Термодинамика исключает обратимость: энтропия во Вселенной растет. Для согласования с классическими представлениями приходится ввести внутреннее время, которое в отличие от динамического времени в теориях Ньютона – Эйнштейна связано с внутренними процессами в той или иной организованной структуре. Внутреннее время дискретно и синхронизировано за счет петель обратного влияния.
Квантовая механика тоже обнаруживает квантуемость времени, но сталкивается с поразительным качеством микромира – «дальнодействием». Это своего рода эффект мгновенного согласованного поведения квантовых частиц, удаленных друг от друга в пространстве. Согласно теории относительности взаимное влияние не может распространяться со скоростью большей, чем скорость света. Моментальное взаимодействие указывает на некую нелокальную составляющую времени. Эта составляющая времени как бы вне пространства. Нелокальная, не связанная с пространством составляющая времени обеспечивает эффект согласованного поведения сколь угодно удаленных друг от друга элементарных частиц.
Все это подводит к пониманию того, что время – сложный объект. Еще в XVIII веке это понял Иммануил Кант. В «Критике способности суждения» он писал:
«Время – это комплексная сущность».
Время имеет по меньшей мере три формы.
Прежде всего, измеряемое время – t. Время измеряют посредством устойчивых циклических процессов состояния вещества. Морские приливы, восходы Солнца, фазы Луны, таяние снега – все что угодно. С большой точностью время можно измерить с помощью кристаллов кварца, поскольку, если воздействовать на них слабыми электрическими импульсами, кристаллы кварца вибрируют ровно 32 768 раз в секунду. Это петлевое время.
Вторая сторона времени проявляет себя почти как пространственное измерение в теории относительности Эйнштейна. В «Краткой истории времени» Стивен Хокинг обратил внимание на то, что локальное время теории относительности правильно назвать «мнимым» или «динамическим» временем τ. Оно связано с измеряемым временем t формулой:
τ = ½ ict,
где i – мнимая единица, с – скорость света.
В этом случае расстояние между двумя пространственно-временными событиями:
ds2 = dx2 + dy2 + dz2 – с2dt
преобразуется в формат четырехмерного пространственно-временного континуума:
ds2 = dτ2 + dx2 + dy2 + dz2.
Наконец, третья сторона времени обнаруживает себя в эффекте «запутанного дальнодействия». Две квантовые частицы, сколь угодно удаленные друг от друга, могут вести себя согласованно и синхронно так, словно одна из них мгновенно знает, что делает другая. Дальше – больше. Дело в том, что фундаментальные квантовые структуры можно определить не нуждаясь в пространстве. Наиболее примитивным примером является граф или сеть, которые определяются, по сути, без привязки к пространству. Пространство возникает так же, как термодинамика вытекает из физики атомов. Теория квантовых графов предполагает, что фундаментальными сущностями в природе выступают графы. Пространство возникает в результате отключения соединений сети.
До эпохи высоких технологий то обстоятельство, что поверхность Земли двумерна, изолировало людей друг от друга. Большинство за свою жизнь встречалось лишь с несколькими сотнями людей, живущих на расстоянии пешей прогулки. Они устраивали праздники и ярмарки для взаимодействия (как это сегодня делают ученые) с жителями соседних деревень, а отважные торговцы даже ездили за рубеж. Пространство превратило в путешественников почти всех нас. Теперь мы живем в мире, в котором техника помогает преодолеть ограничения, накладываемые на нас низкоразмерным пространством. Рассмотрим влияние сотовых телефонов. Можно набрать номер и заговорить почти с любым на планете: у 5 из 7 миллиардов землян есть сотовый телефон. Это «растворяет» пространство. Мы живем в 2500000000-мерном пространстве, и почти все наши собратья по разуму – одновременно наши ближайшие соседи.
Интернет сделал то же самое. Разделявшее нас пространство «растворено» Сетью. В сущности, теперь мы живем в пространстве высокой размерности. Все больше людей может жить почти исключительно в высокоразмерном пространстве. Все, что необходимо, – немного больше виртуальной реальности (например, чтобы сотовый телефон создавал голограмму собеседника).
В многомерном мире с неограниченным потенциалом для подключения предоставляется гораздо больше возможностей, чем в физическом мире трех измерений. Представьте детей, воспитанных в высокоразмерном мире, где пространство не играет никакой роли. Они будут видеть мир как огромную сеть, в которой гибкая система связей держит всех на расстоянии шага друг от друга. Представьте теперь, что некто вытащил вилку из розетки. Произошел сбой, и населявшие сеть люди обнаружили, что живут в трех измерениях и большинство их разделено пространством. Число соседей уменьшилось с 5 миллиардов до одного десятка, и почти все они почему-то очень далеко.
Пространство в виде решетки. Частица может находиться лишь в одном из узлов, и движение заключается в прыжках от узла к узлу (а). Дополнительная нелокальная связь нарушает локальность, сближая две точки, разнесенные в пространстве на большое расстояние (б)
В этом случае пространство не непрерывно, а являет собой дискретную решетку из точечных узлов. Частицы «живут» на узлах решетки и могут передвигаться прыжками к соседям. Две частицы оказывают влияние друг на друга, если они оказываются по соседству. Если решетка имеет низкую размерность, то число частиц, доступных для взаимодействия, незначительно. Оно растет вместе с размерностью. Мы можем представить, что фотоны перемещаются по узлам. Чтобы отправить фотон к далекой частице, надо совершить множество прыжков, а это требует времени. Теперь представим многомерную решетку – сеть со множеством соединений поверх «плоской» решетки. Такая конструкция компактнее в том смысле, что требует меньше шагов и времени для передачи сигнала между узлами. Ли Смолин в «Возвращении времени» пишет:
«Один из принципов новой космологии предусматривает, что ничего не действует без того, чтобы самому не испытывать воздействие. Так, если сеть определяет перемещение частиц, не должна ли она меняться? Такой физический мир не слишком отличается от социума. Мир – это динамическая сеть связей. Все, что живет в сети (и сама структура сети), эволюционирует».
И далее:
«Я считаю, что время реально и имеет значение для фундаментального описания природы. А вот пространство, возможно, – иллюзия вроде температуры или давления: полезный способ организации представлений о вещах в больших масштабах».
В теории петлевой квантовой гравитации пространство описывается как динамическая сеть связей. Типичное квантовое состояние геометрии пространства можно представить в виде графа – фигуры с множеством ребер, соединяющих узлы или вершины. Ребра, которые показывают некие примитивные отношения между узлами, имеют метки с указанием связей между соответствующими узлами. Эти метки могут быть целыми числами: целое число соответствует маркировке ребра. Узлы также имеют метки, но это более сложное описание. Таким образом, все сводится к информационным битам, которые лежат в основе всего.
Еще одно предположение петлевой квантовой гравитации, приводящее к появлению пространства-времени, таково: графы, описывающие квантовую геометрию пространства, ограничены его низкой размерностью. В этом случае каждая вершина (или узел в графе) связана с небольшим числом других вершин. Перемещаясь между двумя узлами, разнесенными на большое расстояние, частице приходится совершить много прыжков. Частице или кванту, несущим информацию, потребуется немало времени, чтобы пройти этот путь. Так возникает описание мира с конечной скоростью света. Однако существует много состояний квантовой геометрии, в которых версия локальности не наблюдается. Есть графы, в которых каждый узел связан со всеми остальными всего несколькими шагами. Но подобную квантовую геометрию пока не удается описать в рамках петлевой квантовой гравитации. Образование такой связи – это нарушение «локальности». Запутанность и другие эффекты в квантовой теории являются примерами нарушения локальности.
Появление и сохранение добавленного ребра – это процесс, в котором ранее «нелокальная» связь становится локальной. Сеть изменилась. Она стала сложнее и интереснее… Сложность сети возрастает, и это, кажется, противоречит принципу роста энтропии – второму началу термодинамики. Однако не будем упускать из вида, что второе начало термодинамики применимо лишь к замкнутым системам, не обменивающимся материей и энергией с миром. Но ни одна живая система не является замкнутой. Сложные системы не могут быть равновесными. Общей особенностью сложных систем является самоорганизация. Любое существо представляет собой сложную сеть процессов обратной связи, которые организуют и стабилизируют проходящие через него потоки энергии и материи. Обратная связь может быть положительной. Это означает, что она ускоряет производство чего-либо (вспомните визг микрофона, если его поднести к динамику). Отрицательная обратная связь приглушает сигнал (как термостат, который включает печь, когда дома холодно, и выключает ее, когда становится жарко). Структуры в пространстве и времени образуются сами собой благодаря работе конкурирующих механизмов обратной связи. Когда положительная обратная связь конкурирует с отрицательной на разных уровнях, образуются сложные структуры в пространстве. Это основной механизм биологической самоорганизации, обнаруженный Аланом Тьюрингом. Он создает у эмбриона структуры, обозначающие части тела. Этот механизм может включиться и позднее, чтобы определить, например, окрас кошки или рисунок крыльев бабочки.
Звезды сгруппированы в галактики – там они рождаются. Сами галактики также далеки от термодинамического равновесия. Наш Млечный Путь – типичная спиральная галактика. В ней имеются не только звезды, но и межзвездные облака газа и пыли, из которых формируются звезды. Газ, поступая снаружи, медленно накапливается на галактическом диске. Это один из факторов, вызывающих изменения в галактике. Когда звезды в конце жизни взрываются, как сверхновые, они производят пыль, тоже попадающую в галактический диск. Газ и пыль существуют в разных фазах: некоторые очень горячие, некоторые конденсируются в очень холодные облака. Процессами самоорганизации в галактике движет звездный свет – энергетические потоки, идущие от звезд.