«Интервью»: В защиту реальности времени. Тим Модлин о восприятии времени и иллюзиях

Время – это не просто еще одно измерение, считает Тим Модлин. Чтобы это доказать, ему пришлось заново изобрести геометрию.

Кажется, что физики и философы больше всего на свете любят говорить нам, что все наши знания о мире ошибочны. С особым удовольствием они выставляют здравый смысл полной чепухой. Однако, Тим Модлин считает, что наше прямое впечатление о мире является куда более надежным проводником в реальность, чем нас заставляют думать.

Тем не менее, он не считает, что так можно утверждать абсолютно во всех случаях. Модлин, являясь профессором в Университете Нью-Йорка и одним из ведущих мировых философов науки, стал известен благодаря своему исследованию странного поведения «запутанных» квантовых частиц, которые ведут себя настолько парадоксально, насколько это, в принципе, возможно; кроме всего прочего, Модлин считает, что физики недооценивают революционный потенциал «запутанности». В то же время, он полагает, что они слишком торопятся, когда утверждают, что общепринятые взгляды неправильны, особенно, когда речь идет о природе времени.

Модлин придерживается немодного сегодня взгляда на время. Согласно этому взгляду так называемая «стрела времени» – это не физическая метафора, а непосредственная реальность. Само же время носит фундаментальный характер, и не является производным от какой-либо более «глубокой» реальности. Временное изменение реально, конечно, если его противопоставлять иллюзии или искажениям перспективы. Законы физики работают во времени и генерируют каждый отдельный момент. Смешивая математику, физику и философию, Модлин опровергает аргумент, который ученые и философы обычно используют для отрицания этой народной мудрости.

Разработка математических аргументов является целью его текущего проекта: второго тома книги «Новые основания физической геометрии» (первый вышел в 2014 году). Он полагает, что современная физика концептуализирует время таким же образом, что и пространство. Пространство, как мы обычно его понимаем, не имеет внутренне присущего ему направления – оно изотропно. Когда мы используем интуитивное понимание пространства в отношении времени, мы бессознательно принимаем точку зрения, что у времени тоже нет внутреннего направления. «Новые основания» содержат описание переосмысленной топологии, что позволяет провести более четкое разграничение времени и пространства. В соответствии с общепринятым определением, топология (первый уровень геометрической структуры) определяется с использованием открытых множеств. Определение «открытые» означает то, что такие множества не имеют четких границ, каждая точка множества окружена другими точками того же множества.

Вместо этого, Модлин предлагает основывать топологию на линиях. Он считает, что такой взгляд более точно отражает наше повседневное интуитивное понимание геометрии, которое формируется при размышлениях о движении. Он обнаружил, что такие линии должны иметь направление, также, как и время, чтобы соответствовать результатам стандартной топологии. Подход Модлина отличается от подходов, которые расширяют стандартную геометрию, придавая ей направленность, так как это не расширение – это переосмысление, которое встраивает понятие направленности на исходном уровне.

Модлин обсудил свои идеи с журналом Quanta Magazine в марте этого года. Ниже приведена сжатая и отредактированная версия интервью.

Джордж Массер: Почему люди должны думать, что у времени есть направление? Это противоречит тому, что так часто говорят физики.

Тим Модлин: Полагаю, этот вопрос следует переформулировать. Подойдите к человеку на улице и спросите, есть ли направление у времени, отличается ли будущее от прошлого и не идет ли время по направлению к будущему. Это естественная точка зрения. Более интересный вопрос: как физикам удается убедить себя в том, что у времени нет направления.

Джордж Массер: Они ответят, что это соответствует специальной теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что время – это четвертое измерение.

Тим Модлин: Взгляд, в соответствии с которым время – это просто четвертое измерение, в высшей степени дезориентирует. В специальной теории относительности, направления времени структурно отличаются от направлений в пространстве. В случае временных направлений, есть дальнейшее разделение на будущее и прошлое, в то время как пространственное направление можно непрерывно трансформировать, превращая его в любое другое пространственное направление. Два класса временных измерений не могут быть преобразованы один в другой путем непрерывной трансформации.

Стандартная геометрия просто не была разработана для исследования пространства-времени. Она была создана для исследования пространства, а в природе пространства нет направленности. Потом ученые взяли этот формальный инструмент, который был разработан для одной цели, и навязали его использование для другой цели.

Джордж Массер: Увидели ли эту проблему люди, когда, в начале 20-х годов, была создана теория относительности?

Тим Модлин: Не думаю, что это рассматривали как проблему. Разработка теории была в высшей степени алгебраической и, чем более техника задействует алгебру, тем дальше вы уходите от геометрических представлений о своей работе. Так, допустим, если вы развиваете стандартное описание, к примеру, пространства-времени, вы можете задаться вопросом: «Хм, а что получится, если я добавлю сюда отрицательные числа?» С точки зрения алгебры, это прекрасный вопрос. Но непонятно, что он значит с точки зрения геометрии. И люди делают то же самое теперь, когда спрашивают: «А что, если у времени есть два измерения?» Это звучит как чисто алгебраический вопрос, и я могу задать его. Но, если Вы спросите меня, что значит приписывание двух измерений времени в физическом смысле, я отвечу, что не имею ни малейшего понятия. Соответствует ли природе времени двухмерность? Ведь, если Вы думаете, что время определяет порядок событий, тогда речь идет о линейном порядке и мы говорим о виде фундаментально одномерной организации.

Джордж Массер: Получается, что Вы пытаетесь доказать направленность времени, переосмысливая геометрию. Как это работает?

Тим Модлин: На самом деле, я начинал не с физики. Я начал просто с попыток понять топологию. Когда преподаешь, приходится сталкиваться с собственным невежеством. Я пытался объяснить стандартную топологию студентам, у которых я преподавал курс по пространству и времени, и обнаружил, что сам не понимаю её. Я не мог увидеть связи между техническими принципами и концепциями, которые я использовал.

Предположим, я передам Вам пакет с точками. Он не имеет геометрических свойств. Поэтому мне нужно добавить туда какую-то структуру, чтобы придать ему какие-либо характеристики, в которых можно распознать геометрию. В рамках стандартного подхода, я оговариваю, какие множества точек являются открытыми. В рамках моего подхода, я оговариваю, какие множества точек являются линиями.

Джордж Массер: Как это отличается от обычной геометрии, которую преподают в университете?

Тим Модлин: В рамках этого подхода, основанного на линиях, очень естественно выглядит придание этим линиям направленности.  Это очень легко осуществить на уровне аксиом. Когда занимаешься евклидовой геометрией, такое вряд ли придет на ум, так как идея евклидовой геометрии заключается в том, что, если есть непрерывная линия от А до В, она также может быть непрерывной линей от В до А – получается, у евклидовой линии нет направленности.

Джордж Массер: Если смотреть с чисто математической точки зрения, почему Ваш подход можно рассматривать как предпочтительный?

Тим Модлин: В моем подходе мы налагаем линейную структуру на множество точек. Если располагать линии в соответствии с выведенными мной аксиомами, мы получаем естественное определение открытого множества, и оно генерирует топологию.

Другое преимущество этого подхода заключается в том, что не возникает проблем при размышлении о дискретной линии. Люди образуют линии, в которых присутствует конечное количество людей, и можно рассуждать о том, кто следующий в линии, и кто находится за ним, и так далее. Концепция линии нейтральна в отношении дискретности или непрерывности. Таким образом, мы получаем общий подход.

Джордж Массер: Почему такая модификация, с введением направленности, как базового свойства, важна для физики?

Тим Модлин: Когда мы начинаем говорить о времени, идея о том, что время имеет направление, является началом нашего рассуждения. Есть огромная разница между прошлым и будущим. И, таким образом, когда вы начинаете думать о пространстве-времени геометрически, как о чем-то, что имеет временные характеристики, естественной кажется мысль, будто мы размышляем о чем-то, что имеет изначальную направленность. Получается, что, если основные геометрические объекты могут иметь направленность, вы можете использовать их для репрезентации данной физической направленности.

Джордж Массер: У физиков есть и другие аргументы в поддержку отсутствия направления у времени.

Тим Модлин: Часто можно услышать, что в законах природы содержится симметрия относительно обращения времени. Но обычный способ, который используют для описания симметрии относительно обращения времени, предполагает, что у времени есть направление. Кто-то может Вам сказать: «В соответствии с ньютоновской физикой, если стакан падает со стола и разбивается об пол, то, с точки зрения  данной физической модели, возможно, что осколки объединенным усилием оттолкнутся от пола и соберутся в стакан, который запрыгнет обратно на стол». Это правда. Но заметьте, оба этих описания предполагают то, что у времени есть направление. То есть, они предполагают, что есть разница между падающим стаканом и запрыгивающим на стол стаканом, а также есть разница между разбиванием стакана и его обратным составлением из осколков. И разница между этими двумя событиями всегда основывается на том, какое из направлений – будущее, а какое – прошлое.

Таким образом, я не отрицаю, что существует обратимость времени. Но обратимость времени не значит, что у времени нет направления. Это просто подразумевает, что для каждого события, разрешенного законами физики, есть соответствующее событие, в котором различные характеристики были обращены в противоположность, была обращена скорость и так далее. Но во всех случаях, Вы размышляете о них, как об условиях, разрешающих наличие процесса, движущегося вперед во времени.

Теперь вырисовывается загадка: Почему мы часто видим один вид событий и не видим другой? И это загадка о термодинамике, энтропии и так далее.

Джордж Массер: Если у времени есть направление, остается ли проблемой термодинамическая «стрела времени»?

Тим Модлин: Проблема заключается не в стреле. Проблема заключается в том, почему все началось с состояния, характеризующегося низкой энтропией. Если начинать с состояния с низкой энтропией, то обычные термодинамические аргументы подразумевают, что большинство возможных начальных состояний приведут к повышающейся энтропии. Поэтому самый провокационный вопрос заключается в том, почему все началось именно с такой низкой энтропии?

Один из вариантов гласит, что вселенная конечна во времени и имела начальное состояние, тогда возникает вопрос: «Можете ли Вы объяснить, почему начальное состояние характеризовалось низкой энтропией?», а этот вопрос является частью вопроса: «Можете ли вы, вообще, объяснить начальное состояние?» Оно не выводимо из чего бы то ни было, поэтому, прежде всего, необходимо определиться с тем, что значит само требование «объяснить» его?

Другой вариант подразумевает, что было что-то до большого взрыва. Если представить большой взрыв как отделения пузыря, то есть этой Вселенной, от какой-либо предшествующей прото-вселенной, или от хаотически расширяющегося пространства-времени, тогда должна существовать физика такого отделения пузырей и можно надеяться, что физика, управляющая отделением пузырей будет подразумевать, что данные пузыри обладают определенными характеристиками.

Джордж Массер: При условии, что нам еще нужно объяснить низкую энтропию начального состояния, зачем нам нужна внутренняя направленность времени? Если бы у времени не было направления, не были бы особенности состояния низкой энтропии достаточными для придания ему реального направления?

Тим Модлин: Мне кажется, если бы у времени не было направления, это сделало бы его дополнительным пространственным измерением и, если все, что у нас есть, это пространственные измерения, тогда кажется, что во Вселенной не происходит ничего. Я могу представить четырехмерный объект, но в нем ничего не происходит. Подобным образом люди рассуждают о так называемой «блок-вселенной», как о зафиксированной или твердой, или неизменяемой, или что-то еще в этом духе – потому что они думают о ней как о четырехмерном объекте. Если рассматривать вопрос в этом ключе, тогда я не понимаю, как какое-либо начальное состояние, ей присущее (или любое пограничное условие, наложенное на нее, ведь вы больше не можете называть его «начальным») может создать время. Как может какое-то пограничное условие изменить фундаментальный характер измерения с пространственного во временное?

Предположим, на одной границе присутствует низкая энтропия, на основании которой я потом объясняю всё. Вы можете поинтересоваться: «Но почему именно эта граница? Почему не перейти к другой границе, где, возможно, наблюдается состояние равновесия?» Особые характеристики состояния на этой границе — это не низкая энтропия (энтропия там, как раз-таки, высокая), но то, что ее микросостояние является одним из таких особых микросостояний, которые приводят к длительному периоду уменьшения энтропии. Далее, мне кажется, что этой границе присуще особое микросостояние, так как ее развитие происходило с начального состояния с низкой энтропией. Но теперь я использую слова «начальный» и «конечный», и обращаюсь к некоторым причинно-следственным понятиям и понятиям производности для построения объяснения. Если у нас нет направления времени, чтобы отличать начальное состояние от конечного состояния и поддержать это причинно-следственное рассуждение, я не совсем понимаю, как будет разворачиваться объяснение.

Но все это выглядит таким – как бы это сказать? Это выглядит таким далеким от физического мира. Мы сидим здесь и время течет, и мы знаем, что значит фраза «время течет». И я не понимаю, что значит, когда кто-то говорит, что время, на самом деле, не течет и нам так кажется только потому, что увеличивается энтропия.

Джордж Массер: Кажется, Вам не очень нравится идея «блок-вселенной».

Тим Модлин: Я, в некотором смысле, верю в определенное понимание блок-вселенной. Я верю, что прошлое так же реально, как настоящее, которое так же реально, как будущее. Боль в прошлом была болью и в будущем она тоже будет реальна; было одно прошлое и будет одно будущее. И, если это все, что нужно, чтобы сказать, что я верю в блок-вселенную, то - ладно.

Часто люди говорят: «Я вынужден верить в блок-вселенную из-за теории относительности». Блок-вселенная, опять же, это своего рода твердая структура. Совокупность конкретной физической реальности описывает эту четырехмерную структуру и то, что происходит в любой ее точке. В ньютоновской механике, объект окутан этими плоскостями абсолютной одновременности. Но в теории относительности такого нет; вместо этого мы имеем структуру, похожую на конус света. Следовательно, она имеет иной геометрический характер. Но я не знаю, как данный иной геометрический характер освобождается от времени или от временности.

Меня сводит с ума идея о том, что блок-вселенная статична. Что мы подразумеваем, когда говорим, что что-то статично? Это значит, что, по мере движения времени, оно не изменяется. Но блок-вселенная не существует во времени – время содержится в ней. Когда говорят, что она статична, это определенным образом подразумевает, что изменения нет, ничего в реальности не меняется, изменение – это иллюзия. Это потрясает воображение. Физика открыла много действительно странных фактов о мире, но она не доказала, что изменение – это иллюзия.

Джордж Массер: Что значит, когда говорят, что «время течет»? Это синонимично утверждению, что «у времени есть направление» или есть что-то еще?

Тим Модлин: Есть кое-что еще. В случае течения времени, это значит, что события организованы линейно, различаются на более ранние и поздние. Каузальная структура мира зависит от его временной структуры. Текущее состояние вселенной производит последующие состояния. Чтобы понять более поздние состояния, вы смотрите на более ранние, а не наоборот. Конечно, более поздние состояния могут дать любой вид информации о более ранних состояниях; также на основе более поздних состояний и законов физики, вы можете вынести суждение о более ранних состояниях. Но обычно не говорят, что более поздние состояния объясняют более ранние. Направление причинно-следственной связи является также направлением объяснения.

Джордж Массер: Правильно ли я Вас понимаю: происходит постоянная генерация физической реальности и где-то есть механизм, который бесперебойно работает и, благодаря этому, один момент дает начало другому, а тот, в свою очередь – другому?

Тим Модлин: Это, конечно, глубокая часть картины, которую я себе рисую. Упомянутый бесперебойно работающий механизм и есть законы природы. Это накладывает ограничение на законы природы, подразумевая, что любые физические законы являются законами временной эволюции. Это законы, которые говорят тебе, как по мере хода времени, новые состояния будут приходить на смену старым. То есть, я утверждаю, что не существует фундаментальных законов, которые являются чисто пространственными и то, что там, где есть пространственные закономерности, есть и временные.

Джордж Массер: Приводит ли все это Вас также к другому взгляду на законы физики?

Тим Модлин: Это приводит меня к взглядам, отличающимся от тех, которых придерживается большинство. Я думаю, что законы природы имеют своего рода примитивный метафизический статус, что они не являются производными чего-либо другого. Скорее, наоборот: другие вещи являются производными законов, производятся, объясняются ими, основываются на действующих законах физики.  И слово «действующие» имеет временную характеристику.

Джордж Массер: Почему Ваши взгляды являются взглядами меньшинства? Мне кажется, если спросить большинство людей на улице, что делают законы физики, они ответят: «Это часть всеобщего механизма».

Тим Модлин: Я часто говорю, что мои философские взгляды – это наивные взгляды, которые Вы бы приобрели, если бы прошли курс физики или космологии и восприняли серьезно то, что Вам там говорили. В курсе физики по теме ньютоновской механики, вам продиктуют формулировку некоторых законов, и преподаватели скажут: «Это законы ньютоновской механики». Это и есть краеугольный камень, от которого все начинается.

Я не думаю, что мои взгляды такие уж странные. Напротив, я считаю очень странными взгляды, согласно которым «время не течет» или «ход времени – это иллюзия». Это не значит, что они полностью ложны, но они поражают Вас, как до крайности не соответствующие Вашим представлениям.

Джордж Массер: Что это все означает в контексте вопроса является ли время фундаментальным или возникает на основе чего-то другого?

Тим Модлин: У меня никогда не получалось полностью понять, что означает сам факт возникновения времени, в его более глубинном смысле. Законы обычно представляют собой дифференциальные уравнения, в которые время включено как переменная. Они говорят о том, как что-то развивается. Поэтому, если времени нет, то ничего не может развиваться. В таком случае, как нам понимать возникновение чего бы то ни было, как возникновение во времени, и является ли возникновение чего-то возникновением во времени?  Как будто в одной фазе вселенной нет времени, а в других фазах – есть, тогда кажется, что время возникает на временной основе из безвременья, что кажется непоследовательным.

Где граница применимости анализа? Где мы остановимся – где погнется наша лопата, как сказал бы Витгенштейн? Для меня, опять же, понятие темпоральности или времени кажется очень хорошим показателем того, что я открыл фундаментальную черту вселенной, которая не может быть объяснена по-другому.

Оригинал