в одном и том же месте. Откуда мы знаем, нет ли некоторого физического эффекта, расширяющего все, что мы двигаем в нашу галактику, так что ящик величиной с мышиный глаз становится в пути достаточно большим, чтобы вместить мышь? Мы можем оставить ящик там, где он есть, и, вместо этого, послать к нему линейку. Но как мы узнаем, что линейка не подвергнется обратному эффекту, сжавшись во время путешествия от размера мыши до размера далекого ящика?
Это одно из направлений размышления, которое привело Барбура и друзей к предположению, что бессмысленно сравнивать размеры удаленных друг от друга объектов. Что мы можем сделать, это сравнить формы, поскольку формы не подвержены тому же виду произвольных модификаций. Единственным исключением из относительности размеров является то, что объем целой вселенной в каждый момент времени должен оставаться неизменным. Это нелегко объяснить на пальцах без использования технического языка, но это означает, что если вы сожмете все в одном месте, в то же самое время должно быть где-то еще место, где вы компенсируете сжатие увеличением всего в той же степени, так что полный объем вселенной не меняется. Объем, конечно, может меняться во времени по мере расширения вселенной.
Хотя динамика формы радикальна, когда речь идет о размерах, она консервативна, когда речь идет о времени. Имеется единственный темп, с которым течет время. Он один и тот же по всей вселенной, и вы не можете изменить его.
ОТО более или менее противоположна. Размер объектов фиксирован и остается фиксированным, когда вы двигаете их вокруг, так что имеет смысл сравнивать размеры удаленных вещей. В чем ОТО гибкая, это в темпе времени. Бессмысленно спрашивать, идут ли удаленные от нас часы быстрее или медленнее по отношению к часам вблизи нас, поскольку ускорение и замедление удаленных часов
к оглавлению
находится среди изменений в зеркалах комнаты смеха, по поводу которых наблюдатели расходятся во мнениях. Даже если вы синхронизируете ваши часы с удаленными часами, они могут рассинхронизироваться, поскольку нет физического смысла в том, чтобы их темпы оставались одинаковыми.
Одним словом, в ОТО размер универсален, а время относительно, тогда как в теории динамики формы время универсально, а размер относителен. Примечательно, однако, что эти две теории эквивалентны друг другу, поскольку вы можете - путем ловкого математического трюка, в который нет необходимости вдаваться здесь, - обменять относительность времени на относительность размера. Так что вы можете описывать историю вселенной двумя путями, на языке ОТО или на языке динамики формы. Физическое содержание двух описаний будет одно и то же, и любой вопрос по поводу наблюдаемой величины будет иметь один и тот же ответ.
Когда эта история описывается на языке ОТО, определение времени произвольно. Время относительно, и нет смысла в вопросе, что оно означает в удаленных локациях. Но когда история описывается на языке динамики формы, обнаруживается универсальное понятие времени. Цена, которую вы платите, заключается в том, что размер становится относительным и становится бессмысленным сравнивать размеры объектов, удаленных друг от друга.
Подобно картине волн/частиц в квантовой теории это представляет собой пример того, что физики называют дуальностью - два описания отдельного явления, каждое из которых полно, однако несовместимо с другим. Эта специфическая дуальность является одним из глубочайших открытий современной теоретической физики. Она предлагалась в другой форме [8] в 1995 Хуаном Малдасеной в контексте теории струн и стала с тех пор наиболее влиятельной идеей в этой области. На момент написания этой книги точное взаимоотношение между дуальностью динамики формы и дуальностью Малдасены неясно, но кажется похожим, что имеется аналогия [9].
В то время как в ОТО нет привилегированного времени, оно есть в дуальной теории. Мы можем использовать тот факт, что две теории взаимозаменяемы, чтобы перевести время в мире динамики формы в мир ОТО. Там оно обнаруживается как привилегированное время, скрытое в уравнениях [10].
Это глобальное понятие времени предполагает, что в каждом событии в пространстве и времени имеется привилегированный наблюдатель, часы которого измеряют прохождение события.
к оглавлению
Но не существует способа выделить этого специального наблюдателя любыми измерениями, проделанными в малой области. Выбор специального глобального времени определен тем, как материя распределена по вселенной. Это соответствует факту, что эксперименты согласуются с принципом относительности на масштабах, меньших, чем масштаб вселенной. Таким образом, динамика формы достигает согласия между экспериментальным успехом принципа относительности и необходимостью глобального времени, требуемого теориями эволюционирующих законов и объяснениями квантовых явлений через скрытые переменные.
Как отмечалось, одной из величин, которой не позволено изменяться, когда вы расширяете или сжимаете масштабы, является полный объем вселенной в каждое время. Это делает содержательными понятия полного размера вселенной и ее расширения, и это может быть принято за универсальные физические часы. Время было открыто заново.
к оглавлению
15
Возникновение пространства
Самый таинственный аспект мира находится прямо перед нами. Нет ничего более банального, чем пространство, однако, когда мы исследуем его более глубоко, нет ничего более таинственного. Я верю, что время реально и существенно для фундаментального описания природы. Но я думаю, вероятно, что пространство окажется иллюзией того же сорта, что и температура или давление, - удобным способом организации нашего восприятия вещей на большом масштабе, но только грубым и эмерджентным способом видеть мир как целое.
