С другой стороны, мы хотим спросить, почему вселенная находится в таком специальном состоянии, что явно выделяет привилегированное семейство наблюдателей. Это другой вопрос о том, почему начальные условия вселенной были такими особыми. Это вопрос, на который сама ОТО не может ответить — еще одно свидетельство, что имеется нечто в отношении вселенной, что не ухватывается ОТО. Итак, достойна рассмотрения возможность, что привилегированное состояние покоя во вселенной представляет собой нечто более глубокое. Возможно, она говорит нам что-то об уровне физики, более глубоком, чем ОТО.
Если привилегированное состояние покоя во вселенной представляет нечто более глубокое, то это состояние должно проявиться в других видах экспериментов. Но на масштабах меньше космологических принцип относительности инерциальных систем отсчета проверен достаточно хорошо. Предсказания СТО Эйнштейна подтверждает гигантское количество экспериментальных доказательств, многие из которых могут пониматься как проверка того, существует или нет в природе привилегированное состояние покоя[129].
Так что наблюдения дают нам разнородные сообщения. На большом масштабе имеется подтверждение привилегированного состояния покоя, которое должно быть объяснено чем-то специальным в начальных условиях вселенной. Но на любом меньшем масштабе имеется подтверждение, что господствует принцип относительности. Изобретательное решение указанной загадки было придумано только недавно. Оказывается, ОТО может быть красиво переформулирована как теория с привилегированным понятием времени. Эта новая формулировка только другой способ понимания ОТО, но она раскрывает физически предпочтительную синхронизацию часов по всей вселенной. Более того, выбор этой привилегированной синхронизации зависит от распределения материи и гравитационного излучения по всей вселенной, так что это не возврат к Ньютоновскому абсолютному времени. Также этот выбор не может быть открыт никакими локальными измерениями, так что он полностью совместим с принципом относительности для малых подсистем вселенной.
Теория, которая сделала возможным это полное изменение перспективы, называется динамика формы[130]. Ее главный принцип в том, что все, что в физике реально, связано с формами объектов, и любое реальное изменение есть просто изменения в их формах. Размер ничего фундаментально не означает, и факт, что объекты кажутся нам имеющими внутренний размер, есть иллюзия.
Динамика формы была создана последователями цепочки идей, предложенных Джулианом Барбуром, чья вневременная квантовая космология обсуждалась в Главе 7. Барбур великий защитник реляционистской философии, и дорога к динамике формы началась с его настойчивого требования сделать физику настолько реляционистской, насколько возможно. Многие из ключевых шагов были предприняты им в течение последнего десятилетия вместе с Найлом О'Мурчадхой и несколькими молодыми соавторами, но заключительные части были введены в действие летом и в конце 2010 тремя молодыми людьми, работающими в Институте Периметра: аспирантами Шоном Грайбом и Энрике Гомесом и постдоком Тимом Козловски[131].
Раз уж мы знаем базовые идеи теории относительности, легко понять и динамику формы, поскольку эта теория является естественным следующим шагом. Повторим некоторые аспекты одновременности: Имеет смысл говорить о двух соседних событиях, происходящих одновременно. Мы можем также упорядочить их во времени, и это имеет смысл делать, так как одно событие могло бы быть причиной другого. Но когда мы пытаемся упорядочить события, находящиеся далеко друг от друга, мы находим, что не существует абсолютного упорядочения, с которым могут согласиться все наблюдатели. Для некоторых наблюдателей два события могут быть одновременны; для других наблюдателей одно событие может оказаться в прошлом другого события.
Барбур говорит нам, что размер ведет себя аналогичным образом. Если мы имеем два соседних объекта, имеет смысл ранжировать их по размеру: Если вы можете поместить мышь в ящик, имеет смысл сказать, что мышь меньше ящика. Если вы имеете два футбольных мяча, имеет смысл сказать, что у них одинаковый диаметр. Эти сравнения имеют физический смысл, и все наблюдатели с ними согласятся.
Но теперь спросим, меньше ли мышь здесь, чем ящик в соседней галактике. Этот вопрос все еще имеет смысл? Имеется ли ответ на него, с которым согласятся все наблюдатели? Проблема в том, что, поскольку они удалены друг от друга, вы не можете поместить мышь в ящик, чтобы убедиться, что она входит.
129
В последние годы эксперименты проверили справедливость принципа относительности в экстремальных обстоятельствах, в которых наблюдались протоны, путешествующие со скоростью 0,99 999 от скорости света. При этой немыслимой скорости эффекты относительности настолько важны, что переносимая протонами энергия в 10 миллиардов раз превышает энергию, связанную с их массой. Я не был бы удивлен, если бы эти наблюдения обнаружили нарушение принципа относительности, такое нарушение предсказывалось некоторыми подходами к квантовой гравитации примерно при этих энергиях. Другие недавние наблюдения проверили — и подтвердили — принцип, что все фотоны имеют одинаковую скорость, с такой точностью, что наблюдения смогли бы обнаружить, если бы один фотон опередил другого на секунду после того, как эта пара путешествовала вместе миллиард лет. Эти результаты разочаровали тех теоретиков, которые ожидали, что эффекты квантовой гравитации будут менять скорость света на фактор, который зависит от энергии фотонов. Другая серия наблюдений подтвердила с высокой степенью точности, что нейтрино имеют тот же предел скорости, что и свет (
130
Предлагались и другие определения привилегированного понятия времени в ОТО. Какое из них корректно — это, в конечном счете, научный вопрос, который должен быть решен дальнейшими исследованиями, а, возможно, даже экспериментами. Так что мы можем предположить, что имеется привилегированное понятие времени, хотя остается открытым вопрос, какое именно. Среди других предложений: Chopin Soo & Hoi-Lai-Yu, «General Relativity Without Paradigm of Space-Time Covariance: Sensible Quantum Gravity and Resolution of the Problem of Time» «ОТО Без Парадигмы Пространственно-Временной Ковариантности: Здравая Квантовая Гравитация и Решение Проблемы Времени», (2012); Niall O'Murchadha, Chopin Soo & Hoi-Lai-Yu, «Intrinsic Time Gravity and the Lichnerowicz-York Equation» «Гравитация Внутреннего Времени и Уравнение Лихнеровича-Йорка», (2012) и George F. R. Ellis & Rituparno Goswami, «Space Time and the Passage of Time» «Пространство Время и Течение Времени», (2012).
131
Henrique Gomes, Sean Gryb and Tim Koslowsky, «Einstein Gravity as a 3D Conformally Invariant Theory» «Гравитация Эйнштейна как 3D Конформно Инвариантная Теория», (2011).