Эрекаев В.Д.

Проблема времени в квантовой гравитации и квантовой космологии.


  1. Некоторые новые свойства времени в современной космологии


  2. Уравнение Уилера-деВитта


  3. Время в квантовой гравитации и планковской космологии


  4. Программа построения неметрической физики


  5. Программа «Физика без времени»

Говорить о времени трудно. В этом можно согласиться с Августином Блаженным, который говорил, что когда его не спрашивают о том, что такое время, он понимает, что это такое; когда же его спрашивают, что такое время, он перестает что-либо понимать. Честно и глубоко.

В то же время об этом понятии написано немало, описано много его свойств, предложено множество концепций его природы. Так, например, существуют следующие четыре концепции природы времени: субстанциальная, реляционная, динамическая и статическая1. Среди свойств нам хорошо известны необратимость2 времени, одномерность и однонаправленность. Чтобы объяснить направленность времени было предложено несколько «стрел времени»: космологическая, термодинамическая, электромагнитная. Широко распространена точка зрения о существовании физического, психологического и социального времени. Но, несмотря на все это, природа времени постоянно ускользает от исследователей…

Вместе с тем современная фундаментальная физика дает много новых данных о том, что нам снова необходимо пересмотреть природу времени и пространства. Этот пересмотр должен быть концептуально не менее глубоким, чем тот, который был осуществлен Эйнштейном в обеих теориях относительности.

В статье будут опущены многие важные вопросы, касающиеся проблемы времени в космологии. В частности, проблема начала Вселенной, ее бесконечности или конечности во времени, возможной многомерности времени проблема собственного времени Вселенной и др. Нас будут интересовать в основном особенности времени в случае квантовой вселенной, особенно на планковском пределе.

В данной работе на основе материала современной физики будет показано, что мы стоим, по существу, перед нарождающимися двумя программами в фундаментальной физике: программой создания неметрической физики и программой построения физики без времени.


  1. Некоторые новые свойства времени в современной космологии

Специфические характеристики времени при коллапсе. Ряд интересных свойств времени был открыт при изучении черных дыр. Одно из них состоит в том, что под горизонтом событий черной дыры пространство и время меняются местами. «Внутри черной дыры пространство и время меняются ролями: ее центр – не точка пространства, а момент времени. Падающая в черную дыру материя, приближаясь к центру, становится все более плотной. Но, достигнув максимальных значений, допускаемых теорией струн, плотность, температура и кривизна пространства-времени внезапно начинают уменьшаться. Момент такого реверсирования и есть то, что мы называем Большим взрывом. Внутренность одной из описанных черных дыр и стала нашей Вселенной»3.

С одной стороны подобная замена не представляет собой чего-то необычного. Согласно теории относительности время становится четвертой координатой и ничем особенным в этом плане не должно выделяться. С другой стороны временная координата специфична, поскольку представляет собой произведение времени на скорость света и берется с отрицательным знаком. Поэтому с физически содержательной точки зрения такая замена нетривиальна.

Мнимое время. Попытки применить квантовый принцип к структуре самого пространства и времени привело С.Хокинга и Дж.Хартла к необходимости разработки способа суммирования историй «ткани пространства и времени», т.е. различных искривленных пространств-времен – различных историй Вселенной4. В процессе работы выяснилось, что «суммировать проще, если оперировать с предысториями в так называемом мнимом, а не в обычном, реальном времени»5. Какова же основная причина введения понятия мнимого времени? «Причина в том, что материя и энергия стремятся заставить пространство-время искривляться внутрь себя»6. Если рассматривать космологическое движение в реальном времени, то с необходимостью приходим к сингулярности, на которой заканчивается физика. Но если эволюционировать в мнимом времени, то они не возникают и физические законы продолжают действовать. При этом «начало в мнимом времени не будет сингулярностью, а будет отдаленно напоминать Северный полюс на Земле»7. Таким образом, введение мнимого времени позволяет исключить из эволюции Вселенной ее начало и конец.

Мнимое время можно рассматривать как время, перпендикулярное обычному времени. Перпендикулярность времени означает его независимость от обычного времени. Мнимость может означать то, что время в такой трактовке не связано с физической феноменологией непосредственным образом. С другой стороны вопрос о том, насколько «обычное» время связано с феноменологией также является нетривиальным. Но если это так, то каков физический смысл мнимого времени?

С.Хокинг согласен, что понятие мнимого времени очень трудно для восприятия, однако, считает он, «идея мнимого времени — это тоже нечто такое, что нам придется принять. Это интеллектуальный скачок того же порядка, как и вера в то, что Земля круглая. Думаю, что мнимое время станет таким же естественным, какой является круглая Земля»8. Почти по Д.Юму: все наши самые глубокие идеи и представления являются привычками.

В отношении такого понимания времени, конечно же, возникает много вопросов и на наш взгляд, в этой проблеме еще рано ставить точку. Почему, например, нужно вводить именно мнимое время, а не рассматривать многомерное время, что обсуждается в ряде работ9. Важнейшими вопросами являются также связь между мнимым и обычным временем, а также переход от одного к другому. Дальнейшие исследования прольют свет на подобные проблемы, однако, несомненно, что это представляет собой яркий пример необходимости углублять наши представления о времени.

Мысленный эксперимент с падающей в черную дыру ракетой. Предположим, что космический корабль движется в направлении на черную дыру, а на Земле внимательно следят за его полетом. Как и всегда в релятивистских эффектах существенно, что за происходящим наблюдают два наблюдателя: внешний (на Земле) и сопутствующий (находящийся внутри ракеты). Как показывает общая теория относительности, при приближении к горизонту событий этой черной дыры с точки зрения внутреннего наблюдателя ничего принципиально не меняется: стрелки на его часах все также отсчитывают время, все предметы внутри корабля не меняют своей формы. При этом скорость его ракеты может быть близкой к скорости света. С точки же зрения наблюдателей на Земле происходит следующее: при приближении к горизонту событий черной дыры космический корабль начинает двигаться все медленнее и медленнее. На самом же горизонте событий корабль останавливается навсегда. С точки зрения же сопутствующего наблюдателя он проходит горизонт событий и продолжает падать на сингулярность. Эту ситуацию можно, например, интерпретировать следующим образом: в одной и той же области Вселенной (причем достаточно локальной – окрестности черной дыры) возникают две реальности: одна из них связана с падающим на черную дыру космонавтом, который за конечное время достигает сингулярности10, другая – та, которую реально, с помощью приборов наблюдают в центре управления полетом, когда корабль навечно замирает на горизонте событий. Подчеркнем, что обе эти реальности имеют эмпирическую верифицируемость11 с помощью приборов. Мы предложили называть их кинематическими онтологиями12. Отметим, что эти онтологии самым непосредственным образом связаны со свойствами времени.

  1. Ещё в «Программа»

    Записи из других категорий

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *