Почему физика не объясняет течение времени

Мы помним прошлое, но не будущее. Почему? Вопрос кажется простым, но современная физика не может на него ответить. Джин Трейси, профессор физики из Колледжа Вильгельма и Марии в Виргинии, США, рассказывает о пропасти, которая разделяет бытовое и научное восприятие времени, и предлагает новый взгляд на проблему.

Восприятие времени — один из главных аспектов нашего опыта. Время играет центральную роль в том, как мы ощущаем самих себя, как планируем свою жизнь. Воспоминания помогают удерживать прошлое, в планах мы устремляемся к будущему. Современная наука должна предлагать объяснения этих фактов.

И однако сегодняшние физики редко обсуждают природу времени и человеческое переживание времени. Вместо этого исследователи строят все более точные часы. Нынешний рекордсмен находится в астрофизической лаборатории JILA в США. Прибор измеряет вибрации атомов стронция и ошибается лишь на одну секунду в пятнадцать миллиардов лет. Впечатляет, но на вопрос о природе времени ответить не помогает.

Самые точные атомные часы из астрофизической лаборатории JILA в штате Колорадо, США

При этом нельзя сказать, что вопрос находится за границами физики. Пусть поток времени — лишь часть внутреннего опыта, он все равно реален, хоть и иначе, чем протон или галактика. На что похоже переживание времени? На спектакль, где действие разворачивается на наших глазах, или на фильм, где вся вечность уже зафиксирована на пленке, а мы смотрим ограниченный набор статических изображений?

Теории Ньютона и Эйнштейна не слишком помогают в поисках ответа. И та и другая, несмотря на все свои различия, рисуют картины вечных «монолитных» вселенных, в которых время — это четвертое измерение, подобное трем пространственным. Уравнения Эйнштейна позволяют различным наблюдателям не соглашаться по на счет длительности временных интервалов, но сам пространственно-временной континуум остается неподвижной сценой, на которой разыгрывается драма мира.

В квантовой механике, как и в механике Ньютона и релятивистских теориях Эйнштейна, законы физики, управляющие микроскопическим миром, выглядят одинаково вне зависимости от того, идем ли мы вперед во времени или назад. Даже новаторские идеи таких теоретиков, как Шон Кэрролл из Калтеха, который считает время «эмерджентным», вторичным феноменом, вырастающим из первичного безвременного состояния, больше касаются поведения времени, а не его восприятия людьми. Поток времени в сегодняшних физических теориях практически не рассматривается.

Время может быть «эмерджентным» феноменом подобно геологическим образованиям у берегов рек, своего рода «порядком из хаоса»

В течение последних двух веков феномен сознания, по большей части, находился за границами физики. Это слишком сложная загадка, и поиски ответа на нее отложили до того времени, когда будут решены более насущные проблемы. Ученые продвигались все глубже в ядро атома и все дальше к звездам, а тем временем сознание и, в частности, ощущение человеком времени, оставались нетронутыми. Почему так происходит? Разве наука не должна объяснять наш повседневный опыт? Может быть, как раз поэтому столько школьников и студентов «не въезжают» в физику, более того, чувствуют к ней отторжение? Они не видят себя в картине мира, нарисованной физикой. Где жизнь и где смерть? Где поток времени?

Наше внутреннее ощущение течения времени почти целиком принадлежит области когнитивной науки и философии. Внешний мир, по традиции, — игровая площадка для физиков. Однако отделять внутреннее и внешнее таким грубым образом не годится. В конце концов, это ведь наш мозг занимается физикой. Уже давно два мира пытаются протянуть друг другу руки, навести мосты.

Лучше всего сделать это с помощью метафоры. Например, мы можем думать о мозге как о машине для рассказывания историй. В книге «Физика и философия: революция в современной науке» (1958) Вернер Гейзенберг размышляет о том факте, что язык и наше ощущение мира крепко связаны друг с другом. Действительно, органы восприятия и мозг — результаты миллионов лет эволюции. Наша ДНК — это своего рода память, которую предки передают потомкам по цепочке. Наши гены, наши личные воспоминания и сама структура наших языков — все это закодированные формы знания о мире.

Мозг можно воспринимать как машину для рассказывания историй, извлечения смысла из хаоса впечатлений

Язык бесконечно разнообразен и работает во многих режимах: метафорическом, сновидческом или магическом, с одной стороны, и логическом, с другой. Какая форма языка наиболее полезна для того, чтобы говорить о времени? Гейзенберг считает, что это под силу только языку логики и математики, как раз потому что он формализован и имеет жесткую структуру.

Но мы хотим понять наше собственное место в мире, а не просто сам мир. Мы также хотим понять, почему мы воспринимаем этот мир так, как воспринимаем. Это требует более текучего, более богатого ассоциациями языка искусства.

Сегодняшняя когнитивная наука говорит, что воспоминания — это своего рода история, которую рассказывает мозг. Она сформирована из глины сенсорных ощущений и упорядочена на основе предыдущего жизненного опыта. Сознание принимает за данность необратимость времени. Для физики же это большой вопрос:

«Почему мы помним прошлое, но не будущее?»

Вопрос может показаться бессмысленным, но если потянуть за эту ниточку, мы придем к самой сути.

Подумайте о такой вещи, как «сейчас». На первый взгляд, это нечто очень простое: четко определенный момент во времени. Мы чувствуем, как некое «сейчас» приближается к нам из будущего, а затем отступает в прошлое. Опыт настоящего момента построен из двух основных блоков: свежих воспоминаний и стимулов, полученных в реальном времени от пяти чувств. Эти данные не моментальны: сигналы поступают с нервных окончаний в мозг, а он сам по себе динамическая система, у которой нет единых часов. Мозг напоминает Дворец снов из одноименного романа Исмаила Кадаре: огромный бюрократический аппарат, полный интриг, собирающий разведданные из отдаленных провинций о спящих подданных султана в надежде понять их намерения. «Сейчас» — это догадка мозга-султана, локальная теория того, что происходит глобально, картина, собранная из обрывков новостей с сенсорных окраин.

В романе албанского писателя Исмаила Кадаре «Дворец снов» описано, как султан собирает данные о снах всех своих подданных — так же и наш мозг сшивает картину мира из данных органов восприятия

Возможно, опыт времени подобен восприятию цвета. Физик сказал бы, что цвета не существует, это не врожденное качество мира. У световых волн нет цвета. Предметы поглощают, испускают и рассеивают фотоны, частицы света, разной частоты. Когда мы оказываемся посреди этого моря излучения и получаем крошечную его часть, мозг принимается обрабатывать импульсы, и только тогда возникает «цвет». Это внутренний опыт, процесс наименования, процедура, в ходе которой мозг пытается решить головоломку.

Так же и поток времени может быть историей, которую создает наш мозг, чтобы извлечь смысл из хаоса. В работе 2013 года физики Леонард Млодинов из Калтеха и Тодд Бёрн из Университета Южной Калифорнии утверждают, что любой физический объект, способный обладать воспоминаниями, стремится выровнять себя вдоль термодинамической стрелы времени. Эта стрела определяется поведением огромного количества элементарных частиц. Хотя законы микроскопического мира не меняются, если обратить их во времени, большие системы по своей природе эволюционируют в сторону увеличивающейся энтропии. Энтропия — мера беспорядка. Она всегда возрастает, например, когда горячие предметы остывают и приходят в тепловое равновесие с окружающей средой. Растущая энтропия означает, что память о прошлом динамически устойчива, в то время как память о будущем неустойчива.

В этой интерпретации мы не способны видеть будущее не потому, что это невозможно, но потому что это маловероятно, так же как увидеть, как осколки разбитого окна соединяются обратно. Это возможно, но статистически крайне маловероятно.

Ричард Фейнман во время лекции

В 1942 Ричард Фейнман в своей докторской диссертации предложил переформулировать правила временной эволюции в квантовой механике следующим образом: электроны и другие частицы двигаются по всем возможным траекториям от начальной до конечной точки, а правила квантового перехода появляются как «усреднение» этого микроскопического хаоса. С этой точке зрения, мир предлагает изобилие историй, каждая из которых всегда присутствует, даже если мы ее не воспринимаем. «Сумма по историям» Фейнмана сегодня — стандартный инструмент в арсенале теоретической физики, который используется и во многих других областях.

Подход Фейнмана дает хорошие экспериментальные результаты. Можно ли в таком случае говорить, что все эти истории действительно существуют? Мало кто из физиков считает, что каждый квантовый путь — это собственная реальность. Каким-то образом только определенные возможности становятся реальностью, и крупные системы, такие как наблюдатель-человек, переносятся из прошлого будущее.

Физики Ли Смолин и Джулиан Барбур придерживаются противоположных взглядов на природу времени

Физик Ли Смолин из Института Периметр в канадском Онтарио считает, что ученым пора изменить вековую традицию и принять поток времени как данность. Британский физик Джулиан Барбур придерживается противоположных взглядов: в книге «Конец времени» он заявляет, что время — это иллюзия. Вселенная состоит из набора статических моментов, похожих на стопку фотографий. На каждом снимке — весь мир целиком, уникальная конфигурация всех предметов: планет, галактик, шмелей, людей. Барбур называет такую коллекцию просто «Кучей».

Так как каждый момент в «Куче» содержит весь мир, он также содержит отсылки ко всем другим моментам. Фотографии связаны друг с другом сложным образом: следуя по одной цепочке ассоциаций, можно испытать поток времени. Большинство маршрутов пройдут по изолированными траекториями, не имеющими смысла, но малое количество путей позволят составить связную, последовательную картину. Мы можем сказать, что такие цепочки рассказывают историю: каждый следующий снимок содержит непротиворечивые воспоминания о предыдущем.

Наш мозг связывает воедино разрозненные моменты времени, а часы норвежской художницы Сирен Елизе Вильгельмсен физически вяжут шарф (2 метра за 365 дней)

«Куча» Барбура напоминает о наших собственных семейных фотоальбомах, в которых время как бы застыло, и на каждом снимке запечатлено не только настоящее, но также прошлое и будущее. Обычно мы отделяем науку от других областей, предполагая, что квантовая волновая функция и семейные фотографии говорят о двух совершенно разных аспектах времени. Но Джин Трейси считает, что разница надуманна. Время реально, как в человеческом опыте, так и в исследовательских лабораториях. Вслед за Ли Смолином физик предлагает принять реальность времени за фундамент, на котором будет построен храм физики будущего.

Оригинал статьи