Срок времени - Карло Ровелли

Реконструкция времени начинается именно здесь, двумя главами – этой и следующей; они короткие и носят технический характер. Если вы найдете их слишком сложными, смело переходите сразу к главе 11. Оттуда мы будем шаг за шагом возвращаться к более “человеческим” предметам.

Термическое время

В безумии молекулярного термического перемешивания всего со всем непрерывно изменяются все переменные, какие только могут изменяться.

Однако есть одна, которая не изменяется, – полная энергия системы (изолированной). Между энергией и временем есть строгая связь. Энергия и время образуют характерную пару величин, такие пары физики называют “сопряженными”, – как положение и импульс или направление и величина углового момента. Оба члена такой пары привязаны друг к другу. С одной стороны, знать, что такое энергия системы[95] – как она связана с другими переменными, – это то же самое, что знать, как течет время, потому что уравнения, описывающие эволюцию системы во времени, следуют из выражения для ее полной энергии[96]. С другой стороны, энергия сохраняется во времени, то есть не может изменяться даже тогда, когда изменяется все остальное. В своем тепловом возбуждении система[97] проходит через все возможные конфигурации, обладающие данной энергией, но только через них. Совокупность всех таких конфигураций – их наше расфокусированное макроскопическое зрение не различает – это и есть “состояние (макроскопического) равновесия”: безмятежный стакан с холодной водой.

Обычный способ интерпретировать связь между равновесием и временем заключается в том, чтобы понимать время как нечто абсолютное и объективное; энергия – это то, что управляет эволюцией системы во времени; система в состоянии равновесия перемешивает различные конфигурации с одним и тем же значением энергии. По общему соглашению логика интерпретации этих связей такова:

Но те же самые связи можно прочитать иначе – в противоположном направлении. То есть наблюдение лишь макроскопического состояния, что означает позволить перемешиваться всем переменным, ни одна из которых не сохраняется, или – смотреть на мир расфокусированным взором, может интерпретироваться как перемешивание, сохраняющее энергию, а она, в свою очередь, порождает время:

Такой взгляд открывает новую перспективу: в элементарной физической системе, где нет никакой привилегированной переменной, которая вела бы себя как “время”, где все переменные – одного уровня, но на которую мы смотрим своим расфокусированным взором и видим только макроскопические состояния, в такой системе обобщенное макроскопическое состояние определяет время.

Повторю этот момент, поскольку он ключевой: всякое макроскопическое состояние (не учитывающее деталей) дает нам какую-то особую переменную, обладающую некоторыми характеристиками времени.

Иными словами, время возникает просто из расфокусированности взгляда. Больцман понял, что тепловое поведение есть следствие размытия картины: оно рождается из того факта, что внутри стакана с водой есть целое море микроскопических переменных, которые остаются нам невидимы. Число всех возможных микроскопических состояний этой воды – это ее энтропия. Но справедливо также нечто большее: само по себе размытие картины порождает особую переменную – время.

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”. В каком смысле оно является временем? С микроскопической точки зрения в нем нет ничего специального, это такая же переменная, как и любая другая. Но с макроскопической точки зрения у нее есть решающее дело свойство – среди огромного количества переменных одного и того же уровня только термическое время ведет себя сходным образом с тем, что мы привыкли называть “временем”, так как его связи с макроскопическими состояниями в точности таковы, как их описывает термодинамика.

Но это вовсе не универсальное время. Оно рождено единственным макроскопическим состоянием, то есть какой-то одной размытой картиной, неполнотой какого-то определенного описания системы. В следующей главе мы обсудим происхождение этой расфокусировки. Но сперва сделаем другой шаг, приняв во внимание квантовую механику.

Квантовое время

Роджер Пенроуз – один из самых ярких ученых среди тех, кто занимается проблемами пространства и времени[101]. Он пришел к выводу, что релятивистская физика не может считаться несовместимой с нашим ощущением текучего времени, но и не представляется достаточной, чтобы его объяснить. Он предположил, что недостающее звено можно получить, приняв во внимание квантовое взаимодействие[102]. Величайший французский математик Ален Кон нашел выразительный способ продемонстрировать роль, которую квантовое взаимодействие играет в рождении времени.