Час минає безповоротно. Але одне з найбільш фундаментальних питань у світі — чому він минає, чому має напрямок і чому, інакше кажучи, ми не наділені спогадами про майбутнє. Ця проблема настільки глибока, що мало кому спадає на думку порушувати її в реальному житті. Проте вона постійно постає в художній літературі. Від моменту виходу в 1895 році роману Герберта Веллса «Машина часу» прозаїки та драматурги намагаються з’ясувати можливість активного переміщення в часі. Доти вчені визнавали його важливим, але зазвичай розглядали (більшість людей так робить і досі) як певну даність, що минає собі десь на загальному тлі. Як мірило інших явищ, але не як предмет самостійного дослідження.
Усе почало змінюватись у 1887 році. Саме тоді американські фізики Альберт Міхельсон та Едвард Морлі спробували виміряти швидкість Землі відносно ефіру — середовища, у якому (за тодішньою теорією) поширюються світлові хвилі. За допомогою інтерферометра вони вирішили обрахувати різницю між швидкістю світла в напрямку руху Землі та швидкістю світла під прямими кутами до цього напрямку. Різниці не побачили. Отже, можна припустити, що швидкість Землі не впливає на швидкість світла. Оскільки швидкість — це відстань, поділена на час, необхідний для її подолання, то виходить, що відстань або час (або й те, й те) — змінні величини.
Читайте також: Інший «Великий вибух»
Пластичність часу (та відстані) була підтверджена, обчислена й пояснена 1905 року Альбертом Ейнштейном у його особливій теорії відносності. Виходячи з відкриття Міхельсоном та Морлі незмінної швидкості світла, він показав, що час — це не постійне фонове цокання годинника. Він пластичний, минає по-різному в різних місцях, залежно від того, як ці місця рухаються одне відносно одного. А за швидкості світла він узагалі зупиняється.
Танці під музику часу
У своїй загальній теорії відносності, опублікованій 1915 року, Ейнштейн показав, що для пояснення гравітації необхідно перестати думати про простір і час як окремі поняття, а натомість уявляти полотно Всесвіту як чотиривимірний сплав їх обох, просторово-часовий континуум. Тепер час не просто став пластичним — ним можна було маніпулювати. Зокрема, Ейнштейн продемонстрував, що важкі об’єкти сповільнюють його плин.
Утім, із жодного ейнштейнівського рівняння не випливає, що час має напрямок руху. Вони однаково застосовні під час переміщення вперед або назад, як і їх попередники в класичній фізиці. Однак думка про те, що час має напрямок (усупереч результатам рівнянь) цілком влаштовує одну з галузей фізики — термодинаміку. Англійський астрофізик Артур Еддінґтон сфотографував зорі навколо Сонця під час повного затемнення 1919 року й підтвердив основне передбачення загальної теорії відносності, що масивні тіла на кшталт Сонця викривлюють промені світла, а також уповільнюють плин часу. Обидва явища — результат того, що такі тіла викривлюють просторово-часовий континуум, і зображення сусідніх зірок на Еддінґтонових фотопластинках виявилися ближчими до нашого світила, ніж є насправді, адже світлові промені від них викривилися під впливом його гравітації.
Поки вченого славили за підтвердження рівнянь загальної теорії імовірності, той помітив, що вони не відповідали щоденній дійсності там, де йшлося про напрямок часу. Тому цю дійсність вважав за краще пояснювати інакше: за допомогою термодинаміки.
Другий закон термодинаміки математично виражає рутинне спостереження: тепло передається від нагрітих тіл до холодних, а не навпаки. Але з цього підходу випливає багато наслідків. Один серед найвідоміших — що з плином часу будь-яка система переходитиме від ладу до безладу. Це однаково стосується як змішування двох газів, так і дитячої кімнати. А все тому, що різних станів безладу в будь-якої системи більше, ніж упорядкованості.
Це спостереження зробив Людвіґ Больцман у 1877 році. Але аж півстоліття потому, у 1927-му, Еддінґтон запровадив поняття стріли часу: «Намалюймо довільну стрілу. Якщо в напрямку руху стріли ми знаходитимемо дедалі більше невпорядкованих елементів у стані світу, це означатиме, що стріла вказує в майбутнє; якщо невпорядкованих елементів меншатиме, то стріла вказуватиме в минуле… Я вживатиму вираз «стріла часу» на позначення цієї властивості часу рухатися в одному напрямку, яка не має аналогів у просторі».
Після Еддінґтона з’являлися й інші варіанти стріл: на позначення розширення Всесвіту, наприклад, або розсіювання хвиль світла в міру віддалення від джерела. Але, по суті, все це рух у певному чітко помітному напрямку.
Такий самий принцип застосовний і до стріли, яка найбільш характерна для людини: мова про здатність пам’ятати виключно минуле. Пам’ять виникає в результаті змін у нервових клітинах мозку. Відтак система рухається в бік більшої впорядкованості, а не меншої (хоча другого закону термодинаміки не порушує, бо тепло, котре виділяється від хімічних процесів у ході цих змін, створює рівноважний безлад). Але загальна суть напрямку руху в ній та сама. Якщо спостерігати за мозком на молекулярному рівні, то процес «забування» настільки відрізнятиметься від «пізнання», що спостерігач безпомильно їх розрізнить. Відтак він бачитиме стрілу часу.
Не відкладати на завтра
Утім, недолік цих тлумачень (наростання безладу чи накопичення особистої історії) полягає в тому, що вони описують явища, які можуть показати стрілу часу наочно, але не проникають у суть різниці між часом і трьома іншими вимірами.
Описана Еддінґтоном стріла часу — це похідне. Якщо зібрати докупи велику кількість дрібних об’єктів на кшталт атомів (для кожного з яких окремо стріли часу не існує) і дозволити їм взаємодіяти, то стріла справді з’явиться. Проте є кілька прикладів, що демонструють асиметрію часу й без ускладнення структури.
Читайте також: Гуманітарні виклики для освіти й міністерства
У 1998 році вперше було продемонстровано, як частинки під назвою «каони» спонтанно перетворюються на еквівалентні античастинки — антикаони. Це відбувається повільніше, ніж зміна антикаонів у зворотному напрямку. Єдине правдоподібне пояснення такої асиметрії — що каони й антикаони по-різному «відчувають» час. Подібне явище згодом спостерігали у В-мезонах і анти-В-мезонах.
Ці два спостереження показують, що за особливих обставин (зокрема, компенсаторного порушення іншого явища, відомого як зарядово-дзеркальна симетрія) рівняння часу різняться під час переміщення вперед і назад. Утім, назад у часі не рухається насправді ніщо. Тож ці спостереження становлять величезний інтерес для фізиків, які вивчають різницю між матерією та антиматерією, але мають маргінальну цінність для їхніх колег, що прагнуть зрозуміти стрілу часу не лише на термодинамічному рівні, ба навіть, можливо, застосувати це знання для створення справжньої машини часу на зразок TARDIS.
Чи можлива така машина, залежить від мети її використання. Зробити машину, яка може відвідати майбуття, досить легко, принаймні у принципі. Важче — таку, що «злітає» в минуле.
Найпростіший спосіб потрапити в майбутнє — розігнатися від Землі в космічному кораблі, а відтак розвернутися в певній точці й прилетіти назад. Деякі з Ейнштейнових рівнянь описують відношення між часом, що його проживають два тіла, одне з яких прискорюється, а друге — ні. Вони свідчать, що плин часу сповільнюється для тіла, яке набуває прискорення. Якби корабель здійснив (з погляду екіпажу) 40-річну подорож від Землі з постійним прискоренням, що дорівнює 1g (розганяючись першу половину шляху від планети, а затим сповільнюючись, знову за 1 g, щоб досягти поворотного пункту й повторити всю процедуру на зворотному шляху), то за час його відсутності на Землі минуло б 58 тис. років.
Читайте також: Антон Цайлінґер: «Наука не може бути мотивована застосуванням винаходу в майбутньому»
За певних обставин Ейнштейнові рівняння допускають виникнення «кротових нір» або «червоточин». Це канали, що прямо сполучають віддалені ділянки просторово-часового континууму, створюючи тунелі, якими можуть переміщатись об’єкти. Якби описані вище космонавти мали із собою один кінець такої «червоточини», а другий залишився на місці, той перший кінець потрапив би на 58 тис. років уперед, у майбутнє. Якби предмет або людина тоді неушкодженими пройшли крізь «червоточину» (спірне питання, чи це реально, але деякі моделі дійсності припускають таку можливість), то вони рухалися б уперед і назад між її виходами, долаючи цілі тисячоліття.
Минуле — це пролог
Але для цього потрібно навчитися контролювати «червоточину», хоча це складно навіть уявити з огляду на гігантські маси (деякі, певно, з від’ємними значеннями) й енергії, які (згідно з рівняннями) потрібні для створення та управління таким монстром. Тож нам залишається тільки загадка. Теорія не може виключити подорожі в часі у зворотному напрямку. Але з практики випливає, що власне вони й можуть виявитися нереальними. Мабуть, це й на краще. Якби можна було вирушити в минуле, який-небудь дурень, поза сумнівом, спробував би перевірити «парадокс дідуся» — один із винаходів письменників-фантастів, мандрівників у часі. У цьому парадоксі мандрівник у минуле вбиває свого діда ще до зачаття свого батька чи матері, а отже, сам герой не міг би народитися, тому злочин не відбувся б.
Парадокс дідуся (суть у тому, що причинно-наслідковий зв’язок не можна розвернути у зворотному напрямку) має, імовірно, критичне значення для розуміння стріли часу. Він угадується в тлумаченнях, що спираються на термодинаміку й т. ін., але поки що не виписаний зв’язно в математичній теорії. Тому, хто зуміє його описати або якось інакше знайти розв’язання загадки про стрілу часу, однозначно світить Нобелівська премія.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com