Срок времени

Расфокусировка

Именно Людвиг Больцман первым начал понимать, что скрывается в формуле ΔS ≥ 0, подтолкнув нас к одному из самых головокружительных полетов навстречу более ясному пониманию таинственной грамматики мира.

Людвиг работал в Граце, Гейдельберге, Берлине, Вене и снова в Граце. Он сам говорил о себе, что такая непоседливость у него оттого, что он родился во вторник начала карнавала. Это шутка наполовину: непоседливость в его характере дополнялась переменчивостью. Обладая нежным сердцем, Больцман то переживал воодушевление, то впадал в депрессию. Он был невысок ростом, полного телосложения, темные волосы свивались в кудри, борода была вечно всклокочена. Дочь говорила про него: “Мой милый добрый толстяк”. Это он, Людвиг, сам стал жертвой течения времени.

Сади Карно думал, что тепло – это какая-то субстанция, жидкость. Он ошибался. Тепло – это микроскопические возбуждения молекул. Горячий чай – это чай, в котором молекулы сильно возбуждены. А холодный чай – это чай, в котором молекулы не очень возбуждены. В кубике льда, который еще холоднее, молекулы движутся еще спокойнее.

В конце XIX века многие все еще думали, что молекул и атомов на самом деле не существует; но Людвиг был убежден в их реальности и не уставал бороться за это убеждение. Его желчная критика в адрес тех, кто не верил в атомы, навсегда останется в истории. “Молодежь, как я, всегда стояла на его стороне”, – вспоминал один из “молодых львов” квантовой механики[23]. Во время жаркой полемики на одной из конференций в Вене один известный физик[24] выступил против Больцмана, утверждая, что научный материализм мертв, так как законам материи неизвестно о направлении времени. Физикам тоже случается говорить чушь.

Глаза Коперника распознавали вращение Земли, когда он видел закат солнца. Глаза Больцмана различали беспрестанно движущиеся атомы, когда он смотрел на стакан с недвижимой водой.

Мы видим стакан с водой, как астронавты на Луне видят Землю: ничего, кроме спокойного голубого сияния. Ни неудержимого буйства жизни на Земле, ни растений и животных, ни любовных страстей и отчаяния не видно с Луны – только украшенная крапинками мраморная синева. За стеклянными стенками стакана то же непрекращающееся буйство мириадов молекул – их гораздо больше, чем живых существ на Земле.

Из-за этой суеты все смешивается. Если какая-то часть молекул останавливается, суета прочих не позволяет им успокоиться надолго, вовлекая в новое движение: буйство ударами и толчками передается от одних молекул другим. Из-за этого холодные предметы, оказавшись в контакте с нагретыми, разогреваются: их молекулы более интенсивно подвергаются толчкам со стороны молекул разогретого тела, и это их возбуждает – то есть температура тела повышается.

Термическое возбуждение сродни перетасовыванию колоды карт: если карты сначала были расположены по порядку, то перетасовывание этот порядок нарушит. Так тепло передается от нагретого тела к холодному – через перемешивание и через естественное нарушение всякого порядка.

Это-то и понял Людвиг Больцман. Разница между прошлым и будущим не в элементарных законах движения, не в глубинной грамматике природы. Она в естественном нарушении порядка, которое приводит всякую конкретную ситуацию к менее специфической, меньше отличающейся от других подобных.

В этом его блестящая интуиция! Совершенно правильная! Но проясняет ли она происхождение разницы между прошлым и будущим? Нет. Она предполагает только вопрос. Вопрос сейчас таков: почему в одном из двух направлений времени – а именно в том, которое мы называем прошлым, – все оказывается более упорядоченным? Почему вселенская колода карт в прошлом была упорядоченной? Почему в прошлом энтропия была ниже?

Если мы пронаблюдаем за тем, какие процессы начинались при низкой энтропии, то станет понятно, почему она росла: потому что при перемешивании порядок нарушается. Но почему все те феномены, которые мы наблюдаем где-то поблизости ли, далеко ли в космосе, начались в состояниях с низкой энтропией?

Мы подходим к ключевому моменту. Если первые 26 карт в колоде красные, а следующие 26 – черные, мы можем назвать такую конфигурацию колоды “особой”. Или “упорядоченной”. Этот порядок будет утрачен при перемешивании. Это и есть та самая конфигурация с “низкой энтропией”. Эта конфигурация отличается от прочих, если я слежу за цветом масти – красные или черные. Но в то же время она отличается от прочих в силу того, что я слежу за цветом масти карт. Другая конфигурация будет отличаться от прочих тем, что в ней первые 26 карт – только пики и черви. Или все нечетные, или самые потрепанные, или те же самые 26, что и три дня назад… или обладающие какой-то другой особенностью. Попросту говоря, всякая конфигурация чем-то да особенна, всякая уникальна, если обращать внимание на все детали, ибо для всякой конфигурации найдется что-то такое, что будет характеризовать ее уникальность. Всякий ребенок уникален и не похож на других – если смотреть на него глазами матери.

То представление, которое выделяет данную конфигурацию по отношению ко всем прочим (например, 26 красных, за которыми следуют 26 черных), имеет смысл лишь постольку, поскольку я ограничиваю себя при рассмотрении карт какими-то правилами (например, рассматриваю только их цвет). Если же каждая карта для меня индивидуальна, то каждая из конфигураций равна любой другой – среди них нет более или менее “особых”[25]. Представление об их “особости” рождается в тот момент, когда я смотрю на Вселенную расфокусированным взором, не принимая во внимание детали.

Больцман показал, что энтропия существует лишь тогда, когда мы смотрим на мир таким образом. Он показал, что энтропия – это и есть то количество различных конфигураций, которые мы посчитаем неразличимыми, глядя на мир расфокусированным взором. Тепло, энтропия, низкая энтропия в прошлом – все эти понятия появляются лишь тогда, когда мы описываем природу приблизительно, или статистически.

Но тогда разница между прошлым и будущим в конечном счете зависит лишь от нашего расфокусированного взора… Если бы можно было взять в расчет все имеющиеся детали, точное, микроскопическое состояние мира, то, получается, исчезло бы все, приводящее к появлению потока времени?

Да. Если я наблюдаю за микроскопическим состоянием дел, разница между прошлым и будущим исчезает. Будущее мира определяется, например, его настоящим в ничуть не меньшей и не большей степени, чем его прошлое[26]. Мы часто говорим, что причины предшествуют следствиям, но в элементарной грамматике вещей нет разницы между “причинами” и “следствиями”[27]. Есть некая регулярность, зависящая от того, что мы называем “законами физики”, которая определяет связь событий, относящихся к различным моментам времени, но эта регулярность симметрична по отношению к замене прошлого и будущего… В микроскопическом описании нет способа отличить прошлое от будущего[28].

Такой обескураживающий вывод следует из работ Больцмана: различие прошлого и будущего – это следствие нашего расфокусированного взгляда на мир. Вывод ужасающий: может ли быть, чтобы мое такое живое, экзистенциальное, все определяющее ощущение бытия – и течения времени – объяснялось тем, что я не могу рассмотреть мир во всех его мельчайших деталях? Это просто какая-то ошибка из-за моей близорукости? Неужели, если бы я ясно видел танец миллиардов молекул, будущее оказалось бы “таким же”, как и прошлое? Я был бы в равной мере осведомлен – или не осведомлен – о прошлом, как и о будущем? Я согласен, что наше интуитивное восприятие мира часто бывает ошибочно. Но может ли мир быть настолько фундаментально отличен от наших интуитивных представлений?

Все это подрывает основания нашего привычного понимания времени. Провоцирует полное недоверие, как в случае движения Земли. Но, как и в случае движения Земли, доводы неумолимы: все явления, характеризующие течение времени, сводятся к “особому” состоянию мира в прошлом, “особость” которого заключается в расфокусированности нашего зрения.

Ниже я вернусь к попыткам разобраться в тайне этой размытости и обращусь к вопросу, как она может быть связана со странной начальной невероятностью нашей Вселенной. Здесь же я остановлюсь на удивительном факте, что энтропия – Больцман понял и это – не что иное, как число микроскопических состояний, которые наш расфокусированный взгляд на мир не в состоянии различить.

Формула, содержащая именно это утверждение[29], выбита на мраморной плите на могиле Больцмана в Вене, прямо над мраморным бюстом ученого, изображающим его суровым и мрачным – таким, каким он, я уверен, никогда не был. Не только молодые студенты-физики приходят сюда навестить могилу и постоять перед ней в задумчивости. Иногда сюда приходят и пожилые профессора.

Время потеряло еще один из своих ключевых элементов: внутреннее различие прошлого и будущего. Больцман понял, что в сути вещей нет ничего, что определяло бы поток времени. Есть только какое-то смутное отражение таинственной невероятности Вселенной в некий момент в прошлом.

Только оно дает источник “вечному потоку” в элегиях Рильке.

Ставший полным профессором уже в 25 лет, принятый при императорском дворе в момент своего наивысшего успеха, безжалостно раскритикованный большей частью академического мира, в котором не понимали его идей, вечно балансирующий между воодушевлением и подавленностью, “милый добрый толстяк” Людвиг Больцман закончит свою жизнь, повесившись.

В Дуино, недалеко от Триеста. Пока его жена и дочь будут купаться в Адриатическом море.

Это то самое Дуино, где примерно через год напишет свои элегии Рильке.

Глава 3

В конце настоящего

Разбилисьпод этим нежным ветром веснысладчайшейоковы холода, замкнутые зимою,возвращаются в море лодки…Пора наступила плести нам венкидля чела украшенья(I 4)

Скорость тоже замедляет время

За десять лет до того, как он понял, что время замедляется массой[30], Эйнштейн понял, что время замедляется скоростью[31]. Следствие этого открытия оказалось наиболее разрушительным для наших интуитивных представлений о времени.

Факт сам по себе прост: вместо того чтобы отправлять одного из двух друзей в горы, а другого в долину, попросим одного стоять на месте, а другого ходить туда-сюда. У того, который ходит, время будет идти медленнее.

Как и прежде, длительности, проживаемые друзьями, различны: тот, что ходит, стареет медленнее, его часы показывают меньшее время, у него меньше времени на раздумья, цветок, который он носит с собой, позже распустится и так далее. Для всего того, что движется, время проходит медленнее.

Чтобы этот небольшой эффект сделать заметным, надо двигаться быстро. Впервые его смогли измерить в 1970-е годы с помощью часов, установленных на реактивном самолете[32]. Часы во время полета отставали от таких же часов на земле. Сегодня замедление времени в зависимости от скорости непосредственно наблюдается во многих физических экспериментах.

И опять Эйнштейн сделал вывод о том, что время должно замедляться, до того, как само это явление стало возможно наблюдать. Ему тогда было 25 лет, и он изучал электромагнетизм. Но в его выводе все же не было ничего очень сложного: электричество и магнетизм хорошо описываются уравнениями Максвелла. В эти уравнения входит обычная переменная времени t, но есть одна любопытная особенность: если ты двигаешься с определенной скоростью, для тебя уравнения Максвелла перестают быть справедливыми (то есть они описывают не то, что ты можешь измерить), если только ты не назовешь временем какую-то другую переменную t´[33]. Об этой странности уравнений Максвелла математики знали[34], но никто не понимал, что она может значить. Эйнштейн это понял: t – время, которое проходит для меня, стоящего неподвижно, ритм, в котором разворачиваются события в неподвижности около меня; а t´ – “твое время”, ритм, в котором разворачиваются события, движущиеся вместе с тобой. t – это время, которое измеряют мои неподвижные часы, t´ – время, которое измеряют твои часы, находящиеся в движении. Никто не мог помыслить, что время может оказаться разным для неподвижных часов и для часов, находящихся в движении. Эйнштейн прочитал это между строк в уравнениях Максвелла – он принял их всерьез[35].

Для движущегося предмета проходит меньше времени, чем для неподвижного: часы отсчитывают меньше секунд, растение меньше увеличивается в размерах, малыш видит меньше снов. Для движущегося предмета[36] время сокращается. Не только нет общего времени для разных мест, но нет единого времени даже в одном и том же месте. Определенную продолжительность можно связать только с определенным движением чего-либо, с определенной траекторией. “Собственное время” зависит не только от места, не только от того, велика ли расположенная поблизости масса, но и от скорости, с которой мы движемся.

Факт и сам по себе странный. Но следствие из него вообще экстраординарно. Держитесь крепче, сейчас начнется!

“Сейчас” ничего не значит

Что сейчас происходит где-то там, далеко от нас? Представим, например, что моя сестра отправилась на Проксиму b, недавно открытую экзопланету, которая обращается вокруг ближайшей к нам звезды на расстоянии четырех световых лет. Вопрос: что сейчас делает моя сестра на Проксиме b?

Правильный ответ: этот вопрос не имеет смысла. Это как спросить, находясь в Венеции: “А что находится в этом же самом месте в Пекине?” Смысла задавать такой вопрос нет, потому что про “это самое место” мы можем говорить, только подразумевая Венецию, а никак не Пекин.

Обычно, если меня интересует, чем одновременно со мной занимается моя сестра, я поступаю просто – смотрю на нее. А если она где-то далеко, то звоню и спрашиваю. Но – внимание! – если я смотрю на сестру, отраженные от нее световые лучи должны достичь моих глаз. Свету для этого нужно некоторое время – допустим, несколько наносекунд (миллиардных долей секунды), и поэтому я вижу не то, что она делает сейчас, а то, что делала несколько наносекунд назад. Если она в Нью-Йорке и я звоню ей по телефону, ее голос будет бежать по проводам несколько миллисекунд, прежде чем достигнет моего уха, и тогда я смогу узнать, что делала моя сестра несколько миллисекунд назад. Разница, в общем-то, пустячная.

Но если сестра на Проксиме b, свету, чтобы добраться оттуда сюда, понадобится уже четыре года. Если я тут смотрю на нее в телескоп или получаю от нее радиосообщение, то я узнаю, что она делала четыре года назад, а не то, что она делает одновременно со мной. Совершенно определенно “сейчас на Проксиме b” – это совсем не то, что я вижу в телескоп или узнаю из радиосообщения.

Могу я сказать, что она делает сейчас то, что делала ровно четыре года спустя после того, как я ее увидел в телескоп? Нет, так тоже не получится: четырех лет с того момента, когда я ее увидел в телескоп, в том месте, где она находилась, вполне могло хватить для того, чтобы вернуться на Землю десять лет спустя по земному времени. Вот уж точно – это совсем не то сейчас!

И все-таки, если десять лет назад моя сестра взяла с Земли календарь, чтобы вести счет времени, я могу полагать, что сейчас для нее наступит именно тогда, когда она отсчитает ровно десять лет? Нет, и так не получится: десяти ее лет после того, как она покинула Землю, ей вполне могло хватить, чтобы снова вернуться сюда двадцать лет спустя. Так когда же наступает сейчас на Проксиме b?

По правде говоря, нам приходится сдаться[37]: нет такого специального момента на Проксиме b, который бы соответствовал нашему настоящему “здесь и сейчас”.

Дорогой читатель, остановись на мгновение, позволь этой мысли отложиться в сознании. По мне, так она самая потрясающая во всей современной физике!

Спрашивать, какой момент в жизни моей сестры, находящейся на Проксиме b, соответствует моему сейчас, не имеет смысла. Это как спрашивать, какая футбольная команда выиграет чемпионат по баскетболу, сколько зарабатывает ласточка или сколько весит музыкальная нота. Все это бессмысленные вопросы, потому что футбольные команды играют в футбол, а не в баскетбол, ласточки не заботятся о заработках, а музыкальные звуки не имеют веса. Чемпионаты по баскетболу – это про баскетбольные команды, а не про футбольные. Денежные заработки – это про людей и наше общество, а не про ласточек. Настоящее – это про то, что близко, а не про то, что далеко.

Наше настоящее не простирается на всю Вселенную, оно подобно окружающему нас пузырю.

Насколько велик этот пузырь? Зависит от точности, с которой определяется время. Если это наносекунды, настоящее ограничивается несколькими метрами, если это миллисекунды, настоящее ограничивается километрами. Мы, люди, едва способны различать десятые доли секунды, так что спокойно можем считать всю нашу Землю единым пузырем, внутри которого есть одно общее для всех настоящее. Но не далее.

Далее лежит наше прошлое (события, произошедшие раньше таких, какие мы могли бы увидеть сейчас). И наше будущее (события, которые произойдут после таких, какие мы еще можем увидеть сейчас). Но между ними лежит интервал, который мы не можем считать ни прошлым, ни будущим, и его продолжительность различна: это 15 минут на Марсе, 8 лет на Проксиме b, миллионы лет в Туманности Андромеды. Это протяженное настоящее[38]. Возможно, самое великое и самое странное из открытий Эйнштейна.

Идея, что “сейчас” вполне определенно для всей Вселенной, оказывается, таким образом, иллюзией, нелегитимной экстраполяцией нашего опыта[39]. Как то место, где радуга касается верхушек деревьев: нам кажется, что мы хорошо его видим, но стоит попытаться к нему приблизиться – и его уже нет.

Если в межпланетном пространстве я спрошу: “На одной ли высоте эти два камня?” – то правильным ответом будет: “Этот вопрос лишен смысла, потому что во Вселенной нет единого представления о высоте”. Если я спрошу: “Одновременны ли эти два события, одно из которых на Земле, а другое на Проксиме b?” – правильным ответом будет: “Этот вопрос лишен смысла, потому что невозможно определить один и тот же “этот самый момент” для всей Вселенной”.

“Настоящее во Вселенной” не означает ничего.

Временнáя структура, лишенная настоящего

Горго спасла Грецию благодаря тому, что смогла догадаться: под слоем воска на вощеной табличке, полученной из Персии, спрятано секретное сообщение – сообщение, предупреждающее греков об атаке персов. У Горго был сын по имени Плистарх от ее супруга Леонида I, царя Спарты и героя сражения при Фермопилах, который одновременно приходился ей дядей: он был братом ее отца Клеомена I. Кого можно было бы назвать человеком “одного поколения” с Леонидом: Горго, мать его сына Плистарха, или Клеомена, сына того же родителя? Ниже приводится схема для тех, кто, как я, плохо ориентируется в родственных связях.

Очевидна аналогия между отношениями поколений и временнóй структурой мира, какой она является в свете теории относительности: нет смысла спрашивать, кто именно – Клеомен или Горго – относится к одному поколению с Леонидом, поскольку невозможно дать универсального[40] определения понятию “единого поколения”. Если мы скажем, что Леонид и его брат относятся к одному поколению, поскольку у них общий отец, с одной стороны, и что Леонид и его жена относятся к одному поколению, поскольку у них общий сын, с другой стороны, то нам придется также сказать, что это же поколение должно объединять Горго и ее отца. Связи между родителями и детьми позволяют установить отношения порядка между человеческими существами (Леонид, Горго и Клеомен – все они следуют за Анаксандридом II и предшествуют Плистарху), но не между всеми, а только между некоторыми: никто в паре Леонид – Горго никому не предшествует и ни за кем не следует.

Отношения наподобие “родитель – ребенок” математики называют отношениями частичного порядка. Частичный порядок предполагает отношения предшествования или следования между некоторыми элементами множества, но не между всеми. Отношения “родитель – ребенок” превращают множество человеческих сущностей в “частично упорядоченное”, но не “вполне” (или “линейно”) упорядоченное. Связи между детьми и родителями вводят порядок (“дети” предшествуют появлению своих детей, но следуют за своими “родителями”), но не между всеми. Чтобы представить себе, как осуществляется этот порядок, достаточно нарисовать генеалогическое древо Горго:

У него есть конус “прошлого”, включающий ее предков, и конус “будущего”, включающий ее потомков. За пределами этих двух конусов остаются те, кто не приходится ей ни предком, ни потомком.

У всякого человеческого существа свои два конуса: “прошлого”, объединяющего предков, и “будущего”, объединяющего потомков. Ниже показаны конусы прошлого и будущего для Леонида, а также их расположение по отношению к конусам прошлого и будущего Горго.

Временнáя структура Вселенной очень похожа. Она тоже делится на конусы. Временнóе предшествование в соответствии с принадлежностью тому или иному конусу вводит отношение частичного порядка[41]. Специальная теория относительности – это открытие, что временнáя структура Вселенной подобна отношениям “родитель – ребенок”: она вводит порядок между мировыми событиями, но это частичный порядок, а не полный. Протяженное настоящее – это события, не относящиеся ни к прошлому, ни к будущему, вроде тех человеческих существ, которые не приходятся нам ни предками, ни потомками.

Если мы хотим представить себе все события во Вселенной и их временны́е соотношения, то мы больше не можем этого делать, единым и универсальным образом проведя грань между прошлым, настоящим и будущим, то есть так, как показано ниже.

Вместо этого нам придется поместить сверху и снизу от каждого события свой конус прошлого и свой конус будущего:

(У физиков есть обычай, уж не знаю, откуда взявшийся, изображать будущее сверху, а прошлое снизу – то есть в точности наоборот в сравнении с теми, кто рисует генеалогические древа.) У каждого события свое прошлое, свое будущее и своя часть, не являющаяся ни прошлым, ни будущим, как это бывает у всякой человеческой сущности со своими предками, своими потомками и всеми прочими, не приходящимися ей ни предками, ни потомками.

Свет распространяется вдоль наклонных прямых, которые образуют конусы, так и называющиеся “световыми”. Эти прямые принято изображать под углом в 45°, как на рисунке выше, хотя было бы более реалистично изображать их почти горизонтальными:

Ведь в нашей привычной шкале протяженное настоящее, отделяющее наше прошлое от нашего будущего, очень коротко – наносекунды – и практически незаметно, так как втиснуто в узенькую горизонтальную щелку, которую мы обычно и называем просто “настоящим”, без всяких дополнительных эпитетов.

Короче говоря, никакого общего прошлого не существует. Пространственно-временной континуум нельзя нарезать слоями по линиям времени, как показано ниже:

Временнýю структуру определяют не слои, а скорее световые конусы:

Именно такую структуру открыл Эйнштейн в возрасте 25 лет.