The earliest time measurements were observations of cycles of the natural world, using patterns of changes from day to night and season to season to build calendars. More precise time-keeping, like sundials and mechanical clocks, eventually came along to put time in more convenient boxes. But what exactly is it that we’re measuring? Is time something that physically exists, or is it just in our heads? At first the answer seems obvious— of course time exists; it constantly unfolds all around us, and it’s hard to imagine the universe without it.
C глубокой древности люди измеряли время, наблюдая за природными циклами, и создавали календари на основе смены дня и ночи и чередования времён года. Благодаря более точным приборам, таким как солнечные и механические часы, измерять время стало ещё удобнее. Но что мы измеряем на самом деле? Существует ли время в реальности или это всего лишь плод нашего воображения? Вначале ответ покажется очевидным: конечно же, время существует и постоянно меняется вокруг нас, и трудно будет представить себе Вселенную без него.
But our understanding of time started getting complicated thanks to Einstein. His theory of relativity tells us that time passes for everyone, but doesn’t always pass at the same rate for people in different situations, like those travelling close to the speed of light or orbiting a supermassive black hole. Einstein resolved the malleability of time by combining it with space to define space-time, which can bend, but behaves in consistent, predictable ways.
Однако наше представление о времени благодаря Эйнштейну стало намного сложнее. Согласно его теории относительности, хотя всем кажется, что время «проходит», оно не всегда одинаково меняется в зависимости от различных условий, например, при движении со скоростью, близкой к скорости света, или при вращении вокруг сверхмассивной чёрной дыры. Эйнштейн преодолел изменчивость времени, соединив его с пространством в понятии пространства-времени, которое также может искривляться, но эти изменения предсказуемы.
Einstein’s theory seemed to confirm that time is woven into the very fabric of the universe. But there’s a big question it didn’t fully resolve: why is it we can move through space in any direction, but through time in only one? No matter what we do, the past is always, stubbornly, behind us. This is called the arrow of time.
Теория Эйнштейна подтверждает, что время является одним из неотъемлемых свойств текстуры Вселенной. Однако теория не отвечает на один очень важный вопрос: почему в пространстве мы можем передвигаться в любом направлении, но время всегда движется в одном? Что бы мы ни делали, прошлое неизменно оказывается позади нас. Это называется осью времени.
When a drop of food coloring is dropped into a glass of water, we instinctively know that the coloring will drift out from the drop, eventually filling the glass. Imagine watching the opposite happen. Here, we’d recognize time as unfolding backwards. We live in a universe where the food coloring spreads out in the water, not a universe where it collects together.
Если каплю пищевого красителя растворить в стакане с водой, интуитивно мы понимаем, что капля красителя растворится в воде и равномерно заполнит собой стакан. А представьте себе противоположный процесс. Так мы допускаем, что время можно повернуть вспять. Однако мы существуем во Вселенной, в которой краситель растворяется в воде, а не во Вселенной, где его можно «собрать» назад из воды.
In physics, this is described by the Second Law of Thermodynamics, which says that systems will gain disorder, or entropy, over time. Systems in our universe move from order to disorder, and it is that property of the universe that defines the direction of time’s arrow.
В физике описанное получило название второй закон термодинамики, который гласит, что со временем системы стремятся к неупорядоченности, или энтропии. В нашей Вселенной системы изменяются от порядку к неупорядоченности, и таково свойство нашей Вселенной, которое и определяет направление оси времени.
So if time is such a fundamental property, it should be in our most fundamental equations describing the universe, right? We currently have two sets of equations that govern physics. General relativity describes the behavior of very large things, while quantum physics explains the very small. One of the biggest goals in theoretical physics over the last half century has been reconciling the two into one fundamental “theory of everything." There have been many attempts —none yet proven— and they treat time in different ways. Oddly enough, one contender called the Wheeler-DeWitt equation, doesn’t include time at all.
Если время является столь фундаментальным свойством, то оно должно быть включено в фундаментальные уравнения, описывающие Вселенную, не так ли? В настоящее время мы пользуемся двумя основными наборами уравнений, описывающих физику. В рамках общей теории относительности описывается поведение гигантских небесных тел, а квантовая физика объясняет элементарные частицы. Одной из главных задач теоретической физики за последние пятьдесят лет являлось объединение этих двух теорий в единую «теорию всего». Неоднократно предпринимались попытки — и ни одна ещё не увенчалась успехом — доказать, что время может быть истолковано различными путями. Что интересно, в одной из теорий, названной уравнение Уилера — Девитта, время вообще отсутствует.
Like all current theories of everything, that equation is speculative. But as a thought experiment, if it or a similarly time-starved equation turned out to be true, would that mean that time doesn’t exist, at the most fundamental level? Could time just be some sort of illusion generated by the limitations of the way we perceive the universe? We don’t yet know, but maybe that’s the wrong way of thinking about it. Instead of asking if time exists as a fundamental property, maybe it could exist as an emergent one.
Как и все теории всего, данное уравнение существует только в теории. Но даже если умозрительно предположить, что это лишённое времени уравнение окажется верным, означает ли это, что времени не существует на самом фундаментальном уровне? Может ли время оказаться своего рода иллюзией, возникающей из-за ограниченной природы познания Вселенной? Этого мы пока этого не знаем, но, возможно, эта мысль ложная. А что, если время является не фундаментальным свойством, а, возможно, существует в эмерджентном состоянии.
Emergent properties are things that don’t exist in individual pieces of a system, but do exist for the system as a whole. Each individual water molecule doesn’t have a tide, but the whole ocean does.
Эмерджентные свойства не существуют для отдельных элементов системы, а проявляются в системе целиком. Течение не свойственно молекулам воды, но появляется в океане.
A movie creates change through time by using a series of still images that appear to have a fluid, continuous change between them. Flipping through the images fast enough, our brains perceive the passage of time from the sequence of still images. No individual frame of the movie changes or contains the passage of time, but it’s a property that comes out of how the pieces are strung together. The movement is real, yet also an illusion. Could the physics of time somehow be a similar illusion?
Изменения во времени можно создать при помощи киноленты — серии статичных изображений, которые кажутся движущимися благодаря их чередованию. Если быстро пролистать кадры, наш мозг начинает воспринимать течение времени из последовательности статичных изображений. Отдельный кадр киноленты не меняется и не содержит течения времени, но это свойство возникает, когда кадры объединяются в последовательность. Движение кажется реально существующим, хотя это и иллюзия. А что, если физические законы времени также представляют собой подобную иллюзию?
Physicists are still exploring these and other questions, so we’re far from a complete explanation.
Учёные до сих пор находятся в поисках ответов на эти и другие вопросы, поэтому до полного объяснения ещё очень далеко.
At least for the moment.
По крайней мере на данный момент.