Научная Россия: Упрямая иллюзия или физическая реальность? Что наука говорит о времени

Такое понятие, как время, фигурирует в любой науке. А как объясняет время физика?

Это, пожалуй, один из самых сложных вопросов, который в принципе можно задавать в физике. Мы хорошо умеем измерять время, но до сих пор довольно плохо понимаем, что именно мы при этом измеряем.

В Международной системе единиц (СИ) все стандартные единицы сегодня уже привязаны к значениям фундаментальных констант, то есть их значения определены точно и не нуждаются в эксперименте. И только единица измерения времени, секунда, все еще определяется из опыта.

Ответ на вопрос, что такое время, будет сильно зависеть от эпохи. В XX веке, например, этот вопрос много раз вставал с ног на голову.

Вместе с коллегами из СПбГУ Антон Шейкин занимается одной из модифицированных теорий гравитации ─ так называемый подход Редже-Тейтельбойма, или теория вложения, которая, в том числе, строилась с целью решения проблемы времени в теории гравитации.

Если вспомнить, откуда взялось представление о времени, то можно сказать, что первоначально человек вообще воспринимает время чисто психологически. Об этом, кстати, сообщал и Эйнштейн, когда пояснял свою теорию относительности на бытовом примере: он говорил, что час, проведенный в прекрасной компании, покажется короче, чем пять минут, проведенные на раскаленной плите. Но психологическое время, конечно, для физики никуда не годится, потому что оно неоднородно и может идти быстрее и медленнее. Поэтому нужны какие-то более стабильные источники ощущения течения каких-то процессов.

Люди довольно быстро научились измерять время, согласуя его с астрономическими циклами: суточный цикл, лунный цикл, годичный цикл. И долгое время именно астрономия предоставляла человечеству самый надежный источник понимания того, куда мы движемся. Люди видели вокруг себя повторяющиеся, периодические явления и учились сверять собственные ощущения текущих процессов с природными циклами.

Пожалуй, самый популярный ответ на вопрос, что такое время, звучит так: время ─ это то, что мы измеряем часами. А что такое часы? Часы ─ это некая физическая система, в которой происходят периодические процессы: то есть для того, чтобы определить время, нам нужен какой-то цикличный процесс. В древности эти цикличные процессы воспринимались как нечто настолько реальное, что древние греки даже считали, что время замкнуто в кольцо, идет по кругу.

В современной науке считается, что такого понятия, как абсолютное время, не существует?

Совершенно верно. В своих мемуарах Эйнштейн писал, что к началу XX века в Европе все знали, что такое абсолютное время, кроме него.

300 лет назад Ньютон сказал, что время ─ это ось, которая в каждой точке нашего пространства отсчитывает какой-то параметр; время в его концепции ─ это некая величина, которая может быть определена во всей Вселенной сразу, и поэтому можно говорить о том, что существует абсолютное время, которое мы можем определять без привязки к каким-то произвольным договоренностям.

Ньютоновское время ─ это некое Вселенское время, которое абсолютно объективно и не зависит от человеческих восприятий, эдакое идеальное время. Но, как мы знаем, ничего идеального в природе не существует, и ньютоновское время ─ это что-то вроде сферического коня в вакууме. Так что Эйнштейн в 1905 году сделал то, что давно было пора сделать с ньютоновским временем: он показал, что мы не можем его измерять.

Если любого физика спросить, что такое та или иная величина (например, время), то речь сразу зайдет о том, а как эту величину мы измеряем? Альберт Эйнштейн показал, что если мы можем обмениваться информацией только с конечной скоростью, например, скоростью света, то двум людям невозможно синхронизировать свои часы без всяких дополнительных договоренностей.

То есть непонятно, где причина, а где следствие?

Да. Эйнштейн показал, что при определенных условиях причины и следствия для разных людей могут даже меняться местами.

Когда говорят о теории относительности Эйнштейна, далеко не всегда уточняют, теория относительности чего?

Относительность положения провозгласил еще Коперник. Он сказал, мол, а зачем считать центром мира Землю, ведь из-за этого неудобно проводить расчеты; вместо этого можно в центр поставить Солнце или другую область недалеко от него. Относительность движения провозгласил Галилей. Он объяснил, что можно двигаться с постоянной скоростью и даже не замечать этого. Эйнштейн же провозгласил относительность времени, в результате чего ньютоновскому понятию абсолютной одновременности пришел конец.

Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, установивший относительность одновременности. Он показал, что два события, одновременные для одного человека, могут быть разделены по времени, если один из этих людей, допустим, сядет в электричку или, наоборот, остановится, если до этого ехал. Эйнштейн доказал, что течение времени в физической системе зависит от того, с какой скоростью движется относительно нее наблюдатель.

Кажется, Эйнштейну принадлежит фраза, что время нужно для того, чтобы все события не произошли одновременно?

Да, можно и так понимать. Если говорить об инструментальном понимании времени, то зачем физикам вообще нужно понятие времени? Затем, что это величина, которая показывает, как эволюционирует физическая система, то есть это параметр эволюции. А если все события произошли в один и тот же момент времени, то, получается, никакой эволюции нет.

А сами физические законы со временем не эволюционируют? Мировые константы после Горячего Большого взрыва и по сей день не изменились?

Это очень интересный вопрос, потому что мы до сих пор до конца не уверены в том, что мировые константы, такие как скорость света, постоянная Планка или гравитационная постоянная, неизменны во времени. Это нужно устанавливать с помощью тончайших экспериментов.

В Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова делали расчеты для выяснения возможной вариации фундаментальных констант в прошлом на основе интересного наблюдения природного ядерного реактора в Окло. Наши ученые пытались выяснить, какова была скорость ядерных реакций, которые проходили там 2 миллиарда лет назад, и рассчитать на основе этих данных возможные изменения фундаментальных констант. Насколько я понимаю, удалось получить только ограничение сверху: если значение констант изменилось, то не более, чем на определенную величину. То есть нам (во всяком случае, мне) хочется верить, что, к примеру, скорость света и постоянная Планка со временем не меняются, но это, в общем, вопрос, который должен решать эксперимент.

Мы говорим, что нет абсолютного времени, а абсолютное пространство существует?

Это тоже довольно интересный вопрос, и поисками ответа на него занимался Эйнштейн под впечатлением от работ Эрнста Маха.

Эйнштейн почерпнул от Маха свою идею относительности пространства. Мах считал, что пространство ─ это не что иное, как вспомогательная величина, которая помогает нам описывать отношения между объектами. И, если мы зададимся вопросом, каковы свойства пространства, то обнаружим, что можем ответить на него лишь посредством наблюдения за движением каких-либо тел в этом пространстве. На основе этого Мах сделал вывод, что пространство ─ это нечто абсолютно вспомогательное, и подлинная физика должна основываться на описании систем отношений.

Эрнст Мах выдвинул довольно расплывчатый философский принцип (Эйнштейн так и назвал его ─ принцип Маха), согласно которому инерция тел определяется наличием всех остальных тел во Вселенной ─ то есть не пространство определяет свойство инерции тел, а наличие всех других тел в этом пространстве. Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, думал, что воплощает в жизнь идею Маха. Но потом, когда он построил математическую формулировку общей теории относительности, оказалось, что с принципом Маха она не согласуется. Тем не менее идея о том, что пространство тоже не является абсолютным, была для Эйнштейна путеводной звездой.

Известно, что время и гравитация связаны. Гравитация вызывает замедление времени или наоборот ─ свойства времени порождают гравитацию?

Я бы сказал, что скорее первое, и здесь мы опять же возвращаемся к тому, что с понятием времени произошло в XX веке. Ньютон считал, что время ─ это просто параметр эволюции физической системы, который никак не связан со свойствами пространства и может определяться независимо от них. Общая теория относительности Эйнштейна и даже специальная теория относительности в формулировке Минковского опровергла это утверждение тем, что придала времени еще один смысл, помимо физического, ─ это геометрический смысл.

Минковский писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Имелось в виду, что мы живем в некотором четырехмерном геометрическом пространстве-времени, то есть в некой единой структуре, в которой у времени есть та же самая геометрическая интерпретация, что и у наших координатных осей X, Y, Z. Но довольно скоро здесь возникли некие трудности: оказалось, что время как геометрическая характеристика того мира, в котором мы живем, и время физическое, вообще говоря, не вполне тождественны. Можно привести такой пример. Есть целый класс физических теорий, например, геометрическая оптика, механика частиц в специальной теории относительности или гравитация, в которых нет предпочтительного выбора времени. Если вы, например, занимаетесь вопросом распространения лучей света в рамках геометрической оптики, то можете определить время так, как захотите; важно лишь, чтобы луч света в одной точке был раньше, а в другой позже. Если вы соблюдаете это требование, то можете определять время как угодно. И оказывается, что в таких теориях физическое время как бы пропадает, и не очень понятно, а как вообще строить физическую теорию. Но здесь нам на помощь приходит геометрическое время. Допустим, мы не знаем, как удобнее рассматривать эволюцию этой физической системы, но у нас есть понимание, что вся эта физическая система находится в некотором геометризованном мире. Тогда мы можем просто одно из направлений этого общегеометрического пространства рассматривать как наш параметр эволюции.

Кажется, у Эйнштейна была такая мысль, что всю физику можно свести к геометрии?

Да, но не всегда получается. И здесь кроется как раз одна из главных трудностей, которая препятствует успешному квантованию гравитации. Эйнштейн действительно построил теорию, которая полностью геометризовала гравитацию. Он сказал, что гравитационное взаимодействие тел ─ это не что иное, как движение в искривленном пространстве-времени, а не влияние некой силы. По сути, это и есть влияние геометрии пространства. Но вот когда дело доходит до построения квантовой теории, ученые начинают нуждаться в физическом времени. Нам необходим некий параметр эволюции, который бы определял, грубо говоря, что было раньше, а что потом.

И этот параметр вводится искусственно?

В общей теории относительности не существует, как мы уже говорили, выделенного физического времени, его надо как-то отдельно изобретать.

Да, этот параметр нужно искусственно ввести, потому что в общей теории относительности со временем происходят еще более страшные вещи, чем в специальной. Так, в специальной теории относительности время определяется с учетом выбора системы отсчета, но действуют вполне простые линейные преобразования. Если вы знаете, как выглядит время в одной системе отсчета, вы сразу же пишите формулы в другой системе отсчета, которая движется с постоянной скоростью относительно нее, и формулы очень простые. А вот в общей теории относительности выбор времени гораздо более широк. Эйнштейн сказал, что время в общей теории относительности вообще можно выбирать, как угодно. То есть произвольным образом вы выберете время и можете построить физическую теорию. И это, с одной стороны, вроде как хорошо, а с другой стороны ─ ужасно. Потому что с существованием времени как какого-то физического параметра, который реально куда-то течет, связано существование сохраняющихся величин, например, энергии; ведь энергия ─ это величина, сохраняющаяся в физической системе, если эта система не чувствует сдвигов по времени.

Если я сегодня провел эксперимент, завтра проделал то же самое, и результаты эксперимента совпадают, это может означать, что в той физической системе, в которой я работал, существует сохраняющаяся энергия, и эта энергия ─ главный инструмент для построения квантовой теории чего бы то ни было. То есть если я знаю, как записать энергию любой физической системы, я ее могу попытаться проквантовать. Так вот, произвольность выбора времени в теории гравитации приводит к тому, что энергию там очень сложно определить.

Парадоксально, но полная энергия любой физической системы, в которой действуют гравитационные силы, равна нулю, с некоторыми оговорками. И главная проблема, которая препятствует построению квантовой теории гравитации, заключается в том, что в общей теории относительности невозможно без дополнительных предположений определить, чему равна энергия гравитирующей системы. Таким образом, произвол выбора времени приводит к тому, что ни одно из времен нельзя наделить физическими свойствами.

Можно ли сказать, что время ─ это конструкт наблюдателя? Если убрать из Вселенной всех живых существ, будет ли существовать время?

Это уже вопрос к буддистам. Если дерево упало в лесу, и его шума никто не слышал, то падало оно или нет?

А что физика на этот вопрос отвечает?

Если мы рассматриваем геометрическое время, как одно из направлений нашего общего пространства, пространства Минковского, например (если гравитацией пренебрегаем) или пространства Римана, то время, конечно, существует, даже если удалить всю материю из Вселенной.

Есть очень широкий класс вакуумных решений уравнений Эйнштейна, где, если я удаляю из Вселенной абсолютно всю материю и спрашиваю: «а как же будет выглядеть эта Вселенная, будет ли в ней время?», Эйнштейн говорит, что, конечно же, будет, потому что это просто четырехмерное пространство-время, которое можно вывести на бумаге.

Получается, даже если выключить гравитацию и убрать всю материю, все равно время останется?

Если убрать из Вселенной абсолютно всю материю, то в принципе можно построить модель такой Вселенной, в которой пространство будет все еще искривлено. Такое пространство можно описать, как пространство, по которому бегают гравитационные волны, начинающиеся с одного края Вселенной и заканчивающиеся на другом.

А что искривляет это пространство, если нет материи?

Это очень неоднозначный вопрос. Факт заключается в том, что решение уравнения Эйнштейна для таких ситуаций существует. Имеет ли оно какой-то физический смысл? Зависит от того, у кого спрашивать. Если убрать из Вселенной всю материю и потребовать, чтобы на бесконечности от наблюдателя гравитационного поля не было, то пространство, в общем, будет плоским. Но если не требовать граничных условий на бесконечности, если не требовать, чтобы на произвольно больших расстояниях у вас пространство было статичным и никакие процессы в нем не происходили, то вы можете придумать какие-то вселенные, в которых материи нет совсем, а гравитация все-таки присутствует. Однако с точки зрения физики это, конечно, трудно интерпретировать, потому что принято считать, что любая гравитационная волна порождается каким-то источником. Хотя с точки зрения абстрактного математика это решение ничем не хуже, чем другие. А со стороны физики, конечно, гравитация порождается материей. Если вы убираете материю и накладываете разумные условия на свойства вашего пространства, то гравитация тоже исчезает.

Каков главный вклад гравитации в свойства времени?

Она, собственно, и определяет эти свойства. В плоском пространстве время ─ просто одно из направлений, его свойства заданы глобально. Но если вы гравитацию подключаете, то свойства времени в каждой точке начинают сразу меняться. В общей теории относительности свойства времени меняются локально. В каждой точке вашего пространства находится сколько-нибудь материи. Эта материя в свою очередь вызывает гравитацию, а гравитация определяет, как будет течь время в этой точке. Джон Уилер, знаменитый физик-теоретик, который популяризовал понятие черной дыры, очень поэтично это выражал в двух фразах: «Пространство говорит материи, куда ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться».

Время может двигаться вспять?

Здесь я могу сослаться на Сергея Владиленовича Красникова ─ пожалуй, главного в нашей стране специалиста по путешествиям во времени, он работает в Пулковской обсерватории. Сергей Владиленович, когда я слушал его доклады, утверждал, что машины времени не запрещаются классической общей теорией относительности. В рамках классической теории Эйнштейна может существовать пространство-время с нарушенной причинностью, то есть такое, в котором в принципе возможно движение назад по времени. Один из очень интересных результатов Красникова заключается в том, что машину времени, как оказывается, нельзя построить, то есть нельзя построить такое пространство-время, в котором гарантированно нарушалась бы причинность. Но мы можем на него наткнуться! Нельзя гарантировать, что при соблюдении каких-то действий, при выполнении каких-то действий, вы неизбежно попадете, как говорится, назад в прошлое...

То есть искусственно не создать, но в природе можно встретить?

Именно так. И это один из главных результатов, который, собственно, Красников получил. Но это, разумеется, чисто классическое рассмотрение. В целом, общее мнение таково, что для того, чтобы понять, возможны ли в действительности путешествия во времени и как они могут происходить, нам все-таки нужна квантовая теория гравитации. Квантовые поправки могут очень сильно повлиять на возможность путешествия во времени. Но я оговорюсь, это все пока что вопросы, имеющие исключительно академический интерес, потому что мы еще очень и очень далеки от любых экспериментов в этой области. Ну а конечный судья в физике ─ это, разумеется, эксперимент.