Тепловое время

Проблема, из которой проистекает идея теплового времени, проста. В главе 7 я показал, что для описания физики нет необходимости использовать понятие времени. Лучше вообще забыть о нем. На фундаментальном физическом уровне время не играет никакой роли. Как только мы понимаем это, уравнения квантовой гравитации упрощаются.

Есть множество повседневных понятий, которые не играют никакой роли в фундаментальных уравнениях Вселенной – например, понятия «верх» и «низ», «горячее» и «холодное» – поэтому не так уж странно, что широко употребляемые понятия исчезают в фундаментальной физике. Однако стоит только принять эту идею, как сразу возникает новая проблема. Как восстановить понятия нашего повседневного опыта? Как они возникают в нашем конкретном контексте?

Например, понятия «верх» и «низ» не входят в ньютоновские уравнения, но мы знаем, что они означают в схеме без абсолютного верха и низа. «Верх» и «низ» имеют смысл вблизи большой массы, такой как планета. «Низ» – это направление, в котором действует гравитационное притяжение близко расположенной большой массы; «верх» соответствует противоположному направлению. То же самое с «горячим» и «холодным»: на микроскопическом уровне не существует горячего или холодного, но когда мы объединяем большое число микроскопических составляющих и описываем их в терминах средних величин, появляется понятие тепла – горячим является тело с повышенной средней скоростью движения отдельных составляющих. Мы способны придать смысл понятиям «верх» и «горячее» в некоторых ситуациях – в присутствии по соседству большой массы, при работе со средними величинами для большого числа молекул и т. п.

Нечто подобное должно быть применимо и ко «времени». Если понятие времени не играет никакой роли на элементарном уровне, оно, конечно же, имеет большое значение в нашей жизни, так же как «вверх» и «горячее». Но что означает «течение времени», если время не участвует в фундаментальном описании мира?

Ответ прост. Происхождение времени может быть похоже на происхождение тепла: оно возникает при усреднении большого числа микроскопических переменных. Остановимся на этом подробнее.

То, что между временем и температурой есть связь, – древняя и неоднократно высказывавшаяся идея. Если вы задумаетесь над ней, то поймете, что все явления, в которых мы обнаруживаем ход времени, связаны также и с температурой. Самое заметное свойство времени состоит в том, что оно движется вперед, но не назад, То есть существуют необратимые явления. Механические явления – пока в них не участвует тепло – обратимы. Если снять их на камеру, а затем прокрутить фильм в обратном направлении, мы увидим нечто реалистичное. Если мы заснимем качающийся маятник или камень, подброшенный вверх и затем падающий, и прокрутим пленку назад, то увидим правдоподобное качание маятника или полет камня, поднимающегося, а затем падающего на землю.

Вы можете возразить, что когда камень достигает земли, он останавливается, и если смотреть фильм в обратном направлении, то камень будет сам подпрыгивать с земли, а это неправдоподобно. Но когда камень достигает земли и останавливается, куда уходит его энергия? В нагрев земли! В тот самый момент, когда порождается тепло, процесс является необратимым: прошлое отличается от будущего. И так во всем: тепло и только тепло позволяет различать прошлое и будущее.

Это универсальная идея. Горящая свеча превращается в дым, а дым не может превратиться в свечу – свеча порождает тепло. Чашка горячего чая остывает, а не нагревается – она рассеивает тепло. Мы живем и стареем, производя тепло. Наш старый велосипед изнашивается со временем, производя тепло трением. Обратимся к Солнечной системе. В первом приближении она крутится, как вечный механизм, всегда равный самому себе. Она не производит тепла, и действительно, если вы обратите ее движение вспять, то не заметите ничего странного. Но если присмотреться внимательнее, необратимые явления все же имеют место: Солнце сжигает водород и в конце концов исчерпает его и погаснет. Солнце тоже стареет и, соответственно, производит тепло. Луна, казалось бы, выглядит неизменно обращающейся вокруг Земли и всегда равной самой себе, однако в действительности она медленно удаляется. Это происходит, потому что она вызывает приливы, а приливы немного разогревают моря, вызывая тем самым обмен энергией с Луной. Всякий раз, когда вы наблюдаете явления, демонстрирующие течение времени, оказывается, что они связаны с производством тепла. Без тепла у времени нет предпочтительного направления.

Однако тепло – это наш способ называть усредненные значения по множеству переменных.

Идея теплового времени меняет эту логику на обратную. То есть вместо того чтобы спрашивать, каким образом время вызывает рассеяние тепла, мы спрашиваем, как тепло порождает время.

Благодаря Больцману мы знаем, что понятие тепла вытекает из того факта, что мы взаимодействуем с усредненными величинами. Идея теплового времени состоит в том, что понятие времени тоже возникает из-за того, что мы взаимодействуем только со средними значениями множества переменных[125].

Если у нас есть полное описание системы, то все переменные этой системы находятся в равном положении, ни одна из них не является в переменной времени. То есть ни одна не коррелирована с необратимыми явлениями. Но как только мы начинаем описывать систему средними значениями для многих переменных, у нас появляется привилегированная переменная, работающая как общее время. Время, в направление которого рассеивается тепло. Время нашего повседневного опыта.

Таким образом, время не является фундаментальной составляющей мира, но появляется в силу того, что мир огромен, и мы – лишь крошечная система внутри него, взаимодействующая только с макроскопическими переменными, которые усредняют значения бесчисленных микроскопических переменных. В нашей повседневной жизни мы никогда не видим отдельных элементарных частиц или отдельных квантов пространства. Мы видим камни, горы, лица наших друзей – и каждая из этих видимых нам вещей состоит из мириад элементарных компонентов. Мы всегда коррелированы со средними значениями. А средние значения и ведут себя как средние – они рассеивают тепло и по самой своей природе порождают время.

Трудность понимания этой идеи связана с тем фактом, что нам тяжело думать о мире без времени и о времени, которое возникает как аппроксимация. Мы слишком привыкли думать о реальности как существующей во времени. Мы существа, живущие во времени, мы погружены во время и вскормлены им. Мы – проявление темпоральности и порождены средними значениями микроскопических переменных. Но ограничения нашей интуиции не должны сбивать нас с толку. Понимание мира очень часто вынуждает нас идти против интуиции. Если бы не это, понимание было простым делом.

Время – это эффект, связанный с тем, что мы не видим физических микросостояний вещей. Время – это информация, которой у нас нет.

Время – это наше неведение.