Краткая теория времени - Карло Ровелли

Тридцать лет назад в небе была замечено распространяющееся во всех направлениях внезапное излучение с интенсивными короткими вспышками гамма-лучей, получившими название «гамма-всплесков» и ставшими предметом многочисленных исследований. Установлено, что они бывают разных типов. Некоторые из них связаны с концом существования очень больших и тяжелых звезд и с их превращением в черные дыры. Остается выяснить, не связаны ли некоторые из них с концом существования самой черной дыры. Если мы сможем обнаружить следы взрыва черной дыры, то сможем и наблюдать и измерять прямой результат события, вызванного квантовой гравитацией. Это смелая мысль, и она может не оправдаться – если, к примеру, ранняя Вселенная не сформировала достаточно черных дыр, чтобы они взрывались сейчас. Но поиск начат, и мы ждем результатов.

С этим новым взглядом на черную дыру представление о времени становится головокружительным, перед глазами появляется нечто вроде приемного отверстия или «насоса времени», способного втянуть частицу в начале существования Вселенной и выплюнуть ее через 13 миллиардов лет, тогда как за этот срок в самом насосе на часах прошло лишь несколько секунд. Как принять идею сосуществования во Вселенной столь разных течений времени, столь разных времен?

После длинного отступления о пространстве настал момент прицельно поговорить о времени. За десять лет до того как создать общую теорию относительности, Эйнштейн открыл, что пространство и время – не две различные сущности, а скорее два аспекта одного и того же единства. Это открытие называется специальной относительностью или специальной теорией относительности. Мы привыкли думать, что два события (к примеру, прибытие Христофора Колумба в Америку и смерть Джона Леннона) всегда сопоставлены во времени, принадлежат к одному его порядку, то есть одно произошло раньше, а другое позже. Мы привыкли думать, что время – вещь универсальная, и поэтому вопрос «А что происходит сейчас в другом уголке Вселенной?» имеет смысл. Но это не так.

Относительность времени

Наиболее яркая иллюстрация относительности времени – это так называемый парадокс близнецов, хотя в нем и нет ничего парадоксального. Если один из близнецов путешествует с большой скоростью и удаляется от другого, а потом возвращается, то при встрече они оказываются разного возраста. Тот, кто никогда не менял скорость, будет старше, точно так же как в случае двух путей между двумя городами короче тот, который нигде не поворачивает. Это не парадокс, это следствие того, как устроен наш мир. Время – это не абсолютное «содержащее», в котором что-то происходит с объектами; время есть у каждого объекта и зависит от его движения. Единственное парадоксальное во всем этом то, что у нас нет привычки наблюдать за подобными несовпадениями, потому что по нашим меркам они слишком малы. Нам они кажутся противоречащими непосредственной интуиции, но тем не менее именно так все и обстоит. Были проведены эксперименты, правда, не с близнецами, а с одинаковыми и очень точными часами, находящимися на скоростных самолетах. И всегда оказывалось, что мир работает так, как понимал Эйнштейн: на часах было разное время, когда они опять оказывались рядом.

Во Франции распространено мнение, что право первенства в случае с этими идеями принадлежит скорее Пуанкаре, чем Эйнштейну. Это не так. Вклад Пуанкаре действительно часто недооценивают, но, когда читаешь оригинальные статьи двух авторов, видно, что фундаментальный факт расхождения времени на двух одинаковых часах, когда они находятся в движении, был открыт Эйнштейном, а не Пуанкаре.

Через десять лет после построения специальной теории относительности Эйнштейн осознал, что время еще более изменчиво, что, в свою очередь, нашло отражение в общей теории относительности. Он показал, что гравитационное поле (поблизости от Земли или Солнца) заставляет часы идти медленнее. Это является причиной релятивистских поправок, которые должны быть сделаны при работе GPS. Система GPS основана на точном измерении времени прохождения сигнала между Землей и спутниками на орбите. Спутники передвигаются с большой скоростью и находятся гораздо дальше от источника тяготения (то есть гравитации) – Земли, чем мы. Их время – не то же самое, что наше: оно протекает немножко быстрее. Если расчет расстояния производить, не учитывая этого различия, он окажется неверным.

На эту тему можно рассказать забавную историю. При разработке GPS генералы американской армии, отвечавшие за проект, не могли поверить в относительность времени. Физики сказали им, что часы на борту спутников будут идти быстрее, чем часы на земной поверхности, но… разве поверишь в такое всерьез? В состоянии ли военный действительно поверить, что время может протекать быстрее или медленнее? Для того чтобы проверить это, армия испытала систему в двух вариантах: в одном случае поправки на бо́льшую скорость протекания времени вносились, в другом нет. И как вы думаете, чем дело кончилось? Вот замечательный пример того, что общая теория относительности – это установленный факт. Не верить в предсказания этой теории – значит оставаться в дураках.

Но вернемся к началу. Когда два события происходят в двух местах, достаточно удаленных друг от друга, в целом не имеет смысла говорить, какое из них произошло первым. И поэтому не имеет смысла спрашивать, что происходит сейчас, например, в галактике Андромеды. Причина в том, что время не течет одинаково повсюду. У нас оно свое, а в галактике Андромеды свое, и между двумя «сейчас» невозможно установить соответствие в некоем общем плане.

Единственное, что можно сделать, – это обмениваться сигналами (к примеру, электромагнитными: световыми, радио- и другими). Но их движение туда и обратно займет миллионы лет. Мы получаем сегодня известие и сразу отвечаем. Мы можем сказать, что момент, в который инопланетянин отправил сигнал, был раньше сегодняшнего дня и что он получит наш ответ позже, чем сегодня. Но за миллионы лет, что протекают между отправкой сигнала инопланетянином и получением им нашего ответа на Андромеде, нет никакого особого момента, который соответствует «сегодня» на Земле. Два места во Вселенной разделены и физически, и по времени.

Все это к тому, что мы не должны думать о времени так, как если бы существовали космические часы, дающие единый ритм жизни всей Вселенной. Мы должны думать о нем как о локальном свойстве: у каждого объекта во Вселенной свое собственное время. Французское слово temps означает и «время», и «погоду», поэтому как метеоролог задается вопросом, какая погода в том или ином месте, так и с тем же словом temps можно спрашивать: какое там время?

То, как проявляется время каждого, когда тела встречаются или обмениваются сигналами, можно описать с точностью. В математическом описании мира для этого не говорится ни о «времени», ни о «пространстве», но о двуединстве, которое называется «пространство-время». Пространство-время – нечто вроде совокупности всех мест и всех времен. Мы знаем это уже больше столетия (Эйнштейн опубликовал свой текст в 1905 году), но, как ни удивительно, это до сих пор не стало знанием всех и каждого. То же самое происходило и с другими революциями в мировоззрении. К примеру, возьмем коперниканскую: долгое время после открытия Коперника множество людей все еще было убеждено в том, что Солнце вращается вокруг Земли, а не наоборот. Но на каждом этапе продолжающегося исследования оно не ждет, пока все подтянутся за ним.