Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности

Сбивающей с толку вещью является то, что никто не открыл ни одного такого закона. И более того, законы физики, которые были четко сформулированы от Ньютона, через Маквелла и Эйнштейна и до сегодняшних дней, показывают полную симметрию между прошлым и будущим.* Нигде в любом из этих законов мы не найдем оговорки, что они применимы в одном направлении во времени, но не в другом. Нигде нет никакого различия между тем, как законы выглядят или ведут себя, когда они применяются к тому или иному направлению времени. Законы рассматривают то, что мы называем прошлым и будущим, на полностью одинаковом основании. Даже если ощущения снова и снова выявляют, что имеется направление-стрелка, в котором события разворачиваются во времени, эта стрелка, кажется, не находится в фундаментальных законах физики.

 (*)"Имеется исключение из этого утверждения, связанное с определенным классом экзотических частиц. В той степени, в какой это относится к обсуждаемым в этой главе вопросам, я рассматриваю это как, скорее всего, мало значимое и не хочу обращать внимания на эту оговорку в дальнейшем. Если вы интересуетесь, вопрос коротко обсужден в комментарии[2]."

Прошлое, будущее и фундаментальные законы физики

Как это может быть? Законы физики не обеспечивают подведение фундамента под различение прошлого от будущего? Как может не быть закона физики, объясняющего, что события разворачиваются в этом порядке, но никогда в обратном?

Ситуация даже более загадочная. Известные законы физики на самом деле декларируют, – в отличие от наших ощущений в ходе жизни, – что некрепкий кофе может быть разделен на черный кофе и белые сливки; расплескавшийся желток и кучка перемешанных кусочков скорлупы могут собраться вместе и сформировать совершенно гладкое неразбитое яйцо; растаявший лед в стакане воды при комнатной температуре может сплавиться воедино назад в кубик льда; газ, выделившийся, когда вы открыли вашу газировку, может втянуться назад в бутылку. Все физические законы, которыми мы бережно владеем, полностью поддерживают то, что известно как симметрия по отношению к обращению времени. Это означает, что если некоторая последовательность событий может разворачиваться в одном темпоральном порядке (сливки и кофе смешиваются, яйца разбиваются, газ улетучивается), то эти события могут также разворачиваться и в обратном порядке (сливки и кофе разделяются, яйца восстанавливаются, газ втягивается назад). Я скоро это конкретизирую, но обобщение в одну фразу таково, что известные законы не только не способны сказать нам, почему мы видим события развивающимися только в одном порядке, они также говорят нам, что в теории события могут разворачиваться в обратном порядке.*

(*)"Отметим, что симметрия по отношению к обращению времени не означает, что само время разворачивается или "бежит" назад. Вместо этого, как мы описывали, указанная симметрия заключается в том, могут ли события, которые происходят во времени в одном отдельном темпоральном порядке происходить также и в обратном порядке. Более подходящим выражением может быть симметрия по отношению к обращению событий или обращению процессов или обращению порядка событий, но мы будем придерживаться общеупотребительного термина."

Животрепещущий вопрос таков: Почему мы никогда не видим таких вещей? Я думаю, можно смело заключать пари, что никто никогда на самом деле не был свидетелем восстановления разбитого яйца.Но законы физики позволяют это, и если, более того, эти законы рассматривают разбивание и восстановление эквивалентным образом, то почему одно никогда не происходит, в то время как другое имеет место?

Симметрия по отношению к обращению времени

В качестве первого шага к решению этой головоломки нам надо понять в более конкретных терминах, что означает для известных законов физики быть симметричными по отношению к обращению времени. С этой целью представьте, что идет двадцать пятый век и вы играете в теннис в новой межпланетной лиге с вашим партнером по имени "Крутой удар" Вильямс. Немного не привыкший к уменьшенной гравитации Венеры, "Крутой удар" делает сильнейший удар слева, который запускает мяч в глубокую уединенную темноту пространства. Пересекающий пространство шаттл производит киносъемку мяча, когда тот пролетает рядом, и посылает ленту в CNN (Celestial News Network – небесная сеть новостей) для телепередачи. Теперь вопрос: если техники CNN сделали ошибку и запустили пленку о теннисном мяче в обратном направлении, может ли быть какой-нибудь способ это отличить? Ну, если вы знали направление и ориентацию камеры во время съемок, то вы будете в состоянии распознать эту ошибку. Но если вы смогли ознакомиться с сюжетом исключительно путем просмотра самой пленки, без дополнительной информации? Ответ – нет. Если в правильном направлении времени (вперед) пленка показывает мяч летящим слева направо, то в обратном направлении он будет показан летящим справа налево. И определенно, законы классической физики позволяют теннисным мячам двигаться как налево, так и направо. Так что движение, которое вы видите, когда пленка прокручивается как в прямом направлении времени, так и в обратном, превосходно согласуется с законами физики.

2. Для склонного к математике читателя позвольте мне более точно отметить, что означает симметрия по отношению к обращению времени, и указать на одно интригующее исключение, чье значение для обсуждаемых нами в этой главе проблем еще предстоит полностью осознать. Простейшее определение симметрии по отношению к обращению времени есть утверждение, что набор законов физики симметричен по отношению к обращению времени, если задано любое решение уравнений, скажем, S(t), тогда S(–t) тоже будет решением этих уравнений. Например, в ньютоновской механике с силами, которые зависят от положений частиц, если x(t) = (x₁(t), x₂(t), ..., x_3n(t)) есть положения n частиц в трех пространственных измерениях, то тот факт, что x(t) является решением d²x(t)/dt² = F(x(t)), подразумевает, что x(–t) также является решением уравнений Ньютона d²x(–t)/dt² = F(x(–t)). Отметим, что x(–t) представляет движение частиц, которые проходят через те же самые положения, как и x(t), но в обратном порядке с противоположными скоростями.

В более общем смысле набор физических законов обеспечивает нас алгоритмом эволюции начального состояния физической системы в момент времени t₀ к состоянию в некоторый другой момент времени t + t₀. Конкретно, этот алгоритм может быть рассмотрен как отображение U(t), которое действует на начальное состояние S(t₀) и производит S(t + t₀), что означает S(t + t₀) = U(t)S(t₀). Мы говорим, что законы, приводящие к U(t), являются симметричными во времени, если имеется отображение T, удовлетворяющее соотношению U(–t) = T ^–1 U(t)T. На обычном языке это уравнение говорит, что при помощи подходящих манипуляций над состоянием физической системы в один момент (достигаемых с помощью T), эволюция на время t вперед во времени в соответствии с законами теории (выражаемой через U(t)) становится эквивалентной эволюции системы на t единиц времени назад во времени (обозначаемой U(–t)). Например, если мы определи состояние системы частиц в один момент через их положения и скорости, тогда T будет оставлять все положения частиц фиксированными и менять на противоположные все скорости. Эволюция такой конфигурации частиц вперед во времени на промежуток t эквивалентна эволюции оригинальной конфигурации частиц назад во времени на промежуток t. (Фактор T ^–1 отменяет обращение скоростей так, что в конце не только положения частиц совпадают с теми, которые они имели t единиц времени назад, но таковы будут и их скорости).

Для определенного набора законов оператор T более сложен, чем в случае ньютоновской механики. Например, если мы изучаем движение заряженных частиц в присутствии электромагнитного поля, обращение скоростей частиц будет не адекватно уравнениям, которые дадут эволюцию, в которой частицы заново проходят свои шаги. Вместо этого направление магнитного поля также должно быть обращено. (Это требуется, чтобы член v x B в уравнении для силы Лоренца остался неизменным). Таким образом, в этом случае операция T выполняет все эти преобразования. Тот факт, что мы проделываем больше, чем просто обращаем все скорости частиц, никак не влияет на обсуждение, которое следует дальше в тексте. Все, что имеет значение, это то, что движение частицы в одном направлении точно так же согласуется с законами физики, как и движение частицы в обратном направлении. То, что мы обращаем любые магнитные поля, которым случилось присутствовать, чтобы выполнить это, не имеет особого значения.

Ситуация становится более тонкой в случае слабых ядерных взаимодействий. Слабые взаимодействия описываются особой квантовой теорией поля (коротко обсужденной в Главе 9), и общая теорема показывает, что теории квантовых полей (при условии, что они локальны, унитарны и Лоренц-инвариантны, – что только и представляет интерес) всегда симметричны относительно объединенных операций сопряжения заряда С (которая заменяет частицы на их античастицы), четности P (которая переворачивает положения относительно исходных) и чистой операции обращения времени T (которая заменяет t на –t). Так что мы должны переопределить операцию T, заменив ее на операцию СРТ, но если Т-инвариантность безусловно требует, чтобы была введена операция СР, тогда Т больше не может быть просто интерпретирована как обратное прохождение частицами их шагов (поскольку, например, сама идентификация частиц будет изменена таким Т – частицы будут заменены на их античастицы, – а потому обратного прохождения оригинальными частицами их шагов быть не может). Как оказывается, имеются некоторые экзотические экспериментальные случаи, в которых мы попадаем в эту ситуацию. Имеются определенные виды частиц (К-мезоны, В-мезоны), чья манера поведения СРТ-инвариантна, но не инвариантна относительно одной операции обращения времени T. Это было установлено косвенно в 1964 Джеймсом Кронином, Валом Фитчем и их сотрудниками (за что Кронин и Фитч получили в 1980 Нобелевскую премию) через показ, что К-мезоны нарушают СР-симметрию (подразумевая, что они должны нарушать Т-симметрию, чтобы не нарушать СРТ-симметрию). Более недавно нарушение Т-симметрии было непосредственно установлено в эксперименте CPLEAR в ЦЕРНе и в эксперименте KTEV в Фермилабе. Грубо говоря, эти эксперименты показали, что если вы представили фильм с записью процессов, содержащих эти мезоны, вы будете в состоянии определить, проецируется ли этот фильм в правильном прямом направлении времени, или в обратном. Другими словами, эти особые частицы могут различать прошлое и будущее. Что остается неясным, однако, имеет ли это какое-нибудь отношение к стреле времени, которую мы ощущаем в повседневном контексте. Как-никак, это экзотические частицы, которые могут быть произведены на короткие моменты в высокоэнергетических столкновениях, но они не составляют привычные материальные объекты. Для многих физиков, включая меня, кажется маловероятным, что необратимость времени, проявляемая этими частицами, играет роль в ответе на загадку стрелы времени, так что мы не будем дальше обсуждать этот исключительный пример. Но правда в том, что никто не знает этого с уверенностью.