Сучасна теоретична фізика наводить на думку, що плин часу — не більше ніж ілюзія: просто існує весь Всесвіт, без надання будь-якого особливого значення поточному моменту часу. Ця стаття показує, що такий погляд, по суті представлений звичайними просторово-часовими діаграмами, ґрунтується на оборотних у часі мікрофізичних законах, які не здатні охопити істотні риси незворотної в часі природи декогеренції та процесу квантового вимірювання, а також макрофізичної поведінки й розвитку складних систем, що виникають, зокрема життя, які існують у реальному Всесвіті. Коли їх буде враховано, незмінну картину блокового Всесвіту в просторі-часі найкраще замінити на блоковий Всесвіт, що розвивається й розширюється з плином часу, з потенційно можливим майбутнім, яке постійно стає визначеним минулим; сам простір-час еволюціонує, як і сутності, що перебувають у ньому. Однак цього разу еволюція пов’язана не з якоюсь привілейованою гіперповерхнею в просторі-часі, а радше з еволюцією власного часу вздовж сім’ї світових ліній. Від самого початку фундаментальна фізика не повинна вважати час незворотним під час еволюції фізичних станів: це постійний і незворотний розвиток самого часу.
Плин часу
Найважливішою властивістю часу є те, що він розгортається. Теперішнє відрізняється як від минулого, так і від майбутнього, які, своєю чергою, цілком відрізняються одне від одного: минуле зафіксоване, а майбутнє мінливе. Теперішнє є моментом переходу між цими двома станами. Час, що зараз є теперішнім, наступної миті опиниться в минулому. Це невпинний процес: хоча ми можемо впливати на те, що відбувається в часі, ми не можемо впливати на те, що сам час рухається далі й далі. Як сказав Омар Хаям:
У Книзі Доль ні слова не змінити.
Тих, хто вічно страждає, не виправдати,
Можеш пити свою жовч до кінця життя:
Життя не можна скоротити й не можна подовжити.
Саме цієї фундаментальної особливості часу сучасна теоретична фізика й не охоплює, хоча це найочевидніша й вирішальна особливість часу в повсякденному житті. Цей розрив дуже чітко відображений у книзі Джуліана Барбура «Кінець часу» [1], у якій припускається, що плин часу є ілюзією. Такий висновок зроблено тому, що розв’язки рівняння Вілера — Девітта, фундаментального рівняння квантової гравітації для хвильової функції Всесвіту (яка містить усю інформацію про геометрію й матеріальний вміст Всесвіту), не залежать від часу. Барбур сприймає це серйозно й тому дійшов свого висновку.
Аналогічні висновки випливають із загальнішого аналізу рівнянь теоретичної фізики, який веде (явно чи неявно) до картини простору-часу, званої «блоковим Всесвітом», де представлення часу не має особливого сенсу: адже воно часто навіть відсутнє на відповідних просторово-часових діаграмах. Із цим тісно пов’язане вирішальне питання незворотності часу: закони фізики, хімії й біології незворотні на макрорівні, про що свідчить, зокрема, другий закон термодинаміки, хоча закони фундаментальної фізики (рівняння Дірака, рівняння Шредінгера, рівняння Максвелла, польові рівняння гравітації Ейнштейна, діаграми Фейнмана) оборотні в часі. Ця незворотність є ключовим аспектом плину часу: якби процеси були оборотними на макрорівні, то між минулим і майбутнім не було б справжньої відмінності, а фізична еволюція могла б відбуватися в будь-який бік без зміни результату; обидві події однаковою мірою визначалися б теперішнім. Очевидний плин часу не мав би реальних наслідків, і все було б однаково передбачуваним як у минулому, так і в майбутньому.
Отже, чи справді особливість плину часу й стріли часу є властивістю, що виникає з появою складності й діє на більших масштабах, але не на мікрорівнях? Я не заперечуватиму: незворотність часу й плин часу є вирішальними та вже закладені у квантовій механіці, у процесі квантового вимірювання, однак тлумачать це по-різному: і як колапс хвильової функції [2], і через розгляд багатьох усесвітів ([3]: 156-159), і через декогеренцію [4] та/або множинність історій [5]. Це, своєю чергою, впливає на всю решту фізики, а отже, на хімію й біологію, хоча існують певні обставини, за яких граничні умови й локальні рівняння стану приводять до майже оборотної поведінки. Плин часу впливає не лише на фізичні процеси в просторі-часі, а й на саму структуру власне простору-часу, тому Еволюційний Блоковий Всесвіт («ЕБВ») [6] є відповідною картиною простору-часу, у якій теперішнє відрізняється від минулого й майбутнього, а сама природа майбутнього (зокрема простору-часу) залишається невизначеною до моменту його настання.
Це має різні наслідки: це означає, що спроби пояснити стрілу часу чи інші особливості локальної фізики за допомогою низхідних процесів із майбутнього або порівняння граничних умов у нескінченно далекому майбутньому й минулому не можуть бути успішними, тому що майбутнє ще не існує й, отже, його не можна враховувати в таких розрахунках. Це впливає на обговорення замкнених часоподібних ліній і гіпотетичного космічного цензора, який може запобігти порушенню причинності. Це впливає на спроби переносити гадану незначущість теперішнього в теоретичній фізиці на реальні життєві ситуації, як-от обговорення свободи волі. І це локалізує ключове питання плину часу там, де йому місце: як локальний процес в основах квантової теорії вимірювань і, ймовірно, квантової гравітації. Справді, можливо, належне врахування плину часу може стати важливим кроком у розробленні задовільної теорії квантової гравітації.
Квантовий плин часу
Чи є плин часу суто макроскопічним явищем, що виникає під час утворення грубозернистої структури [2] з мікрофізичних областей, де немає ні плину часу, ні стріли часу? Ні, тому що процес квантового вимірювання незворотний у часі. У процесі вимірювання хвильова функція практично миттєво переходить у власний стан (наступне вимірювання з цілковитою певністю дасть той самий результат), але конкретний власний стан непередбачуваний: результат стає відомим лише після його отримання. Він від початку непередбачуваний, але ймовірності різних результатів еволюції під час вимірювання відомі; власне, це принцип квантової теорії. Проте непередбачуваність квантової теорії значно серйозніша щодо минулого, ніж щодо майбутнього: невідомі навіть імовірності. Отже, фундаментальна незворотність існує вже на квантовому рівні.
Формальніше: якщо вимірювання спостережуваної $A$ виконано в момент часу $t=t_*,$, початкова хвильова функція $\psi(x)$ є лінійною комбінацією власних функцій $u_n(x)$ оператора $\tilde{A}$, який представляє $A$: для $t < t_*,$ хвильова функція
\begin{equation} \label{eq1} \psi_1(x)=\sum_n \psi_n u_n(x) \end{equation} ([3]:5-7). Але одразу після вимірювання хвильова функція є власною функцією $\tilde{A}$: тобто \begin{equation} \label{eq2} \psi_2(x)= a_N u_N(x) \end{equation} для деякого конкретного значення $N.$. Дані для $t < t^*$ не визначають індексу $N,$, вони лише визначають імовірність того, що вимірювання $A$ дасть конкретне власне значення $a_N$, таку, що \begin{equation} \label{eq3} Prob(A=a_N; \psi)=|\psi_N|^2. \end{equation}Можна вважати, що це наслідок імовірнісного незворотного в часі колапсу хвильової функції ([2]: 260-263). Залучення багатосвітового опису ([3]: 156-159) не допоможе: у реально досліджуваному (спостережуваному) Всесвіті, у якому ми проводимо вимірювання, N непередбачуване. Так само твердження, що насправді це відбувається через декогеренцію [4], не дає жодної практичної відмінності: ми й далі не можемо однозначно передбачити майбутнє з минулого, і найкраще, що можемо зробити, — це передбачення, наведене у формулі \eqref{eq3}. Отже, початковий стан \eqref{eq1} не визначає однозначно кінцевого стану \eqref{eq2}; і це не через брак даних, а через фундаментальний характер квантових взаємодій. Ви можете передбачити статистику того, що, імовірно, станеться, але не єдиний фізичний результат, який розгортається непередбачуваним чином із плином часу; ви можете дізнатися результат лише після того, як він виник. Ба більше, у загальному випадку час $t_*,$, коли відбувається подія, також неможливо передбачити з початкових даних: ви не знаєте, коли відбудеться «колапс хвильової функції» (перехід від \eqref{eq1} до \eqref{eq2}) (ви не можете передбачити, коли конкретний збуджений атом випустить фотон або радіоактивна частинка розпадеться). Ми також не можемо зазирнути в минуле на квантовому рівні, тому що, коли хвильова функція колапсувала у власний стан, ми не можемо сказати на підставі кінцевого стану, що було до вимірювання. Ви не можете однозначно відновити минуле зі стану \eqref{eq2} одразу після вимірювання або з будь-якого пізнішого стану, який еволюціонує за рівнянням Шредінгера в пізніші моменти часу $t > t_*,$, тому що знання цього пізнішого стану недостатньо, щоб визначити початковий стан \eqref{eq1} у моменти часу $t < t_*:$: набір величин $\psi_n$ не визначається одним числом $a_N.$. Не існує ні аналога \eqref{eq3}, який хоча б імовірнісно визначав би $\psi_1$ з $u_N,$, ні будь-якого рівняння, що визначало б $t_*$ заднім числом. Ситуація цілком асиметрична в часі. Так само декогеренція є процесом, який відбувається в одному напрямку часу; вона незворотна в часі.
Ключовий момент: квантова фізика вводить непередбачуваність процесів і стрілу часу; плин часу глибоко закладений у природі.
Те, що процес колапсу відбувається, справді можна побачити за допомогою високоточних експериментів [7]. Хоч би якими були основи теорії, імовірно, доведеться прийняти те, що відбувається, адже це фактично спостерігається в надійних експериментах.Реалістична картина простору-часу
Картина оборотного часу фундаментальної фізики, що лежить в основі концепції блокового Всесвіту, просто не враховує таких явищ, саме тому, що вона не враховує ні плину часу у квантових вимірюваннях, ні того, як складні явища виникають із мікрофізики, що лежить в їх основі, з появою макроскопічної стріли часу як основної особливості хімії, біології й людського життя. Вона не сприймає серйозно фізику й біологію реального світу, а радше представляє ідеалізований погляд на речі, який є достатньо точним у певних дуже обмежених ситуаціях (наприклад, у лабораторних експериментах, де виключено всі зовнішні впливи, крім експериментатора).
Щоб урахувати плин часу, який насправді відбувається як у квантовому світі, так і в макроскопічних масштабах, ми маємо змінити картину блокового Всесвіту так, щоб адекватно представляти причинність у цих контекстах. Як ми можемо уявити простір-час та об’єкти в ньому такими, що розгортаються в часі? Один зі способів зробити це — розглядати модель реальності як Еволюційний Блоковий Всесвіт, у якому простір-час постійно зростає й охоплює дедалі більше подій із плином часу вздовж кожної світової лінії [6].
Щоб обґрунтувати це, розгляньмо такий сценарій: масивний об’єкт має ракетні двигуни, розташовані по його краях, щоб змушувати його рухатися ліворуч або праворуч. Двигунами керує комп’ютер, який визначає, з якою періодичністю по черзі використовується кожен двигун, на основі нелінійного залежного від часу перетворення сигналів, отриманих від детектора частинок, що надійшли внаслідок випадкових розпадів радіоактивного елемента. Ці сигнали щомиті визначають, що насправді відбувається з множини всіх можливих результатів, задаючи фактичний просторово-часовий шлях об’єкта з множини всіх можливих шляхів (рис. 1). Цей результат не визначається початковими даними в будь-який попередній момент часу через квантову невизначеність радіоактивних розпадів. Оскільки об’єкт масивний, він спричиняє викривлення простору-часу, причому сама структура простору-часу залишається невизначеною, доки рух об’єкта визначається таким чином. Мить за миттю просторово-часова структура змінюється від невизначеної (тобто ще не вибраної з усіх можливих варіантів) до визначеної (тобто заданої конкретними фізичними процесами, описаними вище). Отже, визначена структура простору-часу виникає з плином часу, що еволюціонує. Вона невідома й непередбачувана, доки не стане визначеною.
Рисунок 1: Світова лінія руху частинки, якою керують випадковим чином, так що те, що відбувається, визначає те, як це відбувається. Ліворуч події визначені до моменту часу $t_1,$, але не після нього; праворуч події визначені до моменту часу $t_2 > t_1,$, але не після нього.
Щось по суті еквівалентне вже відбувалося в історії Всесвіту. Згідно зі стандартною інфляційною моделлю дуже раннього Всесвіту, ми не можемо передбачити конкретні великомасштабні структури, які існують у Всесвіті сьогодні, за даними на початку інфляційної епохи розширення, тому що неоднорідності густини в пізніші часи виросли з випадкових квантових флуктуацій ефективного скалярного поля, яке домінує в дуже ранні моменти часу:
«Інфляція пропонує пояснення скупчення речовини у Всесвіті: квантові флуктуації загадкової субстанції, яка підтримувала [інфляційне] розширення, надалі були роздуті до астрофізичних масштабів і, отже, стали зародками зір і галактик» ([8], докладніше див. [9]).
Звідси випливає, що існування саме нашої Галактики, не кажучи вже про планету Земля, не було однозначно визначене початковими даними в дуже ранньому Всесвіті. Квантові флуктуації, які посилюються до галактичних масштабів, непередбачувані в принципі. Отже, просторово-часова еволюція непередбачувана навіть у принципі у фізично реалізовних випадках. Результат визначається лише тоді, коли він виникає.
Модель простору-часу у вигляді Еволюційного Блокового Всесвіту представляє ситуацію такого типу, показуючи, як плине час, відбуваються події й формується історія. Усе могло б бути інакше, але секунда за секундою з усіх можливостей вибирається конкретна еволюційна історія, здійснюється й стає ніби висіченою в камені. Як це відбувається, показано на діаграмі простору-часу на рисунку 2. Цю ідею багато років тому запропонував Брод (Broad [10]), але вона так і не прижилася у фізичній спільноті. Тут висувається припущення, що вона відображає фундаментальний характер як фізики, так і біології. Звичніші просторово-часові блокові діаграми просто оминають істотну особливість фізичної реальності.
Рисунок 2: Картина еволюції викривленого простору-часу, що стосується макроявищ. Час еволюціонує вздовж кожної світової лінії, розширюючи визначений простір-час, як показано на рисунку (те, що могло б бути, змінюється на те, що сталося; невизначене стає визначеним). Конкретні поверхні не мають фундаментального значення й наведені лише для зручності (нам потрібні координати, щоб описати те, що відбувається). Ви не можете локально однозначно передбачити майбутнє чи минуле за даними на будь-якій поверхні «часу» (навіть попри те, що минуле вже визначене). Це справедливо і для фізики, і (отже) для самого простору-часу: характер розвитку простору-часу визначається еволюцією (у майбутнє) матерії в ньому.
Загальна теорія відносності
На рисунку 2 теперішнє представлене як перехід від невизначеності потенційних фізичних подій до визначеного результату, причому навіть характер майбутнього простору-часу залишається невизначеним, доки його не буде визначено в той момент разом із фізичними подіями, що відбуваються в ньому. Проте перехід від теперішнього до минулого відбувається не на конкретних простороподібних поверхнях, заданих якимось універсальним часом, який визначається такими поверхнями; радше він відбувається поточково в кожній просторово-часовій події. Минуле визначене в кожній події, майбутнє невизначене, а [тут]-тепер є моментом поточкового переходу з одного стану в інший. Однак зручно розглядати еволюцію як таку, що відбувається вздовж часоподібних або світлоподібних світових ліній, пов’язаних із поточними фізичними процесами. Справді, на користь цього переконливо свідчить як те, що час у загальній теорії відносності визначається як інтеграл уздовж часоподібних світових ліній, так і те, що фізичні ефекти визначають перебіг історій матерії, представлених часоподібними або світлоподібними світовими лініями. Що важливіше, залежатиме від епохи в історії Всесвіту; загалом у пізні епохи часоподібні світові лінії вважаються доречнішими за світлоподібні (коли істотними є процеси, спрямовані вздовж світлоподібних напрямків, зазвичай залучено багато нульових світових ліній, і їхній усереднений ефект становить процес, спрямований уздовж часоподібного напрямку).
Але тоді виникає питання: яку світову лінію слід вибрати? Потенційна проблема полягає в довільності вибору світових ліній. Імовірно, має бути два варіанти: або
- ми розглядаємо еволюцію часу як таку, що може відбуватися вздовж будь-яких світових ліній будь-де й без жодної переваги,
або
- еволюція часу відбувається вздовж привілейованих світових ліній, пов’язаних із порушенням симетрії, що приводить до виникнення часу й, імовірно, стріли часу [11,12].
В останньому випадку питання в тому, які світові лінії є ключовими, щоб відігравати цю важливу фізичну роль. У конкретних реалістичних фізичних ситуаціях існуватимуть привілейовані світові лінії, пов’язані із середнім рухом наявної матерії, як у випадку космології існуватимуть привілейовані часові поверхні, пов’язані з безвихровим потоком матерії. Це відбувається, зокрема, у випадку ідеалізованих стандартних космологічних моделей Робертсона — Вокера, де, доки присутня матерія, існують однозначно визначені привілейовані безвихрові світові лінії без зсуву, які є власними векторами тензора Річчі. Тоді вони утворюють правдоподібний і найкращий базис для опису фізичних подій та еволюції матерії: існує єдина фізична еволюція, визначена вздовж кожної такої сім’ї світових ліній, із пов’язаними з ними однозначно визначеними поверхнями часу, інваріантними щодо симетрії простору-часу. Тоді можна припустити, що еволюція часу пов’язана з цими привілейованими часоподібними світовими лініями й, можливо, з простороподібними поверхнями, будучи емерджентною властивістю, пов’язаною з порушеною симетрією, яку представляють ці геометричні особливості у викривлених просторах-часах.
Але в реалістичніших випадках може бути кілька конкуруючих варіантів такого вибору світових ліній: наприклад, реалістично збурені космологічні моделі, потрібні для дослідження формування структури, матимуть кілька матеріальних компонент із різними 4-швидкостями. Тому ми могли б радше розглядати еволюцію як таку, що відбувається вздовж довільної сім’ї світових ліній, відповідно до свободи вибору вектора зсуву в ADM-формалізмі загальної теорії відносності [13]. Ключовий результат тут полягає в тому, що в стандартній для ЗТВ ситуації з простими рівняннями стану не можна зробити єдиного однозначного вибору цих світових ліній: теорія ADM говорить, що локально ми отримаємо той самий результат еволюції простору-часу незалежно від вибраних світових ліній. Ви можете вибрати будь-які лінії часу, на яких бажаєте показати, як усе еволюціонуватиме в різних місцях (тобто на світових лініях різних спостерігачів) і в різний час (тобто в різні моменти вздовж цих світових ліній). Але цей погляд не має фундаментально привілейованого статусу: можна вибрати різні світові лінії, що відповідають різним векторам зсуву, і різний зв’язок між часами на світових лініях, що відповідає різним виборам функції ходу часу; у результаті чотиривимірний простір-час залишається тим самим. У будь-якій конкретній ситуації деякі з цих описів будуть природнішими, простішими у використанні й зрозумілішими за інші; але це лише питання зручності, і можна було б вибрати будь-які інші поверхні та світові лінії.
Вузькою стежкою
Неодноразово висловлювалися припущення, що оборотність має космологічне походження, пов’язане з народженням нашого Всесвіту. І космологія справді потрібна для пояснення того, чому стріла часу універсальна, але незворотні процеси не припинилися з народженням нашого Всесвіту; вони й далі тривають на всіх рівнях, включно з геологічною й біологічною еволюцією. Хоча дисипативні структури стали цілком звичним явищем, яке дослідники могли за бажанням відтворювати в лабораторії й спостерігати у великомасштабних процесах, що відбуваються в біосфері, незворотність можна було остаточно зрозуміти лише в термінах макроскопічного опису, який за традицією ототожнювали з класичною й квантовою механікою. Для цього потрібне нове формулювання законів природи, яке ґрунтується не на визначеності, а на потенційній можливості.
Приймаючи, що майбутнє невизначене, ми тим самим підходимо до кінця визначеності. Чи означає таке припущення поразку людського розуму? Аж ніяк! Ми переконані у протилежному. Італійський автор Італо Кальвіно видав чудову збірку оповідань «Космікомікс», у якій дійові особи, що жили на дуже ранній стадії розвитку нашого Всесвіту, збираються разом і поринають у спогади про ті жахливі часи, коли Всесвіт був настільки малим, що їхні тіла цілком його заповнювали [1].
Якою була б історія фізики, якби Ньютон виявився членом цієї спільноти? Він зміг би спостерігати народження й загибель частинок, взаємну анігіляцію речовини й антиречовини. Від самого початку Всесвіт поставав би перед ним як сильно нерівноважна термодинамічна система з нестійкостями й біфуркаціями.
Нині ми можемо ізолювати прості динамічні системи й перевірити закони класичної та квантової механіки. Проте вони відповідають ідеалізаціям, застосовним до стійких динамічних систем у Всесвіті — гігантській термодинамічній сильно нерівноважній системі, у якій ми виявляємо флуктуації, нестійкості й еволюційні структури на всіх рівнях. З іншого боку, визначеність тривалий час пов’язували із запереченням часу й творчого начала.
Отже, у класичному випадку ЗТВ ми отримуємо узгоджену картину: речі справді такі, якими ми їх сприймаємо. Час плине вздовж кожної світової лінії; минулі події на світовій лінії зафіксовані, а майбутні події на кожній світовій лінії невідомі. Простір-час зростає: навіть сама просторово-часова структура має визначатися перебігом еволюції (рис. 2). Метричний тензор визначає темп зміни часу відносно координат, адже в цьому й полягає основний сенс метрики [14]. Калібрувальна умова визначає, як координати продовжуються в майбутнє. Рівняння збереження разом із рівняннями стану й пов’язаними з ними еволюційними рівняннями визначають, як речовина й поля змінюватимуться в майбутньому, зокрема поведінку ідеальних годинників, що вимірюють плин часу. Рівняння поля визначають, як із часом еволюціонує метрика, а отже, визначають кривину майбутнього простору-часу. Зручно ввести локальні координати, щоб визначити, як це працює, включно з розщепленням простору-часу на простір і час, як в ADM-формалізмі [13], з еволюцією вздовж координатних ліній, що визначається функцією зсуву. Усе послідовно узгоджується, визначаючи еволюцію як простору-часу, так і речовини й поля в ньому, що продемонстровано для простих рівнянь стану теоремою існування та єдиності загальної теорії відносності ([14]: 226-255).
Квазікласична гравітація
Отже, для звичайного ADM-формалізму, який є детермінованим, немає єдиного обов’язкового вибору, адже ці стандартні теореми припускають правила класичної детермінованої фізики мікросвіту. Але суть цієї статті в тому, що більшість моделей не є детермінованими: незворотні непередбачувані процеси й емерджентні властивості братимуть участь у визначенні кривини простору-часу. Реалістичне розширення наведеного вище вказує на те, що напівкласичний випадок враховуватиме квантову невизначеність в еволюції речовини й поля, даючи ймовірність подальшої еволюції частинок, полів, а отже, простору-часу, замість визначеного прогнозу. Квантова еволюція визначатиме фактичні результати імовірнісним шляхом. Але тоді проблема полягає в тому, що якщо два вибори світових ліній зроблено у двох різних недетерміністичних майбутніх, цілком імовірно, що дві еволюції не узгоджуватимуться. У такому разі ми мали б щось більше схоже на вілерівський «багатопальцевий час»: різні власні часи вздовж довільних світових ліній неможливо об’єднати, щоб сформувати глобальну концепцію часу, яка мала б сенс для визначення єдиної еволюції вздовж усіх світових ліній. Як же тоді з цієї ситуації виникне еволюційний блоковий Всесвіт?
Фундаментальний спостережний факт полягає в тому, що
- У реальній ділянці Всесвіту, де ми фактично живемо, єдина класична просторово-часова структура справді виникає на макроскопічних масштабах з основ фізики.
Отже, усі умови інтегровності, необхідні для цього, справді виконуються в нашій ділянці Всесвіту, і ми можемо описувати те, що відбувається, відповідно до картини еволюційного блокового Всесвіту. Саме тому ми можемо розглядати спеціальну й загальну теорії відносності як успішні теорії у відповідних контекстах у локальній ділянці Всесвіту, де живемо. Це пов’язано з виникненням класичної теорії з основ квантової теорії [5,15].
Наслідки
У деяких випадках класична фізика виникає з квантової теорії як наближення, у якому фізичні процеси оборотні в часі. На макрорівні результат майже завжди буде незворотним як через дисипативні процеси, наприклад тертя, що виникають на вищих рівнях, так і через появу складних систем, де потік ентропії є невідворотною особливістю життя й, власне, однією з найфундаментальніших особливостей хімії та біології (вираженою другим законом термодинаміки). Виняток становлять деякі випадки в астрономії, де тертя незначне, як-от рух планет. Але навіть тоді ця оборотність має місце лише протягом обмеженого періоду часу; процеси формування планет були, строго кажучи, незворотними.
Отже, потрібна фундаментальна зміна погляду: типовий стан у фізиці — це не оборотний у часі потік подій із нерозрізнюваним теперішнім, а час, що плине, — незворотний потік із різко відмінними минулим, теперішнім і майбутнім.
Існують певні умови, за яких це добре наближається оборотним плином часу, де теперішнє не надто відрізняється від минулого й майбутнього, але це не фундаментальні й не основні ситуації: вони виникають лише в наближенні й лише іноді.
Фізику слід формулювати з цього погляду й на цих засадах, а не спиратися на уявлення, що у фундаментальній фізиці час оборотний. Тоді основна проблема полягає не в тому, чому в макроскопічних ситуаціях, зокрема в хімії й біології, час незворотний, а в тому, чому саме в деяких випадках час у фізиці з добрим наближенням є оборотним. На мікрорівні за певних особливих обставин навіть квантові вимірювання виявляються оборотними [16]; але це відбувається лише в найвинятковіших ситуаціях. На макрорівні грубозернистий опис гарантує, що те, що насправді відбувається, є незворотним [2]; у складних системах фізична структура визначає перебіг подій і втілює конкретне огрублення опису, забезпечуючи тим самим плин часу як фундаментальну рису життя. Крім того, слід зазначити, що навіть коли самі мікропроцеси оборотні в часі, реальна подія відбувається в одному часовому напрямку: наприклад, у конкретному випадку електрони стикаються з позитронами й випромінюють фотони, а не навпаки. Що ж насправді розгортається в одному часовому напрямку, навіть коли фізика оборотна в часі? Часова симетрія рівнянь розбивається об фізичну реальність.
Це розуміння підриває підходи до визначення стріли часу, що ґрунтуються на порівнянні далекого майбутнього з далеким минулим [11], як у підходах Вілера — Фейнмана [17] і Пенроуза [2]; це означає, що намагатися визначити стрілу часу такими способами просто неприйнятно. Не можна інтегрувати за далеким майбутнім, якщо це майбутнє ще не існує і його природа ще не визначена. Неможливо (у цьому контексті) обґрунтовано запропонувати ситуацію, коли майбутнє ретроспективно визначає теперішнє чи минуле (наприклад, [18]: «Ми досліджуємо ідею, що динаміка інфляційного мультивсесвіту закодована в його майбутніх межах, де вона описується теорією нижчої вимірності»). Натомість стріла часу має визначатися тут і тепер через декогеренцію й незворотний у часі характер процесу квантового вимірювання, які не відображені в рівняннях Шредінгера, Дірака або Вілера — Девітта (а тому ігноруються в аналізі Барбура (Barbour [1])) і неминуче приводять до плину часу в біології й нашій свідомості. Напрямок часу, у якому невпинно відбувається зростання ЕБВ, визначається локально через декогеренцію й ефективний колапс хвильової функції, що приводять до класичної поведінки [3, 5, 15] з чітко визначеною стрілою часу.
Висновок
Запропоноване тут уявлення полягає в тому, що простір-час поширюється в майбутнє, оскільки події розвиваються вздовж кожної світової лінії шляхом, визначеним комплексом причинних взаємодій; вони формують майбутнє, включно із самою структурою простору-часу, локально визначеним (поточковим) способом. Простір-час — це Еволюційний Блоковий Всесвіт, який продовжує еволюціонувати вздовж кожної світової лінії, доки не досягне свого кінцевого стану як незмінного Остаточного Блокового Всесвіту. Можна було б сказати, що тоді час перетворився на вічність. Майбутнє непевне й невизначене, доки локальне визначення того, що відбувається, не здійсниться в просторово-часовій події «тут і тепер», визначаючи теперішнє на світовій лінії в певний момент; після цього подія опиняється в минулому, стає нерухомою й незмінною, а теперішнє визначає вже нова подія на світовій лінії. Немає єдиного способу сказати, як це відбувається відносно різних спостерігачів; аналіз еволюції зручно будувати на привілейованих (пов’язаних із матерією) світових лініях замість поверхонь часу. Однак для загального опису буде зручно вибрати певні поверхні часу для аналізу, але це вибір із міркувань зручності, а не необхідності.
Це може бути важко втілити у фізичній теорії, але саме так усе фактично й працює; сучасна теоретична фізика це розуміє, проте не представляє належним чином. Імовірно, це глибоко пов’язано з проблемами квантового вимірювання й декогеренції — незворотних у часі процесів, які можуть лежати в основі того, як час рухається далі. Потрібно знову розглянути ці процеси у спосіб, пов’язаний з Еволюційним Блоковим Всесвітом. І принципово важливо, щоб це уявлення про процес плину часу було закладене в основи будь-якої квантової теорії гравітації, належно пов’язаної з проблемою квантового вимірювання й безперервним виникненням декогеренції. Те, що такий погляд на блоковий Всесвіт у процесі становлення можливий у квантових теоріях гравітації, показано на прикладі спінової піни [20].
Отже, основний елемент — те, як цей запропонований погляд пов’язаний із квантовою гравітацією. Але так само важливий і його зв’язок із виникненням складності. З одного боку, це можливо лише тому, що початковий стан нашої ділянки Всесвіту, яка розширюється, мав низьку ентропію [2]; з іншого боку, це виявляється у взаємодії висхідних і низхідних впливів, які дають змогу виникнути справжній складності, як-от життю [21], і відчути всеосяжне панування плину часу в повсякденному житті. Те, як це відбувається, залишається плідною темою для досліджень. Але одне зрозуміло: як увесь дарвінівський процес розвитку, завдяки якому ми виникаємо, так і процеси, завдяки яким читаємо цю статтю, залежать від плину часу. Ви не існували б і не мали б здатності прочитати цю статтю, якби запропоноване тут уявлення (докладніше пояснене в [6]) не було правильним описом того, як усе існує.
Кейптаун. 2008-12-01
Посилання
Джордж Ф. Р. Елліс
переклад О. Кириллов
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):