Все, у кого есть хотя бы примерное представление о положении дел в современной физике, понимают, что со временем «все сложно». Правда, по мнению физика-теоретика Карло Ровелли, переменная времени для описания мира в принципе не так уж и нужна, но от этого нисколько не легче: без нее все только усложняется. К этому нужно быть готовым, поскольку новая книга Ровелли не оставит от наших привычных представлений о времени камня на камне. Дмитрий Борисов рассказывает об этой книге в рамках совместного проекта «Горького» и премии «Просветитель».

Карло Ровелли. Срок времени. М.: АСТ, Corpus, 2020. Перевод с английского Дмитрия Баюка. Содержание

Разные аспекты всеобщего студня

Как указано на обложке русского издания, книга Ровелли — «карманный путеводитель по распутыванию загадок времени». Путь, предлагаемый читателю, состоит из нескольких ключевых отрезков, в завершении каждого из которых можно перевести дух и подумать, как жить дальше.

Сначала Карло Ровелли, приверженец теории петлевой квантовой гравитации, рассказывает о том, что такое время с точки зрения актуальной физической науки (читай: осуществляет деконструкцию «бытового» понятия времени, оставляя от него лишь рожки да ножки).

Потом читатель обнаруживает себя посреди «пейзажа пустынного и продуваемого ветрами, почти утратившего связь со временем», — это значит, началась вторая, срединная часть книги. Если главой ранее усилия автора были направлены на срывание ложных покровов, то теперь нам предлагается рассмотреть открывшееся естество (весьма аскетичное) «мира без времени».

Ближе к концу книги Карло Ровелли призывает вернуться «назад ко времени» — туда, где все не только течет и меняется, но и буквально кишмя кишит. «Мир без времени» становится местом, где происходит великое множество событий — намного больше, чем в старом добром «мире, как мы его знали».

Единого «здесь и сейчас» для всего и вся не существует. «Сейчасов» — если уж начинать с выводов — столько, сколько точек зрения. Например, время не идет одинаково на полу и под потолком (разница в этом конкретном примере чрезвычайно мала, но не настолько, что ее нельзя зафиксировать):

«В локальном отношении время бежит с разной скоростью в зависимости от того, где я нахожусь и с какой скоростью двигаюсь. Чем ближе мы к некой массе <...> или чем быстрее мы движемся <...>, тем больше замедляется время: нет какого-то определенного промежутка времени между двумя событиями — их много разных. Ритмы, следуя которым движется время, определяются гравитационным полем — а это реальная сущность со своей собственной динамикой, описываемой уравнениями Эйнштейна. Если пренебречь квантовыми эффектами, то пространство и время окажутся разными аспектами одного всеобщего студня, в который мы все погружены».

В классическом мире, описываемом ньютоновской физикой, время было априорной характеристикой, подобно тому, как пространство воспринималось лишь как вместилище всякого материального. «Пространство-время» Эйнштейна уже не предполагает такого разделения (равно как и ниспровержения ньютоновского мира тоже не предполагает, хотя иной раз теории относительности это и приписывают).

Представьте, что на фундаментальном уровне не существует принципиальной структурной разницы между прошлым, настоящим и будущим. Линейное однонаправленное время возникает только на макроуровне «большого» человеческого мира. Ключевой характеристикой для таких «гулливеров» в «лилипутской» квантовой странной стране станет степень их незнания об умопомрачительном количестве процессов, происходящих в каждом из конкретных «сейчасов». Имя этому неведению — энтропия.

Незнание — основа всего

«В нашей перспективе, перспективе созданий, образующих малую часть мира, мы видим мир, меняющийся со временем. Наше взаимодействие с миром ограничено, поэтому мы видим его размытым. К этой нерезкости добавляется еще квантовая неопределенность. Вытекающее из этого неведение служит причиной появления новой, особой переменной — термического времени <...> и энтропии — количественной меры нашего неведения».

Про термическое время поговорим через абзац. Сначала об энтропии как мере неопределенности системы с нашей точки зрения. Энтропию часто описывают как беспорядок. Это и верно, и неверно. Например, чистая комната, если в ней не убираться, через какое-то время станет грязной — беспорядок по всем «гулливеровским» понятиям будет очевиден. Но энтропия в данном случае не обязательно возрастет, поскольку степень незнания о состоянии комнаты может и не увеличиваться (пример утрированный, не без нюансов; эта грубая аналогия годится для общего понимания, что энтропия — это не свойство системы, а свойство нашего знания (то есть незнания) о ней).

Почему время называется «термическим»? Карло Ровелли пишет, что «стрела времени появляется лишь тогда, когда есть тепло». Речь тут о двух необратимостях: течении времени только от прошлого к будущему и свойстве тепла самопроизвольно перетекать от горячего тела к холодному — и никогда в обратном направлении. «Стрела времени» отправляется в свой однонаправленный полет только тогда, когда есть тепло (либо когда нет прямой связи с теплом, но имеются принципиальные аспекты, с теплотой связанные).

«В фундаментальной релятивистской физике, где никакая переменная априори не играет роли времени, мы вольны повернуть вспять взаимосвязь между макроскопическим состоянием и эволюцией во времени: не эволюция системы во времени определяет ее состояние, а состояние, размытая картина, определяет время. Время, определенное таким образом на основании макроскопического состояния, называется „термическим”. <...> Но это вовсе не универсальное время. Оно рождено единственным макроскопическим состоянием, то есть какой-то одной размытой картиной, неполнотой какого-то определенного описания системы».

Следы прошлого в настоящем дают ощущение детерминированности первого. Напротив, будущее нам представляется принципиально открытым. Возникает ощущение, что мы можем выбирать варианты будущего (так, как у нас это получается) и ничего не можем сделать в отношении прошлого.

Чтобы прошлое могло оставить след, необходимо, чтобы нечто было неизменным. Карло Ровелли замечает, что это возможно только при необратимых процессах — превращении полезной энергии в тепло.

«Поэтому греются компьютеры, нагревается мозг, метеориты, падающие на Луну, нагревают ее поверхность, и даже гусиные перья писцов бенедиктинского аббатства в Средние века нагревали немного бумагу в том месте, где на нее наносились чернила. В мире, где нет тепла, все соударения абсолютно упруги — и ничто ни на чем не оставляет следов».

С колокольни человеческого макромира мы склонны объяснять линейное время причинно-следственной связью. В прошлом произошло что-то, ставшее причиной настоящего. Мы собираем память о прошлом, пытаясь прогнозировать будущее. Принципиальная разница между прошлым и будущим в том, что только от первого остаются следы. Так происходит исключительно потому, что в прошлом энтропия была низкой. И всякий раз, когда проявляется различие между былым и грядущим, это происходит из-за тепла, считает Карло Ровелли.

Правда, относительно «термического времени» автор оговаривается: «все это идеи, которые меня очаровывают, но их пока не назовешь подтвержденными хотя бы чем-то» (в отличие от экспериментально подтвержденного замедления времени в его связи со скоростью и высотой, например).

Двадцать сантиметров позади глаз

Как мы помним, «зернистость» — одна из фундаментальных характеристик квантового мира. Для всего существующего есть его минимальный масштаб. Есть планковская длина, а есть планковское время. Оно равно 10–44 секунды. Это стомиллионная доля одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной одной миллиардной секунды. На таких промежутках проявляются квантовые эффекты времени.

«Мы должны помнить о разрывах: время не течет равномерно, а в некотором смысле совершает скачки, будто кенгуру, — от одного значения к другому. Другими словами, есть минимальный интервал времени. За его пределами время не существует в самом прямом смысле», — пишет Карло Ровелли.

Единое время раздробилось на множество «сверхмалых времен», каждое из которых непрерывно флуктуирует — оно «размазано» подобно облаку тегов и может принимать лишь определенные значения. Подобно тому, как электрон, перемещаясь из точки A в точку B, «размазан» по всем возможным вариантам своего движения. Между одним и другим своим появлением электрон не находится в каком-то определенном месте — он будто бы рассеян в вероятностном облаке (это называют «суперпозицией» положений). То же происходит и с пространством-временем. На планковских размерах оно тоже флуктуирует и тоже может находиться в «суперпозиции». Разница между прошлым, настоящим и будущим тоже может становиться флуктуирующей — неопределенной. Поэтому «некое событие может и предшествовать какому-то другому, и вместе с тем отставать от него», пишет Карло Ровелли.

«Переменная времени для описания мира вообще не нужна. Нужны переменные, которые можно наблюдать, воспринимать, при случае измерять. Длина дороги, высота дерева, температура лба, вес буханки хлеба, цвет неба, число звезд на небосклоне, эластичность бамбука, скорость поезда, давление ладони на плечо, скорбь утраты, положение стрелки, высота солнца над горизонтом... <...> Мы — это истории, заключенные в тех самых двадцати сложных сантиметрах позади глаз; линии, построенные из следов, которые оставались при перемешивании всего на свете, и направленные на предсказания событий в будущем — в сторону растущей энтропии, под углом, немного отличным от прочих в этом огромном неупорядоченном мире».

На наш скромный взгляд, со «Сроком времени» лучше начинать знакомиться после прочтения другой книги Карло Ровелли, о которой ранее писал «Горький». В ней очерчены основные контуры квантового мира — роящегося, пенящегося и уже почти что родного.