Глава 4. Пространство и время

Когда меня спрашивают, что такое время, я этого не знаю. Но когда меня не спрашивают, я это знаю.

Августин Блаженный

Проверьте себя.

При выключенной ячейке Поккельса будет наблюдаться интерференционная картина, отвечающая одновременному прохождению фотона по двум путям. Фотон будет интерферировать сам с собой.

Этот результат ничем не отличается от интерференционной картины, наблюдаемой в двухщелевом эксперименте с электроном или другими частицами.

При включении ячейки Поккельса, в том числе в момент, когда фотон уже прошел через расщепитель, произойдет превращение (редукция) суперпозиционного состояния двух возможных траекторий в состояние смеси, когда фотон как локальный объект летит либо по одному пути, либо по другому. Так происходит потому, что выполняется измерение, выделяющее одну из компонент суперпозиции. Тем самым определяется, по какому из возможных путей движется фотон.

Таким образом, экспериментатор способен заставить фотон стать частицей (и пройти по одному из путей) или вести себя как нелокальный объект и пройти двумя путями сразу. Все зависит от способа наблюдения! Он может это сделать уже после взаимодействия фотона с расщепителем, поскольку расщепитель не фиксирует каких-либо состояний фотона и не разрушает квантовую суперпозицию.

Мы видим, что способ наблюдения является фильтром, который извлекает из состояния, существовавшего до измерения, одну из содержащихся в нем возможностей.

Сейчас мы с вами двинемся дальше и зададимся вопросом, вызывающим интерес у многих. Всегда ли можно ввести понятие времени? Можно ли использовать его для целостной (замкнутой) системы типа нашей Вселенной или любой замкнутой системы? Возможно, вы уже не удивитесь, что ответ однозначен — нет⁴⁹.

⁴⁹ См., например, De Witt B. S. Phys. Rev. 160. 1113 (1967).

Прежде чем рассмотреть вопрос о существовании времени в тех или иных системах, сделаем краткий исторический обзор.

Согласно Ньютону, время отделено от пространства, дано Богом и вечно. Существуют Абсолютное Пространство и Абсолютное Время, на которые не влияет никто и ничто, они подобны арене, где происходят все остальные физические явления. Что бы ни происходило, они остаются неизменными. Эти представления о пространстве и времени, отделенных как от материи, так и друг от друга, пользовались и пользуются популярностью, ибо они просты, но в то же время в достаточной степени соответствуют подавляющему большинству практических задач.

Специальная теория относительности⁵⁰ (СТО) Эйнштейна связала пространство и время в единое пространство-время, в котором временные интервалы и даже последовательность событий для разных наблюдателей могут выглядеть по-разному. Например, СТО утверждает, что часы в самолете идут медленнее часов на земле, и это, как и другие следствия СТО, экспериментально доказано. «Образование» единого пространства – времени возможно благодаря постоянству скорости света: раз скорость света не зависит от скорости источника, его испускающего, и одинакова во всех системах отсчета (это экспериментальный факт!), то единица длины (например, метр) задает и единицу времени (время, за которое свет проходит один метр, или метр светового времени). А из этого вытекает возможность математических структур, описывающих взаимозависимость пространства и времени.

⁵⁰ По специальной теории относительности особо рекомендую книгу: Тейлор Э., Уилер Дж. Физика пространства – времени. М.: Мир, 1971. При всей строгости изложения она читается как сказка.

Общая теория относительности (ОТО) идет дальше: она вводит динамическое понятие пространства и времени, которое сложным образом изменяется при взаимодействии с материей. Гравитация понимается здесь как искривление времени и пространства. Это искривленное пространство-время больше не является только ареной, оно само принимает участие в происходящем. Предсказания ОТО многократно подтверждались при наблюдениях разнообразных космических объектов, они используются при расчетах траекторий полетов космических аппаратов в масштабах солнечной системы.

Квантовая теория гравитации⁵¹ (которая, впрочем, далека от завершения) идет еще дальше и утверждает, что время не есть нечто, имеющее самостоятельное бытие, его не существует вне объектов и полей. В современных теориях время и вовсе выпадает из уравнений. Это означает, что привычного нам пространства и времени в общем случае нет, эти понятия не являются исходными и общими для всех наблюдателей феноменами. Их возникновение должно быть выведено в рамках более глубокой теории⁵².

⁵¹ См., например, книгу: Грин Брайан. Элегантная вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: Изд-во УРСС, 2004.

⁵² Так происходит, например, в петлевой теории квантовой гравитации. См.: Смолин Ли. Атомы пространства – времени // В мире науки. № 4, 48 (2004). Другой подход к этой проблеме изложен в эссе Х. Д. Цее: http://www.decoherence.de/essays.html#zeh.

Если быть последовательными до конца, то все теории, в которых изначально предусмотрено наличие внешних пространственно-временных координат, следует отнести к классической физике, которая имеет дело исключительно с независимыми друг от друга (так называемыми сепарабельными) состояниями, когда вкладом квантовых корреляций можно пренебречь⁵³.

⁵³ С этих позиций, например, такой метод квантовой теории, как метод интегралов по траекториям, следует признать полуклассическим: в нем квантовая суперпозиция подменяется набором траекторий, то есть набором смешанных состояний. Это всего лишь удачный математический трюк, позволяющий иногда учесть квантовые эффекты, но не последовательное квантовое описание.

Несмотря на то, что последовательной теории, описывающей возникновение пространства – времени, в настоящее время нет, мы вполне можем ответить на многие важные вопросы.

Очевидно, с замкнутой системой не происходит ничего. Не взаимодействуя с замкнутой системой, мы ничего определенного сказать о ней не можем, ее некому наблюдать, некому перевести чисто-квантовое состояние в смесь, в наблюдаемое состояние. Внутри замкнутой системы нет локальных объектов, ее нельзя познавать из привычной для исследователя разделенности на субъект и объект. Как сказал величайший мистик древности Гермес Трисмегист: «Мир невидим в своей целостности». Оттуда, из целостности, возникновение времени видимо и ясно — только некому об этом рассказать, нет наблюдателя, отличного от самого времени. Августин Блаженный в приведенной в начале главы цитате сказал точно: когда тебя спрашивают, что такое время, ты не можешь ответить. Хотя бы потому, что находишься в разделенности, где есть как минимум ты и вопрос. А когда тебя не спрашивают, ты медитативно достигаешь целостности, где все ответы на все вопросы становятся очевидными. Тогда ты понимаешь, что такое время.

Целостная (замкнутая) система развивается одновременно во все возможные стороны. Поскольку в ней нет выделенных состояний и переходов между ними, то нет и времени, а привычные нам понятия пространства и времени возникают как результат взаимодействия подсистем, существуют только «внутри них» и «между ними» и представляют лишь часть квантовой реальности. И для различных локальных наблюдателей (то есть подсистем внутри этой системы) последовательность событий может быть различной.

Другими словами, пространство и время не существуют изначально, они возникают в ходе происходящей при любом взаимодействии декогеренции, то есть процесса перехода чисто-квантовых состояний в смешанные⁵⁴. О том, что такое декогеренция, мы поговорим подробнее в следующей главе.

⁵⁴ Zeh H. D. The Physical Basis of The Direction of Time (Springer-Verlag, 2001). Отдельные главы этой книги есть на сайте http://www.time-direction.de/. См. также http://www.decoherence.de/essays.html#zeh.

Хороший преподаватель попросил бы вас закрыть глаза и мысленно повторить то, что мы сегодня прошли. У меня нет необходимости быть хорошим преподавателем. Я хочу, чтобы вы увидели в изложенном и неизреченном Тайну, и помолчу.

Кто хочет, насладитесь этой Тайной вместе со мной.