Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной

• Название: Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
• Автор: Юрий Артамонов
• Жанр: Современная проза

════Реально ли время? Релятивистский и квантовый полюса современной физики свидетельствуют, что нет, и время является иллюзией. Будущее с точки зрения законов физики фундаментально не отличается от прошлого и полностью определено этими законами и начальными условиями вселенной. Однако, иллюзорность времени приводит к ряду парадоксов и вопросов, на которые нет ответа или приходится отвечать так, что остается неудовлетворенность и чувство тупика. Пример: почему мы имеем те законы, которые имеем? Доминирующая сейчас космологическая парадигма ссылается на теории мультивселенной и антропный принцип, что принципиально не проверяемо и не дает предсказаний наблюдаемых явлений.

════Американский физик-теоретик Ли Смолин в своей четвертой книге "Возрожденное время" утверждает, что есть иной выход. Все обоснования иллюзорности времени опровергаемы. Признание реальности времени открывает ряд новых интригующих возможностей. Например, что законы природы эволюционируют в этом реальном времени и могут быть объяснены своей историей. Или что можно обойти конфликт между объяснением квантовых явлений через скрытые переменные (неизбежно нелокальным) и принципом относительности.

════ Книга программная и вводная, она анонсирует строгий натурфилософский труд по вопросу реальности времени и эволюции законов, который пишется сейчас Смолином вместе с бразильским философом Роберто Унгером. Будет крайне интересно проследить за развитием объявленных идей.

---

    Как эти соединения должны быть выключены?

    Подход квантовых граффити к квантовой гравитации обращается к этому вопросу, предполагая, что создание и поддержание соединений в сети требует энергии. Тогда требуется намного меньше энергии, чтобы сформировать двух- или трехмерную решетку, как на Рис.13, чем сформировать решетки более высоких размерностей. Это подсказывает простую картину очень ранней вселенной: В начале было очень жарко, так что было достаточно энергии, чтобы подключить большинство соединений. Ранняя вселенная, следовательно, была миром, в котором все было соединено со всем другим, не

к оглавлению

более, чем в несколько шагов. Когда вселенная остывала, соединения начали распадаться, пока не осталось только несколько, необходимых для создания трехмерной решетки. Это сценарий возникновения пространства (некоторые из моих коллег говорят о Большом Замораживании, а не о Большом Взрыве). Процесс также называется геометрогенезис [19].

    Геометрогенезис может объяснить некоторые запутанные особенности начальных условий вселенной, вроде того, почему радиация КМФ приходит к нам со всех направлений с одинаковой температурой и одинаковым спектром флуктуаций: Это потому, что вселенная изначально была сильно связанной системой. Геометрогенезис, таким образом, обеспечивает альтернативу гипотезе, что вселенная подверглась гигантской инфляции вначале своей жизни.

    Конечно, дьявол кроется в деталях, и вопрос о том, как в точности и почему Большое Замораживание должно было дать в итоге трехмерную структуру, которая выглядит регулярной, как двумерная решетка, показанная на Рис.13, а не более хаотическую структуру, является предметом проводимых в настоящее время исследований [20].

*

    Процесс решения обратной проблемы, оказывается, учит нас двум важным урокам в отношении природы времени.

    Первый заключается в том, что пространство, более вероятно, должно возникать в моделях квантовой вселенной, которые допускают существование глобальной переменной времени. Это проиллюстрировано моделями динамической триангуляции.

    Триангуляция, как отмечалось, это поверхность, построенная из многих соединенных вместе треугольников, как в геодезическом куполе (см. Рис.18). Трехмерное искривленное пространство может быть сконструировано аналогичным образом путем соединения тетраэдров, которые являются трехмерным аналогом треугольников. Модель динамических триангуляций использует эти тетраэдры как атомы пространства. Квантовая геометрия описывается не с помощью графов, а с помощью упорядочения тетраэдров, склеенных лицом к лицу [21]. Такая конфигурация пространства эволюционирует во времени посредством набора правил, чтобы построить дискретную триангулированную версию четырехмерного пространства-времени (см. Рис.20).

    Имеется два вида подходов на базе динамических триангуляций: те,

к оглавлению

Рис.20. Эволюционные правила для триангуляций поверхностей. в которых пространство-время атомизировано и предполагается возникающим как и в картине монолитной вселенной, и те, в которых допускается универсальное понятие времени, а в качестве возникающего ищется только пространство. Во всем остальном конструкции весьма сходны. Результат таков, что когерентное пространство-время возникает только в моделях, где время предполагается реальным. Другие модели - те, что без глобального времени - пали жертвой обратной проблемы: то есть, они перегружены пагубным влиянием нестандартных геометрий, которые никогда не выглядят подобно пространству (см. Рис.19).

    К моделям, решающим обратную проблему, относится модель, известная как причинные динамические триангуляции, изобретенная Амбьорном и Лолл. Эмерджентные варианты пространства-времени в ней частично реалистичны в том, что они имеют три размерности пространства и одну времени; некоторые из них показаны на Рис.21. Они являются первым примером квантовых вселенных, которые на больших масштабах выглядят как решения ОТО Эйнштейна. Они даже демонстрируют, что объем пространства растет во времени тем же образом, который требуют уравнения Эйнштейна.

    Тут остаются некоторые вопросы, требующие решения - например, похожи ли эти эмерджентные варианты пространства-времени на решения ОТО в достаточных деталях, чтобы воспроизвести такие явления как гравитационные волны и черные дыры. Другим вызовом является понять судьбу встроенного в модели понятия глобального времени. А также старый вопрос, нарушает ли

к оглавлению

Рис.21. Типичная пространственно-временная геометрия, возникающая из модели причинных динамических триангуляций [22]. присутствие глобального времени многозначно установленную временную симметрию ОТО (см. Главу 6). Новый способ задать этот вопрос: является ли ОТО - или может ли быть благодаря некоторой адаптации модели - восстановленной в виде динамики формы, которая, как мы видели в Главе 14, является теорией с глобальным временем, эквивалентной ОТО.

    Второй урок в том, что если пространство эмерджентно, то на самом глубоком уровне не может быть относительности одновременности, поскольку все соединено со всем остальным. Поскольку мы можем послать сигнал между любыми двумя узлами в один или несколько шагов, тут нет проблемы синхронизированных часов. Отсюда следует, что на данном уровне время должно быть глобальным.

    Этот урок иллюстрируется результатами моделей квантовых граффити. Здесь местом действия является граф с большим числом узлов, из которых любые два или соединены или нет. Квантовые геометрии тогда включают любой граф, в котором можно сделать соединенными все узлы. Динамический закон включает или выключает соединения. Изучались некоторые модели,

к оглавлению

в которых предлагались различные законы для включения и выключения ребер. Эти модели, как оказывается, имеют две фазы, аналогичные двум фазам воды. Это высокотемпературная фаза, в которой почти все ребра включены, так что каждый узел тесно связан с каждым другим узлом в один или немного шагов. Тут нет локальности, поскольку информация может легко и быстро перескакивать между любыми двумя узлами. В этой фазе модели нет ничего похожего на пространство. Но если вы охлаждаете модель, проявляется фазовый переход к замороженной фазе, в которой почти все ребра отключены. Как и в низкоразмерном пространстве, каждый узел имеет только несколько ближайших соседей, и требуется много перескоков между большинством пар узлов.

    Вы можете также вставить материю в модель квантовых граффити. Частицы живут на узлах и могут перепрыгивать с одного узла на другой только когда соединяющее их ребро подключено. Можно предположить, что динамика фиксирует принцип обратного действия, также реализованный в ОТО, - принцип, что геометрия говорит материи, где та может двигаться, а материя говорит геометрии, как та может эволюционировать. Эти модели проявляют некоторые особенности возникновения пространства, а также имеют феномены гравитационного типа, такие как аналоги квантовых черных дыр, где частицы могут захватываться на длительные периоды времени. Эти области черных дыр не неизменны; они медленно испаряются способом, который напоминает нам процесс испарения черных дыр Стивена Хокинга.

    В этих моделях предстоит еще много работы, прежде чем мы сможем заключить, что они могут быть реалистичными, - но уже просто как игрушечные модели они принесли огромную эвристическую пользу. Они показали, что если все потенциально соединено со всем остальным, то должно быть глобальное время. Относительность одновременности в СТО является следствием локальности. Определение того, являются ли удаленные события одновременными, невозможно, поскольку скорость света устанавливает верхний предел скорости передачи сигналов. В СТО вы можете определить одновременность только тогда, когда два события происходят в одном и том же месте. Но в квантовой вселенной, где каждая частица потенциально находится в одном шаге от любой другой частицы, все, по существу, находится 'в одном и том же месте'. В такой модели нет проблемы синхронизации часов, так как имеется универсальное время.

к оглавлению

    Когда в такой модели возникает пространство, возникает и локальность. Также возникает и существование лимита скорости передачи сигналов. (Это было показано в некоторых деталях в моделях квантовых граффити [23]). Пока вы рассматриваете только явления в эмерджентном пространстве-времени и не углубляетесь на масштаб атомов пространства-времени, СТО будет казаться приблизительно верной - что подтверждает главный урок описанных в настоящей главе моделей и теорий, который учит нас: Пространство может быть иллюзией, но время должно быть реальным.