Все записи
13:56  /  15.03.19

834просмотра

Стивен Хокинг: прошлое, которое можно изменить

+T -
Поделиться:

Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени», которая увидела свет в 1988 году, написал: «Открытие полной единой теории всего, может быть, и не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни, но уже на заре цивилизации людям не нравились необъяснимые и не связанные между собой факты. И по сей день мы страстно желаем узнать, почему мы здесь оказались и откуда взялись. Наша конечная цель никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы живем».

2018 год несколько поколебал нашу надежду на познание тайн мира, в котором мы живем  – 14 марта не стало великого британского физика Стивена Хокинга.

Согласно некоторым из научных теорий (этого взгляда придерживался и Стивен Хокинг), все, что когда-либо существовало или когда-либо будет существовать, действительно существует – не «здесь и сейчас», но на каком-то пространственно-временном расстоянии от «здесь и сейчас». Так, черные дыры, которые физик изучал – это не место в пространстве, а скорее место во времени, овеществленное будущее для всех вещей, которые в эти черные дыры затягиваются. Реальность вещей прошлого и будущего ничуть не уступает и ничем не отличается от той реальности, которой мы обладаем в настоящий момент. Такое представление о времени называют этернализмом; это один из вариантов четырехмерности – теории, по которой реальность существует в виде четырехмерного пространства-времени.

Главным соперником этернализма является презентизм – представление о том, что существует только настоящее. Согласно презентизму, уже нет прошлых вещей и еще не случилось будущих и поэтому невозможно указать, в каком смысле они существуют теперь (или будут существовать).

Какая теория лучше сочетается с данными наблюдений? Когда физики исследуют пространство-время с помощью экспериментов и расчетов, то приходят порой к парадоксальным выводам. Один из них заключается в том, что пространство и время во многом схожи. Простой пример: куда бы мы ни смотрели, мы смотрим в прошлое, поскольку свету нужно время, чтобы дойти до наших глаз или до чувствительных элементов оптических приборов. Наблюдая квазар, находящийся в миллиарде световых лет от нас, мы видим, каким он был миллиард лет назад, когда лучи света, пришедшие в наш телескоп, только начали путь по Вселенной. Такое смешение пространства и времени может показаться сложным для понимания, но оно лежит в основе природы нашей Вселенной.

Теория относительности Эйнштейна–Пуанкаре установила: только те события, которые можно мгновенно связать информационно, являются одновременными. Единое «настоящее», то есть часы, синхронно идущие в различных точках пространства, можно ввести только в рамках конкретной инерциальной системы отсчета. Однако этого нельзя сделать одновременно для двух различных систем отсчета.

В течение долгих лет физики пытались объединить две противостоящие друг другу теории (этернализм и презентизм) путем составления Великого Объединяющего Уравнения, полагая, что все во Вселенной должно быть связано между собой – от частиц до галактик. Такое уравнение было создано: его разработали физики Джон Уилер и Брайс Девитт.

Их открытие сразу показалось спорным, потому что если уравнение правильное, то на самом фундаментальном уровне материи такого понятия, как время, вообще не существует. Но сказать, что времени не существует, – то же самое, что громогласно заявить, что оно является отдельной сущностью, четвертым измерением пространственно-временного континуума, а значит, отвесить мощный реверанс в сторону взгляда Хокинга и теории этернализма.

Время в мире Исаака Ньютона течет над вещами – вот есть объективная арена пространства, а есть объективная арена времени. Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что чем больше масса тела, тем сильнее оно искажает само пространство-время. Строгость классической физики с прозрением Энштейна рушится. Движение теперь понимается как движение относительно наблюдателя: оба наблюдателя – в вагоне поезда и на перроне – одинаково правы в оценках.

В 1887 году, за 18 лет до создания Эйнштейном общей теории относительности (ОТО), опыт Майкельсона–Морли показал, что скорость света с точки зрения наблюдателя на Земле остается постоянной вне зависимости от того, приближается ли Земля к источнику света или движется перпендикулярно к нему. Эту проблему и решает в 1905 году Эйнштейн, формулируя специальную теорию относительности (СТО): законы физики одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Скорость света постоянна для движущегося наблюдателя.

Но возникает парадокс времени: если скорость одинакова, а расстояние, которое проходит тело, с точки зрения двух наблюдателей (в поезде и на платформе) различно, значит, они по-разному оценивают и время.

В классической физике, располагая полными данными о настоящем, можно восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании определенного прошлого. Но квантовая физика, которую разрабатывал Стивен Хокинг в книге «Высший замысел» (русское издание вышло в 2012 году) утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий.

Это коренное отличие квантовой механики от ньютоновской сформулировал Ричард Фейнман еще в середине 1940-х годов: в механике Ньютона движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями – и прямым, и через Альфу Центавра, и через соседний гастроном с Макдональдсом, пройдут в одно отверстие, выйдут через другое и снова войдут. Фейнман вводит понятие «суммы предысторий» – все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем предсказывать не только будущее, но даже прошлое – мы не знаем, как именно частица попала в данную конкретную точку, но мы можем рассматривать совокупность всех ее возможных путей. Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое. Так что, все-таки можно вернуться в прошлое и убить собственного дедушку, как это предлагается в знаменитом парадоксе?

Как же возможно сочетание классической физики с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Для движущегося объекта влияние скорости на массу становится заметным при приближении к скорости света, а время постепенно все больше замедляется вплоть до полной остановки.

В каких экстремальных условиях квантовые законы и, как следствие, исчезновение измерения времени могут проявиться на уровне Вселенной, спрашивает Стивен Хокинг? Очевидно, когда Вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва. Все начинается с сингулярности – точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и ее расширение продолжается до сих пор.

Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь. В конце концов, в самом начале космической истории весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в точку – в сингулярность. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то пространство-время тоже сжато – оно просто исчезает.

Предположение, что Вселенная расширяется – вопреки прежней статичной модели, – было подтверждено в 1929 году астрономом Эдвином Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Что же происходит со временем?

Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего или Бога. Стивен Хокинг пишет: «Бог не мог сотворить мир за семь дней, потому что до самого творения не было времени».

Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До момента t = 0 никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладала пустота или Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается!

Стивен Хокинг разрабатывает еще одну интересную идею. М-теория (развитие космологической теории струн) дает ответ на вопрос о появлении мира. Она содержит предсказание, что из ничего было создано огромное множество Вселенных. Все они составляют одну большую Мультивселенную (Мультиверсум). Эти многочисленные вселенные возникают естественным путем по законам физики без участия Бога. Но как из ничего возникает все, какие естественные законы здесь вступают в действие?

Считается, что сам Большой взрыв лучше всего объясняет теория, названная «новой инфляционной космологией». Согласно этой теории, взрывы, создающие вселенные, подобно Большому взрыву, случаются довольно часто. Инфляционная космология полагает, что наша Вселенная, которая возникла 14,5 млрд лет назад, появилась из пространства-времени уже существовавшей Вселенной и не является единственной физической реальностью, а представляет собой лишь невообразимо крохотную часть Мультивселенной.

Хотя каждый из миров внутри Мультиверсума имеет определенное начало во времени, вся самовоспроизводящаяся структура в целом может быть вечной. Мы вновь возвращаемся к этернализму Хокинга, к варианту концепции статичной Вселенной, которая казалась навсегда отброшенной с открытием Большого взрыва.

В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг признает, что вопрос о возникновении Вселенной в рамках современной физики остается нерешенным. Применив квантовую механику, то есть теорию «бесконечно малого мира», к огромным пространствам Вселенной, физики приходят к выводу, что Вселенная имеет не одну историю прошлого, как в классической картине мира, но все возможные истории сосуществуют одновременно. Однако мы находимся в той конкретной Вселенной, где возможно присутствие человека – а значит, все законы этой Вселенной подстроены под возможность существования планет, жизни, разума.

Появление человека – итог множества случайных совпадений. Этот клубок позволяет нам, развернув историю вспять, проследить ее вплоть до изначальных условий, вплоть до начала времени, до момента Большого взрыва. Существует даже точка зрения, по которой эволюция сознательной жизни на нашей планете обусловлена подходящими мутациями, происходившими в различное время. Предположительно это были квантовые события, поэтому они могли бы существовать только в виде линейной суперпозиции нескольких квантовых состояний до тех пор, пока они не довели эволюцию до мыслящих существ, самое существование которых зависит от всех «правильных» мутаций, имевших место в действительности. Наше присутствие, согласно этой идее, вызывает к существованию прошлое. Эта концепция называет гипотезой «партисипаторной» Вселенной, она выдвинута физиком Джоном Уилером в 1938 году.

Стивен Хокинг замечает, что будь протоны в нашей Вселенной на 0,2% тяжелее, они распались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. «Наша Вселенная и ее законы выглядят так, словно они сделаны на заказ по проекту, разработанному специально для нас, а раз уж нам дано существовать, то они (законы, прим. автора) оставляют мало места для каких-либо изменений. Это нелегко объяснить, и возникает естественный вопрос: почему же это так?» – пишет он. И продолжает: «Хотя «привилегия», дарованная человеку в этой Вселенной, не должна, как это было в древности, подводить нас к мысли об уникальности нашего мира – или его единственности».