…Каждый отрезок времени возникает сразу как целое, подобно кванту света, излучаемому атомом. Внутри такого «кванта времени» не имеют смысла понятия раньше и позже. Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Космическое время — это время нашей Вселенной, оно возникло и существует вместе с ней…

А. Д. Чернин. Физика времени

Рассказывая о творческом наследии выдающегося теоретика, невозможно пропустить исследования Хокингом проблем квантового времени. Выступая перед самыми разными по составу аудиториями, он всегда пытался обрисовать, как самым невероятным образом преображается течение процессов и само пространство за гранью сверхмалых масштабов реальной действительности. Квантовая механика полностью поменяла представление о поведении объектов микромира, а также свойствах самого пространства на сверхмалых масштабах. Несколько в стороне от интересов Хокинга оставалось только четвертое измерение континуума Минковского: время.

Впервые Хокинг столкнулся с поведением квантового времени на уровне ячеистого пространства, будучи приглашенным на Берклеевский семинар по струнной физике. Для него стал неожиданностью математический образ дискретного квантового времени. Оказалось, что в ряде «струнных моделей» время не течет как река, а скорее тикает как часы. Интервал между «тиками» примерно равен особому «времени Планка». Это совершенно непредставимая по своей малости величина, описываемая дробью с несколькими десятками нулей. Точнее говоря, время в нашей Вселенной на субмикроскопическом уровне квантовых величин отмеряют мириады часов: там, где в спиновой пене происходит квантовый шаг, «струнные часы» делают один «тик».

Еще более заинтересовал Хокинга доклад, посвященный «квантовому эффекту Зенона» (КЭЗ).

Зенон — древнегреческий мыслитель, придумавший ряд временных парадоксов, построенных на противопоставлении части и целого. Впервые КЭЗ более-менее достоверно наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть эксперимента состояла в том, что время жизни подуровня было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния на подуровень, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы переводились из начального состояния на еще один подуровень. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода, фиксируя число атомов основного состояния в определенные моменты времени.

Надо заметить, что как скептик и позитивист, Хокинг всегда прекрасно понимал, что обсуждение проблемы влияния наблюдений на течение квантовых процессов во многом зависит от философской позиции того или иного теоретика. Конечно же, с объективной точки зрения, на эти процессы оказывает воздействие не сам акт «отстраненного» наблюдения, иначе это было бы просто идеалистическими выдумками и проявлением солипсизма, а некоторые реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и окружающей средой.

Вернувшись в Кембридж, Хокинг тут же стал делать наброски новой книги, которую он намеревался назвать «Квантовая физика времени». К сожалению, его планам так и не удалось сбыться, но один из фрагментов попал в сборник «Теория Всего». Там можно встретить рассуждения о том, что каждый момент, в котором мы находимся, несет нас из прошлого в настоящее, а затем — в будущее. Время всегда движется в одном направлении. Оно никогда не останавливается и не возвращается. Для нас стрела времени всегда направлена вперед. Однако, если мы взглянем на законы физики — от положений Ньютона до Эйнштейна, от Максвелла до Бора, от Дирака до Фейнмана, — то они выглядят симметричными времени.

Связано ли направление течения времени с движением большей части процессов во Вселенной и откуда возникло так часто встречающееся понятие «стрела времени»?

Видный английский астрофизик Артур Эддингтон, известный своими поисками доказательств релятивистской природы окружающей нас действительности, в свое время высказал замечательное предположение, что направление течения времени связано с расширением Вселенной, назвав это явление стрелой времени. Он предполагал, что если наша Вселенная эволюционирует циклически и в определенный момент ее расширение сменится сжатием, то тут же изменит направление полета и стрела времени.

Другими словами, у уравнений, которым подчиняется реальность, нет выраженного направления движения потока времени. Решения, описывающие поведение любой системы, подчиняющейся законам физики, какими мы их понимаем, одинаково действенны как для времени, движущегося в прошлое, так и для времени, направленного в будущее. Но опыт говорит нам, что время движется только в одном направлении — вперед.

И здесь теоретик задал вопрос, который мучил его всю оставшуюся жизнь: откуда берется стрела времени? В поисках решения этой фундаментальной проблемы естествознания Хокинг пришел к другому вопросу: могут ли существовать какие-нибудь объекты во Вселенной с иным ходом времени? После обсуждения с коллегами и друзьями теоретик посчитал, что на этот вопрос следует дать положительный ответ. Так возник образ антивселенной.

В этом мире должна соблюдаться очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то «вселенная Хокинга» будет подчиняться всем законам физики.…

По Хокингу, обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.

Здравый смысл, пишет теоретик, говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона прекрасно выполняются при любом направлении полета стрелы времени.

Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется законам движения классической механики. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, однако законы Галилея, Гука и Ньютона допускают и такой порядок вещей…

Это всего лишь один пример физико-фантастических гипотез, которые разрабатывал Хокинг, чтобы согласовать теорию расширяющейся Вселенной с квантовой механикой.

Вернувшись к исследованию стрелы времени, Хокинг выдвинул рабочую гипотезу о том, что между направлением течения времени и энтропией Вселенной существует определенная связь. В элементарных курсах физики и термодинамики энтропию часто определяют как «меру беспорядка», но Хокинг в своих выступлениях всячески избегал этой неточной формулировки. Напротив, энтропию он считал мерой того, сколько тепловой энергии потенциально можно превратить в полезную механическую работу.

Если у вас много энергии, потенциально способной выполнить работу, то это система с низкой энтропией, тогда как если у вас ее мало, то ваша система имеет высокую энтропию. Второе начало термодинамики — важное соотношение в физике, утверждающее, что энтропия закрытой системы может либо не изменяться, либо возрастать с течением времени, то есть не может уменьшиться. Иначе говоря, со временем энтропия всей Вселенной должна возрастать. Это единственный закон физики, у которого есть предпочтительное направление времени.

Обосновывая свою версию «термодинамической стрелы времени», Хокинг снова ставил вопросы: воспринимаем ли мы одностороннее течение времени из прошлого в будущее из-за второго начала термодинамики? связано ли это с фундаментальной связью стрелы времени и энтропии?

С некоторого момента Хокинг присоединился к мнению, что дело обстоит именно так. Последним, с кем он обсуждал проблему «термодинамического направления времени», был известный физик и научный популяризатор, профессор Шон Кэрролл. В ходе долгой беседы была предпринята попытка ответить на вопрос, почему время не движется назад. В итоге физики пришли к выводу, что это связано именно с энтропией.

Энтропия действительно объясняет стрелу времени, доказывал Хокинг на очередном заседании Лондонского королевского общества. В бесчисленных случаях из повседневной реальности, например, кофе с молоком никогда не разделяется на исходные компоненты, а разбитое яйцо никогда не собирается обратно в скорлупу. Во всех этих и аналогичных случаях изначальное состояние низкой энтропии (с большей энергией, пригодной для работы) двигалось к состоянию с более высокой энтропией (и меньшей доступной энергией) с течением времени вперед. В природе много примеров этого процесса, пояснял Хокинг, включая комнату, наполненную молекулами: одна часть полна холодных, движущихся медленно молекулами, а другая — горячих и быстродвижущихся. Надо лишь подождать, и комната заполнится перемешанными частицами средней энергии, что представляет собой большой рост энтропии и необратимую реакцию.

Но нельзя сказать, что она абсолютно необратима. Когда дело касается второго начала термодинамики и увеличения энтропии, это относится исключительно к закрытой системе или системе, в которую не добавляется энергия извне и не вносятся никакие изменения по увеличению или уменьшению энтропии. В 1870 году физик Максвелл предложил способ обращения этой реакции: нужна внешняя сущность, которая будет открывать разделение между двумя сторонами комнаты, позволяя «холодным» молекулам переходить на одну сторону, а «горячим» — на другую (уже упоминавшаяся идея «демон Максвелла», она позволяет понизить энтропию системы).

Разумеется, «обхитрить» природу и нарушить второе начало термодинамики с помощью подобных «демонических сил» все равно никогда не удастся. Дело в том, что демону необходимо затратить огромные объемы энергии, чтобы разделить частицы таким способом. Система под влиянием демона — открытая. Если добавить к ней энтропию и самого демона к общей системе частиц, окажется, что общая энтропия в итоге все-таки возрастает. Но и тут есть важная деталь: даже если бы вы жили в коробке и не заметили существование «демона» — другими словами, если бы вы жили в «карманной вселенной» с возрастающей энтропией, — для вас время все равно бы шло вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором воспринимается ход времени.

Итак, откуда берется стрела времени, которая соотносится с нашим восприятием времени? Неизвестно. Однако известно, что это точно не термодинамическая стрела времени. Измерения энтропии Вселенной указывают только на одно возможное уменьшение во всей космической истории: окончание космической инфляции и ее переход к Горячему Большому взрыву (не путать с Большим взрывом — это два разных состояния Вселенной; Горячий Большой взрыв — период развития Вселенной, на последних стадиях которого мы живем).

Большинство ученых утверждает, что Вселенную ждет холодное пустое будущее после того, как все ее звезды сгорят, черные дыры распадутся, а темная энергия разнесет не связанные друг с другом тяготением галактики на огромные, невообразимые расстояния. Это термодинамическое состояние максимальной энтропии известно, как тепловая смерть Вселенной. Любопытно, что состояние, из которого развилась Вселенная — состояние космической инфляции, — обладает теми же свойствами, но с более высокой скоростью расширения во время эпохи инфляции, по сравнению с тем, к которому приведет нынешняя эпоха, где главенствует темная энергия.

Каким образом завершилась инфляция? Как вакуумная энергия Вселенной, свойственная самому пустому пространству, преобразилась в горячий бульон из частиц, античастиц и излучения? И перешла ли Вселенная из состояния с невероятно высокой энтропией во время космической инфляции в состояние с более низкой энтропией во время Горячего Большого взрыва, либо энтропия при инфляции была еще ниже из-за итоговой способности Вселенной к совершению механической работы? На сегодня у ученых есть только теории, которые оставил после себя кембриджский теоретик, и они когда-нибудь приведут к верным ответам на эти вопросы. Экспериментальные или наблюдательные признаки, которые могли бы подсказать, пока получены не были.

Хокинг трактовал стрелу времени с точки зрения термодинамики — и это действительно ценное и очень важное понимание. Но если вы хотите узнать, почему вчера раз за разом остается в неизменном прошлом, завтра наступает на следующий день, а настоящее — то, где вы проживаете прямо сейчас, термодинамика вряд ли может ответить на этот вопрос. И пока что, по сути, нет никого, кто бы смог.

К примеру, в квантовой механике соотношение неопределенностей «энергия — время» накладывает специфические ограничения на саму процедуру измерения времени, тесно связанную с множественным характером темпоральной реальности. Из вероятностного характера квантовой физики можно делать потрясающие модели той же суперсимметричной М-теории, однако представления о времени оказались довольно устойчивыми даже для «транссингулярных бран». А стандартная квантовая теория вообще использует время как самую настоящую классическую переменную, не приписывая ей какие-то новые сущности. Тем не менее, течение времени в микромире имеет свои особенности. Прежде всего, это, конечно же, наличие соотношения неопределенности «время — энергия»: ∆t∆E≥ħ, гласящей, что мы можем уточнить либо изменение энергии, либо время, за которое оно произошло. Во-вторых, весь квантовый мир пронизан колебаниями, определяемыми через частоту опять-таки временными характеристиками. Ну и, в конце концов, само выражение для планковского кванта действия из соображений размерности распадается на «энергетическую» и «темпоральную» части.

И хотя чаще всего парадоксы квантовой физики связаны с распространением обыденных макроскопических понятий пространства и времени на квантовые объекты, какой-то аналог «стрелы времени» должен существовать и в микромире. Впрочем, микрочастицы вовсе не обязаны принадлежать только к знакомому нам частному случаю пространства-времени (математики называют его гладким топологическим многообразием Минковского) в виде обычного евклидова пространства трех измерений из школьных учебников, дополненного координатной осью времени. Вполне возможно, что они «обитают» в своем специфическом микропространстве, в которое переходит многообразие Минковского на «планковских дистанциях», выражаемых дробными миллиметрами с тридцатью нулями. В этой таинственной глубине могут происходить совершенно невероятные вещи, предсказываемые формальными математическими моделями, и далекие, даже астрономические расстояния «здесь» могут соответствовать неразличимой близости «там». Вот, кстати, и еще один вариант разгадки ЭПР-парадокса, причем несравненно более «физичный», чем чудотворное квантовое сознание наблюдателей и «разумные потенциалы» микрочастиц, встречающиеся у отдельных современных исследователей.

Фантастика? Однако вспомним некоторые факты из жизни современной квантовой теории поля, описывающей элементарные частицы. Общепризнанно (насколько подобное можно заявить сегодня), что в основе всех физических явлений лежат квантовые поля, дискретными составляющими которых выступают элементарные частицы. Эти частицы постоянно участвуют в сложных процессах взаимопревращения, возникновения и исчезновения.

Для любопытствующих я весьма бы рекомендовал пару лучших книг по данной тематике: «Атомную физику» моего учителя Александра Ильича Ахиезера и «Физику элементарных частиц» Льва Борисовича Окуня, крупнейшего мирового авторитета в данной области. Удивительно, но пространственно-временные представления, которые использует квантовая теория поля, по своей сути являются макроскопическим миром Минковского!

В свое время создание классической механики способствовало формированию такого идеала научного знания, согласно которому теория должна объяснять явления, как четко причинно-обусловленные, происходящие в пространстве и времени, на основе однозначных законов механики Галилея — Ньютона. Высшее развитие принцип классической предопределенности явлений или детерминизма получил в работах знаменитого французского физика и философа Пьера Симона Лапласа. Он писал:

Все явления — даже те, которые по своей незначительности как будто не зависят от великих законов природы, суть следствия столь же неизбежные этих законов, как обращения Солнца. Не зная уз, соединяющих их с системой мира в ее целом, их приписывают конечным причинам или случаю, в зависимости от того, происходили ли и следовали они одно за другим с известной правильностью, или же без видимого порядка, но эти мнимые причины отбрасывались по мере того как расширялись границы нашего знания и совершенно исчезли перед здравой философией, которая видит в них лишь проявления неведения, истинная причина которого мы сами. Всякое имеющее место явление связано с предшествующими на основании того принципа, что какое-либо явление не может возникнуть без производящей его причины.

Детерминизм Лапласа предполагал однозначность и предопределенность будущего, это вытекает из признания жесткой причинно-следственной связи между событиями и явлениями и отрицания объективной случайности.

Модель времени Лапласа была органично связана с представлениями об однозначной предопределенности физических явлений. Оказалось, что и теоретикам очень удобно оперировать понятиями четырехмерного пространства с тремя геометрическими координатами и одной временной.

В простейшем случае движение тела можно изобразить на плоскостной диаграмме, откладывая по одной координате значения времени, а по другой — пройденного пути. Если тело движется с определенной скоростью, то через определенные интервалы времени после начала движения оно сместится от начала своего пути на соответствующие дистанции. На диаграмме эти события отобразятся точками, через которые можно провести линию. Эта линия, образуемая из множества событий-точек, в истории тела называется мировой линией.

В первой четверти координатной плоскости, где и время, и значения пути положительны, мировая линия ведет себя вполне логично. В какой-то мере можно представить себе физически и движение вдоль мировой линии во второй четверти, где время положительно, а путь — отрицателен. В нашем обыденном мире это может означать возвращение в исходную точку. В этом смысле путь может показаться величиной отрицательной: двигаясь по нему, мы удаляемся от нужного нам пункта, вместо того чтобы приближаться к нему.

Но уж совсем необъяснимы с позиций обыденного мира случаи с отрицательным временем. Что это означает? Принципиальную возможность движения в прошлое? Но ведь время, насколько нам всем известно, не может течь вспять…

Мировая линия может изменять свое положение в пространстве в зависимости от того, с какой скоростью происходит движение. Если бы мы могли двигаться мгновенно, то она могла бы попросту встать вертикально. Но физически это невозможно, самая большая скорость, достижимая на сегодняшний день, — это скорость света. Значит, мировая линия должна быть ограничена прямыми, показывающими распространение света, это будут т. н. световые конусы.

Все эта время мы рассматривали двухмерный случай, но наш мир, как уже говорилось, имеет четыре измерения. Значит, мировая линия может помещаться внутри некоторого светового конуса, очерченного мировыми линиями света. Особенно интересна поверхность конуса прошлого, лежащего в той области, где время отрицательно. Ведь на этой поверхности находится то, что мы можем увидеть. В самом деле: видеть — это, говоря иначе, воспринимать световые лучи. Но пока они донесут информацию от источника до нашего глаза, пройдет какое-то время, значит, видеть мы можем только то, что уже произошло.

Следующие интереснейшие парадоксы физического времени можно встретить в микромире, рассматривая античастицы и обращение времени. Античастица — это частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от нее знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой, барионное и лептонное квантовое число). Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами. Начиная с тридцатых годов прошлого века было открыто несколько сотен элементарных частиц.

Само определение того, что называть «частицей» в паре частица-античастица, в значительной мере условно. Однако природа состоит именно из «частиц», и соответствующие им античастицы определяются совершенно однозначно. Знаменитые теоретики XX века Ричард Фейнман и Джон Уилер построили оригинальную модель античастиц как обычных частиц, живущих «вспять во времени». Парадоксально, но этого оказалось вполне достаточно для определения их свойств. Следуя идеям Фейнмана — Уилера, Хокинг представил, что если античастица участвует в некотором процессе, скажем, испускания кванта электромагнитного поля, то его вероятность будет в точности равна вероятности обратного процесса поглощения точно такого же фотона обычной частицей.

Это, конечно, еще далеко не обратный поток времени, однако, если существуют антимиры, то и макроскопические процессы в них будут происходить «обратным образом». Вообще же говоря, подобная операция обращения времени носит название темпоральной инверсии (Т-инверсии, или обращения времени). Таким образом, действие Т-инверсии на состояние с определенным импульсом и энергией дает исходное состояние с начальными параметрами и координатами. Это объясняется тем, что после обращения времени следует пространственная инверсия (Р-инверсия, или пространственное обращение), изменяющая знаки у пространственных переменных и возвращающая микросистему в исходное состояние.

А вот как сам Фейнман авторским образом применял концепцию темпоральных инверсий ко вполне обычному процессу рассеяния электрона в веществе: «Обычным способом такой процесс может быть описан следующим образом… В некоторый момент t < t (1) имеется только начальный электрон. В момент t (1) внешний потенциал рождает электрон-позитронную пару. В момент t (2) > t (1) позитрон аннигилирует с начальным электроном, так что при t > t (2) остается только рассеянный электрон…». Далее Фейнман продолжал анализировать рассеяние электрона и выдвинул новую версию рассеяния: «…Вместо такого рассуждения мы хотим обобщить идею рассеяния и считать, что электрон рассеивается назад во времени от t (2) к t (1). Поэтому обычный позитрон проявляется как электрон, движущийся во времени вспять…» В заключение Фейнман делает вывод: «Эти два случая соответствуют частицам и античастицам».

Приведенный отрывок из работы Фейнмана конца 50-х годов прошлого века со всей определенностью свидетельствует, что знаменитый физик считал античастицы частицами, движущимися из будущего в наше настоящее и дальше в прошлое. Хокинг и Уилер, развивая идеи Фейнмана, считали, что подобная «антитемпоральная» природа античастиц позволяет успешно объяснить космологический парадокс видимого отсутствия антиматерии в доступных наблюдению частях Метагалактики. Согласно теории относительности, массивные тела искривляют пространство, и время искривляется. Это явление известно нам, как всемирное притяжение. Но вместе с искривлением пространства-времени могут искривляться и все мировые линии, становясь замкнутыми. Двигаясь по таким замкнутым линиям, объект из будущего неминуемо встретится с самим собой в прошлом и сможет повлиять на уже прошедшие события.

Существование в природе замкнутых мировых линий в свое время исследовал немецкий математик Курт Гедель. Замкнутые мировые линии, известные в научно-популярной и фантастической литературе как «петли времени», появляются в окрестности массивных черных дыр. Так, Хокинг и Торн показали возможность образования петель времени в туннелях, связывающих коллапсары. Затем к творческому коллективу Хокинга и Торна присоединился видный британский космолог Ричард Готт. Вместе им удалось на основе струнной теории доказать, что прохождение таких струн сквозь друг друга должно порождать петли времени. Убедившись, что петли времени не противоречат теории относительности, физики попробовали избавиться от логических парадоксов путем ввода некоего глобального принципа, исключающего вмешательство в собственное прошлое.

Более радикальное объяснение невозможности темпоральных парадоксов предложил сам Хокинг. Используя сочетание теории гравитации с квантовой механикой, описывающей движение элементарных частиц, он показал, что квантовые эффекты должны вызвать разрушение тех петель времени, которые предсказываются уравнениями Эйнштейна. Поэтому теория замкнутых мировых линий должна обязательно учитывать квантовые эффекты.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий. Впрочем, это не единственный космологический парадокс, ответы на который дает физика времени.

Подавляющая часть звезд и галактик находится от нас на расстоянии, с которого свет придет только через несколько миллиардов лет. За прошедшие десяток или больше миллиардов лет с момента вспышки первой звезды в нашей Вселенной их свет еще не успел достичь нашей планеты. Эти звезды находятся как бы за «берегом реки нашего времени». Те звезды, свет которых успел прийти в Солнечную систему, по расчетам астрономов, составляют лишь незначительную часть всех существующих звездных объектов. Именно поэтому яркость их света ничтожно мала, и ночью на окраине нашей Галактики — Млечного Пути — бывает темно. Так физика времени со своей точки зрения разрешила еще один знаменитый парадокс Ольберса, названный так по имени немецкого астронома позапрошлого века, сформулировавшего его.

Ответом на риторические вопросы Хокинга о сути квантового времени может служить вся история развития современной теоретической и квантовой физики, наглядно показывающая, что известные законы, по-видимому, не противоречат принципиальной возможности создания машины времени, позволяющей путешествовать в прошлое и будущее. Существуют даже многовариантные схемы конструкции подобного Т-агрегата. При этом общим здесь является необходимость предварительного создания в общем-то фантастических конструкций, сжимающих и скручивающих окружающее нас пространство. Подобные трудновообразимые «фокусы» с привычным нам окружением физики и математики называют «сложной топологией евклидового многообразия» или «изменением топологии трехмерного континуума». Интуитивно смысл этих загадочных фраз понятен, топология — это наука о геометрии пространств с различной размерностью, а многообразие и континуум — это все то же окружающее нас пространство.

Естественно, любая теория перемещения во времени пока еще является лишь голой теорией или чистой научной спекуляцией. Чаще всего, когда речь заходит о зримом образе времени, школьные учителя и университетские профессора, следуя классической теории, рисуют на доске стрелку и говорят, что существует лишь одно временное измерение, составляющее единственное одномерное временное пространство.

В соответствии с этой точкой зрения изменение событий прошлого автоматически меняет образ настоящего. При этом возникают любопытные парадоксы «временных петель». К примеру, что случится, если вы перенесетесь в прошлое и предотвратите встречу своих родителей? Популярный фантастический фильм «Назад в будущее» утверждает, что вы просто прекратите свое существование, навсегда исчезнув из реальности настоящего.

Сегодня считается установленным, что течение времени зависит от скорости перемещения тел, характера их движения и структуры окружающего пространства. На очереди построения реальных, с точки зрения современной физики, схем перемещения во времени. Какова же здесь может быть роль квантовой физики?

С помощью квантовой теории можно решить много трудных вопросов строения Т-агрегатов. Можно сконструировать «вход» и «выход» машины времени, а также канал межвременного перехода, при этом можно радикально «развязать» все петли времени, применив многомировую интерпретацию квантовой механики. «Хрононавт», путешествуя во времени, никогда не сможет внести каких-либо изменений в исходную реальность, поскольку он всегда будет находиться в иных мирах.

При этом вообще можно представить занятную ситуацию, когда независимые миры выстраиваются во временную последовательность, где каждый из них в своем развитии абсолютно копирует ушедших в будущее соседей. Вот в таком многомирье можно было бы путешествовать и в прошлое и в будущее, не опасаясь каких-либо петель времени и наблюдая при этом неискаженную реальность истории собственного мира.

Мы уже рассказывали про кипение физического вакуума, именно на этом самом элементарном уровне пространства-времени квантовая физика указывает на возможность возникновения петель времени. По квантовой теории пространство-время здесь имеет «пенистую» структуру, включающую множество микроскопических замкнутых мировых линий.

На главный вопрос квантовой хронофизики (если временные парадоксы могут быть успешно разрешены, сами по себе путешествия во времени возможны или нет?) Хокинг давал следующий ироничный ответ: «Лучшим доказательством невозможности таких путешествий является факт, что нас до сих пор не навещают толпы подобных визитеров из будущего».

Но профессор Торн, будучи горячим сторонником теории Мультиверса, отвечал своему коллеге следующим образом: путешествия во времени вполне могут быть самым обычным делом во Вселенной. Но это вовсе не значит, будто на нас должны валиться «толпы визитеров». Петли времени вряд ли являются частым явлением в космосе, а у внеземных цивилизаций могут быть свои, куда более важные приоритеты, кроме посещения нашего забытого провинциального уголка Млечного Пути. А кроме того, они давно уже могли побывать на одной из бесчисленных копий Земли и встретиться там с землянами — только не с нами, а с нашими копиями.

Продолжая свои исследования квантовой физики времени, Хокинг пришел к новым вопросам, каждый из которых порождал бурные споры на кафедральных и факультетских семинарах.

Почему в нашем мире не два, не три, а только одно время? Почему оно одномерно? Почему у пространства три измерения — длина, ширина, высота, а у времени всего лишь одно — длительность? Может ли быть так, что размерность пространства-времени в иных мирах кардинально отличается от нашей Вселенной? Как выглядят многомерные миры и можно ли их увидеть в принципе? А может, наш мир тоже многовременной, только мы этого не замечаем — родившись в чудовищном катаклизме Большого взрыва, он вместе со всеми скрытыми измерениями движется вдоль одной временной траектории, по которой мы отсчитываем время? Но если это так, то можно ли «активировать» скрытые возможности времени и пустить окружающую реальность по новым временным путям, и что при этом произойдет? Возможно, это будет связано с поглощением и выделением таких огромных количеств энергии, что будет сравнимо с космологическим коллапсом — Большим хлопком или Большим разрывом, ожидающим, по некоторым сценариям, нашу Вселенную?

Чем больше Хокинг погружался в тайны удивительного четвертого измерения нашей реальности, тем больше у него возникало вопросов, и тем сложнее они становились. Правда, время — настолько глубинная, фундаментальная особенность окружающего нас Мира, что всякая попытка хотя бы немного выйти за пределы уже известных его свойств неминуемо выводит в новую реальность совершенно фантастических явлений.

Точно сказать, что такое время, очень непросто. С точки зрения философии это — самая общая характеристика любых происходящих вокруг изменений. В этом его суть и смысл; в абсолютно неизменном мире времени нет. С точки зрения математики время — всего лишь параметр, нумерующий последовательности следующих друг за другом событий. Однако в обоих случаях возникает вопрос — почему все последовательности многообразных событий определяются только одной укладывающейся на линию величиной? Почему не может быть, например, плоскости с двумя временными или объема с тремя?

Можно было начать построение сказочной реальности с несколькими временами с простейших построений — было четыре мировых оси — три пространственных, одна временная, теперь стало больше. С точки зрения математики тут нет проблем, но как при этом изменятся физические свойства мира?

Если мы хотим реально говорить о возможности путешествий во времени, а тем более о Т-аппаратах, преобразующих время, то, конечно, необходимы эксперименты, которые бы позволили отыскать признаки существования квантов времени. Некоторые расчеты показывают, дискретность времени должна проявиться в экспериментах с микрочастицами, разогнанными до энергий в десятки миллиардов джоулей. Это очень большая величина, сравнимая с энергонасыщеностью всей современной промышленности, и даже самые мощные ускорители, которые планируется построить в ближайшее время, вряд ли смогут обеспечить хотя бы мизерную долю требуемой энергии. По всей вероятности, для проведения подобных экспериментов понадобятся принципиально новые источники энергии, иначе подобный ускоритель очень быстро истощит все планетарные ресурсы нашей цивилизации.

Чтобы обойти трудности, возникающие при фейнмановском суммировании всех возможных волн, обусловливающих результирующую траекторию частиц, Хокинг придумал математический прием, который состоит в том, что «складываются волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом мнимом. «Мнимое время, — писал он, — звучит, возможно, научно-фантастически, но на самом деле это строго определенное научное понятие».

Хокинг указывал на то, что данный термин не имеет никаких вненаучных коннотаций, а основан только на понятии мнимых чисел, операции с которыми давно стали предметом соответствующего раздела алгебры. Таким образом, Хокинг показал, что, перейдя к мнимым единицам времени, можно во-первых, корректно выполнить фейнмановское суммирование по траекториям, а во-вторых, обнаружить в пространстве-времени совершенно новые и необычные для стандартной теории происхождения Вселенной изменения понятий, — в таком мире «совершенно исчезает различие между пространством и временем», — констатировал он.

Этот математический прием, который, судя по результатам, может оказаться не менее важным для науки, чем преобразования Лоренца, приведшие Эйнштейна к специальной теории относительности, или решение Дирака, с помощью которого он предсказал существование античастиц (в частности, антиэлектрон), открыл перед физиками, занимающимися теорией эволюции Вселенной, и перед философами, пытающимися ее осмыслить и ввести в культурный контекст, совершенно новые перспективы. Отмечая эту новизну, Хокинг писал:

В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.

Эта возможность обусловлена тем, что пространственно-временной континуум оказывается представленным посредством комплексных чисел в евклидовых координатах, но имеющих продолжение в мнимую область. При таком описании мира пространство-время не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение Вселенной на этих границах.

Тогда нет и сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство и время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной — это отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.

Таким образом, посредством перехода к мнимому времени Хокинг создал другую языковую систему, в которой парадоксы, связанные с наличием сингулярностей, отсутствуют по причине отсутствия самих сингулярностей. Принятие такой интерпретации полностью меняет ход дискуссий вокруг проблемы происхождения Вселенной, поскольку исчезает сам предмет дискуссии: Вселенная — это то, что есть, к ней логически неприменимы трактовки, связанные с такими категориями как происхождение, начало, завершение и т. д.

Предвидя возможное сопротивление научного сообщества принятию таких существенных изменений в понятии времени, Хокинг обращал внимание на то, что представления о мнимом времени и, соответственно, о том, что время и пространство должны быть конечны и без границ, есть всего лишь теоретический постулат, который не выводится из какого-либо другого более общего принципа: как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно пройти реальную проверку — позволяет ли оно делать предсказания, согласующиеся с наблюдениями.

Но поскольку наши наблюдения происходят в действительном времени, то историю саморазвития Вселенной пока что следует интерпретировать в рамках модели Большого взрыва, где, несмотря на все усилия теоретиков, все же неустранимо присутствуют сингулярности.

Впрочем, такая двойственная и в деталях взаимоисключающая картина мира построенного с учетом новой физики, возникшей в начале прошлого века, в целом неудивительна. История науки знает много крайне неудачных попыток трактовать неоднозначность поведения объектов микромира с точки зрения классической механики, все равно так или иначе приводивших к принципу дополнительности и корпускулярно-волновому дуализму. В этой связи Хокинг рассуждал:

Может быть, мнимое время — это на самом деле время реальное, а то, что мы называем реальным временем, — просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностям, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, может быть, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным — это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную.

Хокинг считал, что в случае квантового мнимого времени ему удалось ввести одно из важных понятий квантовой теории, наряду с представлениями о квантовых скачках, спине частиц, волнах вероятности, неодновременности событий, о квантовом вакууме и других парадоксальных изысках новой физики. Надо заметить, что недосказанные мысли кембриджского теоретика быстро поняли британские философы. На сегодняшний день считается, что современные критерии научной рациональности позволяют ввести такие противоречивые, но чрезвычайно продуктивные для теории понятия, как мнимое время, в научный контекст на основе принципа эпистемологической дополнительности.

Таким образом, переход к представлению времени в мнимых единицах измерения позволил Хокингу ликвидировать неустранимые в стандартной теории Большого взрыва бесконечные расходимости, появляющиеся в точке сингулярности, и выстроить совершенно новую концепцию времени в модели «происхождения» Вселенной.

Оказалось, что мнимое время Хокинга самым непосредственным образом связано с новыми концепциями квантового времени. Так, оно способно более-менее надежно объединить множественные миры квантового Мультиверса и даже быть связующим звеном множественного Мироздания. Например, Хокинг ввел понятие «кванта мнимого времени», связывающего воедино все миры Мультиверса.

В подобных теоретических схемах миры квантового многомирья напоминают костяшки на бухгалтерских счетах, нанизанные на единую стрелу общего времени Мультиверса. Каждый хроноквант (10–44 с) в сингулярности Большого взрыва возникает новый мир, отправляясь в путешествие по стреле времени. В этой практически бесконечной череде вселенных действует и собственное время, показывающее возраст каждого конкретного мира. Оно отражает перемещение по стреле времени, как спидометр автомобиля показывает время поездки по пройденному расстоянию при строго определенной скорости. Так связь «внешнего» и «внутреннего» времен образует единую структуру Мультиверса.

По мнению Хокинга, решение вопроса «многовременности» нашей Вселенной или хотя бы Метагалактики следует искать среди далеких космических объектов, перемещающихся со сверхсветовой скоростью. Вместе со своим коллегой Мартином Рисом профессор Хокинг выяснил, что такие объекты действительно известны астрономам! Правда, пока все они нашли свое объяснение в рамках теории относительности или оказались оптическими иллюзиями, не связанными с многомерностью времени….

Вообще говоря, совместные исследования сэра Риса и Хокинга показывают, что тело с иной, чем у нас, временной траекторией может находиться в нашем времени только мгновение — в момент пересечения его и нашей траектории. Получается, что если мгновением раньше оно было еще в нашем прошлом, то мгновение спустя окажется в нашем будущем.

Фантазируя на эту тему, Хокинг на одном из семинарских занятий представил ситуацию, когда «иновременной» зонд, находясь в прошлом, посылает сигнал о своем прибытии. Этот сигнал должен содержать информацию о времени и координатах точки пересечения траекторий, иначе аппарат рискует появиться внутри материального тела, и это может привести к настоящей космической катастрофе.

Правда, эта ситуация возможна, если наша временная траектория параллельна или не сильно отличается от хода времени, установившегося после возникновения Вселенной в Большом взрыве. Последнее становится несколько понятнее, если учесть, что расстояние во времени и расстояние в пространстве — это совсем разные вещи. Объект может находиться в соседней комнате, даже на соседнем столе, но оставаться для нас невидимым, пребывая где-то в каменном веке. Посланный им сигнал пересек нашу временную траекторию в момент времени, который является для нас далеким прошлым. Сигналы из далекого времени мы получим лишь при условии, что передающий их объект и в пространстве находится достаточно далеко от нас в глубинах космоса…

Рассказывая об особенностях «многомирового» Мироздания, Хокинг подчеркивал, что в нашем Мире мы привыкли видеть астрономические источники света — солнце и звезды — столько времени, сколько они светят. Солнце вспыхнуло задолго до рождения нашей планеты и будет светить еще миллиарды лет, поэтому мы уверены, что оно никуда не исчезнет на протяжении космического мига нашей жизни. В многовременном мире это выглядит совсем не так. Светящийся объект внезапно появляется в поле нашего зрения, выныривая «из ниоткуда», когда достаточно близко подбирается к временному перекрестку, а затем, удалившись от него, становится невидимым и вообще исчезает.

Если бы временной вектор Солнца отличался от нашего на несколько сотых долей процента, оно освещало бы Землю всего несколько сотен тысяч лет. Из этого следует, что потоки времени Солнца и Земли практически параллельны, ведь наша планета пользуется солнечным теплом и светом не менее 5 миллиардов лет.

Все эти кажущиеся исчезновения и появления предметов привлекли внимание Хокинга к вопросам баланса энергии в многовременном мире. Дело в том, что в теории с несколькими временами энергия имеет направление распространения в пространстве, являясь вектором. А раз так, то может случиться, что его компоненты компенсируют друг друга — вещества будет рождаться все больше и больше, а энергия останется неизменной.

Ученые уже очень давно обратили внимание на тот удивительный факт, что уравнения физических теорий построены так, что прошлое и будущее в них абсолютно равноправно. Так что с помощью одних и тех же уравнений можно рассчитать как взрыв с разлетом осколков, так и процесс их слияния, однако каждый из нас хорошо знает из собственного опыта, что в реальной жизни это не так. Реальное время течет только в одном направлении.

Поскольку вектор энергии направлен вдоль времени, изменение временной траектории тела должно сказаться на его энергии, и наоборот. Увеличивая или уменьшая наклон временных траекторий, мы можем получать энергию с помощью своеобразных Т-конверторов и, используя специальные агрегаты из иного времени в качестве сверхмощных аккумуляторов, сохранять ее.

Сегодня мы естественно воспринимаем глубочайший атомизм явлений и предметов окружающей нас физической реальности. Из «квантовых лекций» Хокинга становится ясно, что параметры микрообъектов, вообще говоря, вводятся больше для удобства расчетов. На самом деле и импульс, и положение частицы довольно неопределенны. При этом чем более определенна одна величина, тем более неопределенна будет другая. Физики-теоретики даже сумели выразить количественно соотношение определенности и неопределенности и реально им пользуются при описании различных событий в микромире. Так обстоят дела с описанием электронов, фотонов и других частиц, о которых на сегодняшний день физики знают достаточно много. А как же быть со временем?

В рамках классической физики электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, может обладать любой энергией, но квантовая механика допускает только определенные, строго фиксированные дискретные значения энергии. Различие такое же, как между измерением объема жидкости, образующей непрерывный поток, и определением количества воды, атомы которой можно сосчитать.

Иными словами, пространство не непрерывно и состоит из определенных квантовых единиц площади и объема. Возможные значения объема и площади измеряются в единицах, производных от длины Планка, которая связана с силой гравитации, величиной квантов и скоростью света. Длина Планка невообразимо мала и определяет масштаб, при котором геометрию пространства уже нельзя считать непрерывной.

Самая маленькая возможная площадь, отличная от нуля, примерно равна квадрату длины Планка, а наименьший объем, отличный от нуля, — куб длины Планка. Квант объема настолько мал, что в кубическом сантиметре таких квантов больше, чем кубических сантиметров в видимой Вселенной.

Любопытно, что движение частиц и полей в пространстве на таком глубочайшем уровне материи будет представлять собой скачки по силовым петелькам. Это чем-то похоже на смесь прыжков кенгуру на батуте и движения шахматной фигуры коня. Частицы и поля — не единственные движущиеся объекты в таком парадоксальном Мире. По общей теории относительности, перемещение материи и энергии обязательно изменит само пространство, и по нему побегут волны, подобно мертвой зыби на морской глади.

В теории квантовой гравитации такие процессы изображаются ступенчатыми сдвигами не некоторой условной поверхности, при которых шаг за шагом изменяется сам рельеф пространства. Все это очень напоминает картины природных катаклизмов из научно-фантастических фильмов, когда по земной поверхности бегут трещины, при этом она вспучивается и проваливается.

Вспомним, что в теории относительности пространство и время неотделимы и представляют собой единое пространство-время. В теории петлевой квантовой гравитации такое пространство-время чем-то напоминает поверхность мыльной воды, покрытой шапкой особой спиновой пены.

В процессе разработки теории квантовой гравитации группа американских исследователей предсказала удивительное явление: фотоны различных энергий должны перемещаться с разными скоростями и достигать наблюдателя в разное время. Пока еще точность современных приборов в сотни раз ниже необходимой, но уже в недалеком будущем планируется запустить спутниковую обсерваторию, оборудование которой позволит провести долгожданный эксперимент.