«Можно измерять в метрах»: российский физик — об эффектах замедления и обратного хода времени
Вселенная расширялась с разной скоростью на различных этапах своей эволюции, установить это позволили астрономические наблюдения учёных. При этом общая теория относительности не исключает существования вселенных, в которых время течёт в обратном направлении — на практике это может означать, что такие вселенные не расширяются, а сжимаются. Об этом в интервью RT рассказал заведующий кафедрой теоретической физики МФТИ доктор физико-математических наук Эмиль Ахмедов. Учёный также объяснил, почему время на орбите идёт иначе, чем на поверхности Земли, а ещё рассказал, как физики детектируют колебания пространственно-временного континуума — гравитационные волны. Когда такая волна проходит через Землю, атомные часы, расположенные в разных концах планеты, дают специфические сбои.
— Учёные подтвердили теорию, согласно которой время в первый миллиард лет после Большого взрыва текло во Вселенной медленнее, чем сейчас. Для этого исследователи изучили развитие почти 200 квазаров (сверхмассивных чёрных дыр в центрах галактик) за 20 лет. Данные косвенно подтверждаются зарегистрированными на разном расстоянии от Земли вспышками сверхновых — здесь также отмечалось изменение скорости течения времени. Что это означает для науки, для нашего понимания явления времени?
— Нет такого понятия, как скорость течения времени. Под временем физик понимает исключительно то, что можно измерить в таких единицах, как, например, секунды или часы. Для определения продолжительности любого процесса нам нужно задать какой-то эталонный периодический процесс, например колебания маятника или колебания молекулы, и взять одно колебание за единицу измерения времени — это называется выбором эталона времени. Сколько таких эталонных колебаний уместится в определённом процессе, столько времени он и длится.
Так что всё очень просто: время — это то, что измеряется в секундах, а пространство — то, где промежутки измеряются в метрах. Ничего более под пространством и временем физики не подразумевают. Кроме того, физика — это наука о соотношениях между величинами, которые можно измерить в метрах, секундах и килограммах или в любых других единицах, которые определяют длины, промежутки времени и массы.
В вашем вопросе речь, скорее всего, идёт об исследовании, в котором было установлено, что Вселенная расширялась с разной скоростью на разных этапах своей эволюции. Это связано с тем, что в первый миллиард лет после Большого взрыва во Вселенной доминировал один тип энергии, а потом начала доминировать тёмная энергия, что ускорило процесс расширения Вселенной. Именно тёмная энергия сейчас играет основную роль в расширении Вселенной, за её счёт Вселенная расширяется экспоненциально, то есть с ускорением.
Такие наблюдения говорят учёным о том, какие процессы происходили и доминировали во Вселенной. В понимание природы времени они ничего принципиально нового не добавляют. Да и вообще, физика не призвана давать ответы на вопросы о природе времени или пространства. Дело в том, что время является фундаментальным понятием, описать которое через ещё более фундаментальную характеристику невозможно. Если же попытаетесь сделать это, то сразу же возникнет вопрос о природе этой новой фундаментальной величины.
Согласно теории относительности, время является частью пространственно-временного континуума. Это значит, что оно по своей природе не сильно отличается от пространства. Во все уравнения теории относительности время входит как множитель скорости света. Произведение скорости света на время имеет такую же размерность, как дистанция. То есть в современном представлении время можно измерять в метрах, так же как расстояние.
— Утверждается, что время движется в сторону нарастания энтропии. Значит ли это, что в отсутствии энтропии время останавливается? Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.
— Закон возрастания энтропии — это термодинамический закон, то есть такой, который формулируется для описания поведения большого количества (газа) частиц. Если частица одна, то энтропию вводить бессмысленно. Однако для описания движения одной частицы в механике мы всегда используем время, и оно не останавливается.
— При этом время замедляется по мере роста гравитации, как это происходит в точке сингулярности чёрной дыры. Почему так происходит?
— Как я уже заметил выше, согласно современным научным представлениям, время и пространство объединены в пространственно-временной континуум. Оказывается, что этот континуум может искривляться. Что это значит? Мы привыкли, что кратчайший путь между любыми двумя точками является прямым отрезком. Это верно для плоского пространства-времени. Оказывается, что в окрестности тяжёлых и компактных небесных тел кратчайший путь между двумя точками заметно отличается от прямого. Особенно это заметно в окрестности нейтронных звёзд и чёрных дыр.
Это и значит, что пространство-время искривляется. Действительно, на плоскости очевидно, что кратчайший путь — это прямой отрезок. А вот, например, каким будет кратчайший путь между двумя точками на поверхности сферы? Очевидно, что не прямой, потому что поверхность сферы искривлена.
Так вот, в современном представлении гравитация связана с искривлением пространственно-временного континуума. Как я только что сказал, тяжёлые и компактные небесные тела сильно искривляют пространство-время. Это искривление связано именно с гравитационным полем таких тел. Искривление пространства-времени возникает и в присутствии Солнца, и даже Земли, но оно намного слабее, чем в окрестности нейтронных звёзд и тем более чёрных дыр.
Однако даже в окрестностях Земли можно наблюдать этот эффект искривления на практике. Когда спутник, участвующий в работе земных навигационных систем, летает вокруг Земли, он отправляет радиосигналы на устройства-приёмники на поверхности планеты для определения положения последних. Чтобы навигационная система работала, нужно с очень высокой точностью знать, в какое время сигнал был излучён на спутнике. Поэтому время излучения сигнала измеряется атомными часами, которые определяют момент излучения с точностью до миллиардных долей секунды. В результате мы видим, что за сутки на спутнике и на поверхности Земли набегает разница в показаниях атомных часов. Эта разница равна порядка 38 микросекундам, и её приходится учитывать при отладке работы навигационных систем. Отличие в показаниях часов возникает в том числе из-за того, что спутник движется, а на орбите сила гравитационного поля Земли отличается от гравитации на земной поверхности.
В присутствии же очень массивных и компактных небесных тел, таких как нейтронные звезды и чёрные дыры, отличия в показаниях часов у того, кто находится далеко от небесного тела, и у того, кто слетал близко к этому телу и вернулся, могут отличаться уже на годы. Всё зависит от того, насколько второй близко подлетал к небесному телу и как долго находился в сильном гравитационном поле.
— Не так давно учёные открыли, что гравитация имеет волновую природу, и даже зафиксировали эти колебания. Какие есть гипотезы относительно физической природы времени?
— Как я говорил ранее, время включено в пространственно-временной континуум, который может искривляться, что влияет и на показания часов, которые двигаются тем или иным образом в этом континууме. Гравитационные волны — это колебания в искривлении пространственно-временного континуума. А именно при прохождении гравитационной волны через область пространства-времени кратчайшие расстояния между парами точек в этой области меняются таким образом, что одни участки пространства-времени расширяются, а другие сжимаются. Это может сказываться и на показаниях часов в данной области пространства-времени.
В частности, есть надежда, что прохождение гравитационных волн через Землю удастся задетектировать, если следить за изменениями в показаниях атомных часов в удалённых друг от друга точках на поверхности Земли. Если мы увидим вдруг характерную рассинхронизацию «тиканья» этих часов, это будет означать, что гравитационная волна прошла через тот участок пространства-времени, где находится Земля.
— Есть гипотеза, согласно которой может существовать Вселенная, в которой время идёт в обратную сторону. Что вы думаете об этой теории? Возможно ли обратное течение времени?
— В современном представлении пространственно-временной континуум — это решение (следствие) некоторых уравнений в теории гравитации. Они называются уравнениями Эйнштейна и лежат в основе общей теории относительности. Эти уравнения справедливы и для континуума, в котором время течёт вспять.
То есть сжимающаяся Вселенная так же является следствием теории гравитации Эйнштейна (общей теории относительности), как и расширяющаяся. А отличаются такие вселенные друг от друга просто обращением направления течения времени.
То есть Вселенная, в которой время течёт вспять, — вполне себе физически реализуемая ситуация. Существа, живущие в ней, не будут бегать задом наперёд. Биологическая жизнь в такой Вселенной, если бы она реально существовала, в принципе могла бы и не отличаться от нашей. И время на любых часах в ней текло бы вперёд. Просто общая эволюция вселенских масштабов в ней текла бы не в сторону расширения, а в сторону сжатия. То есть в такой Вселенной не было бы Большого взрыва, но был бы Большой схлоп, если так можно выразиться. Так что ничего парадоксального в течении времени в обратную сторону нет.
Другое дело, что на данном этапе мы никаких других вселенных, кроме нашей, не наблюдаем, но не можем исключить их существование.
— Согласно теории относительности, для объекта, движущегося со скоростью света, время останавливается. Расскажите, пожалуйста, подробнее об этом. Действительно ли такой эффект замедления времени доказан и почему тогда он происходит? Какие ещё факторы могут влиять на искажение времени?
— Начнём с того, что разогнать до скорости света какой-то объект, например космический корабль, невозможно. Со скоростью света движутся только гравитационные и световые волны, а разогнать космический корабль (или даже такую элементарную частицу, как электрон) можно только до сколь угодно близких скоростей к скорости света, но они всё равно будут меньше неё.
При этом даже наша планета, к примеру, по отношению к каким-то далёким галактикам движется со скоростями, близкими к скорости света, тем не менее время для нас, как мы видим, не замедляется.
Однако эффект, связанный с различием в показаниях часов, всё же вполне возможен. Если мы вернёмся к примеру со спутником, но представим, что речь шла бы уже не о спутнике, а о космическом корабле, который движется со скоростью, очень близкой к скорости света, тогда разница в показаниях часов на Земле и на таком корабле могла бы составлять уже не десятки микросекунд, а часы или даже годы. Всё зависит от того, каким образом и как долго двигался этот космический корабль.
Более того, такая разница в показаниях часов отразилась бы и на времени старения биологических организмов, которые находились бы на этом корабле, поскольку молекулы и атомы, из которых они состоят, успели бы совершить разное число колебаний и вступить в разное количество органических и неорганических химических реакций, которые и определяют старение организмов.