19. Будущее времени.

В Части II мы совершили обратное восхождение от безвременья к восстановлению времени в его законном положении в центре нашей концепции мира. Аргументы, представленные в Части I в пользу нереальности времени, казались сильными, но все они зависят от расширения Ньютоновской парадигмы на полную теорию вселенной как целого. Как мы видели, единственная особенность, которая делает указанную парадигму успешным методом для описания физики малых частей вселенной, подрывает ее применение ко вселенной как целому. Чтобы обеспечить дальнейший прогресс в космологии (а также в фундаментальной физике), нам нужна новая концепция закона природы, применимая на космологическом масштабе, которая избегает ошибок, дилемм и парадоксов и отвечает на вопросы, к которым старая система взглядов не может обратиться. Более того, это должна быть научная теория — то есть, она должна делать фальсифицируемые предсказания для новых, но выполнимых экспериментов.

В Главе 10, я начал поиск такой новой системы взглядов, выдвинув на первый план базовые принципы руководства нашим поиском. Главный среди них есть Лейбницевский принцип достаточного обоснования, который заставляет нас искать рациональную причину для каждого выбора, который вселенная делает одним образом вместо того, чтобы сделать другим. Это подразумевает дальнейшие принципы: идентичности неразличимого, объяснительной замкнутости и отсутствия действия без взаимности. Эти принципы вырабатывают бескомпромиссный реляционистский подход ко всем свойствам вещей в природе.

Я утверждал, что единственный способ реализовать указанные принципы и открыть работоспособную космологическую теорию это предположить, что законы природы эволюционируют во времени. Это требует, чтобы время было реальным и глобальным. Одной из перспективных разработок является динамика формы, которая, как описывалось в Главе 14, вызывает привилегированное глобальное понятие времени изнутри ОТО.

Понятие глобального времени, в рамках которого эволюционируют законы природы, вместе с нашими принципами дает нам основу для новой космологической теории. Разработки, описанные в Части II в Главах с 11 по 18, еще не являются фактом и еще не составляют согласованной теории. Скорее они представляют собой видение того, как мы можем переосмыслить вместе вселенную и задачу космологии. Каждая из этих разработок умозрительна, но некоторые делают по-настоящему проверяемые предсказания для осуществимых экспериментов. Будет любая из них подтверждена экспериментом или нет, они, по меньшей мере, демонстрируют, что гипотеза реальности времени приводит к более научной космологии.

Понятие реальности и глобальности времени также полезно в решении других нерешенных проблем физики. Например, нам нужно выйти за пределы статистического предсказания квантовой механики, чтобы описать и объяснить, что происходит в индивидуальных событиях. В Главах 12 и 13 я описывал два новых подхода к более глубокой теории квантовых явлений, оба из которых требуют, чтобы время было фундаментальным. Эти подходы отличаются от квантовой механики в достаточной степени, чтобы они могли быть отличены от нее экспериментально.

Другой ареной, на которой действует реальное время, является описание поведения в макромире, где возникает термодинамика вместе с такими концепциями, как температура, давление, плотность и энтропия. На этом неквантовом уровне время оказывается строго направленным, и мы можем выделить несколько стрел времени, которые строго отличают прошлое от будущего. В теории, где время несущественно или эмерджентно, этот факт временной асимметрии вселенной является непостижимым. Это заставляет нас приписывать очевидные и несомненные свойства мира экстремально маловероятному выбору начальных условий. Эту трудность можно избежать, признав, что время реально и что фундаментальная теория столь же асимметрична во времени, сколь асимметричной оказывается сама вселенная.

Однако, одно дело сказать, что время реально, но другое дело сказать, что это придает смысл разговору о том, что происходит «прямо сейчас» по всей вселенной — то есть, одновременно с нашим переживанием течения времени. Идея глобального времени означает, что наше ощущение прохождения времени используется во всей вселенной, но, конечно, это прямо противоречит относительности одновременности СТО и ОТО. Этот конфликт необходимо решать, поскольку относительность одновременности вместе с идеей, что реальность есть общее понятие, приводит, как мы видели в Главе 6, к картине монолитной вселенной, в рамках которой самый основной аспект нашего опыта — течение времени — является нереальным.

Можно также попробовать представить себе смысл, в котором время реально, что не противоречит относительности одновременности — но это потребует или солипсистского или зависимого от наблюдателя понятия реальности, в котором различие между реальным настоящим и будущим, которое еще-будет-реальным, не является объективным свойством, разделяемым всеми наблюдателями. И, как я подчеркивал, гипотеза глобального времени сильно помогает в выходе за пределы квантовой теории и в понимании пространства как эмерджентного. Важно также отметить, что гипотеза глобального времени не нуждается в конфликте с экспериментальными подтверждениями СТО, что, как мы видели, верно в динамике формы. Наконец, гипотеза, что в природе имеется привилегированное глобальное время, подлежит разрешению экспериментом, по каковой причине я поддерживал гипотезы, которые могут привести к новым предсказаниям, с помощью которых они могут быть проверены.

* * *

Идея, что законы эволюционируют, обещает сделать фундаментальную физику более предсказательной. Но она приносит с собой некоторую конечную дилемму. Естественно спросить, есть ли закон, который управляет тем, как эволюционируют законы. Мы можем назвать такой закон, который действует на законы, а не непосредственно на элементарные частицы, мета-законом. Наблюдать действие этого мета-закона может быть тяжело, так как он может действовать только во время столь бурных эпизодов, как Большой Взрыв. Однако, если мы хотим дополнить объяснение нашей вселенной, не должен ли такой мета-закон полностью выполнять требования принципа достаточного обоснования?

Но допустим, имеется мета-закон. Не должны ли мы захотеть узнать, почему этот мета-закон, а не какой-то другой управляет эволюцией законов в нашей вселенной? И если мета-закон может действовать на прошлые законы, чтобы произвести законы в будущем, часть объяснения того, что за законы имеются сегодня, будет зависеть от того, что за законы имелись в прошлом, так что мы не можем избежать вопроса: Почему такие начальные условия? Гипотеза мета-закона могла бы приводить к бесконечной регрессии (На вопрос Почему этот мета закон? может быть ответ через мета-мета-законы и так далее). Это одна сторона дилеммы. Другая заключается в возможности, что нет никакого мета-закона. Тогда в эволюции законов будет элемент случайности, результат опять будет такой, что ничто не объяснимо, и принцип достаточного обоснования попирается в самих основах науки. Роберто Мангабейра Унгер и я называем это дилеммой мета-законов.

На первый взгляд она может выглядеть как тупик, но, прожив с ней несколько лет, я пришел к уверенности, что, напротив, это представляет собой великую научную возможность, побуждение к изобретению нового вида теории, которая разрешит дилемму. Я убежден, что дилемма мета-законов разрешима и то, как она будет разрешена, станет ключом к прорывам, которые дадут возможность прогресса космологии и фундаментальной физики в этом столетии.

Дилемму мета-законов временно удалось перехитрить через космологический естественный отбор (см. Главу 11), когда была выдвинута гипотеза об ограниченном и статистическом мета-законе. Когда я постулировал, что параметры Стандартной Модели меняются на малые случайные величины при каждом отскоке, я описывал вид мета-закона, который частично обманывает дилемму. Определенно, мы хотим знать больше о том, как это происходит, и быть в состоянии описать механизм генерирования случайных изменений параметров. Большее проникновение в эту тему может обеспечить квантовая теория гравитации, такая как петлевая квантовая гравитация или теория струн (причем в последнем контексте эта идея была впервые понята). Но даже без дальнейшего понимания гипотеза космологического естественного отбора не только дает объяснения, но и является фальсифицируемой.

Другим подходом к мета-закону является принцип прецедента.

Будучи частично статистическим, он также обманывает — или, как минимум, откладывает — дилемму мета-законов. Даже откладывание дилеммы может быть плодотворным, открывая пространство для гипотез, которые могут быть исследованы экспериментально и, в свою очередь, могут подсказать новые вопросы и подходы. Но чтобы окончательно решить дилемму мета-законов, динамика, по которой эволюционируют законы, должна достаточно отличаться от законов, к которым мы привыкли, так что вопросы Почему такой мета-закон? и Почему такие начальные условия? не возникают.

Имеется один подход, который разрешает дилемму неожиданным образом: Допустим, что любые два предложения для мета-закона будут эквивалентными друг другу — то есть, будут иметь идентичное влияние на то, как эволюционируют законы[186]. Может существовать принцип универсальности мета-закона, точно так же, как имеется универсальность в вычислениях. В этой области «универсальность» означает, что любая функция, которая может быть вычислена одним компьютером, может быть вычислена и любым другим компьютером, причем не важно, какую он использует операционную систему. Идея универсальности мета-закона аналогична и заключается том, что не имеет значения, какой мета-закон действует, поскольку все экспериментальные предсказания, невзирая ни на что, будут теми же самыми.

Однако, для союза закона и конфигурации можно представить другой подход к космологической науке, который выходит за пределы Ньютоновской парадигмы. Это будет не две вещи для изучения — закон и состояние — а только одна, которая унифицирует их в мета-конфигурацию, содержащую информацию об обеих. Эта идея согласуется с гипотезой о том, что все, что реально, реально в настоящий момент. В той степени, в которой закон действует, его детализация является частью настоящего момента. Детализации закона и конфигурации не могут быть слишком отличающимися, так что мы унифицируем их в единой мета-конфигурации. Точно так же, как Галилей унифицировал небесную и земную сферы, может быть, пора унифицировать их тень, то есть различие между вневременным законом и ограниченной во времени конфигурацией.

Эволюция мета-конфигурации будет определяться настолько простым правилом, что оно объясняется принципом универсальности. Выбор начальной конфигурации будет устанавливать как начальный закон, так и начальные условия. Будут аспекты конфигурации, которые эволюционируют быстро, и аспекты, которые эволюционируют намного медленнее. Первые аспекты будут оцениваться как конфигурация, которая будет эволюционировать посредством того, что мы можем назвать законами, установленными медленно движущимися аспектами. Но на больших временных масштабах различие между законами и конфигурациями будет распадаться. Я разработал простую модель этой идеи, которая на настоящий момент не очень реалистична[187].

Эти две идеи вместе с принципом прецедента и космологическим естественным отбором уже дают нам четыре способа обратиться к дилемме мета-законов. И это, предположительно, первые шаги. Не будет преувеличением сказать, что направление космологии 21-го столетия будет определяться тем, как будет разрешена дилемма мета-законов.

* * *

В первой главе я поднял некоторые вопросы по поводу роли, которую математика играет в науке. Прежде чем мы закончим, я хочу коротко вернуться к этой теме, поскольку должно быть ясно, что реальность времени имеет важные следствия для роли математики в физике.

В рамках Ньютоновской парадигмы вневременное конфигурационное пространство может быть описано как математический объект. Законы также могут быть представлены математическими объектами, как и их решения, которые являются возможными историями системы. Математика соответствует не реальным физическим процессам, а только однажды выполненным их записям — которые, по определению, вневременные. Однако, мир всегда остается связкой эволюционирующих во времени процессов, и только малая ее часть представима вневременными математическими объектами.

Поскольку Ньютоновская парадигма не может быть расширена до масштабов вселенной как целого, тут не нужен будет никакой математический объект, соответствующий точной истории всей вселенной. Кроме того, для вселенной как целого не понадобится вневременное конфигурационное пространство и вневременные законы, представляемые как вневременные математические объекты.

Джон Арчибальд Уиллер написал физические уравнения на доске, отступил и сказал: «Теперь я хлопну в ладоши, и вселенная начнет существовать». Конечно, она не начала[188]. Стивен Хокинг спросил в Краткой Истории Времени: «Что вдувает огонь в уравнения и делает так, что вселенная ими описывается?» Такие высказывания обнаруживают абсурдность точки зрения, что математика идет перед природой. В реальности математика приходит вслед за природой. Она не имеет производительной силы. Иными словами, заключения в математике инициируются логическим выводом, тогда как события в природе генерируются причинными процессами, действующими во времени. Это разные вещи; логические выводы могут моделировать аспекты причинных процессов, но они не идентичны причинным процессам. Логика не является зеркалом причинности.

Логика и математика охватывают аспекты природы, но никогда целую природу. Имеются аспекты реальной вселенной, которые никогда не будут представимы в математике. Один из них в том, что в реальном мире всегда имеет место некоторый особый момент.

Так что один из самых важных уроков, который следует сразу, как только мы осознаем реальность времени, заключается в том, что природа не может быть ухвачена никакой отдельной логической или математической системой. Вселенная просто есть — или еще лучше, просто происходит. Она уникальна. Она происходит один раз, как и каждое событие — каждое уникальное событие, — которое содержит в себе природа. Почему это есть, почему имеется нечто вместо ничего, вероятно, не тот вопрос, который имеет ответ — спасает, возможно, то, что для существования нужно находиться во взаимосвязи с другими вещами, которые существуют, и что вселенная есть просто набор всех таких связей. Сама вселенная не имеет связи с чем-либо за ее пределами. Вопрос, почему она существует, а не наоборот, находится за границами принципа достаточного обоснования.

В какой форме должны быть выражены открытия космологии, если не в форме простого вневременного математического закона, действующего на вневременное пространство начальных условий? Это вопрос, от которого зависит будущее космологии. После небольших раздумий возникают некоторые возможные ответы.

Примеры, которые я давал, вроде космологического естественного отбора и принципа прецедента, демонстрируют, что мы можем измыслить проверяемые научные теории, которые выходят за пределы Ньютоновской парадигмы. Это хорошо отражает факт, что в истории науки имеется много гипотез, которые не нуждаются в том, чтобы быть установленными математически. И в некоторых случаях математика не является необходимой, чтобы выработать их следствия. Примером является теория естественного отбора; аспекты ее охвачены в простых математических моделях, но ни одна простая модель не ухватывает все разнообразие механизмов, при помощи которых естественный отбор действует в природе. На самом деле новые механизмы эволюции могут возникнуть в любое время, когда рождаются новые виды.

Чтобы быть научной, гипотеза должна предлагать наблюдения, при помощи которых она могла бы быть верифицирована или фальсифицирована. Иногда это требует выражения в математике; иногда не требует. Математика один из языков науки, и она является мощным и важным методом. Но ее применение к науке базируется на идентификации результатов математических расчетов с экспериментальными результатами, и поскольку эксперименты имеют место вне математики, в реальном мире, связь между указанными двумя аспектами должна быть установлена на повседневном языке. Математика великий инструмент, но окончательным управляющим языком науки является человеческий язык.

* * *

Стоящие перед нами вызовы нельзя недооценивать. Космологическая наука находится в кризисе, и единственно верным будет понимать, что продолжать использовать так хорошо служившие нам ранее методологии — это путь в никуда. Если мы пытаемся взять стандартную Ньютоновскую парадигму в качестве основы для космологии, в результате получаются парадоксы. Так что мы должны двигаться вперед в неизвестное. Перед нами выбор между радикальными программами. Только увидев, какое направление приводит к проверяемым предсказаниям для новых наблюдений, и после того, как эти наблюдения будут сделаны, мы сможем решить, какая из программ окажется правильной. Мы можем также ожидать, что какая-то новая теория обеспечит убедительные объяснения известных фактов, которые в настоящее время удивительны. Мы должны поощрять разнообразные подходы к этим трудным вопросам.

Но выбор, тем не менее, суровый. Чтобы сравнить стоящие перед нами варианты выбора, на следующих двух страницах я привожу список пар противоположных утверждений, с которыми мы сталкивались в этой книге. Они очерчивают выводы, следующие из принятия времени как иллюзии или как ядра реальности.

Время иллюзорно. Истина и реальность — вне времени.

Пространство и геометрия реальны.

Законы природы вечны и необъяснимы, за исключением объяснений, основанных на антропном принципе.

Будущее предопределено законами физики и начальными условиями.

Во всех аспектах история Вселенной являет собой математический объект.

Вселенная бесконечна в пространстве. Вероятностные предсказания проблематичны, поскольку основаны на отношении двух бесконечных величин.

Время начинается в момент Большого взрыва (если оно вообще определено), природа которого необъяснима.

Наблюдаемая Вселенная — одна из бесконечной коллекции Вселенных, не наблюдаемых и существующих одновременно.

Равновесие есть естественное состояние, в которое с неизбежностью придет наша Вселенная. Наблюдаемая сложная структура Вселенной — результат маловероятной флуктуации.

Квантовая механика — окончательная и верная теория. Ее интерпретация связана с существованием бесконечного количества альтернативных событий.

Ничто в науке не определено. Однако, что мы можем сделать перед лицом неопределенности, это попытаться сконструировать обоснованные аргументы для разделения гипотез. Именно это я и делал здесь. И хотя окончательным тестом является эксперимент, мы можем обрисовать некоторые заключения из того, насколько производительной является программа исследований в отношении новых гипотез и предсказаний, посредством которых указанная программа может быть проверена.

Время — наиболее реальный аспект нашего восприятия мира. Все, что истинно и реально, относится к конкретному моменту времени.

Пространство второстепенно, возникающе и приблизительно.

Законы природы эволюционируют во времени и могут быть объяснены в свете своей предыстории.

Будущее предсказуемо лишь отчасти.

Большинство регулярностей в природе может быть описано с помощью математических моделей. Но не все.

Вселенная конечна в пространстве. Вероятности — обычные отношения частот появления событий.

Большой взрыв — это по сути отскок, который находит свое объяснение в предыстории Большого взрыва. Следы предыдущих эпох наблюдаемы.

Лишь небольшие части Вселенной приходят в тепловое равновесие. Гравитационно-связанные системы превращаются со временем в гетерогенные структурированные конфигурации.

Вселенная под действием гравитационных сил — это самоорганизующаяся система, которая со временем усложняется.

Квантовая механика — это приблизительная теория, вытекающая из более глубокой космологической теории.

Программа исследований, основанная на вневременной вселенной, которая принимает квантовую механику и мультивселенную как конечную теорию, имеет место примерно два десятилетия или чуть больше. Она еще не произвела ни одного фальсифицируемого предсказания для выполнимого в настоящее время эксперимента. В лучшем случае, она произвела спекуляции по поводу новых явлений, столкновений пузырей-вселенных, остатки которых могут наблюдаться, если нам повезет.

Однако, эти спекуляции не являются фальсифицируемыми предсказаниями, поскольку крах проверок таких предсказаний может быть легко оправдан не за счет спекуляции. Кроме того, не были решены основные трудности, стоящие перед этой программой, несмотря на многие годы работы умных и мотивированных ученых. Эти трудности должны быть связаны с производством предсказаний в условиях, когда вселенная суть одна из бесконечного количества вселенных, все кроме одной из которых ненаблюдаемы, с определением вероятностей, когда имеется бесконечное число копий каждого события, и с основополагающим фактом, что ни теория, ни наблюдение не могут ограничить изобретение сценариев по поводу вещей, которые могут быть верными за пределами границ наших наблюдений.

Нельзя быть уверенным, что из исследований этих идей не получится ничего важного, но кажется вероятным, что история будет описывать их как провалы — провалы из-за неправильно понятого подхода к фундаментальной проблеме науки. Неудача возникает из того, что берется метод, подходящий для изучения малых частей вселенной, и применяется ко всему сущему.

Если моя характеристика точна, провал не является поверхностным и не может быть исправлен только изобретением другого сценария того же вида. На космологические вопросы, такие как «Почему эти законы?» и «Почему эти начальные условия?», не могут быть даны ответы методом, который принимает законы и начальные условия как входные данные. Средство от болезни должно быть радикальным, содержащим не только изобретение новой теории, но нового метода и потому нового вида теории.

Хотя задача сложная, на нашей стороне есть несколько вещей. Первые и, самое вероятное, примитивные попытки очертить гипотезы об эволюции законов — гипотезы, которые содержат возможные истории вселенной до Большого Взрыва — привели к фальсифицируемым предсказаниям для осуществимых наблюдений. Они включают в себя предсказания космологического естественного отбора и предсказания циклических космологий. Еще слишком рано говорить, верны ли любые из этих идей, но обнадеживает знание, что текущие наблюдения и наблюдения ближайшего будущего могут привести нас к необходимости отвергнуть их как ошибочные. Эти простые примеры подсказывают, что сценарии, в которых вселенная есть этап в последовательности вселенных, проверяемы и, следовательно, научны.

Другая вещь, которую мы имеем в нашу пользу, это мудрость глубочайших космологических мыслителей в истории, особенно Лейбница, Маха и Эйнштейна. Мы получили от них несколько принципов, которые до сих пор служат превосходным руководством к развитию физики.

Самые радикальные предположения, возникшие из обсуждавшегося в этой книге направления мыслей, это настойчивое требование реальности настоящего момента и, сверх того, принцип, что все, что реально, является таковым в настоящий момент. В той степени, в какой эта идея плодотворна, физика больше не может пониматься как поиск точно идентичного математического двойника для вселенной. Эта мечта должна рассматриваться теперь как метафизическая фантазия, которая могла стимулировать поколения теоретиков, но сейчас блокирует путь дальнейшего прогресса. Математика продолжит быть служанкой науки, но она больше не может быть королевой.

Награда, которую мы получаем за принесение королевы в жертву, есть более демократический взгляд на аксессуары физических теорий. Точно так же как давно была отброшена разница между королевской властью и людьми из толпы, мы должны отвергнуть и уйти дальше абсолютной разницы между состояниями дел в мире и законами, посредством которых указанные дела эволюционируют во времени. Больше нельзя рассматривать абсолютные вневременные законы как диктующие эволюцию ограниченным временем конфигурациям мира. Если все, что реально, реально в момент времени, тогда разница между законами и состояниями должна быть относительной разницей, которая возникает и становится заметной в относительно холодные и спокойные космологические эры, подобные нашей собственной. Но в другие, более бурные эры эта разница должна раствориться в новом полностью динамическом описании мира, рациональном и отвечающем принципу достаточного обоснования.

Позволяя законам эволюционировать во времени, мы повышаем наши шансы объяснить их через предположения, которые имеют проверяемые следствия. Может показаться, что наличие эволюции законов ослабляет их силу, но, фактически, возрастает общая сила науки, тогда как распространение идей, которые работают в рамках Ньютоновской парадигмы, на сферу космологии ослабляет силу науки. Если мы допускаем эволюцию и время в нашу концепцию науки на самых глубоких уровнях, мы с большей вероятностью поймем эту загадочную вселенную, в которой находимся.

Будет ли этот новый путь успешным? Сказать сможет только время.