Как наука объясняет течение времени, во многих физических уравнениях его направления как бы нет, физика часто не видит особую точку настоящего. Самое распространенное объяснение стрелы времени связано с термодинамикой: именно увеличение энтропии во Вселенной определяет направление течения времени, не позволяя физическим процессам обратиться вспять. Но профессор кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Сергей Рубин предложил новую концепцию природы времени: стрела времени определяется расширением Вселенной в широком спектре измерений, в том числе скрытых. Таким образом, время бы текло, даже если бы во Вселенной не было вещества, а был бы один вакуум. Об этом – его статья в The European Physical Journal C.
– В классической физике (Эйнштейн) время – это всего лишь координата, равноправная с пространством. В термодинамике это мера роста энтропии. Какова, по мнению профессора Рубина, суть времени и почему его подход можно назвать «геометрическим империализмом»?
– Основная проблема понятия времени состоит в том, что в гравитации – это действительно одна из четырех равноправных координат, в то время как квантовая механика выделяет временную координату, например при записи уравнения Шредингера. Это одна из причин, почему теория квантовой гравитации еще не создана. С точки зрения гравитации мы имеем четырехмерное пространство, определяемое четырьмя координатами. Никакой стрелы времени нет. Главный вопрос состоит в том, каким образом из четырех изначально равноправных координат выбрать одну. Этому и посвящена статья в журнале. Насчет «империализма» – совсем не уверен, что этот подход так можно назвать
– Основной революционный тезис гласит, что время будет течь даже в полной пустоте. Если убрать все частицы, поля и излучение, что именно будет «тикать» и создавать разницу между «до» и «после» в вакууме?
– Тикать будет гравитация дополнительного пространства. Если убрать все частицы, поля и излучение, геометрия дополнительного пространства все равно может изменяться. И именно это изменение создает различие между «до» и «после». На данный момент одно из активно исследуемых направлений современной теоретической физики – это гипотеза о существовании дополнительных пространственных измерений, которые настолько малы, что мы не детектируем их никакими приборами. Если дополнительные измерения существуют, то эксперименты говорят нам, что их размер должен быть по крайней мере на пять порядков меньше ядра атома. Свойства дополнительных измерений могут определять параметры и эффективные законы физики, наблюдаемые в нашем четырехмерном мире. Аналогией может служить лист бумаги, на котором живут двухмерные существа. Они не чувствуют толщины листа, но от его толщины – третьего измерения – зависит, бумага ли это или медная фольга.
– Вводится новый фундаментальный постулат, что любой переход увеличивает энтропию. Не является ли это просто переформулировкой второго закона термодинамики в терминах геометрии или же этот постулат запрещает нечто, что второй закон еще позволял (например, флуктуации в малых системах)? Механизм и отличие.
– Второй закон термодинамики утверждает, что чисто статистически система переходит в состояние с большим числом состояний, при этом предполагается, что стрела времени уже существует. Второй закон термодинамики опирается на наличие стрелы времени, а не доказывает ее. Длительные дебаты среди ученых, начиная с Пенроуза, постепенно приводят к убеждению, что должен существовать новый закон природы – постулат, объясняющий, как время выделяется из четырех изначально одинаковых координат. Разные формы таких постулатов известны в литературе. В статье предложена своя формулировка.
– Обычную Вселенную мы видим – она расширяется. Как именно «расширяется» свернутое (компактифицированное) измерение? Что означает «рост объема» того, что по определению меньше планковской длины, и как мы можем математически описать этот рост?
– Представьте себе остров в океане. Это аналог компактного пространства. Люди могут жить на этом острове и ничего не знать про океан. И, кстати, про соседние острова. Расширение океана аналогично хорошо известному и доказанному расширению Вселенной.
– В тексте фигурирует гигантское число 1064106410641064 для роста энтропии. Как этот параметр связан с возрастом Вселенной? Если бы расширение скрытых измерений остановилось, остановилось бы время, согласно этой модели?
– Это грубая оценка изменения энтропии, за время жизни Вселенной. Если бы расширение скрытых измерений остановилось, то остается еще расширение нашей Вселенной, которая обеспечивает известную космологическую стрелу времени, которая, впрочем, намного слабее многомерной. К чему привела бы такая смена, предстоит разбираться.
– Модель мира-браны описывает нас как пассажиров на корабле, не видящих течения. Если мы «приклеены» к 3-бране и не можем проникнуть в объем (bulk), можем ли мы экспериментально зафиксировать это «течение» (например, через аномалии в гравитационной постоянной или в спектре реликтового излучения)?
– Это самый тяжелый вопрос современной физики в целом. Он касается не только дополнительных измерений, но и физики частиц и происхождения Вселенной с ее известными законами. Дело в том, что, похоже, вся физика формируется при планковских масштабах, а современным приборам доступны только гораздо большие масштабы – на 14-15 порядков больше, чем нужно для проверки моделей. Поэтому ответ – да, вообще говоря, все эти теории и модели проверяемы, но не в настоящее время. Это не позволяет отличить одну модель от другой, в результате чего существует множество моделей, и что с этим делать на данном этапе, непонятно.
– Традиционно физикам приходилось постулировать, что в начале Вселенной энтропия была очень низкой (странное условие). Как предложенный механизм избавляет нас от этого «неестественного» допущения? Возникает ли энтропия из ниоткуда просто за счет появления нового объема?
– Энтропия растет с объемом. Если говорить просто, то объем заполнен гравитационным полем, которое и порождает энтропию. Малость начальной энтропии Вселенной нужна для обоснования сегодняшней энтропии Вселенной в предположении, что работает только космологическая стрела времени. Рост объема дополнительных измерений настолько стремителен, что не имеет значения, какой была энтропия изначально. За время жизни Вселенной энтропия увеличится многократно по сравнению с начальной.
– В квантовой механике уравнения симметричны во времени. Если глобальная стрела задается геометрией скрытых измерений, пытались ли вы оценить, на каких масштабах (размер частицы или размер галактики) эта «геометрическая сила» начинает подавлять квантовую обратимость?
– На самом деле симметричность по времени не означает обратимость. Это относится к уравнениям как квантовой механики, так и классической физики. Если изначально «время растет», то сделать его убывающим не представляется возможным. И наоборот. А вот если пространственная координата растет, то развернуть ее в другую сторону вполне возможно. Все мы ходим на работу и возвращаемся домой. При этом пространственная координата как увеличивается, так и уменьшается, а время только растет. Поэтому надо сначала решить, растет у нас время или убывает, и придерживаться этой точки зрения уже все время.
– Математически модель допускает существование областей, где расширение сменяется сжатием? И если да, то означает ли это, что в сжимающихся скрытых измерениях время потечет вспять для гипотетического наблюдателя?
– Первый ответ – нет. Такую модель, наверное, можно построить, но сложно, да и цель не ясна.
– Что должно произойти, чтобы теория Рубина была опровергнута? Существует ли гипотетический эксперимент (например, в коллайдере или при наблюдении за гравитационными волнами), который мог бы показать, что скрытые измерения не расширяются с нужной скоростью или что их геометрия статична, а не динамична?
– Если будет показано, что наблюдаемые свойства Вселенной несовместимы с необходимым расширением дополнительных измерений, это станет серьезным аргументом против нашей модели. Добавлю, что фальсифицируемость теории (возможность постановки экспериментов, которые могут объяснить или опровергнуть теорию) – вещь хорошая, но современные теории таковы, что на их проверку ресурсов человечества еще долго не хватит. Что печально. И замечание напоследок. Мы же стремимся к физической теории, которая, по крайней мере в будущем, объяснит все. Это означает, что конечная теория не фальсифицируема.