В физике нет необходимости использовать понятие времени, лучше вообще забыть о нем, считает Карло Ровелли, автор книги «Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле». Однако человек по своей природе неразрывно связан со временем. Как же быть с этим противоречием? Ровелли, которого называют следующим Хокингом, предлагает использовать понятие теплового времени. По его словам, все явления, в которых мы обнаруживаем ход времени, обязательно связаны с температурой. Почему это так и в чем природа человека, читайте в отрывке из книги.

Тепловое время

[…] Научное понятие информации было определено со всей ясностью в 1948 году американским математиком и инженером Клодом Шенноном и представляет собой нечто очень простое: информация — это мера числа возможных альтернатив для чего-либо. […]

Проблема, из которой проистекает идея теплового времени, проста. [В предыдущих главах] 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*.

*

Вот как это происходит формально: больцмановское статистическое состояние описывается функцией на фазовом пространстве, заданной экспонентой гамильтониана. Гамильтониан — это генератор эволюции во времени. В системе, в которой время не определено, не существует и гамильтониана. Но если есть статистическое состояние, мы просто берем его логарифм, и это определяет гамильтониан, а значит, и понятие времени.

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 (приближение. — Прим. T&P). 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.

Реальность и информация

Почему информация играет во всем этом такую важную роль? Возможно, потому, что не следует путать то, что мы знаем о системе, с абсолютным состоянием той же системы. То, что мы знаем, — это нечто, касающееся отношений между системой и нами. Знание реляционно по своей природе; оно в равной мере зависит от своего объекта и от своего субъекта. Понятие «состояния» системы отсылает, явно или неявно, к другой системе. Классическая механика ошибочно заставляет нас думать, будто мы способны действовать, не принимая в расчет эту простую истину, будто у нас есть доступ, по крайней мере теоретически, к картине реальности, совершенно независимой от наблюдателя. Но развитие физики показало, что в конечном счете это невозможно.

Будьте внимательны: когда я говорю, что мы «имеем информацию» о температуре чашки чая или «не имеем информации» о скорости каждой отдельной его молекулы, я не имею в виду никаких ментальных состояний или абстрактных идей. Я лишь говорю, что законы физики определяют корреляции между нами и температурой (например, когда мы смотрим на термометр), но не между нами и скоростями отдельных молекул. Это то же самое понятие информации, с которого я начал данную главу: белый шар в вашей руке «имеет информацию» о том факте, что в моей руке находится черный шар. Мы имеем дело с физическими факторами, а не с ментальными понятиями. Шар в данном случае обладает информацией, даже если у него нет ментальных состояний, также как флеш-карта содержит информацию (указанная на карте емкость в гигабайтах говорит нам, сколько информации она может содержать), несмотря на то, что флешка не может думать. Информация в этом смысле — как корреляция между состояниями систем — повсеместно встречается во Вселенной.

Я считаю, что для понимания реальности мы должны учитывать, что

реальность — это сеть отношений, сеть взаимной информации, которая пронизывает весь мир.

Мы расчленяем окружающую нас реальность на объекты. Но реальность не состоит из дискретных объектов. Это меняющийся поток. Подумайте об океанской волне. Где заканчивается волна? Где она начинается? Подумайте о горах. Где начинается гора? Где она заканчивается? Как глубоко она продолжается под поверхностью Земли? В этих вопросах нет особого смысла, поскольку волна и гора являются объектами не сами по себе, это способ, которым мы структурируем мир для его понимания и простоты описания. Эти границы произвольны, конвенциональны и удобны — они зависят от нас (как физических систем) больше, чем от волн или гор. Это способ организации информации, которой мы обладаем, или, лучше сказать, формы имеющейся у нас информации.

Все обстоит точно так же для любого корректно рассматриваемого объекта, включая живые организмы. Вот почему бессмысленно спрашивать, является ли наполовину отрезанный ноготь все еще «мной» или уже становится «не-мной»; или считается ли шерсть, оставленная моей кошкой на диване, все еще частью кошки или нет; или когда в точности начинается жизнь ребенка. Ребенок начинает жить в тот день, когда кто-то из родителей впервые начинает мечтать о нем, задолго до зачатия, или когда он впервые осознает себя, или когда делает первый вдох, или когда узнает свое имя, или когда в отношении него выполнятся любые другие принятые нами условия: все эти варианты имеют право на существование, но они произвольны. Это наши способы думать и ориентироваться в сложной реальности.

Живой организм — это система, которая непрерывно изменяет себя, чтобы оставаться собой, постоянно взаимодействуя с внешним миром. Лишь те организмы, которые достаточно эффективны в этом, продолжают существовать;

именно поэтому живые организмы демонстрируют свойства, которые помогают им выживать. По этой причине их можно описывать, и мы описываем их в терминах целей и намерений. Этот телеологический аспект биологического мира оказывается — и в этом состоит ключевое открытие Дарвина — результатом отбора сложных форм, эффективных в поддержании своего существования. Однако эффективный способ продолжить существование в меняющейся среде заключается в том, чтобы лучше управлять корреляциями с внешним миром, то есть информацией, лучше собирать, хранить, передавать и обрабатывать информацию. Именно поэтому существует ДНК вместе с иммунной системой, органами чувств, нервной системой, сложным мозгом, языками, книгами, Александрийской библиотекой, компьютерами и Википедией: они максимизируют эффективность управления информацией — управления корреляциями, способствующими выживанию.

Статуя, которую Аристотель видит в куске мрамора, — это нечто большее, чем мрамор, но это не абстрактная форма, которая содержится только в статуе. Это нечто, содержащееся в корреляциях между сознанием Аристотеля (или нас с вами) и мрамором; нечто, относящееся к информации, которую мрамор несет относительно чего-то важного для Аристотеля или для нас. Это нечто, относящееся к дискоболу, Фидию, Аристотелю и мрамору, что содержится в коррелированном расположении атомов статуи и корреляциях между ними и тысячами других атомов в голове у нас или у Аристотеля. Это нечто, говорящее нам что-то о дискоболе, точно так же как белый шар в вашей руке говорит вам о том, что мой шар будет черным.

Мы устроены так, чтобы управлять именно этим — информацией — и благодаря этому продолжать свое существование.

Даже из этого короткого обзора должно быть ясно, что понятие информации играет центральную роль в наших попытках понять мир. Во всем — от общения до оснований генетики, от термодинамики до квантовой механики — понятие информации оказывается полезным инструментом понимания. Мир следует воспринимать не как аморфный ансамбль атомов, но скорее как игру зеркал, строящуюся на корреляциях между структурами, образованными комбинациями этих атомов.

Как говорил Демокрит, дело не только в атомах, но в том порядке, в котором они организованы. Атомы подобны буквам алфавита — поразительного алфавита, столь богатого, что он способен читать, рефлексировать и даже думать о самом себе. Мы — не атомы; мы — порядки, в которых атомы организованы, способные отражать другие атомы и самих себя. Демокрит давал странное определение понятию «человек»: «Человек — это то, что мы все знаем». На первый взгляд, это кажется довольно глупым и бессмысленным, но это не так.

Соломон Лурье, крупнейший специалист по Демокриту, отмечает, что эти слова Демокрита — далеко не банальность.

Природа человека — это не его внутреннее строение, но сеть личных, семейных, социальных взаимодействий, в которых он существует.

Это они «создают» нас, и они нас охраняют. Как люди мы есть то, что другие знают о нас, то, что мы знаем о самих себе, и то, что другие знают о нашем знании. Мы — сложнейшие узлы богатейшей сети взаимной информации.

Все это еще не теория. Это следы, по которым мы идем в поисках, как я считаю, лучшего понимания окружающего нас мира. Нам еще очень многое предстоит понять.

Читайте нас в Facebook, VK, Twitter, Instagram, Telegram (@tandp_ru) и Яндекс.Дзен.