Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Вид материала

Документы

Содержание Течет ли время?

Подобный материал:

• Тема 2 Социальное пространство и социальная структура. Понятие социального пространства, 586.13kb.
• Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета, 209.43kb.
• Название работы, 371.8kb.
• Политическое сознание. (Ольшанский) Структура сознания в русле методологии деятельностного, 37.54kb.
• Реферат по дисциплине: Философия на тему: Время и пространство в философии, 382.06kb.
• Схемы, пространство-время и мышление в контексте проблемы освоения интеллектуальных, 160.25kb.
• Социальное пространство компьютерно-опосредованной реальности: опыт феноменологической, 295.3kb.
• Романтика космоса, 1113.61kb.
• «Химия космоса», 282.27kb.
• Цикл семинаров «новые парадигмы для человечества. Структура реальности. Природа человека», 90.37kb.

Итак, хотя взгляд большинства заключается в том, что имеется гармоничное сосуществование, некоторые физики и философы рассматривают точную взаимосвязь между квантовой механикой, запутанными частицами и СТО как открытый вопрос. Определенно возможно, и, на мой взгляд, привлекательно, что взгляд большинства в конце концов одержит победу в некоторой более определенной форме. Но история показывает, что тонкие фундаментальные проблемы иногда высеивают семена будущих революций. Так ли это, покажет только время.


Что мы понимаем во всем этом?


Рассуждения Белла и эксперименты Аспекта показывают, что вид вселенной, воображаемой Эйнштейном, может существовать в уме, но не в реальности. Вселенная Эйнштейна та, в которой то, что вы сделаете прямо здесь, окажет немедленное воздействие только на вещи, которые также находятся прямо здесь. Физика, с его точки зрения, чисто локальна. Но мы теперь видим, что данные опытов отвергают такой вид мышления; данные опытов отвергают такой вид вселенной.


Эйнштейновской была также вселенная, в которой объекты обладают определенными значениями всех возможных физических величин. Величины эти не плавают в чистилище, ожидая измерения экспериментатора, чтобы привести их к существованию. Большинство физиков скажут, что Эйнштейн ошибался и в этом пункте тоже.


Свойства частиц с этой точки зрения большинства приходят к бытию, когда измерения побуждают их к этому, – эту идею мы изучим позже в Главе 7. Когда частицы не наблюдаются или не взаимодействуют с окружением, их свойства имеют неопределенное размытое существование, характеризуемое исключительно вероятностью, что та или иная потенциальная возможность может быть реализована. Наиболее экстремистски настроенные из тех, кто придерживается этого взгляда, заходят настолько далеко, что декларируют, что в самом деле, когда никто и ничто не "наблюдает" Луну и не взаимодействует с ней любым образом, она не существует.


При таком исходе присяжные тихо покидают зал. Эйнштейн, Полольский и Розен доказывали, что осмысленное объяснение того, как измерения могут показать, что далеко разнесенные частицы имеют идентичные свойства, заключается только в том, что частицы обладали этими определенными свойствами всегда (и, как следствие их общего прошлого, их свойства скоррелированы). Десятилетия спустя анализ Белла и данные опытов Аспекта продемонстрировали, что это интуитивно привлекательное предложение, основывающееся на предпосылке, что частицы всегда имеют определенные свойства, не годится для объяснения экспериментально наблюдаемых нелокальных корреляций. Но неудача в объяснении тайн нелокальности не означает, что замечание, что частицы всегда имеют определенные свойства, само по себе исключается. Данные опытов исключают локальную вселенную, но они не исключают частицы, имеющие такие скрытые свойства.


Фактически, в 1950е годы Бом сконструировал свою собственную версию квантовой механики, которая включала в себя как нелокальность, так и скрытые переменные. Частицы в этом подходе всегда имеют определенное положение и определенную скорость, даже если мы никогда не можем измерить их одновременно. Подход Бома делал предсказания, которые полностью соответствовали аналогичным предсказаниям традиционной квантовой механики, но его формулировка вводила даже более нахальный элемент нелокальности, в котором силы, действующие на частицу в одном месте, зависят мгновенно от условий в удаленном месте. То есть, в известном смысле версия Бома предлагала, как можно частично достичь цели Эйнштейна по возвращению некоторых интуитивно осмысленных свойств классической физики, – частицы имеют определенные свойства, – которые были отставлены квантовой революцией, но она также показала, что сделать это можно ценой принятия еще более явной нелокальности. Из-за такой непомерной цены Эйнштейн нашел слабое утешение в подходе Бома.


Необходимость отказаться от локальности есть наиболее поразительный урок, появившийся из работ Эйнштейна, Подольского, Розена, Бома, Белла и Аспекта, а также многих других, кто сыграл важную роль в этом направлении исследований. Вследствие своего прошлого объекты, которые в настоящий момент находятся в совершенно разных областях вселенной, могут быть частью квантовомеханически запутанного целого. Даже если они далеко разнесены, такие объекты ведут себя случайным, но скоординированным образом.


Мы использовали мысль, что основное свойство пространства заключается в том, что оно разделяет и различает один объект от другого. Но мы теперь видим, что квантовая механика радикально подвергает сомнению такой взгляд. Два тела могут быть разделены чудовищным количеством пространства и при этом не иметь полностью независимого существования. Квантовая связь может объединить их, сделав свойства каждого зависящими от свойств другого. Пространство не различает такие запутанные объекты. Пространство не может преодолеть их взаимосвязь. Пространство, даже гигантское количество пространства не ослабляет их квантовомеханическую взаимозависимость.


Некоторые люди интерпретируют это, говоря нам, что "все соединено со всем остальным", или что "квантовая механика запутывает нас всех в одно универсальное целое". После всего сказанного возникают рассуждения, что при Большом взрыве все появилось из одного места, поскольку, как мы верим, все места, которые мы сейчас мыслим как различные, сводятся к одному и тому же месту при возвращении к началу. А поскольку, как два фотона появились из одного и того же атома кальция, все появилось из одного и того же нечто в начале, все должно быть квантовомеханически запутано со всем остальным.


Хотя мне нравится это мнение, такое сильное высказывание является необоснованным и преувеличенным. Квантовые связи между двумя фотонами, появляющимися из атома кальция, определенно присутствуют, но они экстремально тонкие. Когда Аспект и другие проводили свои эксперименты, критическим было то, что фотонам позволялось путешествовать абсолютно беспрепятственно от их источника к детекторам. Если бы они столкнулись со случайными частицами или врезались в части оборудования перед тем, как достигнуть одного из детекторов, квантовая связь между фотонами стала бы невообразимо более трудной для идентификации. Вместо поиска корреляций в свойствах двух фотонов, теперь пришлось бы искать сложную систему корреляций, затрагивающих фотоны и все другое, во что они могли врезаться. И поскольку все эти частицы двигаются своими путями, сталкиваясь и врезаясь еще и в другие частицы, квантовое запутывание становится настолько распределенным через эти взаимодействия с окружением, что становится фактически невозможно его детектировать. Несмотря на все усилия и намерения, исходное запутывание между фотонами будет уничтожено.


Тем не менее, совершенно удивительно, что такие связи существуют и что в должным образом подготовленных лабораторных условиях они могут быть непосредственно наблюдаемы на значительных расстояниях. Это показывает нам на фундаментальном уровне, что пространство не есть то, что мы давно о нем думаем.


А как насчет времени?

II Время и опыт


5 Замороженная река


ТЕЧЕТ ЛИ ВРЕМЯ?


Время находится среди наиболее привычных, но, вместе с тем, наименее понятых концепций, с которыми человечество всегда сталкивалось. Мы говорим, что оно течет, мы говорим, что оно деньги, мы пытаемся сохранить его, мы раздражаемся, когда теряем его. Но что есть время?


Перефразируя святого Августина и судью Поттера Стюарта*, мы знаем его, когда мы видим его, но, несомненно, на заре третьего тысячелетия наше понимание времени должно быть глубже этого. В некотором смысле оно есть. В другом смысле его нет. Через столетия размышлений и решения головоломок мы достигли проникновения в некоторые из тайн времени, но многие остались. Откуда приходит время? Что означало бы иметь вселенную без времени? Может ли быть более чем одно временное измерение, точно так же, как имеется более чем одно пространственное измерение? Можем ли мы "путешествовать" в прошлое? Если можем, то можем ли мы изменить последующее развитие событий? Существует ли абсолютное, минимально возможное количество времени? Является ли время абсолютно фундаментальной составляющей в строении космоса или просто удобной конструкцией для организации наших восприятий, но не входящей в словарь, с помощью которого записаны наиболее фундаментальные законы вселенной? Может ли время быть производным понятием, возникающим из некоторой более основной концепции, которую еще предстоит открыть?


(*)"Святой Августин (354–430), считающийся одним из отцов-основателей Римской католической церкви, на чей-то вопрос: "Объясни, что такое Бог, определи Бога. Что ты имеешь в виду, когда ты произносишь слово "Бог"? ответил: "Это все равно как пытыться объяснить, что такое время. Я могу говорить о нем, но если вы просите его определить, объяснить, что это такое, я теряюсь."


Судья Верховного суда США Поттер Стюарт при жизни говаривал, что не может словами описать, что же такое порнография, но если он ее увидит, то без труда сможет распознать. – (прим. перев.)"


Поиск всесторонних и полностью убедительных ответов на эти вопросы находится в ряду самых амбициозных целей современной науки. К тому же большие вопросы отнюдь не ограничиваются только этими. Даже повседневное ощущение времени приоткрывает путь к некоторым наиболее острым загадкам вселенной.


Время и опыт


СТО и ОТО вдребезги разбили универсальность, исключительность времени. Эти теории показали, что каждый из нас подбирает осколки ньютоновского старого универсального времени и несет их с собой. Возникают наши собственные персональные часы, наш собственный персональный ведущий, безжалостно перетягивая нас от одного момента к следующему. Мы поражаемся теориям относительности, то есть вселенной, поскольку, хотя время наших персональных часов кажется тикающим неизменно и в согласии с нашим интуитивным чувством времени, сравнение с другими часами выявляет различия. Время для вас не обязано быть тем же самым, как время для меня.


Примем этот урок как данность. Но что представляет собой действительная природа времени для меня? Что представляет собой полная характеристика времени как переживаемого и ощущаемого индивидуально, без прямого сосредоточения на сравнениях с переживаниями других? Отражают ли эти переживания действительную природу времени? И что они могут нам сказать о природе реальности?


Наши ощущения учат нас и подавляющим образом, что прошлое отличается от будущего. Будущее, кажется, дарит нам богатство возможностей, тогда как прошлое связано с единственной ситуацией. С фактом, который в действительности произошел. Мы чувствуем способность влиять, воздействовать на будущее и формировать его в той или иной степени, тогда как прошлое кажется не подлежащим изменению. И между прошлым и будущим имеется скользкая концепция настоящего, темпоральная точка сосредоточения, которая сама пересоздается из момента в момент, подобно кадрам в кинофильме, когда они проносятся мимо сильного луча света от проектора и на мгновение становятся явными. Время кажется текущим в бесконечном, совершенно однородном ритме, достигая мимолетного пункта назначения в настоящем с каждым ударом барабанной палочки.


Наши ощущения также учат нас, что имеется несомненная однобокость того, как вещи раскрываются во времени. Совершенно не нужно плакать над пролитым молоком, поскольку будучи один раз пролитым, оно никогда не будет "пролито обратно": мы никогда не видели, что расплескавшееся молоко собирается воедино, поднимается с пола и сливается в чашке, которая устанавливается прямиком на кухонный стол. Наш мир, кажется, твердо придерживается однонаправленной стрелы времени, никогда не отклоняясь от фиксированного условия, что вещи могут начаться как это, а закончиться как то, но они никогда не могут начаться как то, а закончиться как это.


Наши ощущения, следовательно, учат нас двум всеобъемлющим вещам о времени. Первое, время кажется текущим. Это похоже на то, как будто мы стоим на берегу реки времени, как мощного несущегося мимо потока, подтягивающего будущее по направлению к нам, становящегося настоящим в тот момент, когда он достигает нас, и уносящегося прочь, когда он отступает вниз по течению в прошлое. Или, если это, на ваш вкус, слишком пассивный взгляд, перевернем метафору: мы движемся вместе с рекой времени, тогда как она непреодолимо несется вперед, увлекая нас из одного настоящего в следующее, тогда как прошлое отступает назад вместе с проходящим пейзажем, а будущее всегда дожидается нас вниз по течению. (Наши ощущения также обучали нас, что время может вызывать и некоторые более мягкие сравнения). Второе, время кажется имеющим стрелку-направление. Течение времени кажется происходящим одним образом и только одним образом в том смысле, что вещи происходят в одной и только в одной темпоральной последовательности. Если кто-нибудь даст вам ящик, содержащий короткую кинопленку о том, как разливается чашка молока, но кинопленка разрезана на отдельные кадры, то вы можете путем изучения этой кучи фотографий расположить кадры в правильном порядке без какой-либо помощи или инструкций со стороны изготовителя пленки. Время кажется имеющим внутреннее направление, следующее из того, что мы называем прошлым, по направлению к тому, что мы называем будущим, и вещи проявляют изменения – молоко разливается, яйца разбиваются, свечи сгорают, люди стареют – в универсальной ориентации вдоль этого направления.


Эти легко осознаваемые свойства времени генерируют некоторые из его наиболее дразнящих загадок. Течет ли время на самом деле? Если течет, то что в действительности течет? И как быстро происходит это течение материала времени? Имеет ли время на самом деле направление? Пространство, например, не проявляет наличия присущего ему направления – для астронавта в темном глубинном космосе понятия влево и вправо, назад и вперед, вверх и вниз все действуют на равных основаниях – так откуда возникает стрела времени? Если имеется стрела времени, является ли она абсолютной? Или есть вещи, которые могут эволюционировать в направлении, противоположном тому, в котором стрела времени кажется ориентированной?


Теперь построим наше текущее представление, сначала подумав об этих вопросах в контексте классической физики. Итак, для оставшейся части этой и следующей главы (в которых мы обсудим, соответственно, течение времени и стрелу времени) мы будем игнорировать квантовую вероятность и квантовую неопределенность. Тем не менее, многое из того, что мы изучим, переносится непосредственно на квантовую область, и в Главе 7 мы обсудим квантовую точку зрения.


Течет ли время?


С точки зрения ощущающего ответ очевиден. Когда я печатаю эти слова, я ясно чувствую, что время течет. С каждым нажатием на клавишу каждое настоящее дает путь следующему. Когда вы читаете эти слова, вы, без сомнения, чувствуете течение времени тоже, пока ваши глаза следуют от слова к слову по странице. Однако, как бы сильно физики не старались, никто не нашел в рамках законов физики убедительных улик, которые бы подтвердили это интуитивное ощущение, что время течет. Фактически, переработка некоторых выводов Эйнштейна из СТО делает очевидным, что время не течет.


Чтобы понять это, вернемся к описанию пространства-времени в виде батона хлеба, введенного в Главе 3. Повторим, что сечения, формирующие батон, таковы для данного наблюдателя; каждое сечение представляет пространство в один момент времени с его или ее точки зрения. Объединение, получаемое путем расположения сечения за сечением в том порядке, в котором наблюдатель переживает их, заполняет область пространства-времени. Если мы расширим этот взгляд до логических пределов и представим, что каждое сечение описывает все пространство в данный момент времени согласно точке зрения одного наблюдателя, и если мы включим все возможные сечения от древнего прошлого до удаленного будущего, батон будет заключать в себе всю вселенную на протяжении всего времени – целое пространство-время. Каждое событие, независимо от того, когда или где оно произошло, представлено некоторой точкой в батоне.


Это схематически проиллюстрировано на Рис.5.1, но следствия должны заставить вас почесать вашу голову. "Внешняя" переспектива на рисунке, в которой мы видим целую вселенную, все пространство и каждый момент времени, это фиктивная точка наблюдения, такая, которую никто из нас никогда не будет иметь.


Рис 5.1 Схематическое изображение всего пространства в течение всего времени (изображена, конечно, только часть пространства в течение части времени), показывающее формирование некоторых первичных галактик, формирование Солнца и Земли, а также завершающую гибель Земли, когда Солнце разрастется до красного гиганта, в чем мы в настоящее время видим наше удаленное будущее.


Мы все находимся внутри пространства-времени. Каждое переживание вы или я всегда получаем в некотором месте пространства в некоторый момент времени. И поскольку Рис.5.1 кажется описывающим все пространство-время, он включает в себя всю совокупность таких переживаний целиком – ваше, мое, а также всякого и всевозможного. Если бы вы могли увеличить масштаб и внимательно исследовать все приходящее на планету Земля и уходящее с нее, вы смогли бы увидеть Александра Великого, получающего урок от Аристотеля, Леонардо да Винчи, кладущего последние штрихи на портрет Моны Лизы и Джорджа Вашингтона, пересекающего Делавэр; если бы вы продолжили сканировать изображение слева направо, вы были бы в состоянии увидеть вашу бабушку, играющую еще маленькой девочкой, вашего отца, отмечающего свое десятилетие, и ваш собственный первый день в школе; глядя еще дальше направо в изображение, вы смогли бы увидет себя, читающего эту книгу, рождение вашей пра-пра-внучки, а немного далее ее инаугурацию в качестве Президента. Давая грубое разрешение Рис.5.1, вы не можете в действительности видеть эти моменты, но вы можете (схематически) видеть историю Солнца и планеты Земля от их рождения из сгущающегося газового облака до смерти Земли, когда Солнце разбухнет до красного гиганта. Все это там есть.


Бесспорно, Рис.5.1 есть воображаемая перспектива. Точка зрения, с которой мы наблюдаем, находится вне пространства и времени. Это взгляд из ниоткуда и из никогда. Даже при этих условиях, – даже если мы не можем на самом деле встать вне границ пространства-времени и полностью окинуть взглядом вселенную, – схематическое изображение Рис.5.1 обеспечивает убедительный способ анализа и прояснения основных свойств пространства и времени. Главное в том, что интуитивное ощущение течения времени может быть отчетливо описано в рамках данного рассмотрения как разновидность метафоры, использующей фильмопроектор. Мы можем вообразить свет, который освещает одно темпоральное сечение за другим, на мгновение оживляя сечение в настоящем, – делая само сечение на мгновение настоящим, – только чтобы тотчас отпустить сечение снова в темноту, когда свет удалится к следующему сечению. Прямо сейчас в рамках этого интуитивного способа размышлений о времени видно, что свет освещает сечение, в котором вы, сидя на планете Земля, читаете эти слова, а теперь он освещает сечение, в котором вы читаете это слово. Однако повторим, что, хотя этот образ кажется соответствующим ощущениям, физики не в состоянии найти хоть что-нибудь в законах физики, что воплотило бы такой движущийся свет. Они не нашли физический механизм, который бы отбирал момент за моментом, становящиеся на мгновение реальными, – становящиеся на мгновение настоящим, – как механизм, всегда продвигающийся вперед к будущему.


В самом деле все наоборот. Хотя картина Рис.5.1 определенно нереальна, имеются убедительные свидетельства, что пространственно-временной батон – полное пространство-время, а не последовательность сечений одно за одним, – реален. Менее широко оценено следствие трудов Эйнштейна, что реальность СТО трактует все моменты времени одинаково. Хотя выделение настоящего играет центральную роль в нашем мировоззрении, теория относительности еще раз ниспровергает нашу интуицию и объявляет нашу вселенную как вселенную равноправных моментов, в которой каждый момент времени реален настолько же, как и любой другой. Мы упорядочили эти идеи в Главе 3, когда размышляли о вращающемся ведре с точки зрения СТО. Там же через непрямые рассуждения, аналогичные ньютоновским, мы пришли к заключению, что пространство-время является чем-то, как минимум, достаточным для обеспечения точки отсчета для ускоренного движения. Здесь же мы обсуждаем проблему с другой точки зрения и движемся дальше. Мы утверждаем, что каждая часть пространственно-временного батона на Рис.5.1 существует на том же основании, что и любая другая, намекая на то, что, как верил Эйнштейн, реальность включает в себя прошлое, настоящее и будущее одинаково и что воображаемое нами течение, переносящее одно сечение к свету, тогда как другое уходит в темноту, является иллюзорным.


Устойчивая иллюзия прошлого, настоящего и будущего


Чтобы понять точку зрения Эйнштейна, нам необходимо выработать определение реальности, алгоритм, если хотите, для определения того, что вещи существуют в данный момент. Имеется один общий подход. Когда я обозреваю реальность, – что существует в этот момент, – я рисую перед своим мысленным взором разновидность моментального снимка, воображаемое статическое изображение единой вселенной прямо сейчас. Когда я печатаю эти слова, мое ощущение того, что существует прямо сейчас, мое ощущение реальности, сводится к списку всех тех вещей, – отбивания полночи на моих кухонных часах; моего кота, сорвавшегося и отправившегося в полет между подоконником и полом; первого луча утреннего солнца, осветившего Дублин; гвалта в торговом зале Токийской фондовой биржи; слияния двух отдельных атомов водорода в Солнце; испускания фотона туманностью Ориона; последнего момента жизни умирающей звезды, перед тем как она сколлапсирует в черную дыру, – которые имеются в данный момент в моем статическом воображаемом изображении. Все это вещи, происходящие прямо сейчас, так что это вещи, которые я объявляю существующими прямо сейчас. Существует прямо сейчас Карл I Великий? Нет. Существует прямо сейчас Неро? Нет. Существует прямо сейчас Линкольн? Нет. Существует прямо сейчас Элвис? Нет. Никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Существует ли прямо сейчас кто-нибудь, родившийся в 2300 или 3500 или 57000 году? Нет. Опять-таки, никого из них нет в моем статическом мысленном изображении, никого из них нет в моем текущем временном сечении, так что никого из них нет в моем текущем списке настоящего. Следовательно, я говорю без колебаний, что они в настоящее время не существуют. Это то, как я определяю реальность в любой заданный момент; это интуитивный подход, который используют большинство из нас, часто неосознанно, когда размышляют о существовании.