Сім основних уроків з фізики - Карло Ровеллі

Чайна ложка і кулька поводяться так, як вони мусять, за законами фізики, абсолютно не зважаючи на те, що ми знаємо, а чого не знаємо про них. Передбачуваність або непередбачуваність поведінки не стосується їх точного стану; вона належить до обмеженого набору їхніх властивостей, з якими ми взаємодіємо. Цей набір властивостей залежить від нашого конкретного способу взаємодії з чайною ложкою або кулькою. Ймовірність, власне, не належить до еволюції матерії. Вона належить до еволюції тих конкретних величин, з якими ми взаємодіємо. Тут знову вимальовується глибоко відносна сутність понять, які ми використовуємо для упорядкування світу.

Холодна чайна ложка нагрівається в гарячому чаї, тому що чай і ложка взаємодіють з нами через обмежену кількість змінних з незліченної кількості змінних, які характеризують їхній мікростан. Значень цих змінних недостатньо, щоб точно передбачити майбутню поведінку (приклад із кулькою), але досить для прогнозування з оптимальною ймовірністю того, що ложка нагріється.

Сподіваюся, що не втратив уваги читача, заглибившись у ці тонкі відмінності…

Протягом ХХ століття термодінамика (тобто наука про тепло) і статистична механіка (тобто наука про ймовірність різних рухів) поширилися на електромагнітні та квантові явища. Однак поширити їх також на гравітаційне поле виявилося проблематичним. Як гравітаційне поле поводиться при нагріванні – і досі невирішене питання.

Ми знаємо, що трапляється при нагріванні електромагнітного поля: у духовці, наприклад, гаряче електромагнітне випромінювання дає змогу випекти пиріг, і ми знаємо, як це описати. Електромагнітні хвилі вібрують, випадково розподіляючи енергію, і ми можемо уявити все це як газ фотонів, що переміщуються, як молекули в кулі, наповненій гарячим повітрям. Але що таке гаряче гравітаційне поле?

Гравітаційне поле, як ми дізналися на першому уроці, це, власне, сам простір, або, точніше, простір-час. Таким чином, коли тепло поширюється в гравітаційному полі, час і простір, як вони є, повинні вібрувати… Але ми все одно не знаємо, як це краще описати. У нас немає рівняння для опису теплових коливань гарячого простору-часу. Що таке вібруючий час?

Такі запитання приводять нас до суті проблеми часу: що таке, власне, «плин» часу?

Це питання вже було присутнє в класичній фізиці й освітлювалося в XIX – ХХ століттях філософами – але постає значно гостріше в сучасній фізиці. Фізика описує світ за допомогою формул, які називають процес зміни функцією часу. Але ми можемо написати формули, які описують, як речі змінюються залежно від «позиції» або як смак різотто змінюється як «функція змінної кількості вершкового масла». Здається, що час «плине», але кількість вершкового масла і розташування в просторі не «плинуть». Звідки взялася ця різниця?

Інший спосіб – це запитати себе: що таке «теперішнє»? Ми говоримо, що речі існують тільки в теперішньому: минуле вже не існує, а майбутнє ще не існує. Але у фізиці немає нічого, що відповідало б поняттю «зараз». Порівняємо «зараз» і «тут». «Тут» означає місце, де перебуває той, хто говорить; двоє різних людей «тут» вказують на два різні місця. Отже, «тут» – це слово, значення якого залежить від того, де воно сказано. Є технічний термін для висловлювань цього виду – індексальний. Індексальним є таке висловлювання, сенс якого залежить від ситуації, в якій воно висловлюється. «Зараз» також вказує на мить, у яку слово вимовляється, і також класифікується як індексальне. Але нікому не спаде на думку сказати, що те, що перебуває «тут», існує, а те, що не «тут», – не існує. Тоді чому ми говоримо, що речі, які є «тепер», – існують, а все інше – ні? Чи є певний час чимось об’єктивним у світі, що «плине», і чи примушує він речі «існувати» одну за одною – чи це тільки щось суб’єктивне, як і поняття «тут»?

Це може здаватися хитромудрою грою розуму. Але для сучасної фізики це гостре питання, оскільки спеціальна теорія відносності показала, що поняття «теперішнє» теж суб’єктивне. Фізики і філософи дійшли висновку, що ідея теперішнього часу, який є загальним для всього Всесвіту, – це ілюзія, що всесвітний «плин» часу – узагальнення, яке не працює. Ейнштейн, коли помер його близький друг, італієць Мікеле Бессо, написав зворушливого листа його сестрі: «Мікеле покинув цей дивний світ трохи раніше за мене. Це нічого не значить. Люди на кшталт нас, ті, хто вірить у фізику, знають, що відмінність між минулим, теперешнім і майбутнім – не більш ніж набридлива, вперта ілюзія».

Ілюзія це чи ні, як пояснити той факт, що для нас час «біжить», «тече», «спливає»? Плин часу є очевидним для всіх нас: наші думки і наші слова існують у часі; сама структура нашої мови потребує часу – річ «є», «була» або «буде». Ми можемо уявити собі світ без кольорів, без матерії, навіть без простору, але важко уявити його без часу. Німецький філософ Мартін Гайдеггер підкреслював, що ми «живемо в часі». Чи можливо, щоб плин часу, який Гайдеггер трактує як первинний, був відсутнім в описі світу?

Деякі філософи, і серед них найбільш віддані послідовники Гайдеггера, дійшли висновку, що фізика неспроможна описати найфундаментальніші аспекти реальності, і відкинули її як хибну форму знання. Але вже багато разів ми усвідомлювали, що саме наша безпосередня інтуїція є неточною: якби ми трималися її, то й досі вірили б, що Земля пласка і що це навколо неї обертається сонце. Наша інтуїція розвинулася на основі нашого обмеженого досвіду. Якщо зазирнути трохи далі, виявляється, що світ не такий, яким постає перед нами: Земля кругла, а в Кейптауні люди ходять догори ногами. Довіряти своїй безпосередній інтуїції, а не колективним дослідженням, раціональним, ретельним і розумним, – не дуже мудро; це схоже на поведінку старого, який відмовляється повірити, що великий світ за межами його селища чимось відрізняється від того, що він знав завжди.

Наш досвід плину часу, хоч яким би яскравим він нам здавався, не зобов’язаний відображати фундаментальні аспекти реальності. Але якщо наш яскравий досвід плину часу не є фундаментальним, звідки він береться?

Я думаю, що відповідь прихована в тісному зв’язку між часом і теплом. Різниця між минулим і майбутнім, яку можна відчути, існує тільки тоді, коли існує потік тепла. Тепло пов’язане з ймовірністю; а ймовірність, своєю чергою, пов’язана з тим, що наші взаємодії з рештою світу не реєструють дрібні деталі реальності. Плин часу виникає, таким чином, з фізики, але не в контексті точного опису речей як