А.П. Трофименко, О.Л. Артеменко, А.Н. Спасков
Гипотеза многомерного времени в современных физических теориях
Источник: http://universe-tss.su
1. Гипотеза многомерного времени
Вопрос о числе измерений времени начал обсуждаться лишь после создания теории
относительности, хотя некоторые авторы и до этого высказывали предположения о
возможности существования двух- и трехмерного времени.
Идею о том, что время является четвертым пространственным измерением впервые
выдвинул Хинтон [1]. Он полагал, что мир является четырёхмерным многообразием, а
частицы являются "нитями" в нём. Человеческое сознание в любой момент времени
воспринимает лишь трёхмерное сечение этого многообразия. Таким образом, мир
статичен, а иллюзия времени возникает при постепенной передаче сознания от одного
поперечного сечения к другому, что соответствует "перемещению" в четвёртом
измерении.
Эту идею красочно изложил Г. Уэллс в своём знаменитом романе: "Время и есть то, что
подразумевается под Четвёртым Измерением, хотя некоторые, трактующие о Четвёртом
Измерении, не совсем разбираются в этом. Это просто другой способ смотреть на Время.
Единственное различие между Временем и любым из трёх пространственных измерений
заключается в том, что наше сознание движется вдоль него" [2,с.171].
Идея существования множества пространств и времён впервые была высказана
английским философом Брэдли [3].
Он обратил внимание на то, что следование во времени снов не имеет никакого единства,
тогда как у каждого сна есть свои собственные временные связи. Для объяснения этого он
предложил, что существуют различные "временные серии", которые могут быть
совершенно не связаны друг с другом. "Поскольку не имеется обоснованных возражений
против существования любого числа независимых временных рядов, внутренние события
в них должны быть связаны во вре-менном отношении, но каждый из этих рядов, как ряд
и как целое, не должен был бы иметь временной связи с чем-либо вовне. Я имею в виду,
что во вселенной мы могли бы иметь в виду совокупность различных последовательных
явлений. События в каж-дой из них должны, конечно, быть связаны во времени, но ряды
как таковые не нужда-ются во временных отношениях друг к другу" [3,с.211].
Своеобразным развитием гипотез Хинтона и Брэдли явилась теория многомерного
времени, предложенная Данном для объяснения возможности предвидения [4]. При этом
он полагал, что мир статичен, в нем нет ни прошлого, ни будущего, а сознание может
двигаться в нем по любому направлению. Вслед за Хинтоном он полагал, что время - это
лишь некий род субъективного движения сознания. Но этот непрерывный перенос
внимания сам по себе является временным процессом. Для объяснения этого времени он
постулировал пятое пространственное измерение, по которому "перемеща-ется" второе
сознание. Но этот процесс "перемещения" также происходит во времени, поэтому Данн
вынужден постулировать бесконечное число дополнительных измерений и
соответствующее число наблюдателей.
2. Концепция многомерного времени в теории относительности
А. Эддингтон был первым, кто применил представления о многомерности времени к
явлениям физического мира [5]. Принципиальный вопрос, по мнению Эддингтона,
заключается в возможности изменения типа метрики мира. Используя обозначение Вейля,
который характеризовал наш мир как (3+1)-мерный, он предлагает исследовать свойства
(2+2) и (4+0)-мерного мира.
В этой связи интересно вспомнить рассуждения Ньютона в "Вопросах" в конце "Оптики":
"И поскольку пространство делимо in infinitum и материя не необходимо присутствует
всюду, постольку можно допустить, что Бог может создавать частицы материи различных
размеров и фигур, в различных пропорциях к пространству и, может быть, различных
плотностей и сил и таким образом может изменять законы природы и создавать миры
различных видов в различных частях вселенной. По крайней мере я не вижу никакого
противоречия во всем этом" [6,с.306].
В последнее время, в связи с развитием теорий фундаментальных взаимодействий и
появлением различных вариантов расширенной теории относительности (РТО),
представление о многомерном времени привлекают внимание все большего числа
исследователей.
Следует отметить, что никаких серьезных ограничений на число временных измерений в
современной науке неизвестно и все возражения против гипотезы многомерного времени
удается преодолеть. Как считает В.С. Барашенков, эта гипотеза требует серьезного
анализа: "...каково же все-таки время в нашем мире одномерное, как мы привыкли думать,
или многомерное и мы, в принципе, можем ожидать встречи с "иновремя-планетянами"?
Однозначного ответа пока нет. Многое говорит за то, что Вселенная действительно
многомерна не только в пространстве, но и во времени. Две временные координаты
просто скрыты от нас" [7,с.20].
В последние десятилетия развития физической науки появились и все больше осознаются
некоторые принципиальные проблемы, которые невозможно решить в рамках
классической теории относительности в том виде, в котором она была сформирована в
начале ХX века. Ограниченность теории относительности связана прежде всего с
представлениями о непреодолимости "светового барьера" для материальных объектов в
специальной теории относительности и непосредственно связанного с ним "горизонта
событий" в общей теории относительности. Наиболее яркие попытки выхода за преде-лы
этих представлений были предприняты при создании концепции тахионов [8,9], как
частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями и в концепции "отонных миров"
возникшей при развитии астрофизики черных дыр [10].
До 60-х гг. ХХ в. считалось бессмысленным рассмотрение сверхсветовых движений и
только благодаря работам Танаки, Терлецкого, Сударшана и ряда других ученых было
осознано, что сверхсветовые движения не противоречат исходным положениям теории
относительности .
Современные варианты расширенной теории относительности исходят из того, что
скорость света является фундаментальной константой, существенным образом входя-щей
в структуру уравнений, описывающих электромагнитное поле. При этом, ее
инвариантность является следствием принципа относительности. Парадоксальность этого
вывода, противоречащего классическим представлениям следовала из неявного
предположения о существовании некоторой выделенной системы отсчета, связанной с
гипотетической средой, являющейся переносчиком электромагнитных полей. И именно
отказ от концепции "мирового эфира" в ее классическом виде ознаменовал переход к
теории относительности.
Но инвариантность скорости взаимодействий отнюдь не устанавливает предела для
скоростей материальных объектов. Как справедливо отмечают многие авторы, любой
предел имеет две стороны и поэтому, существование материальных тел с досветовыми
скоростями не исключает существования материальных тел со сверхсветовыми
скоростями [11].
Таким образом, сам по себе "световой барьер" исключает лишь причинную связь между
досветовыми и сверхсветовыми телами и на этом основана концепция брадионов и
тахионов.
Гипотеза существования сверхсветовых частиц, которые принято называть тахионами,
привлекает внимание многих исследователей и особенно широко обсуждалась в 60-е - 70е годы 20-го столетия [12-15]. Предполагалось, что с помощью ее можно ре-шить ряд
проблем, связанных с пониманием структуры элементарных частиц и взаимодействий
между ними, а также объяснить некоторые необычные астрофизические явления.
В ходе дискуссии по этим проблемам были выдвинуты различные возражения против
возможности сверхсветовых движений, которые сводятся к несоответствию этой гипотезы
специальной теории относительности, а также к противоречию с принципом причинности.
Однако сторонники гипотезы тахионов считают, что все эти проблемы решаются при
обобщении теории относительности и введением дополнительного постулата в
специальную теорию относительности, который запрещает передачу сигналов в прошлое
и называется принципом реинтерпретации [16].
Как следствие развития теории относительности, расширенной к сверхсветовым объектам,
явилось введение представления о шестимерной структуре пространства-времени [17].
При этом вводится пространство-время (ПВ) с тремя пространственными и тремя
временными осями [18]: M6=M3+3, когда любое событие записывается как
E = (x, y, z, tx, ty, tz).
Для согласования с обычной 4-мерной теорией допускается, что индивидуально
наблюдаемы лишь пространственные компоненты, а наблюдаемой временной координатой является только модуль
t=(t2x+t2y+t2z)1/2.
Поскольку для любого наблюдателя существует только 4 координаты (x, y, z, t), то 6мерное ПВ с 3-мерным временем представляется только лишь вспомогательным для
интерпретации суперлюминальных преобразований" [18,с.282]. При этом мнимая единица
заменяется вращением на 900 в трехмерном времени, что аналогично ее роли в теории с
комплексными координатами, где она устанавливает различие тахионных и брадионных
координат, а в пространстве с метрикой Минковского заключает различие пространства и
времени.
В 1916 году, всего через несколько месяцев после опубликования Эйнштейном общей
теории относительности, немецкий астроном Карл Шварцшильд нашел точное ре-шение
уравнений гравитационного поля, которое, как оказалось впоследствии, описы-вает
геометрию пространства - времени вблизи сферически симметричной черной дыры,
характеризующейся только массой.
Черная дыра представляет собой объект, вся масса которого сосредоточена внутри сферы
радиуса Шварцшильда. Она может образоваться в результате коллапса массив-ной звезды
и представляет собой по сути область пространства, ограниченную сферой Шварцшильда,
в центре которой находится сингулярность. При этом, свойства про-странства - времени в
области между сингулярностью и горизонтом событий и в области за пределом горизонта
событий существенно различаются, хотя и описываются уравнениями общей теории
относительности. Свойства же пространства - времени вблизи сингулярности меняются
еще более радикальным образом и до сих пор мало изучены. Предполагается, что их
описание возможно лишь после создания квантовой теории гравитации, описывающей
гравитационное взаимодействие на расстоянии порядка планковской длины (10-35 м).
Для внешнего наблюдателя процессы, происходящие вблизи черной дыры замедляются и
при достижении сферы Шварцшильда время как бы "застывает" [19]. Если представить
себе астронавта, свободно падающего на черную дыру, то по координат-ному времени
удаленного наблюдателя он будет асимптотически приближаться к сфере Шварцшильда и
как бы зависает над ней. По часам астронавта собственное время достижения
сингулярности будет конечным и он мгновенно пересечет сферу Шварцшильда.
Еще более парадоксальным является тот факт, что "по расчету внешнего наблюдателя,
кроме астронавта, падающего на горизонт событий и движущегося вперед во вре-мени,
должен существовать другой астронавт внутри горизонта событий, падающий на
сингулярность и движущийся вспять во времени" [20,с.161].
Эти парадоксы говорят о том, что структура плоского пространства - времени, ко-торая
использовалась в расчетах, не соответствует истинной, или глобальной, структуре
пространства - времени, связанного со шварцшильдовской черной дырой. В 1960 го-ду
Крускал и Секереш нашли преобразования координат и построили диаграмму, кото-рая
корректно покрывает все пространство - время и полностью выявляет структуру черной
дыры.
Оказалось, что при этих преобразованиях времениподобная в обычном представле-нии
сингулярность распадается на две пространственно-подобным сингулярности, одна в
прошлом, а другая в будущем. Кроме того, вдали от черной дыры существуют две
внешние Вселенные. Так как шварцшильдовская сингулярность пространственноподобна,
то переход из одной Вселенной в другую невозможен, потому что любая разрешенная
траектория должна быть времениподобной и никогда не выходит за пределы горизонта
событий. Под горизонтом событий линии постоянного расстояния имеют
пространственноподобное направление, а линии постоянного времени - времениподоб-ное
направление. Таким образом, при пересечении горизонта событий пространство и время
меняются ролями.
Для внешнего наблюдателя мировые линии частиц, падающих на черную дыру,
оканчиваются на гравитационном радиусе, все события для него лежат над горизонтом
событий. Все, что происходит с падающим наблюдателем под гравитационным радиусом,
для внешнего наблюдателя как бы не существует, события под горизонтом для него
ненаблюдаемы. Таким образом, у падающего наблюдателя появляется время, которого нет
для внешнего наблюдателя, и на горизонте событий время как бы останавли-вается.
Эта ситуация истолковывается следующим образом. Имеются взаимно перпендикулярные оси времени, два времени: одно из них течет для наблюдателя над горизонтом
событий, другое - под горизонтом событий. Временная координата под горизонтом
событий является независимой, ортогональной внешнему времени. Эти два времени
имеют одну точку пересечения на горизонте событий. Таким образом, абсолютное
будущее в пространственно-временном многообразии (ПВМ) внешнего наблюдателя
является моментом времени, ортогональным исходному ПВМ, и все события за
абсолютным будущим происходят во времени, ортогональном времени внешнего
наблюдателя [10,с.43].
Факт расширения ПВМ за горизонт событий подводит к мысли о возможности
аналогичной процедуры и для светового барьера. При этом за световым барьером также
должна находиться ненаблюдаемая (мнимая) область ПВМ.
Преодоление светового барьера возможно при движении в ускоренной системе отсчета.
При этом парадокс недостижимости скорости света в исходной инерциальной системе
отсчета разрешается тем, что "ускоренный наблюдатель в сверхсветовой области
движется по другому (мнимому) времени. По времени наблюдателя в исходной
инерциальной системе отсчета события пересечения горизонта событий просто нет, и
световой барьер в этой системе отсчета непреодолим. За бесконечное время этого
наблюдателя возможно лишь достижение скорости света. Световой барьер нельзя
преодолеть, оставаясь в инерциальной системе отсчета, но это возможно сделать, перейдя
в неинерциальную систему отсчета" [10,с.45-46].
Что же является существенным в специальной теории относительности для понимания
проблемы размерности времени и в чём её ограниченность? Существенным явилось то,
что в ней появилось представление о повороте оси времени. Хотя этот поворот носит
формальный характер и осуществляется в некоей абстрактной комплексной плоскости
(x,ict), но существенным является то, что этот поворот связан с относительной скоростью
движения v. Поэтому, представляется важным, что если говорить о изменении
направления течения времени, то это изменение следует связывать прежде всего с
изменением скорости относительного движения.
Конечно, можно говорить об одномерном, хотя и искривлённом течении времени, также
как и об одномерном криволинейном движении, но само по себе это искривление
описывается в пространстве большей размерности. При этом в данном случае время уже
нельзя полностью свести к пространству, как это делается в специальной теории
относительности и описать искривление времени как такового в пространственных
величинах. В самом деле - если временные координаты, согласно преобразованиям
Лоренца можно свести к пространственным, то это основано прежде всего на
соотношении между длиной и периодом световой волны =cT. Поэтому, когда мы говорим
об искривлении линии ct, то имеется в виду искривление траектории светового луча в
пространстве, когда же мы говорим об искривлении чисто времени t, то его уже
невозможно описать в пространстве, а требуется представление о новом временном
измерении.
Но даже если мы перейдём к искривлённому времени, то остаётся вопрос о том, в каких
пределах возможно изменение направления времени и этот вопрос связан прежде всего с
причинно-следственной структурой времени. Кроме того, этот вопрос связан с законом
сохранения энергии, так как в случае многомерного времени энергия становится
векторной величиной и, как отмечает В.С. Барашенков: "…даже небольшое изменение t-
траектории связано с огромным энергопотреблением и может реализоваться лишь в
процессах космического масштаба или в области очень малых пространственновременных интервалов" [21,с.3].
В работах Коула впервые было предложено рассматривать все три временные координаты
ti как совершенно независимые величины, а собственное время t как параметр,
определяющий траекторию s(t). В.С. Барашенков полагает, что "С физической точки
зрения такой подход основан на гипотезе о том, что наша Вселенная образовалась,
обладая некоторой случайной "стрелой времени", определяемой эволюцией физических
процессов в начальный момент ее становления. Последующее инфляционное расширение
разрушило пространственно-временные корелляции удаленных областей, и каждая из них
может теперь обладать своей собственной временной стрелой, вообще говоря, отличной
от исходной "реликтовой" [21,с.2].
3. Многомерное время и концепция множественности миров
Кардинальные изменения в современной космологии, как становится все более
очевидным, связаны с переходом от представления "Вселенной неевклидовой геометрии”
к картине "Вселенной неевклидовой топологии” и началом выхода познания на уровень
супермегамира (мира метагалактик). Характерной чертой теоретических разработок в
данном направлении является использование представлений о сложной топологической
структуре пространства-времени имеющего дополнительные пространственные и
временные измерения.
Как известно, идея высших пространственно-временных размерностей была предложена
Т.Калуцой в 1921г. в связи с разработкой единой теории поля, а в настоящее время
получила широкое признание при построении различных вариантов теории Великого
объединения и супергравитации. При этом размерность пространства-времени полагается
различной, но наиболее популярные варианты включают 10 или 11 измерений. Так,
например, обеспечить непротиворечивость теории, описывающей микро- и мегамир,
возможно при условии, что в планковских масштабах ~10-33см размерность пространствавремени составляет 10+1. При значительно больших масштабах наблюдаемое
пространство-время имеет размерность 3+1, а остальные измерения
скомпактифицированы (свернуты) в 7-мерные сферы. Свертку многомерного
пространства можно осуществить различными способами, причем с увеличением числа
измерений возрастает число вариантов свертывания и набор тополо-гий.
Непротиворечивые варианты физической картины мира возможны и при размерности
пространства-времени 9+1, что связано с моделью Вселенной, составленной из ансамблей
миров (метагалактик), и физикой суперструн. Представление Вселенной как N-мерного
многообразия ведет к картине бесконечного множества 4-мерных миров [22], каждый из
которых представляет собой гиперповерхность в глобальном ПВМ.
Космологические теории, базирующиеся на релятивистских теориях тяготения, действуют
именно в таком многомерном пространстве, в котором каждая точка представляет собой
трехмерную геометрию Вселенной в какой-то "момент” времени. Эволюция геометрии
Вселенной в таком суперпространстве представляется траекторией, которая может
проходить через некоторые особые точки, где топология Вселенной изменяется
скачкообразно (квантовый переход). Такой скачок может быть моделью "Большого
Взрыва" нашего мегамира (Метагалактики).
Согласно одной из схем классификации моделей множественности миров [23], последние
можно разделить на две группы: использующие представления о глобальности единого
пространственно-временного континуума и континуумном параллелизме. Наиболее
перспективной является вторая группа моделей, где расширенные пространственновременные многообразия (ПВМ), в общем случае, представляются в форме 4-мерных
гиперповерхностей в многомерном плоском пространстве-времени. Основные
космологические модели такого типа включают: "ветвящиеся" миры Эверетта, миры
Голдони, фридмонные квази-замкнутые миры Маркова, планкеоны Станюковича,
метапространство Блохинцева, миры с различной сигнатурой метрики и сопряженные миры, отонные миры, ансамбли миров в теории раздувающейся Вселенной и вытекающие из
антропного космологического принципа. Кроме того, за последние несколько лет
появилось еще несколько очень перспективных моделей ансамблей миров, базирующихся
на постулатах квантовой механики, принципах теории вероятностей и информационных
технологиях. Это теория "квантовых компьютеров” Дойча (разновидность теории
"ветвящихся миров” Эверетта), теория миров Тэгмарка (устанавливающая
эквивалентность математической и физической экзистенции) и концепция семантической
Вселенной В.В.Налимова. Особенностью этой группы моделей являются попытки
подойти к построению универсальной теории поля, описывающей как физические, так и
семантические (т.е. сознание наблюдателя) проявления Универсума.
Формальная возможность введения различных размерностей временной (равно как и
пространственной) составляющей в рамках 4-х-мерного ПВМ дает возможность
построения модели Вселенной, предстающей в виде гигантского масштаба физической
системы – "Мультиверсума”, в пределах которой могут возникать и эволюционировать
множество миров (метагалактик) и их ансамблей, обладающих как макроскопическими,
так и квантовыми свойствами. При этом, в рамках глобального описания всей системы в
целом, наблюдаемым является лишь "собственное время" [24], которое по определению
одномерно и связано с порядком последовательного существования этапов эволюции
Мегамира.
Так, в частности, дополнительные временные координаты вводились в космологической
теории А.Д.Сахарова [25], который, будучи приверженцем гипотезы "Большого взрыва",
отстаивал идею "многолистной модели Вселенной", предполагающей перманентное
возвращение темпоральных копий Вселенной (нашей Метагалактики) к некоторым
исходным точкам. "Альтернативная гипотеза о предыстории Вселенной заключается в
том, что на самом деле существует не одна Вселенная и не две (как — в некотором смысле
слова — в гипотезе поворота стрелы времени), а множество кардинально отличающихся
друг от друга и возникших из некоторого "первичного" пространства. Другие Вселенные и
первичное пространство, если есть смысл говорить о нем, могут, в частности, иметь по
сравнению с "нашей" Вселенной иное число "макроскопических" пространственных и
временных измерений — координат (в нашей Вселенной — три пространственных и одно
временное измерение; в иных Вселенных все может быть иначе!) <. ….> Предполагается,
что между разными Вселенными нет причинной связи. Именно это оправдывает их
трактовку как отдельных Вселенных. Я называю эту грандиозную структуру МегаВселенная" [26]. В рамках предложенной Сахаровым модели пульсирующих миров
(рассматривались как пространственно-замкнутые, так и бесконечные "миры"), в процессе
вечной космической эволюции перелистываются страницы книги "материального бытия"
(отсюда и название "многолистная модель"). Циклы эволюции Вселенной
последовательно сменяеют друг друга. Вопрос о состоянии Вселенной до "Большого
взрыва" (первого цикла) решается путем обращения в момент начала первого цикла.
Иначе говоря, до этого момента происходит все то же, что и после него, но в обратном
порядке. Сахаров, убежденный в существовании множества обитаемых миров,
подчеркивал, что обращение времени меняет направление всех физические, химические, и
др. процессов во Вселенной, поэтому обитатели Вселенной в каждом отдельном цикле,
живут как бы в представлении, что время течет в только в одну сторону — из прошлого в
будущее. Следует отметить, что многолистные модели Вселенной с поворотом "стрелы
времени" связывают решение фундаментальных проблем космологии (однородности,
изотропии Вселенной) с представлениями о бесконечной эволюции Вселенной в обе
стороны по времени и, в этом отношении, могут составлить сильную конкуренцию
инфляционным космологическим моделям [27].
В модели "ветвящихся" миров Эверетта [28], призванной разрешить проблему "скрытых"
параметров и коллапса волновой функции в квантовой механике, многомерное время
возникает как следствие самой модели. В каждом акте измерения (момент взаимодействия
наблюдатель-объект) наша Вселенная, согласно Эверетту, расщепляется на ряд
параллельных миров, поэтому весь глобальный Универсум представляет собой, по
существу, каскад причинно-следственных цепочек, образующих ансамбль миров.
Поскольку в процессе однократного акта регистрации элементарной частицы происходит
коллапс ее волновой функции, в результате которого ее мировая линия расщепляется на
дублет, процесс "ветвления" может быть интерпретирован как совокупность временных
потоков или, иначе, "стрел времени", каждая из которых задает направление течения
времени в отдельной копии Мегамира. Таким образом, темпоральность в теории
"ветвящихся" миров Эверетта носит многомерный характер. Помимо решения
кардинальной проблемы квантвой механики – коллапса волновой функции частицы,
теория Эверетта приводит и к дополнительным следствиям. Так, в частности, она
объясняет неконтролируемый разброс результатов в ходе экспериментов, а также
позволяет ввести понятие "психологического времени" для каждого наблюдателя. Не
исключено, что подобный подход сможет объяснить причины некоторых редких
заболеваний, таких как синдром Вернера, когда человек катастрофически быстро стареет
из-за генетического сбоя.
Дополнительные временные координаты возникают также в описании пространственновременной структуры черных и белых дыр (отонов), являющихся базовыми объектами в
концепции отонных миров [10], где глобальное пространство-время представляется
комплексным многообразием. Одной из гиперповерхностей (подмногообразий) является
наша Метагалактика, содержащая отоны - объекты, описываемые в рамках ОТО и
обладающие различными горизонтами событий (черные дыры, белые дыры и др.).
Горизонты событий разделяют глобальное пространство-время Вселенной на суб- и
суперлюминальные области, а сами отоны играют роль топологических "мостов” между
различными метагалактика ми. Связь между различными мирами в отонной Вселенной
возможна за счет трансметагалактических переходов материальных объектов через
процессы коллапса на одной гиперповерхности и антиколлапса на другой. Это
обусловлено тем, что, например, вращающиеся отоны, описываемые метрикой Керра,
обладают разветвленной структурой аналитически продолженного ПВМ, между
различными областями которого возможны трансметагалактические переходы. При этом
вращающиеся отоны являются наиболее реальными объектами для отождествления с
данными астрономических наблюдений, поэтому данная модель является одной из
наиболее перспективных в плане эмпирической верификации концепции
множественности миров, наблюдательными проявлениями которых могут служить
вспышки белых и серых дыр из других миров. Помимо доказательства существования
иных миров, концепция "отонной Вселенной" также дает возможность объяснения таких
космических феноменов как гамма-всплески, парадокс "скрытой массы”, образование
галактик и т.д.
На основании всего сказанного выше представляется очевидным, что понятие
многомерных пространств, являющихся конструктивной базой концепции
множественности миров, частным случаем которых выступают модели с многомерным
временем, играет фундаментальную роль практически во всех разделах современной
науки о Вселенной. Следует отметить, что для ансамбля миров понятие «единого
времени» как последовательности состояний системы теряет смысл из-за
неопределенности одновременности. Поэтому в Мультиверсуме время, будучи
глобальной характеристикой Мегамира, может интерпретироваться только как
многомерный феномен, что выводит космологию на качественно новый уровень научного
познания.
4. Проблема размерности времени в микромире
Согласно квантовой механике квантовые объекты не имеют определенных траек-торий.
Частица описывается волновой функцией, которая отождествляется с некоторой волной
вероятностей. Это означает, что в каждый момент времени частица одновременно
находится в нескольких состояниях с разной степенью вероятности. Но Аскин, например,
связывал одномерность времени с тем, что частица не может быть в один и тот же момент
в двух разных местах [29,с.126].
Волновая функция является непрерывной функцией времени и ее эволюция во времени
описывается дифференциальным уравнением Шредингера. Но время в квантовой
механике вводится как макроскопический параметр, измеряемый лабораторным и часами.
В отличие от пространственных координат, которые считаются наблюдаемыми,
соответствующими операторам и имеющим вероятностное распределение значений,
время считается детерминированной величиной.
Таким образом в квантовой механике отсутствует симметрия между пространством и
временем. Эту особенность времени отмечал еще Л. де Бройль: "Именно в сознании
наблюдателя, а следовательно, и в макроскопическом времени происходит эволюция
"состояния", описываемого волновой функцией Ψ, и если в квантовых теориях не удается
установить симметрию между пространством и временем, то это, по-видимому, связано с
особым характером времени, воспринимаемого сознанием, с непрерывностью его течения
и с его необратимостью" [30,с.142].
Наличие кванта действия, которым сопровождается любое наблюдение в микромире, не
позволяет установить строгую причинную связь между предыдущим и последующим
состояниями квантового объекта. Хотя эволюция волновой функции между двумя
последующими измерениями строго детерминирована, но после каждого измерения
частица переходит в новое состояние, для описания которого нужно определить новую
волновую функцию. Таким образом в микромире, согласно квантовой механике,
поведение частиц индетерминировано. Это означает, в частности, что в основание
временного порядка, а значит и одномерности микровремени уже нельзя положить
непрерывную причинно-следственную связь состояний квантовых объектов, так как она
отсутствует в описании микрочастиц. Скорее наоборот - временной порядок,
обусловленный последовательностью измерений, определяет причинно-следственную
связь состояний, описываемых последовательностью волновых функций.
Таким образом очевидно, что хотя в квантовой механике и используется классические
представления о времени и пространстве, но эти представления входят лишь в
макроскопическое описание процессов измерения. С другой стороны квантовые
закономерности фактически подрывают эти представления и ограничивают область их
применения.
На неудовлетворительность обычных пространственно-временных представлений в
области микромира указывали многие ученые. Но даже Эйнштейн не видел путей решения и этот вопрос до сих пор остается открытым. Л. де Бройль, например , считал
необходимым введение новых, более адекватных представлений:"... понятие пространства
и времени взяты из нашего повседневного опыта и справедливы лишь для явлений
большого масштаба. Нужно было заменить их другими понятиям и, играющими
фундаментальную роль в микропроцессах, которые бы асимптотически переходили при
переходе от элементарных процессов к наблюдаемым явлениям обычного масштаба в
привычные понятия пространства и время. Стоит ли говорить, что это очень трудная
задача?"[31,с.188].
Еще более серьезные трудности возникают в релятивистской квантовой теории. В
специальной теории относительности в основании пространственно-временного описания
положены кинематические характеристики электромагнитных волн, а именно
соотношение между длиной и периодом световой волны. Динамический аспект электромагнитных волн при этом не рассматривается и геометрия световых лучей определяет по
сути пространственно-временные масштабы и псевдоевклидову метрику. В случае малых
длин волн энергия фотона становится достаточной для порождения электрон позитронной пары и пространственно-временная картина, таким образом, искажается.
Квантовая теория поля изучает еще более фундаментальные процессы, чем квантовая
механика, и пытается вскрыть глубинные механизмы движения и взаимопревращения
микрообъектов. Между тем пространственно-временные представления остаются в этой
теории по существу макроскопическими [32,33]. Многие авторы связывают с этим
трудности и аномалии, возникающие в этой теории.
Так, например, согласно принципу неопределенности возможно самопроизвольное
изменение энергии микрообъекта, за счет которой могут возникнуть виртуальные
частицы, которые в принципе не наблюдаемы [34,35]. В связи с этим вполне правомерен
вопрос о "виртуальном" пространстве и времени, в котором могут существовать такие
виртуальные частицы, а этот вопрос логически приводит к вопросу о размерности
пространства и времени. По крайней мере на этих представлениях основана гипотеза
ветвящихся миров Эверетта [28].
Для решения этих проблем предлагаются различные пути, изменяющие пространственновременные представления. А.Эйнштейн, например, хотя и не конкретизировал, но
допускал существенные изменения характера протяженности и длительности в микромире
[36,с.181].
Циммерман и Чу вообще отказываются от пространственно-временных представлений в
микромире. Они считают, что пространство и время - это макроскопические феномены,
имеющие статистическую природу [37-39].
Возможное нарушение временного порядка следует из гипотезы Фейнмана и
Штукельберга, согласно которой позитрон интерпретируется как электрон, движущийся
назад во времени [40-43].
При обычной интерпретации процесса порождения и аннигиляции электрон-позитронной
пары считается, что в начале из -квантов порождается электрон-позитронная пара, а затем
позитрон, который обычно живет недолго, сталкивается с каким-нибудь другим
электроном, свободно движущимся в пространстве, и эти частицы аннигилируют,
порождая новый -квант. Таким образом в этом процессе участвуют три частицы - два
электрона и один позитрон, движение которых изображается тремя мировыми линиями,
пересекающимися в двух вершинах, соответствующих рождению электрон-позитронной
пары и их аннигиляции.
Согласно Фейнману во всем процессе участвует только одна частица - электрон. При этом
три мировые линии, соответствующие разным частицам, можно интерпретировать как
мировую линию одного электрона, который на участке между двумя вершинами движется
в обратном направлении времени.
По мнению Рейхенбаха такая интерпретация означает не просто обращение направления
времени, но и отказ от временного порядка, а из этого следует возможность
существования замкнутых причинных цепей и нарушения генетического тождества для
одновременных событий [44,с.353].
Если в основе одномерности макроскопического времени лежит возможность
идентификации различных последовательных состояний с одним и тем же
макроскопическим телом, то в данном случае такой критерий одномерности нарушается, а
из этого следует возможность многомерной интерпретации микровремени.
Таким образом, если проанализировать ситуацию в физике микромира, то расширение
представлений о размерности пространства и времени является одним из самых
перспективных направлений современных исследований. Это связано прежде всего с
необходимостью адекватного описания внутренних движений и лежащих в их основе
внутренних симметрий элементарных частиц. При таком подходе размерность
пространства и времени можно определять исходя из числа внутренних степеней свободы,
которое в свою очередь обусловлено характером внутренних симметрий.
Уже в 20-х годах ХХ столетия появились идеи Калуцы-Клейна о дополнительных
пространственных измерениях, которые, как полагалось, компактифицировались в
пределах микромасштабов [45]. В конце столетия эти идеи получили дальнейшее развитие
в связи с существенным прогрессом в физике элементарных частиц. В это же время в
теоретическую физику начали проникать идеи математической теории расслоённых
пространств. Одним из достоинств этих идей является то, что дополнительные измерения
ненаблюдаемы в нашем микропространстве и проявляются либо на малых масштабах,
либо в слоях , которые заданы на базе обычного пространства.
Новые геометрические идеи, расширяющие представления о размерности, до сих пор
анализировались лишь в приложении к пространственным измерениям. Между тем,
распространение этих идей в отношении времени представляет собой несомненный
интерес и открывает новые возможности в описании внутренних движений элементарных
частиц.
М. Бунге, например, считал, что движение частиц, обладающих спином, может быть
описано с помощью представлений о двумерном, вернее комплексном времени,
состоящем из двух компонент: внешнего переменного времени t и внутреннего
постоянного времени τ, которое относится к внутреннему движению частицы. Это
внутреннее постоянное время характеризуется величиной порядка 10-21сек. для случая с
электроном и может быть интерпретировано "как спиновая составляющая электрона"
[46,47].
Особенностью микромира является то, что в нём уже неприменимо 2-е начало
термодинамики и говорить, по крайней мере, о термодинамической необратимости
времени не имеет смысла. Кроме того, причинно-следственная структура времени
проявляется лишь в процессах взаимодействия элементарных частиц или вернее в
отдельных актах взаимодействия. С другой стороны, существенным свойством микромира
является взаимопревращаемость элементарных частиц и говорить о каком-то выделенном
направлении элементарных процессов без дополнительных условий не имеет смысла. С
точки зрения квантовой теории поля вакуум представляет собой равновесное состояние
виртуальных частиц, а описание виртуальных движений обладает полной симметрией по
отношению к временному порядку.
Вполне возможно, что внутренние движения элементарных частиц более адекватно
описываются в многообразиях с отличным от обычного соотношением числа
пространственных и временных степеней свободы. Одним из таких вариантов могла бы
стать попытка построения модели внутренних движений элементарных частиц в
многообразии М1+3, соответствующему одномерному пространству и трёхмерному
времени. Следствием модели многомерного времени является то, что скалярные в
обычном пространстве величины (такие например как энергия и масса) становятся
векторными.
В.С. Барашенков считает, что "проявление скрытых от нас измерений времени возможно
также в макроскопических процессах, где сохранение энергии и необратимость времени
(при очень малых Δx и Δt) виртуально нарушаются. Исследование связанных с этим
явлений требует разработки многовременной квантовой теории" [21,c.4]. После изучения
решений многовременного уравнения Дирака он пришел к выводу, что "в теории
многомерного времени пока не удается обнаружить каких-либо противоречий" [21,c.22].
5. Заключение
В заключение можно сделать следующие выводы:
1. Абсолютизация геометрических представлений времени приводит к статической
концепции времени. Отсюда следует возможность применения математической теории
многомерных пространств для построения различных концептуальных моделей
многомерного времени. Гипотезы многомерного времени привлекаются для объяснения
аномальных явлений, либо явлений, выходящих за пределы макроскопического опыта
(мегамир и микромир) и предпочтительность той или иной модели должна определяться
возможностью адекватного описания тех или иных явлений. Единственным критерием
таких построений является их внутренняя непротиворечивость и согласованность с
физическими принципами и законами. При этом одномерность физического
макровремени не подвергается сомнению, но из этого ещё не следует абсолютизация
этого свойства времени на область мега- и микромира.
2. В теории относительности вопрос о размерности времени непосредственно связан с
вопросом о размерности единого пространства-времени и соотношении пространственной
и временной составляющей в рамках единого описания. Из относительности
одновременности следует относительность временного порядка за пределами светового
конуса. Отсюда следует возможность интерпретации времени как многомерного феномена
в рамках глобального описания.
3. Из наличия конечной скорости взаимодействия следует возможность существования
причинно-несвязанных пространственно-временных областей, которые можно
интерпретировать как множество отонных миров. При этом многомерность времени
понимается как множество независимых временных измерений, описывающих множество
независимых миров, существующих в многомерной Вселенной. Таким образом,
концепция многомерного времени в теории относительности является эффективной
методологической и мировоззренческой установкой, расширяющей представления о
глобальной пространственно-временной структуре Вселенной и концептуальной основой
идеи множественности миров. Конкретно-эмпирический выбор результирующей модели
ансамбля миров зависит от прогресса в области разработки теорий объединения
физических взаимодействий и квантовой гравитации, а также от успехов наблюдательной
астрономии и астрофизики. В настоящее время идея множественности миров становится
определяющим мировоззренческим и методологическим ориентиром в системе
современных научных знаний, а ее анализ позволит прогнозировать пути дальнейшего
прогресса познания и синтеза научной картины мира будущего.
4. Расширение представлений о размерности пространства и времени является одним из
перспективных направлений исследований физики микромира. Это связано прежде всего
с необходимостью выявления фундаментальной структуры, лежащей в основании
внутренних симметрий элементарных частиц. В основе внутренних симметрий леж1ит, по
мнению авторов, кинематико-динамическая симметрия, обусловленная внутренними
движениями, а для описания таких движений необходимо радикальное изменение
пространственно-временных представлений в микромире. При этом повышение
размерности времени следует понимать как появление внутренних степеней свободы, а их
ненаблюдаемость связана с циклическим характером внутреннего времени.
Литература
1. Hinton C.H., What is the Fourth Dimension? London, 1887.
2. Уэллс Г. Машина времени. Мн.: Народная асвета, 1969.
3. Bradly F.H. Appearence and Reality. London, 1893, chap. 18.
4. Данн Д.У. Эксперимент со временем. – М.: "Аграф”, 2000. – 224с.
5. Эддингтон А. С. Теория относительности. - Л.-М.,1934.
6. Ньютон И. Оптика, или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах
света. Изд. АН СССР, М., 1954.
7. Барашенков В.С. Многомерное время // Знание-Сила, 1995, №12, с.62.
8. Arzelies H. Cinematique Relativiste, 1955. Р. 217.
9. Bilaniuk M., Deshpande V. K., Sudarshan E. C. G. // Am. J. Phys. – 1962. – Vol. 30 P. 718.
10.Трофименко А. П. Теория относительности и астрофизическая реальность. Минск:
Наука и техника, 1992. – 168с.
11.Recami E. and Mignani R., Riv. Nuovo Cim.,4 (1974) 209; 9 (1986) 1.
12.Киржниц Д.А., Сазонов В.Н. Сверхсветовые движения и специальная теория
относительности (вводная статья) // Эйнштейновский сборник 1973, М.: Наука, 1974, с.
84-111.
13.Биланюк О., Сударшан Е. Частицы за световым барьером. (Перевод А.М. Урнова) //
Эйнштейновский сборник 1973, М.: Наука, 1974, с. 112-133.
14.Фейнберг Дж. О возможности существования частиц, движущихся быстрее света. (Перевод Е.И. Волкова и В.П. Шевелько) // Эйнштейновский сборник 1973, М.: Наука, 1974,
с. 134-177.
15.Чонка П.Л. Причинность и сверхсветовые частицы. (Перевод Е.И. Волкова) //
Эйнштейновский сборник 1973, М.: Наука, 1974, с. 178-189.
16.Реками Э. Теория относительности и её обобщения // Астрофизика, кванты и теория
относительности: Сб. ст. / Под ред. Э. Реками. – М.: Мир, 1982 с.53.
17.Gurin V. S. Fizika, 16, 87, 1984.
18.Гурин В. С. и Трофименко А.П. Расширенная теория относительности и многомерное
(комплексное) представление расширенных многообразий // Acta Physica Hungarica. –
1990. 67 (3-4). Р. 275-287.
19.Зельдович Я.Б., Новиков И.Д. Теория тяготения и эволюция звезд. М., 1971.
20.Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. М.: Мир, 1981, 352с.
21.Барашенков В.С., Юрьев М.З. Квантовая теория поля с трехмерным вектором времени.
Препринт ОИЯИ Р2-99-109, Дубна, 1999.
22.Владимиров Ю.С. Пространство-время: явные и скрытые размерности. М., 1989.
23.Трофименко А.П. Черные и белые дыры во Вселенной. Мн., 1991.
24.Спасков А.Н. Философский анализ проблемы размерности времени в современной
физике // Весцi НАН Беларусi. Сер. гуманiт. навук. 2003. №1. с.50-55.
25.Сахаров А.Д. Космологические переходы с изменением сигнатуры метрики// ЖЭТФ,
1984, Т.87, с.375.
26.Андрей Сахаров. Воспоминания (в 2-х тт.). Нью-Йорк, изд-во им.Чехова, 1990. - с.785.
Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. - М.: Наука, 1990.
27.B.S. DeWitt, N. Graham (eds.). The Many-Worlds Interpretation of Quantum Mechanics.
Princeton University Press, 1973.
28.Аскин Я.Ф. Проблема времени. Ее философское истолкование. - М.: Мысль, 1966.
29.Де Бройль Л. Соотношение неопределённостей Гейзенберга и вероятностная
интерпретация волновой механики. М., Мир, 1986, 342с.
30.Де Бройль Л. Революция в физике. М.: Атомиздат, 1965, 232с.
31.Мостепаненко А.М. Пространство и время в макро-, мега- и микромире. М.:
Политиздат, 1974, 240с.
32.Тирринг В. Принципы квантовой электродинамики. М., 1964.
33.Новожилов Ю.В. Элементарные частицы. М., 1962.
34.Готт В.С. Философские вопросы современной физики, М., 1966.
35.Эйнштейн А. Неевклидова геометрия и физика // Собрание научных трудов, т. 2, М.,
1966, с.
36.Zimmerman E.J. The macroscopic nature of space-time // American Journal of Physics, 1962,
v. 30, No.2, p. 99.
37.Chew G.F. The dubious role of space-time continuum in microscopic physics // Science Progress, 1963, v. 51, No.204, p.529.
38.Алексеев И.С. Пространство и квантовая механика // Философские вопросы квантовой
физики. М., 1970.
39.Stuckelberg E.C.G. Remarque a propos de la creation de paires de particules en theorie de
relativite // Helv. phys. acta, 1941, vol. 14, p. 588-594.
40.Stuckelberg E.C.G. La mecanique du point materiel en theorie de relativite et en theorie des
quanta // Helv. phys. acta, 1942, vol. 15, p. 22-37.
41.Feynman R.P. The Theory of Positrons // Physical Review, 1949, vol. 76, p. 749-759.
42.Фейнман Р. Теория позитронов. Новейшее развитие квантовой электродинамики. М.,
1962.
43.Рейхенбах Г. Направление времени. - М.: ИЛ, 1962.
44.Ходос А. Теории Калуцы-Клейна: Общий обзор // Успехи физических наук. 1985, т.146,
вып.4, с.647-654.
45.Bunge M. Nuovo cimento, 1955, ser.10.Vol. 1. p. 9777.
46.Bunge M. Brit. Journ. Phil. 1958,Vol. 9, p. 39.
