Що таке час для фізиків, чи можливі подорожі в майбутнє та минуле і навіщо нам «»? Про це «Куншт» поговорив із британським фізиком-теоретиком і популяризатором науки Джимом Аль-Халілі в межах проєкту «Куншткамера».
Як ви уявляєте час як фізик?
Фізики думають про час інакше, ніж загальноприйнято. Більшість людей, коли ви запитаєте, що таке час, просто уявляють, що десь є космічний годинник. Час іде. Ми не маємо над ним влади. Він тече. Ми не можемо сповільнити його. Не можемо пришвидшити його. Ми стаємо старшими. Ми нічого не можемо вдіяти з часом.
Але насправді з точки зору фізиків час — це щось інше. Час — це те, чим ми можемо певним чином керувати. Ми можемо сповільнити час, наприклад, відповідно до теорії відносності Айнштайна. Я досліджую різні погляди на час, бо різні теорії фізики розглядають час по-різному. Чи тече час, наприклад? Або час просто існує, а ми рухаємось крізь нього? Чи можна повернути час назад? Чому час рухається лише в одному напрямку? Звідки взявся цей напрямок? Фізики зараз ставлять дуже глибокі запитання.
Справді, у квантовій механіці, загальній теорії відносності й термодинаміці час — це різні речі. Чому ми маємо різні погляди на одне й те саме явище? І чи матимемо ми коли-небудь цілісне уявлення про час, яке базується на всіх цих теоріях?
Це дуже цікаво, бо, як ви сказали, у нас є різні способи описувати Всесвіт. Є, яка описує і гравітацію та веде до розширення Всесвіту після Великого вибуху. Є квантова механіка — теорія дуже малого субатомного світу. Є термодинаміка, яка перебуває посередині між теорією відносності в масштабі космосу та мікроскопічним квантовим світом. Термодинаміка багато в чому стосується тепла, енергії та процесів, що нам знайомі. І кожна з цих трьох картин реальності дає нам своє визначення часу.
У теорії відносності час — це четвертий вимір. І ми говоримо саме про простір-час — не окремо про простір і час, а про простір-час разом.
У квантовій механіці час — це лише число. Ми називаємо це параметром. Тобто в рівняннях у квантовій механіці, наприклад у , ми ставимо запитання: як поводиться цей атом у певний момент часу? А потім ми використовуємо рівняння, щоб сказати, що цей атом робить в інший час у минулому чи майбутньому.
У термодинаміці ми кажемо, що час — це не вимір і не параметр. Є стріла часу (time’s arrow). Вона простягається з минулого в майбутнє в напрямку зростання ентропії. Ентропія — це величина, яка вказує наскільки Всесвіт впорядкований (її ще називають мірою хаосу — прим. ред.).
Тож, це дуже різні картини часу. І мені здається, що поки ми не зможемо поєднати ці різні картини реальності, ми не зможемо зрозуміти природу часу. Це те, над чим зараз працюють фізики. Як поєднати теорію відносності з квантовою механікою, щоб отримати квантову теорію тяжіння? Як поєднати термодинаміку і квантову механіку? Нам потрібна «теорія всього». І я думаю, що тільки тоді ми матимемо коректне визначення того, що таке час.
Дуже вам дякую. Я повернуся до «теорії всього» ще трішки пізніше. Зараз я хочу запитати вас ще про час. Чи можливо в детерміністичному світі отримати доступ до інформації про стан системи у віддаленому майбутньому, зокрема конкретні деталі? Чи можливо це хоча б гіпотетично? Чи це ідея лише для наукової фантастики?
Це можливо, але добре при цьому вживати слово «гіпотетично». Якщо ми живемо в детерміністичному всесвіті, це означає, що майбутнє визначене. Але воно визначається на основі інформації, яку ми маємо про теперішній час. І що більше ми хочемо передбачити або що більш точний опис майбутнього ми хочемо, то більше нам потрібно знати про теперішнє.
Найпростіший приклад — це передбачення погоди. Зараз у нас є достатньо інформації з супутників та інших інструментів для вимірювання, щоб передбачити, чи буде завтра дощ у Великобританії, наприклад. І ми можемо досить надійно це спрогнозувати. Але чи можемо ми передбачити, чи буде дощ у цей день наступного року? Ні. Чому? Бо забагато змінних. Нам потрібно знати положення кожної молекули в повітрі, в атмосфері, а також все, що відбувається в океанах. Тому передбачити майбутнє гіпотетично можна. Але щоб переміститися в майбутнє, нам потрібно точна інформація про кожну частинку у Всесвіті в цей момент.
Тож, гіпотетично — так, на практиці — непросто. Однак подорож у часі виглядає не такою вже фантастичною ідеєю. Щонайменше так мені здається після вашого есе у книжці «Що далі? Все, що наука знає про наше майбутнє». Сама ідея подорожі в часі походить із загальної теорії відносності. Але як цього досягти на практиці? Не зараз, звичайно, а загалом.
Це залежить. Коли ми говоримо про подорожі в часі, потрібно розрізняти подорожі в часі в майбутнє й минуле. Подорожі в часі в майбутнє — можливі. Це не обов’язково значить, що майбутнє чекає на нас, що воно таке ж сформоване й визначене як теперішнє. Це означає, що є способи, за допомогою яких ми можемо сповільнити час. Тобто ми можемо потрапити в майбутнє раніше, ніж будь-хто інший. Наприклад, якщо я подорожував би по Всесвіту в ракеті зі швидкістю, близькою до світла, і повернуся б на Землю, то для мене минув би, певно, тиждень чи місяць, а на Землі міг би пройти рік чи сотні років. Бо мій час не плинув би з тією ж швидкістю, що й час на Землі. Тому можна сказати, що я побував би в майбутньому.
Інший спосіб уповільнити час — знайти й переміститися кудись, де дуже сильна гравітація, як у фільмі «Інтерстеллар», де Меттью МакКонагі грає астронавта, який [на космічному кораблі] перебуває близько до чорної діри. І він знає, що там така сильна гравітація, що, можливо, поки він годину перебуває біля цієї чорної діри, на Землі минають роки. Бо час йде з різними швидкостями. Отже, сповільнивши час, ми можемо потрапити в майбутнє. Але нас зупиняють технології. У нас немає достатньо швидких ракет. І в нас немає доступу до чорної діри недалечко.
Мандрувати в минуле складніше переважно не тому, що математика каже, ніби це неможливо, а логіка. Є багато парадоксів стосовно подорожі в минуле, які ми поки не можемо вирішити. Але математика загальної теорії відносності Айнштайна каже нам, що подорожі в часі в минуле мали би бути можливими. Ми просто не знаємо, як це до чогось застосувати. Як я можу повернутися в минуле і змінити його, якщо я знаю, що зараз воно інше? Тоді я потраплю в інше минуле? Чи в інший Всесвіт? Стосовно цього є речі, які ми не розуміємо.
Кілька місяців тому серед нашої спільноти я поширила статтю фізика Джермейна Тобара. Він математично описав можливість уникнення парадоксів з можливою свободою волі. Згідно з цією моделлю, мандрівник може теоретично робити в минулому все, що він захоче, але простір-час адаптується до цих змін. І, зрештою, ті речі, які мали статися, стануться. Тобто хтось може повернутися назад у минуле, щоб запобігти якійсь хворобі, але простір-час зміниться так, що ця хвороба однаково виникне. Чи вважаєте ви такі теорії серйозними?
Я думаю, що це цікаво. Це захопливо. Але ця теорія означає, що ми не маємо свободи змінювати минуле.
Деякі з цих часових парадоксів я досліджував у своїй першій книжці десь 24 роки тому «Чорні діри, червоточини та машини часу» (англ. Black Holes, Wormholes and Time Machines). Я писав, що якби хтось зміг повернутися в минуле з ядерною зброєю, щоб зруйнувати метеорит, який вбив динозаврів 65–66 мільйонів років тому, чи змогли б вони змінити хід історії, внаслідок чого вижили б динозаври? І якби динозаври вижили б, то, можливо, люди ніколи б не змогли еволюціонувати на Землі. Що б тоді сталося? Це повертає нас до теорії, яку ви розповіли. Якби хтось міг влучити в метеорит, він би розбив його. Але один фрагмент однаково потрапив би на Землю й знищив би динозаврів. Так чиясь спроба знищити метеорит стала причиною того, що все сталося. І хтось мусив би зробити спробувати зруйнувати метеорит, щоб все сталося так, як мало статися. Отже, майбутнє визначається тим, що сталося в минулому. Мені здається, що в цьому питанні завжди можна знайти проблеми, й мене досі засмучують ці парадокси.
Якщо повернутися до «теорії всього». Попри те, що всі її прагнуть, чи справді вона нам потрібна? Чи може фізика існувати без поєднання всіх теорій?
Є багато напрямів у фізиці, де ми можемо прогресувати й уже прогресуємо, не потребуючи «теорії всього»: астрофізика, фізика атомних частинок, квантова фізика, розробка квантових комп’ютерів. Ми намагаємося зрозуміти природу квантового світу й здатні значно просунутись уперед у цьому. Тож ми можемо дізнатися про Всесвіт багато без «теорії всього».
Але, зрештою, якщо ми справді хочемо зрозуміти фундаментальну природу реальності, нам доведеться застосувати одночасно теорію відносності й квантову фізику, а ми не знаємо, як це зробити. Тому в нашому розумінні точно чогось бракує. Не можуть обидві теорії бути правильними. Ми не можемо мати дві теорії, які дають нам дуже різні картини реальності й обидві правильні. Одну з них або обидві доведеться якось змінити.
Тому я думаю, що нам все-таки потрібна «теорія всього», . Ми не знаємо, чи нею стане одна з теорій-кандидаток, над якими сьогодні працюють. Наприклад, або . Але я думаю, що є ще багато запитань і невідомого. Навряд завтра ми знайдемо відповіді.
Ви згадали теорію суперструн і петльову квантову гравітацію. Є ще й інші теорії. На яку теорію ви найбільше покладаєтеся?
Мені складно відповісти, тому що я не працюю конкретно в цій галузі досліджень. Тож мої знання залежать від того, що я знаю зі слів колег — інших фізиків, які працюють над цією темою, і від того, наскільки я поважаю їх і їхні ідеї. Над теорією суперструн чи петльовою квантовою гравітацією працюють дуже розумні люди. Наприклад, Карло Ровеллі. Я дуже поважаю його, але багато фізиків надають перевагу теорії струн. Справді дуже-дуже розумні люди всю свою кар’єру розвивають теорію струн. Також я знаю людей, які думають, що теорія струн не є навіть справжньою науковою теорією, це просто математика. Потужна математика. Бо науковою теорією є та, яку можна перевірити під час або спостережень. А ми не знаємо, як протестувати теорію струн.
Ми не знаємо чи потрібно змінити квантову механіку, чи теорію відносності, чи відкинути обидві теорії й почати знову. Очевидно, що обидві є хорошими спробами. Вони не неправильні. Ми знаємо, що кожна правильна у своєму ключі, але мені здається, що доходить майже до релігійності, коли запитують, у правильність якої теорії ти віриш. Та це не про віру. Це наука. І ми досі не знаємо, як науково протестувати ці ідеї.
Також хочу згадати про статтю 1981 року Стівена Гокінґа. Я знаю, що ви знаєте її, але я б хотіла процитувати один фрагмент нашій аудиторії. Ця стаття1 називається «Is the End in Sight for Theoretical Physics?»: «У цій статті я хочу обговорити можливість того, що ціль теоретичної фізики може бути досягнута в недалекому майбутньому, скажімо, до кінця століття. Під цим я маю на увазі, що ми можемо мати повну, послідовну та уніфіковану теорію фізичних взаємодій, яка описала б усі можливі спостереження». Що ви думаєте про це? Ця стаття написана в 1981 році. Та чи настане колись кінець теоретичній фізиці?
Я сподіваюся, що ні. Мені досі подобаються таємниці, тому я сподіваюся, що це не станеться за мого життя. Мені подобається розв’язувати проблеми. Якби ми мали всі відповіді, що тоді б було? Що б ми робили?
Як ви сказали, цю статтю Гокінґ написав у 1981 році — в час, коли були в теоретичній фізиці був великий ажіотаж. Це було до революції в теорії струн у середині 1980-х роках. Фізики працювали над, над тим, скільки вимірів у Всесвіті — 10, 20 чи більше? І мені здається, Стівен Гокінґ у той час відчував, що вони дуже-дуже скоро до чогось дійдуть. До середини 80-х відбулася революція в теорії струн, яка представила нам теорію суперструн. А через десять років, у 1990-х, відбулася друга революція в теорії струн. Едвард Віттен та інші фізики розвинули ідею . Але був великий ажіотаж, всі говорили, що, можливо, це вже «теорія всього». І ось ми у 2023 році, і ми досі не знаємо.
Я б сказав, що сьогодні ми далі від «теорії всього», ніж уявляв собі Стівен Гокінґ понад 40 років тому. Відтоді з’явилися великі загадки, наприклад, темна енергія, що спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Замість розгадок ми знаходимо нові запитання. І ми все ще не знаємо, чи правильна теорія струн, тоді й, можливо, суперсиметрія як математична ідея правильна. Ми шукали докази цієї теорії у . І якби це було правдою та якби це було просто, ми б мали відкрити якісь нові частинки. Ми відкрили 10 років тому. Відтоді ми більше нічого не знаходили. Те, що ми не наблизилися до теорії всього, викликає трохи фрустрацію. Але водночас це робить життя цікавим. Приємно шукати та намагатися розгадувати таємниці.
І якщо говорити про це, на яке відкриття в сучасній фізиці ви чекаєте найбільше?
Мій бекґраунд пов’язаний із квантовою фізикою. Я починав спеціалізуватися на дослідженнях з ядерної фізики. Зараз я досліджую квантову механіку в біології. Тож я працюю у двох напрямках досліджень. Перший — дуже цікавий у біології. Ми виявили, що всередині живих клітин відбуваються певні квантові явища, які є незвичайними і неочікуваними для нас. І ми намагаємося зрозуміти, як життя може використовувати квантові механізми? Чи як життя знає про квантові механізми? Як у нього розвинулася спроможність розуміти квантовий світ? Чи особливе життя? Звісно, ми знаємо, що життя — особливе, але чи воно різне через квантові механізми? Чи грає квантова механіка роль? Це фундаментальні питання, якими я задаюся.
Інше масштабне питання, над яким я зараз працюю — це природа часу, про що ми вже почали говорити. Чому час має напрямок з минулого в майбутнє? Це фундаментальне питання у фізиці. Бо всі рівняння у фізиці: фундаментальні рівняння в термодинаміці, рівняння Шрьодінґера у квантовому світі, рівняння Ньютона в механіці, які ми вчили в школі — у всіх фізика залишиться правильною, якщо змінити напрямок часу. Але ми знаємо, що не можемо змінити напрямок часу. Ми не можемо додати молока в каву й потім дістати його назад. Ми не можемо стати молодшими. Ми завжди стаємо старшими. Отже, час має напрямок. Для мене загадка в тому, як з’явився цей напрямок? До чого тут зворотність і так звана T-інваріантність — властивість фізичної системи не змінювати своїх характеристик при зміні напрямку часу — у рівняннях фізики? Я вважаю це дуже захопливим, бо це пов’язано з філософією. І я в тому віці у своєму кар’єрному розвитку, коли відчуваю, що можу почати спілкуватися з філософами. Коли я був молодшим, я був зайнятий своїми дослідженнями. Мені потрібно було публікувати статті, і я мав займатися серйозною фізикою. У мене не було часу говорити з філософами фізики. Тепер мені здається, що насправді є дуже цікаві питання, дуже глибокі й метафізичні питання, масштабні проблеми, які варто розв’язати. Можливо, це зробить хтось інший, а не я. І ці питання на межі фізики й філософії.
Ви сказали про молоко й каву, і я згадала про уявний експеримент — Демона Максвелла. Знаю, що у вас є відео2 на цю тему. Які вам подобаються химерні концепції на зразок Демона Максвелла чи «»? Тобто ідеї, які вражають — стосовно майбутнього або загалом гіпотетичних дивних речей?
Є багато таких прикладів. Є різні демони: , про передбачення майбутнього. Є концепція «Больцманівського мозку»: якщо Всесвіт може існувати досить довго, можуть виникати крихітні флуктуації, через що з хаосу виникне порядок. Ентропія інколи може зменшуватися, і якщо вона достатньо зменшиться, можна створити якусь складну структуру. Є багато подібних потішних прикладів, як ці.
Думаю, найцікавіший приклад для мене — це те, що називають. Як у цьому відомому прикладі з котом Шрьодінґера в коробці: поки ти не відкриєш коробку, кіт одночасно живий і мертвий, це пов’язано з певними квантовими процесами. Що ж відбудеться, якщо відкрити коробку? І переважно цю проблему вимірювання у квантовій фізиці вдається вирішити за допомогою таких ідей як . Але все ще залишається питання, пов’язане з вибором: що ми бачимо, коли відкриваємо коробку — кіт живий чи мертвий? І тут знову в гру вступає філософія, тому що це стосується того, якій інтерпретації квантової механіки ми надамо перевагу. А це дуже суб’єктивно. За , проблеми немає: ти відкриєш коробку і побачиш мертвого кота. Чому? Бо в іншому Всесвіті інший ти відкриєш коробку й побачиш живого кота. І обидві версії тебе існують, але в окремих Всесвітах. Це якщо просто пояснити, але, звісно, це має дуже дивний метафізичний наслідок, що є багато-багато паралельних світів. Є й інші способи пояснити квантову механіку, але ми досі не знаємо, яка інтерпретація є коректною. І проблема вимірювання — це хороший спосіб підсвітити ці нюанси.
Ви згадували про квантові ефекти в біології, в живих клітинах. Чи могли б ви, будь ласка, розповісти про це? Що там цікавого, незвичайного, що вас захоплює?
Ця ідея сягає своїм корінням ще часів перших засновників квантової механіки Нільса Бора та людей, які працювали з ним. Вони були дуже зарозумілі. Вони вірили, що квантова механіка пояснила всю фізику й хімію і вона, звісно, може пояснити біологію. Але молекулярна біологія та генетика розвивалися тоді паралельно й вони не потребували ніякої допомоги від квантової механіки.
В останні десятиліття з’явилися конкретні експериментальні результати, які припускають, що всередині живих клітин відбуваються квантові ефекти. Наприклад, під час фотосинтезу — коли пігмент хлорофіл у рослинах чи деяких бактеріях вловлює фотон сонячного світла й доставляє його у так званий у клітині задля перетворення на хімічну енергію. І спосіб, у який хлорофіл доставляє фотон, схоже, подібний до того, як атом проходить через дві щілини під час експерименту у квантовій механіці. Фотон, здається, проходить кількома маршрутами одночасно, і цим можна пояснити підвищення ефективності фотосинтезу. Ензими (ферменти) використовують квантове протонів з одного місця в інше. І нам відомо протунелюванняу фізиці й хімії, але незвичайно, що такі ефекти можуть трапитися в живій клітині. Квантові ефекти зникають дуже швидко, але, схоже, що цього достатньо, щоб мати якийсь вплив.
У дослідженні ми розглядаємо, як деякі фотони перестрибують між нитками ДНК, подвійною спіраллю ДНК. І ці фотони можуть тунелювати з одного боку спіралі на інший. Але якщо це стається й вони потраплять не на той бік, коли нитки ДНК розщеплюються в процесі реплікації (подвоєння), це може призвести до мутації. І ми вивчаємо, якщо таке трапляється, тоді чому ми не бачимо набагато більше мутацій у клітинах? І схоже, що ензими розвинули спроможність перешкоджати цьому. Вони ніби борються проти квантових механізмів. Тож у цій сфері є багато цікавих ідей.
Це невеликий напрям, і він дуже міждисциплінарний. Для таких досліджень потрібні фізика, хімія й біологія. А фізики не люблять біологію, бо вона заскладна. Біологи не люблять квантову механіку, бо вони ніколи її не вивчали. А хіміки, які посередині, дивуються, у чому взагалі проблема. Все є хімією, і хімія — квантова. Тоді навіщо ж винаходити новий напрям квантової біології? Тому багато науковців скептично ставляться до цього. І це добре. Це захоплива царина.
Ми багато говорили про справжню науку, але ще не говорили про вас як популяризатора науки. Я б сформулювала питання так: чи варто, на вашу думку, сперечатися з прихильниками теорій змов?
Звісно, це чималий виклик. Якщо хтось вірить у теорію змови, тоді за визначенням, які б докази й аргументи ви йому не надали, він ніколи не змінить свою думку. Я завжди кажу, що різниця між науковою теорією та конспірологічною помітна, якщо запитати в прихильника теорії змови, які докази я можу йому надати, щоб переконати його в тому, що він помиляється. Хоч би що ви йому сказали, він це проігнорує або перекрутить так, що підтвердити свою теорію.
Тому може здатися, що це втрата часу. І це певною мірою так. Але я гадаю, що ми маємо намагатися далі. Але ми не маємо ставитися до таких людей як до дурних і ідіотів. Насправді деякі дуже розумні люди вірять у дуже дивні речі. Але вони можуть вірити в ці ідеї з різноманітних причин.
Нам варто показувати, що ми, науковці, можемо змінювати свою думку. Коли я вірю, що щось є правильним, і потім мені показують докази помилковості моєї теорії, то я маю змінити свої погляди. Треба демонструвати, як ми займаємося наукою, що визнавати свої помилки й змінювати думку нормально. Мені здається, що це єдиний спосіб переконати їх. Не вказувати, що вони помиляються, а показати їм, як вони можуть проаналізувати свої вірування й упередження, і сподіватися, що вони навчаться чогось з цього, почнуть ставити собі запитання. Тому, мабуть, більш м’який підхід — єдиний спосіб досягти в цьому прогресу.
