Время, как мы его понимаем, имеет некоторые как действительно большие, так и совсем микроскопические проблемы. На самом деле, некоторые ученые, изучающие микроскопические взаимодействия фундаментальных частиц, ставят под сомнение саму идею времени. Об этом пишет Геофф Брумфил в NPR:
Официальное время в Америке устанавливается в государственной лаборатории в Боулдере, штат Колорадо, и, судя по часам на входе, я отставал от графика на семь минут. Я спешу через кампус Национального института стандартов и технологий (NIST) и оказываюсь в конце длинного коридора, где меня терпеливо ждет физик Джефф Шерман.
«Извините, я опаздываю» — говорю я ему.
«Ничего страшного, мы измеряем только наносекунды» — шутит Шерман.
Никогда еще не было так просто узнать, который сейчас час. NIST передает время в пункты по всей стране. Через компьютерные сети и вышки сотовой связи оно поступает на наши персональные гаджеты, которые тикают абсолютно синхронно. Постоянно улучшающееся соглашение человечества о времени сглаживает связь и транспорт, а также смазывает нашу экономику.
Но у времени есть и другая сторона, которую часы не покажут.
«Многие из нас росли с идеей о том, что время — абсолютная величина» — говорит Чанда Прескод-Вайнштейн, физик-теоретик из Университета Нью-Гэмпшира. Но Прескод-Вайнштейн говорит, что время, которое мы ощущаем, — это социальная конструкция. На самом деле реальное время — это нечто совершенно иное. В некоторых странных уголках Вселенной пространство и время могут растягиваться и замедляться, а иногда даже полностью разрушаться.
«Для многих людей эта неуправляемая версия времени является «радикальной»» —говорит она. Но по мере того, как технологии, позволяющие лучше считать время, становятся все более изощренными, наше повседневное понимание времени может начать меняться.
Сизифова задача
Чтобы понять, откуда берется жесткое время, которое управляет большей частью нашей жизни, Шерман ведет меня в лабораторию бежевого цвета, заставленную экспериментальным оборудованием и компьютерами. Над лабораторными столами возвышаются три больших ящика, в которых находятся трое высокоточных атомных часов. На каждой коробке написано имя: одни называются Джордж, другие — Фиона, а третьи — Элвис.
«У них у всех есть свои причуды и особенности» — объясняет Шерман. «Когда они выходят из строя в 2 часа ночи, хочется проявить к ним немного сострадания, поэтому мы даем им имена».
Джордж, Фиона и Элвис — это лишь часть ансамбля из 21 часов, который NIST использует для определения официального времени. Эти трое часов тикают с помощью атомов водорода. Атомы возбуждаются с помощью радиочастотной энергии, а затем отправляются в камеру. Попадая в камеру, они распадаются, излучая свет определенной частоты.
Шерман говорит, что это можно сравнить с ударом по атомной вилке.
Возбужденный водород излучает «тон света» — говорит он. Остальная часть часов «представляет собой инструмент, который пытается отобрать — пытается прослушать — немного этого света и сосчитать циклы колебаний этого света».
Эти световые циклы и есть «тиканье» часов. Усреднив некоторые из 21 часов вместе, NIST создал систему, которая может отсчитывать время с точностью до одной квадриллионной доли секунды. Это означает, что правительственные часы могут показывать время с точностью до секунды в течение примерно 30 миллионов лет.
В другой комнате сигнал времени передается по Соединенным Штатам и через спутник в другие правительственные лаборатории в других частях света, где есть свои часы.
Это впечатляющая система, но есть одна загвоздка. Вы должны продолжать считать. Если вы остановитесь, если вы моргнете, вы больше не будете знать время.
«В обмен на эту замечательную идею» — говорит Шерман, — вы теперь обязаны считать вечно и не сбиваться со счета».
Человек в «управлении временем»
Постоянно прогрессирующие часы NIST — это один из способов понять время. Но физик-теоретик Прескод-Вайнштейн не согласна с таким определением. Она говорит, что эта версия времени — как раз то, что мы по мнению власти должны воспринимать.
«Управление тем, что считается правильным временем и какое время сейчас в том или ином месте, глубоко связано с властью» — говорит она.
Время из этой лаборатории используется для управления нашей жизнью. Оно определяет, когда взлетают и садятся самолеты, когда открываются и закрываются рынки, когда школьники приходят на занятия. Оно управляет компьютерными сетями, навигационными инструментами и многим, многим другим.
Правительства по всему миру предоставляют время не только в качестве альтруистической услуги гражданам, утверждает Прескод-Вайнштейн. Речь идет о поддержании организованности и эффективности общества. Речь идет о повышении экономической производительности.
Именно поэтому люди так напряженно относятся к времени — это фактически технология, которую им навязывают. «Капитализм — отстой, и я думаю, что отношение многих людей к тому, почему время — это не круто, структурировано давлением ресурсов, которое мы испытываем» — говорит она.
Виббли-виббли тайми-вайми
По словам Прескод-Вайнштейн, истинное время на самом деле гораздо более гибкое, чем многие думают. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, пространство и время связаны друг с другом, и пространство-время может изгибаться и искривляться.
«Можно думать о том, что эта кривизна растягивает время» — говорит она.
Когда время растягивается, оно замедляется.
Самой известной силой, растягивающей время, является гравитация. Чем больше гравитация, тем медленнее проходит время по сравнению с человеком, находящимся в более низком гравитационном поле.
Этот эффект мизерный по сравнению с продолжительностью человеческой жизни, но он реален и измерим. Боулдер, штат Колорадо, находится на высоте одной мили над уровнем моря. Это означает, что гравитационное поле немного слабее, и время идет немного быстрее.
Но современные технологии не могут справиться с таким текучим временем. В результате хронометристы в Боулдере и других местах вносят поправки, чтобы эти различные потоки времени выглядели так, будто они идут в ногу. То же самое относится и к спутникам, находящимся дальше от Земли, например, к тем, которые составляют Глобальную систему позиционирования. Система работает путем измерения разницы во времени между несколькими спутниками, несущими часы в космосе, и временем, которое люди измеряют на земле.
По словам Прескода-Вайнштейна, без правильной калибровки разницы между тикающими часами внутри спутников GPS, система не будет такой точной. «Любая система, использующая GPS, требует общей теории относительности» — говорит она. «Вы должны понимать, что такое течение времени на спутнике и чем оно отличается от течения времени на Земле».
Далекое время
Еще дальше от Земли время становится действительно странным.
В местах, где гравитация очень сильна, время, как мы его понимаем, может полностью разрушиться. Например, на краю черных дыр мощное гравитационное притяжение резко замедляет время, говорит Прескод-Вайнштейн. А при пересечении точки невозврата черной дыры, известной как горизонт событий, пространство и время меняются местами.
«Вы оказываетесь в области, где пространство теперь имеет стрелку, причем в одном направлении… а время не имеет стрелки, как раньше» — говорит она. «Нет никакого ощущения времени».
На границе наблюдаемой Вселенной происходит нечто иное, считает Кэти Мак, астрофизик из Института теоретической физики Периметра в Канаде. Вселенная расширяется после Большого взрыва, и это расширение растягивает время.
«Когда вы видите вещи в очень далекой Вселенной, из-за расширения Вселенной для того, чтобы все произошло, требуется больше времени» — говорит она. Этот эффект известен как космологическое замедление времени, и он гораздо сильнее, чем крошечные изменения времени, наблюдаемые вблизи Земли.
Сравните, например, две одинаковые звезды, которые взрываются: одну рядом, а другую далеко. «Если мы видим, что звезда взрывается, и ей требуется около 10 дней, чтобы пройти путь от самой яркой части взрыва до потускнения; то при взгляде на нее в очень далекой Вселенной, этот процесс может занять 20–30 дней» — говорит Мак.
Далекая звезда не взрывается медленнее, время тикает медленнее, по крайней мере, с нашей точки зрения.
Мак, написавший книгу под названием «Конец всего (с астрофизической точки зрения)», говорит, что через много миллиардов лет в будущем время может стать еще более странным. Вселенная расширяется, и из-за энтропии энергия и материя все более равномерно распределяются по постоянно увеличивающейся пустоте. В конечном итоге Вселенная может превратиться в инертное облако энергии и материи, где все равномерно распределено.
В этом сером небытии «нет будущего, нет стрелы времени» — говорит она. В этот момент время не имеет реального смысла, говорит она. «У него нет направления».
Субатомное безумие
Итак, время, как мы его понимаем, имеет некоторые как действительно большие, так и совсем микроскопические проблемы. На самом деле, некоторые ученые, изучающие микроскопические взаимодействия фундаментальных частиц, ставят под сомнение саму идею времени.
«Пространство-время обречено» — говорит Нима Аркани-Хамед, физик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси.
Аркани-Хамед пришел к такому выводу за последнее десятилетие, когда он пытался лучше понять, что происходит внутри самых мощных в мире атоморазрушителей. Эти гигантские устройства используют огромное количество энергии для столкновения субатомных частиц. Расчет каждого столкновения по мере его возникновения должен, согласно квантовой механике, потребовать сотни страниц сложной математики. Однако необъяснимым образом гораздо более простое уравнение может работать так же хорошо.
Аркани-Хамед считает, что причиной расхождения может быть сама концепция времени. В уравнениях физики время используется для отслеживания последовательности происходящих событий. Но он пришел к выводу, что организация столкновений частиц по принципу «когда» излишне усложняет математику. Вместо этого он экспериментирует с абстрактными геометрическими формами, которые могут описывать события без использования времени.
Аркани-Хамед говорит, что эти формы пока не могут заменить идею времени, но он считает, что в какой-то момент время само по себе будет вытеснено какой-то другой теорией того, что заставляет Вселенную работать.
«Вряд ли оно выживет в фундаментальных принципах еще более глубокого понимания физики» — говорит он.
«Мы действительно сосредоточены на измерении времени, но … довольно трудно дать ему удовлетворительное определение» — говорит Джон Китчинг, возглавляющий группу атомных устройств и приборов в NIST.
Китчинг ведет меня в лабораторию, где его команда разрабатывает свое последнее чудо — атомные часы, которые можно серийно производить и помещать в микрочип.
«Концепция такого типа часов заключается в том, чтобы атомное время можно было использовать повсеместно» — говорит он. «Представьте себе — атомные часы в каждом компьютере и в каждом мобильном телефоне».
Как люди продолжают совершенствовать свои карты, так и они должны совершенствовать свои часы, говорит Китчинг. Лучшие часы могут сделать GPS более точным, компьютерные сети более быстрыми и позволить использовать новые технологии во всем — от биржевой торговли до астрономии.
И это важно, потому что в конечном итоге, говорит Китчинг, он фактически согласен с Чандой Прескод-Вайнштейн, физиком-теоретиком, которая считает, что время в нашем понимании — это технология, а не фундаментальная часть Вселенной. Он тоже считает, что время — это дело рук человека, результат работы нейронов, формирования воспоминаний и написания книг.
«Я считаю, что течение времени вперед — это в основном человеческая конструкция», — говорит он. «С точки зрения физики, оно не имеет такого большого значения».
И все же, добавляет он, неустанный подсчет секунд, минут, часов и дней в лаборатории NIST используется во всех областях — от навигации до производства электроэнергии. Для людей попытка приручить непокорное чувство времени природы имеет огромную социальную ценность.
«Нам нужно договориться о встрече в определенном месте в определенное время» — говорит он. «Если у нас нет этих двух частей информации, то мы не встретим друг друга».
