В 1960-х годах физики Стивен Хокинг и Роджер Пенроуз доказали, что, принимая во внимание разумные предположения о характеристиках материи, любая расширяющаяся вселенная должна иметь в своем прошлом сингулярность. Но вот в чем состоит затруднение: так как при движении назад во времени объем космоса постоянно уменьшается, а вся материя постепенно сжимается в одну точку, плотность этой точки постоянно растет. Представьте себе забитый людьми вагон метро, который сначала уменьшили до размера консервной банки, потом – горошины, затем – атома и т. д. Очевидно, что плотность материи станет при этом бесконечно высокой, а пространство вокруг нее окажется бесконечно искривленным. Время остановится, так как сингулярность достигается при t = 0 (начало времени). Но ни одна физическая теория не может безнаказанно оперировать бесконечными величинами. Значит, что-то должно быть не так.
Когда математики сталкиваются с сингулярностью (например, при делении любого числа на ноль), они, так сказать, изучают ее границы, чтобы найти выход из нее. К примеру, вместо деления на ноль можно использовать деление на бесконечно малое число. Возможно, существует путь, при котором можно избежать сингулярности, но все равно попасть в нужную точку (то есть обойти ее, как вы объезжаете яму на дороге). В физике наличие сингулярности – это серьезный звоночек, показывающий, что теория, которую вы используете, скорее всего, неверна. В ней чего-то не хватает, и это что-то обычно включает в себя новую физику. Например, использование законов Ньютона для объяснения того, как ведут себя тела на скоростях, близких к световым, ведет к появлению ошибок – неверных теней на стене платоновской пещеры. Сегодня мы знаем, что для получения ответов нужно применять специальную теорию относительности Эйнштейна. То же касается и сильной гравитации: ньютоновские законы хороши для описания достаточно слабого гравитационного притяжения, но требуют корректирования рядом с массивными объектами (например, Солнцем).
Ни одна теория не является полной или окончательной. Новые значения требуют новых формул, а те, в свою очередь, – новых экспериментальных подтверждений, зависящих от доступных технологий. В поисках предсказанных эффектов для тестирования своих теорий ученые частенько сталкиваются с чем-то неожиданным, толкающим их назад к расчетам и, вполне возможно, к новым знаниям. Большинство физиков, участвовавших в поисках бозона Хиггса и работавших на Большом адронном коллайдере в Швейцарии, с гораздо большей радостью обнаружили бы частицу, не соответствующую предсказаниям Стандартной модели физики частиц. Неожиданности ведут к изменениям.
Космическая сингулярность указывает на необходимость в новой физике, выходящей за пределы, которые устанавливает общая теория относительности Эйнштейна. Поскольку в самом начале времен расстояния были крайне небольшими, такая новая физика должна объяснить, как пространство, время и материя действуют на коротких дистанциях. Физика макромира сталкивается с микромиром. Мы вступаем в царство «квантовой гравитации», в котором общая теория относительности сочетается с квантовой физикой (физикой атомов и субатомных компонентов). Происходит невероятный скачок – исследования Вселенной и ее истории приводят нас к мельчайшим единицам материи. Насколько нам известно сегодня, макро – и микромир накрепко связаны между собой. Ученые не смогут понять происхождение Вселенной до тех пор, пока не узнают, как квантовая физика влияет на геометрию пространства-времени. Но перед тем, как мы перейдем к этому вопросу, давайте рассмотрим некоторые из фундаментальных последствий влияния современной космологии на границы наших знаний. Начнем с конечности скорости света и понятия «сейчас».
Глава 10. Нет никакого «сейчас»из которой мы узнаем, что понятие «сейчас» – это ошибка восприятия
Что происходит, когда мы что-то видим? К примеру, вот эту книгу, которую вы сейчас читаете. Оставим в стороне весь процесс обработки визуальной информации мозгом и сфокусируемся на времени ее передачи. Для еще большего упрощения мы будем рассматривать лишь классическое распространение света без учета того, как он поглощается и излучается атомами. В вашей комнате светло, потому что у вас открыто окно, или включена лампа, или и то и другое. Так или иначе, поток света попадает на поверхность книги, частично поглощается ею, а частично отражается в различных направлениях. Бумага и чернила, с помощью которых на ней напечатан текст, поглощают и излучают свет по-разному, и эти различия воплощаются в отраженном свете. Затем часть этого отраженного света попадает от книги в ваши глаза, и благодаря невероятной способности мозга декодировать сенсорную информацию вы видите слова на странице.
Вам кажется, что весь этот процесс происходит в одно мгновение. Вы можете сказать: «Я читаю это слово прямо сейчас». Но в реальности это не так. Поскольку свет движется с конечной скоростью, ему требуется время для того, чтобы отразиться от страницы вам в глаза. Когда вы читаете слово, на самом деле вы видите, как оно выглядело в определенный момент в прошлом. Если быть точным, то, при условии, что вы держите книгу в одном футе от лица, время движения света от нее до ваших глаз составит одну наносекунду, или одну миллиардную долю секунды.[56] То же самое происходит с каждым предметом, который вы видите, и с каждым человеком, с которым ведете разговор. Оглядитесь вокруг. Вам кажется, что вы видите все предметы одновременно («сейчас»), вне зависимости от расстояний, на которых они находятся. Но в реальности это не так, потому что отражающемуся от них свету требуется разное время, чтобы достигнуть ваших глаз. Мозг интегрирует различные источники визуальной информации, и, так как различия во времени движения света гораздо меньше, чем может различить ваш глаз и обработать ваш мозг, вы не видите разницы. Настоящее, то есть совокупность всей входящей информации от органов чувств, которую мы получаем в данный момент, – это всего лишь убедительная иллюзия.
Как бы быстро нервные импульсы ни двигались по волокнам нервной ткани, их скорость все равно меньше скорости света. Средняя скорость нервного импульса составляет 60 футов в секунду, хотя это значение может варьироваться в зависимости от человека и типа нерва. Итак, нервный импульс проходит один фут за 16 миллисекунд (тысячных долей секунды). Для сравнения, свет за это время покрывает дистанцию 2980 миль – это примерно как от Нью-Йорка до Сан-Диего.
Давайте проведем мысленный эксперимент, иллюстрирующий влияние этих временных различий. Представьте себе, что у нас есть два источника света, которые одновременно включаются каждую секунду. Один из них установлен в 10 ярдах от наблюдателя, а другой постепенно удаляется от него по прямой. Теперь представьте, как они медленно расходятся в пространстве, все еще включаясь одновременно каждую секунду. Наблюдатель начнет замечать разницу во времени включения, когда расстояние между ними превысит 2980 миль. Поскольку наше зрение не позволяет нам видеть так далеко, наше восприятие одновременности кажется нам очень надежным даже для больших расстояний. Для того чтобы проверить эту теорию, можно провести альтернативный и более реалистичный опыт – настроить источники света так, чтобы они включались с небольшой задержкой во времени, и проверить, когда наблюдатель заметит разницу. Если мои расчеты верны, это произойдет, когда временной интервал превысит 20 миллисекунд. Данный промежуток времени – граница человеческого восприятия одновременности визуальных явлений.
Все эти аргументы приводят нас к поразительному выводу: настоящее существует, потому что наш мозг размывает реальность. Иными словами, гипотетический мозг, обладающий способностью к невероятно быстрому визуальному восприятию, заметил бы, что два источника света не синхронизированы, гораздо раньше. Для такого мозга слово «сейчас» означало бы куда меньший промежуток времени, чем для нас. Итак, помимо описанной Эйнштейном относительности одновременности для одного или нескольких движущихся наблюдателей существует еще и относительность одновременности на когнитивном уровне, возникающая в результате субъективного восприятия одновременности (момента «сейчас») человеком или, если говорить в общем, любым мозгом или аппаратом, способным распознавать свет.[57]
Каждый человек – это остров восприятия. Глядя на океан, мы видим горизонт – линию, разделяющую небо и воду, дальше которой наш взгляд проникнуть не в силах. Точно так же наши горизонты восприятия представляют собой все явления, которые наш мозг считает происходящими одновременно, даже если на самом деле это не так. Горизонт восприятия очерчивает границы нашего настоящего. Для того чтобы описать область настоящего, я использую скорость света, самую высокую скорость в Природе. Если бы мы ориентировались по скорости звука, которая составляет всего 1126 футов в секунду в сухом воздухе при температуре 68 градусов по Фаренгейту, наша область настоящего была бы куда меньше. Вспомните, как две молнии, ударяющие на разном расстоянии от вас, выглядят одинаково, но звучат по-разному.
Резюмируя: скорость света велика, но конечна, поэтому для того, чтобы попасть к нам в мозг, информации от любого объекта требуется время, пускай и совсем незначительное. Мы никогда не видим вещи такими, какими они являются прямо сейчас. Мозгу требуется время для обработки информации, поэтому он не разделяет (и не может расставить в хронологической последовательности) два события, происходящие с небольшой временной задержкой. Если мы видим несколько событий, происходящих прямо сейчас, это всего лишь иллюзия, вызванная нашим размытым восприятием. Не существует двух людей с одинаковым мозгом, поэтому каждый из нас имеет собственный лимит восприятия времени и собственную область настоящего. Любой мозг, будь он биологическим или механическим (например, светочувствительный детектор), обрабатывает информацию с разной скоростью и по-своему видит настоящее. Соответственно, наши восприятия реальности различаются. На основании недавних нейрокогнитивных экспериментов можно предположить, что среднее значение человеческого восприятия времени составляет порядка 10 миллисекунд. Расстояние, которое за это время проходит свет (несколько тысяч миль), составляет примерный радиус области настоящего для каждого человека.