Будущее времени

В части II мы вернули времени достойное место в картине мира. Доводы в пользу его нереальности веские, но они зависят от распространения ньютоновой парадигмы на Вселенную в целом. Как мы видели, особенности, делающие эту парадигму пригодной для описания малых частей Вселенной, делают невозможным ее применение к Вселенной в целом. Для прогресса в космологии и фундаментальной физике нужна новая концепция законов, действующих на космологических масштабах, которая позволит избежать ошибок, заблуждений, дилемм, парадоксов и ответить на вопросы, которые в рамках традиционной науки невозможно даже поставить. Кроме того, теория должна быть научной, то есть обладать реальной предсказательной силой.

В главе 10 я начал искать основу такой концепции. Первостепенным принципом поиска стал принцип достаточного основания, заставляющий нас находить рациональное объяснение каждому выбору, который Вселенная делала в истории, чтобы стать такой, какой ее видим мы. Это предполагает справедливость принципов тождества неразличимых, замкнутости объяснения, взаимного воздействия. Они закладывают основу глубокого реляционного подхода к описанию свойств всего в природе.

Я утверждаю, что единственный способ реализовать эти принципы и построить работоспособную космологическую теорию – это предположить, что законы изменяются с течением времени. Для этого необходимо, чтобы время было и реальным, и глобальным. Одним из перспективных направлений развития является формодинамика, которая (см. главу 14) в рамках общей теории относительности вводит понятие выделенного глобального времени.

Понятие реального времени, с течением которого эволюционируют законы, в совокупности с нашими принципами закладывает основу новой космологической теории. Рассуждения из глав 11–18 еще не составляют теории. Каждое из приведенных рассуждений носит спекулятивный характер, однако позволяет сделать несколько реально проверяемых предсказаний. Не так важно, подтвердятся ли они. По крайней мере, они демонстрируют, что гипотеза о реальности времени ведет к научной космологии. Понятие реального и глобального времени помогает решить и другие проблемы. Например, мы должны выйти за рамки статистического характера предсказаний квантовой механики для описания и объяснения того, что происходит в отдельных ситуациях. В главах 12 и 13 я описал два новых подхода к более глубокой теории квантовых явлений. В обоих требуется, чтобы время было фундаментальным. Эти подходы в достаточной степени отличаются от традиционной квантовой механики, чтобы их можно было экспериментально подтвердить или опровергнуть.

Еще одной сферой, в которой работает понятие реального времени, является описание поведения макросистем, где в рамках термодинамики возникают такие понятия, как температура, давление, плотность и энтропия. На неквантовом уровне время проявляет свойство направленности, и мы можем различить несколько стрел времени, которые отличают прошлое от будущего. В теории, где время несущественно или второстепенно, невозможно объяснить это свойство время-асимметричной Вселенной, что вынуждает нас объяснять очевидные особенности мира крайне маловероятным выбором начальных условий. Этого можно избежать, предполагая, что время реально и что фундаментальная теория асимметрична во времени, как и Вселенная.

Однако мало сказать, что время реально: имеет смысл говорить о том, что происходит “сейчас” во всей Вселенной, то есть синхронно с нашим ощущением хода времени. Идея глобального времени означает, что наше ощущение хода времени является общим для всей Вселенной, но, конечно, это противоречит относительности одновременности в специальной (СТО) и общей теориях относительности. Это противоречие необходимо устранить, потому что из относительности одновременности (см. главу 6) вытекает блочная картина Вселенной, в которой самый основной аспект нашего ежедневного опыта – течение времени – представляется иллюзорным.

Можно представить ситуацию, в которой время реально и которая не противоречит относительности одновременности. Но это потребует либо солипсизма, либо введения понятия реальности, зависящей от наблюдателя. В такой ситуации различие между реальным настоящим и еще не произошедшим реальным будущим не является объективным для всех наблюдателей. Как я указывал, гипотеза глобального времени помогает выйти за рамки квантовой теории и принять пространство как второстепенное, возникающее понятие. Также важно отметить, что гипотеза глобального времени не должна противоречить экспериментальным данным, подтверждающим выводы СТО. Мы убедились, что это выполнимо в формодинамике. В конце концов, верна ли гипотеза, что в природе существует выделенное глобальное время, должно быть проверено. Поэтому я выдвигал гипотезы, на основе которых можно сделать экспериментально проверяемые предсказания.

Мысль о том, что законы природы эволюционируют во времени, многое обещает применительно к фундаментальной физике. Но возникает вопрос: есть ли закон, регулирующий эволюцию законов природы? Можно назвать метазаконом такой закон природы, который действует на другие законы, а не на элементарные частицы непосредственно. Возможно, действие метазакона трудно заметить, так как он может действовать лишь в таких экстремальных ситуациях, как Большой взрыв. Однако если мы хотим объяснения Вселенной, которое совершенно соответствует принципу достаточного основания, метазакон должен существовать.

Предположим, что он существует. Но не должны ли мы узнать, почему именно этот, а не другой метазакон регулирует эволюцию законов в нашей Вселенной? И если метазакон может влиять на законы, управлявшие миром в прошлом, часть объяснения того, почему именно эти законы действуют в настоящее время, будет зависеть от того, какими были прежние законы. Мы не можем избежать вопроса о выборе начальных условий . Гипотеза о метазаконе может вести к бесконечной регрессии (на вопрос, почему действует именно этот метазакон , можно ответить: таков метаметазакон, и так далее). Это один аспект. Другой – вероятность того, что никакого метазакона не существует. Тогда в эволюции законов появляется элемент случайности, и снова объяснимо не все, а принцип достаточного основания в науке не соблюдается на фундаментальном уровне. Мангабейра Унгер и я называем это дилеммой метазаконов .

Похоже на тупик. Но я думаю, что дилемма метазаконов, напротив, открывает большие возможности, провоцирует на построение нового вида теории. Я убежден, что ее решение станет ключевым для прорыва в космологии и фундаментальной физике в XXI веке.

Дилемму метазаконов можно временно обойти с помощью гипотезы космологического естественного отбора (см. главу 11), предполагающей действие ограниченного метазакона статистической природы. Когда я писал, что параметры стандартной модели изменяются случайным образом при каждом перерождении Вселенной, я описал своего рода метазакон, который частично обходит эту дилемму. Конечно, мы хотим знать больше о том, как это происходит, и описать механизм генерации случайных параметров такого изменения. Возможно, разобраться поможет теория квантовой гравитации, например, теория петлевой квантовой гравитации или теория струн. Но и без дальнейших теоретических построений гипотеза космологического естественного отбора является рабочей, экспериментально проверяемой.

Другой подход к дилемме метазаконов основан на правиле прецедента . Будучи частично статистическим, оно тоже обходит или откладывает разрешение дилеммы. Даже отсрочка может быть плодотворной. Но в конечном счете динамика, которая определяет эволюцию законов, должна отличаться от знакомых нам законов, не должны возникать вопросы: “Почему действует именно этот метазакон?”, “Почему имеются именно эти начальные условия?”

Вот один из подходов, который решает дилемму. Предположим, два любых предложения для метазакона эквивалентны друг другу, то есть одинаково определяют процесс эволюции законов[183]. Возможно, существует принцип универсальности метазакона, как в вычислительной технике. Там универсальность означает, что любая функция, которая может быть вычислена с помощью одного компьютера, может быть вычислена и с помощью любого другого, неважно, в какой операционной системе тот работает. Идея универсальности для метазакона аналогична. Неважно, какой метазакон работает: все экспериментально проверяемые предсказания одинаковы.

Еще одним подходом к космологии, которая выходит за рамки ньютоновой парадигмы, является объединение понятий законов природы и конфигурации. Не существует отдельных понятий закона и конфигурации, а есть лишь одно понятие, которое объединяет их в метаконфигурации и содержит информацию о них обоих. Эта идея согласуется с гипотезой, что все реальное реально в настоящий момент. Пока этот закон действует, его спецификация является частью настоящего момента. Спецификации закона и конфигурации не могут быть слишком разными, поэтому мы объединяем их в одну метаконфигурацию, как Галилей объединил небесную и земную сферы. Возможно, понадобится время, чтобы стереть различие между вневременным законом и конфигурацией, привязанной ко времени.

Эволюция метаконфигурации будет определяться настолько простыми правилами, что она объясняется с помощью принципа универсальности. Выбор начальной конфигурации определял бы и начальные законы, и начальные условия. Будут существовать и свойства конфигурации, которые развиваются быстро, и свойства, которые развиваются гораздо медленнее. Первые можно было бы рассматривать как состояние, которое будет развиваться под действием законов – медленно изменяющегося аспекта метаконфигурации. Но на более длинном отрезке времени различие между законами и конфигурациями размыто. Я разработал модель, которая представляется не такой уж нереалистичной[184].

Эти две идеи вкупе с правилом прецедента и теорией космологического естественного отбора дают уже четыре пути разрешения дилеммы метазакона. Не будет преувеличением сказать, что направление развития космологии XXI века определится с разрешением дилеммы метазакона.

Во вводной главе я поднял ряд вопросов о роли математики в науке. Сейчас я хочу кратко вернуться к этой теме: концепция реальности времени приводит к важным последствиям для математики.

В рамках ньютоновой парадигмы вневременное конфигурационное пространство может быть описано как математический объект. И законы природы, и результаты их действия могут быть представлены как математические объекты, как возможная история системы. Математика соответствует не реальным физическим процессам, а их записи в виде данных, существующих вне времени. Но мир всегда будет представлен набором процессов, происходящих во времени, и лишь малая его часть представлена вневременными математическими объектами.

Поскольку ньютонову парадигму невозможно распространить на Вселенную, нет математического объекта, соответствующего точной истории всей Вселенной. Для Вселенной не должно существовать вневременного конфигурационного пространства вечных законов.

Джон А. Уилер любил, записывая уравнения на доске, сказать: “Теперь я хлопну в ладоши, и возникнет Вселенная”. Конечно, никакой Вселенной не возникало[185]. Стивен Хокинг в “Краткой истории времени” поставил вопрос: “Что вдыхает жизнь в уравнения и заставляет Вселенную подчиняться им?” Такие высказывания раскрывают абсурдность мнения, будто математика имеет примат над природой. На самом деле она второстепенна. У нее нет порождающей способности. Другой способ выразить ту же мысль – сказать, что в математике результат выводится логически, а в природе события генерируются последовательностью причинно-связанных процессов, действующих во времени. Это не одно и то же. Логические следствия могут моделировать причинно-связанные процессы, но они не идентичны им. Логика – не зеркало каузальности.

Логика и математика отражают природу, но не подменяют ее. Некоторые аспекты Вселенной не могут быть описаны математически, например такой: в мире всегда некий момент времени. Поэтому природу нельзя поместить в рамки логической или математической системы. Вселенная просто есть (или – еще лучше – происходит). Она уникальна, как и каждое событие. Почему так? Почему существует нечто, а не ничего? Наверное, на эти вопросы нет ответа. Возможно, существовать значит состоять в отношении к другим объектам, так что Вселенная является просто набором всех этих отношений. Вселенная не имеет отношения к чему-либо вне себя. Вопрос, почему она существует, выходит за рамки принципа достаточного основания.

Как должны быть представлены результаты открытий в космологии, если не работает ни один математический закон? От этого зависит будущее космологии.

Примеры космологического естественного отбора и правила прецедента демонстрируют, что мы можем представить проверяемые на опыте научные теории, которые выходят за рамки ньютоновой парадигмы. Необходимо заметить, что в истории науки существовало много гипотез, в математической формулировке которых не было необходимости. В отдельных случаях для представления их следствий не требовалась математика. Примером может служить теория естественного отбора. Некоторые ее аспекты описаны с помощью простых математических моделей, но ни одна не отражает разнообразие механизмов, с помощью которых происходит отбор в природе.

Стоящие перед нами задачи не стоит недооценивать. Космологическая наука в кризисе, и можно быть уверенным лишь в том, что методология, которая до сих пор нам служила, никуда не приведет. Поэтому мы должны идти вперед, в неизвестность. Решить, какой из путей верен, поможет эксперимент. Мы также ожидаем, что новая теория должна объяснять уже известные, пусть загадочные, факты. Стоит поощрять разнообразные подходы к решению сложных вопросов.

Тем не менее, выбор сложен. Чтобы это подчеркнуть, приведу список пар противоречащих друг другу утверждений. Это следствия противоположных точек зрения на природу времени.

Время иллюзорно. Истина и реальность – вне времени.

Пространство и геометрия реальны.

Законы природы вечны и необъяснимы, за исключением объяснений, основанных на антропном принципе.

Будущее предопределено законами физики и начальными условиями.

Во всех аспектах история Вселенной являет собой математический объект.

Вселенная бесконечна в пространстве. Вероятностные предсказания проблематичны, поскольку основаны на отношении двух бесконечных величин.

Время начинается в момент Большого взрыва (если оно вообще определено), природа которого необъяснима.

Наблюдаемая Вселенная – одна из бесконечной коллекции Вселенных, не наблюдаемых и существующих одновременно.

Равновесие есть естественное состояние, в которое с неизбежностью придет наша Вселенная. Наблюдаемая сложная структура Вселенной – результат маловероятной флуктуации.

Квантовая механика – окончательная и верная теория. Ее интерпретация связана с существованием бесконечного количества альтернативных событий.

В науке нет ничего определенного. Но перед лицом этой неопределенности, однако, мы можем попытаться привести разумные доводы в пользу той или иной гипотезы. Поскольку самым веским доводом является эксперимент, мы можем судить о качестве гипотез с точки зрения их возможности делать проверяемые экспериментально предсказания.

Время – наиболее реальный аспект нашего восприятия мира. Все, что истинно и реально, относится к конкретному моменту времени.

Пространство второстепенно, возникающе и приблизительно.

Законы природы эволюционируют во времени и могут быть объяснены в свете своей предыстории.

Будущее предсказуемо лишь отчасти.

Большинство регулярностей в природе может быть описано с помощью математических моделей. Но не все.

Вселенная конечна в пространстве. Вероятности – обычные отношения частот появления событий.

Большой взрыв – это по сути отскок, который находит свое объяснение в предыстории Большого взрыва. Следы предыдущих эпох наблюдаемы.

Лишь небольшие части Вселенной приходят в тепловое равновесие. Гравитационно-связанные системы превращаются со временем в гетерогенные структурированные конфигурации.

Вселенная под действием гравитационных сил – это самоорганизующаяся система, которая со временем усложняется.

Квантовая механика – это приблизительная теория, вытекающая из более глубокой космологической теории.

Более двух десятилетий существует программа исследований, основанная на квантово-механическом подходе к вневременной Вселенной и теории мультивселенной. В лучшем случае эти исследования породили спекулятивные предсказания новых явлений, таких как столкновения Вселенных-“пузырей”, отголоски, которых можно, если повезет, зарегистрировать. Основные трудности этой программы не были устранены, несмотря на долгие годы работы ученых. Трудности связаны, во-первых, с проблемой предсказаний в случае, если наша Вселенная – одна из бесконечного множества Вселенных, но ни одна из них (кроме нашей) не наблюдаема; во-вторых, с определением вероятности, когда имеется бесконечное количество копий каждого события; в-третьих, с тем, что ни теория, ни наблюдения не ограничивают изобретение сценариев о событиях, которые могут происходить за пределами возможности наших наблюдений.

Нельзя быть уверенным, что из этих исследований ничего не выйдет, но похоже, что история спишет их как заблуждения, совершенные из-за ложного подхода к основополагающему вопросу в науке. Это заблуждение возникло оттого, что метод, подходящий для изучения малых частей Вселенной, был перенесен на Вселенную в целом. Эта ошибка не может быть исправлена другим сценарием того же рода. Космологические вопросы о выборе законов и начальных условий остаются без ответа в рамках подхода, который принимает законы природы и начальные условия в качестве входных данных. Курс должен быть радикальным и предполагать не просто построение новой теории, но и новый метод, – следовательно, и теорию нового рода.

Хотя задача непроста, уже есть несколько рабочих гипотез. Первая – об эволюции законов – предполагает существование истории Вселенной до Большого взрыва. Из этой гипотезы вытекают надежные и экспериментально проверяемые предсказания. Они включают предсказания теории космологического естественного отбора и предсказания, сделанные в рамках циклической космологии. Пока рано говорить о том, истинны ли они, но важно знать, что сейчас и в ближайшем будущем результаты наблюдений могут опровергнуть эти предсказания. Эти примеры показывают, что сценарии, в которых Вселенная – лишь этап, проверяемые и, следовательно, научные.

Другими доводами в нашу пользу стала мудрость Лейбница, Маха и Эйнштейна. У них мы позаимствовали несколько принципов для развития физики. Наиболее радикальным явилось утверждение о реальности настоящего момента времени и принцип: все, что реально, существует в настоящий момент времени. Отсюда следует, что физику нельзя рассматривать как поиск точной математической модели Вселенной. Эти метафизические фантазии вдохновляли поколения теоретиков, но теперь они препятствуют прогрессу. Математика будет служанкой науки – но не королевой.

Взамен мы получим более демократичное видение физических теорий. Точно так же, как много лет назад было стерто различие между дворянами и простолюдинами, мы должны выйти за пределы абсолютного различия между конфигурацией и законами, согласно которым мир развивается во времени. Абсолютные, вечные законы более не могут диктовать эволюцию конфигурации мира. Если все, что реально, существует в реальное мгновение, различие между законами и конфигурацией должно быть относительным, возникающим и выражающимся в относительно спокойные космологические эпохи вроде нашей. В другие эпохи это различие исчезает и появляется динамическое описание мира – рациональное и соответствующее принципу достаточного основания.

Позволяя законам эволюционировать, мы открываем новые возможности для их объяснения. Может показаться, что это ослабит нас. На самом деле это усиливает науку – в отличие от применяемых в космологии идей, основанных на ньютоновой парадигме. Если мы примем концепцию природы, включающую эволюцию ее законов и фундаментальность понятия времени, мы станем способны понять таинственный мир, в котором живем.

Приведет ли эта дорога к успеху? Время покажет.

Эпилог