Текст книги "Физика времени"

Автор книги: Артур Чернин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 20 страниц)

А.Д. ЧЕРНИН
ФИЗИКА ВРЕМЕНИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тайна времени всегда занимала умы людей, издавна волновала их воображение и чувства.

О природе времени, о причине его неудержимого бега размышляли и спорили на протяжении веков. Ускользающую сущность времени пытались уловить еще античные мыслители. В эпоху Возрождения, давшую начало современным наукам о мире и человеке, время понимали уже как реальную, неотъемлемую черту Вселенной и видели в нем вполне определенные свойства, познать и изучить которые можно путем научного исследования. Расцвет физической науки с начала нашего века сделал время предметом прямого экспериментального и наблюдательного изучения; тогда же возникла замечательная теория, раскрывшая глубокие связи между ходом времени, геометрическими свойствами пространства и протекающими в природе физическими явлениями. В наши дни физика времени обогащается новейшими данными космологии и физики элементарных частиц – двух фундаментальных областей современной физической науки, где рождается принципиально новое знание о мире. Проникновение в природу времени продолжается.

В физике нет особого, самостоятельного раздела, специально изучающего время. Не существует отдельной науки о времени – такой, как, например, наука о пространстве – геометрия. Имеется, правда, наука об измерении времени – хронология (хронос по-гречески значит время). Но можно сказать, что вся физика в своих принципиальных основах строится на представлениях о времени. Например, старейшая из физических наук – классическая механика – изучает законы движения тел «обычных» размеров и масс. Чтобы открыть эти законы и затем применять их для расчетов машин и механизмов, строительных конструкций, транспортных средств, а в наши дни – и космических аппаратов, потребовалось сначала выработать определенное понимание времени, ясно и точно сформулировать важнейшие его свойства. Это было сделано Ньютоном 300 лет назад. Когда в первой четверти нашего века возникали теория относительности и квантовая теория, границы физической картины мира далеко раздвинулись и она включила в себя самый большой объект науки – Вселенную как целое и самые малые тела природы – элементарные частицы. Физика наших дней со всеми ее бесчисленными и разнообразными применениями исходит из принципиально новой концепции времени. Вместе с тем фундаментальные идеи современной физики служат основой для дальнейшего развития и углубления наших представлений о времени.

Возникновение и развитие научных представлений о времени, современная физическая концепция времени, трудные и все еще далеко не разрешенные загадки, которые ставит перед нами время и его необратимый бег,– вот о чем рассказывается в этой книге.

Я рад поблагодарить Я. И. Азимова, В. Л. Гинзбурга, Д. А. Киржница и Я. А. Смородинского, прочитавших рукопись книги или отдельные ее части и сделавших ряд ценных критических замечаний. Я глубоко благодарен Л. Э. Гуревичу за многочисленные обсуждения затронутых в книге проблем. Воспроизводимые в книге фотографии часов любезно предоставлены Л. Г. Ченокал и Р. Мартинкусом; им моя искренняя признательность. Рисунки для книги сделал Ф. А. Чернин; его мне особенно приятно поблагодарить.

ГЛАВА 1
ВРЕМЯ И МЫ

Переживая непосредственные впечатления об окружающем нас мире, а затем целенаправленно изучая и осваивая его, человечество постепенно выработало ряд основных понятий, на которых строятся все наши представления, вся система наших знаний. Одно из важнейших – понятие времени.

Основные понятия о мире – это плод человеческого разума, воображения, наблюдательности, памяти, воли. Ум обладает высокой способностью создавать понятия. Но он не извлекает их готовыми из самого себя. Он не может вылепить их из ничего. Ум создает понятия из материала конкретных знаний, полученных в наблюдении мира, в практической деятельности, в повседневном опыте.

Чувство времени

Человек живет во времени и способен тонко чувствовать его. Мы следим за временем, ориентируемся во времени, пользуясь часами, но можем обходиться и без них. Многие более или менее хорошо угадывают время, а некоторые на вопрос «Который час?» отвечают, не глядя на часы, с поразительной точностью.

Конечно, нетрудно угадать, что прошло 45 минут с начала урока или лекции, когда слышишь звонок. Звонок – тоже часы, только они указывают время не в любой момент. Можно узнавать время днем по Солнцу, а ночью по Луне, по их положению на небе. Луна и Солнце – это астрономические часы, подаренные нам природой.

Но как мы узнаем время без всяких часов и без каких-либо ориентиров? Можно ли, например, следить за временем, находясь в закрытом помещении, совершенно изолированном от внешнего мира? Известно, что космонавты, готовясь к космическим полетам, проходят испытания и тренировки в изолированных помещениях, называемых сурдокамерами. Туда не проникают извне ни свет, ни звуки. Человек остается один на один со временем. И, оказывается, даже в таких условиях можно хорошо ориентироваться во времени без часов, проделывать по расписанию определенные программой задания, соблюдать режим работы и отдыха, бодрствования и сна.

Давно известно, что человек обладает пятью чувствами – зрением, слухом, осязанием, обонянием и вкусом. Они описаны еще Аристотелем, знаменитым ученым древности, жившим в Греции в IV веке до нашей эры. Но нет ли у нас еще и шестого чувства – чувства времени? Ведь мы действительно чувствуем время, постоянно ощущаем его течение.

В специальных экспериментах люди, проводившие дни и недели в изолированной камере или глубокой пещере, определяли время с довольно высокой, иногда чуть ли не до процента, точностью. Это означает, что, например, продолжительность часа угадывали с ошибкой всего в минуту-другую, а продолжительность суток – с ошибкой, не превышающей получаса. В подобных экспериментах человек никакого сознательного отсчета времени не вел – не считал вслух, не делал отметок или зарубок, как Робинзон Крузо на своем острове. Уверенное чувство времени вполне обходилось без этого, не оставляло человека и не подводило его.

А вот другой эксперимент. Испытуемому давалось перед сном задание проснуться, скажем, ровно в 7 часов – без будильника. И тренированные люди, а среди них были космонавты, полярники, альпинисты, с очень хорошей точностью просыпались в заданный час, хотя обычно они привыкли вставать в другое время.

В чем же дело? Не означает ли все это, что у каждого из нас имеются какие-то внутренние недремлющие часы, которые исправно идут и когда мы бодрствуем, и когда спим?

Счетчик времени?

Если для выполнения какого-то задания космонавту в сурдокамере нужно отсчитывать секунды, он может воспользоваться пульсом. Частота пульса – приблизительно один удар в секунду – выдерживается с неплохим постоянством, а у людей тренированных пульс особенно ровен. Это часы, которые всегда с нами. Пульс связан с ритмическими сокращениями сердца, и можно сказать, что часовой механизм здесь – сердечная мышца, а пульс – сигнал этого механизма, подобный тиканью механических часов.

Пульс хорош для отсчета секунд или минут. Но если нужно отсчитывать часы, сутки, недели или даже месяцы, космонавт не станет непрерывно держать руку на пульсе. И тем не менее, как мы говорили, человек хорошо чувствует и оценивает как малые, так и сравнительно большие промежутки времени. В этом случае пульс или, скажем, дыхание на роль часов не годятся, да и вообще непрерывный сознательный счет времени невозможен. Тут действуют какие-то другие часы.

Многие исследователи – психологи, физиологи, биофизики, кибернетики – считают, что человек, определенно, обладает внутренними часами, и притом не одними, а многими. По сути дела, на роль часов годится любой орган нашего тела, который, подобно сердцу или системе дыхания, работает ритмически. Нужно, конечно, чтобы его ритм всегда поддерживался более или менее постоянным.

А самых разнообразных ритмов в человеческом организме немало. Известно, что в течение суток периодически меняется температура тела, давление и химический состав крови. Суточные колебания испытывают несколько десятков различных физиологических процессов и время суток указывает не только «желудок – верный наш брегет». Суточный ритм организма согласуется с вращением Земли вокруг своей оси. Имеются и более медленные ритмы, связанные со сменой времен года, то есть с различными положениями Земли в ее годовом обращении по своей орбите вокруг Солнца.

Если органом зрения служит глаз, а органом слуха – ухо, то чувство времени, по мнению специалистов, не связано ни с каким отдельным органом тела. Возможно, непрерывный отсчет времени ведется всеми (или почти всеми) органами, действующими ритмически, а в единый очень сложный часовой механизм их объединяет мозг, точнее, кора головного мозга, где сосредоточены все важнейшие «центры управления» человеческим организмом. В пользу такой точки зрения говорит тот замечательный факт, что ритмические явления непрерывно протекают и в самой коре головного мозга.

Альфа-ритм

О ритмах головного мозга узнали более 50-ти лет назад. Это открытие было сделано при изучении электрических полей, которые сопровождают работу мозга и возникают в результате сложных физико-химических процессов в нервной ткани. Сами по себе эти поля были обнаружены еще в 70-е годы прошлого века. Оказалось, что если к голове прикрепить пару электродов, то прибор укажет, что между ними возникает электрическое напряжение. Напряжение довольно слабое, всего несколько микровольт, но оно вполне измеримо.

Усовершенствование измерительных приборов позволило в дальнейшем делать записи мозгового электрического напряжения – электроэнцефалограммы. Они представляют собой графики, указывающие значение напряжения в последовательные моменты времени. Это временной ход напряжения. И вот расшифровка таких графиков, полученных при непрерывной записи в течение нескольких минут, показала, что электрическая активность мозга обладает четкой ритмичностью.

Электрическое напряжение между электродами не остается постоянным, оно испытывает непрерывное мелкое дрожание. Довольно отчетливо в этом дрожании выделяются ритмические колебания, в которых последовательные подскоки и спады напряжения происходят регулярно каждую десятую долю секунды. Этот ритм иногда чуть быстрее, иногда чуть медленнее, но он всегда присутствует. Его частота – около десяти колебаний в секунду; это примерно в десять раз выше частоты пульса. Явление таких периодических колебаний, обнаруживаемых по электроэнцефалограмме, получило название альфа-ритма головного мозга.

Знаменитый математик Норберт Винер (1894—1964), основоположник кибернетики, считал, что ритмической активности мозга принадлежит ключевая роль в нашей способности чувствовать время. По его мнению, альфа-ритм представляет собой «самое настоящее тикание наших внутренних часов».

Мы не слышим хода этих часов, не ощущаем его. Мы не можем взглянуть на эти часы. Но что же происходит в нашем мозгу, когда нас спрашивают: «Который час?» Мы не делаем никаких подсчетов в уме или оценок – сколько, скажем, колебаний альфа-ритма произошло с известного нам момента времени. Это невозможно, да и не требуется. Мы как бы сосредоточиваемся на миг, и вот уже ответ готов: «Около двух часов» или «Приблизительно без четверти два», или что-нибудь в этом роде. И как мы уже говорили, многие способны дать очень точный ответ, с ошибкой, например, не более чем пять минут или даже меньше, хотя перед этим давно не смотрели на часы.

Какая-то четко действующая цепочка операций, лишь частично контролируемая сознанием (а скорее, просто «запускаемая» им) ведет от альфа-ритма к ответу на вопрос о времени. Это работает связь между физиологическими ритмами организма, и в первую очередь ритмами мозга, и нашими сознательными представлениями о времени. Но как в действительности это происходит? Как мы узнаем показания наших внутренних часов? Как в нашем мозгу происходит осознание времени? Об этом пока еще слишком мало известно.

И еще вопросы. Почему кажется, что время иногда летит стрелой, а иногда тянется поразительно медленно? Не идет ли время по-разному для того, кто смотрит фильм, и для того, кто ждет, когда освободится телефон-автомат? Не быстрее ли бежит оно на каникулах? Правда, это уже не такие сложные вопросы, и на них можно придумать правдоподобные ответы. Эти ответы свяжут наше ощущение времени с чувствами, ко– которые мы переживаем. Но замечательно, что от наших чувств не зависит темп альфа-ритма, наших главных внутренних часов. Это показали прямые опыты. Небольшие ускорения или замедления альфа-ритма возможны, но они совершенно несущественны по сравнению с кажущимися различиями одинаковых промежутков времени (скажем, двух уроков в школе и сеанса в кино).

Живые часы

Электрическая активность мозга создается согласованным действием большой группы нервных клеток в коре головного мозга. Каждая клетка способна генерировать очень слабые электрические поля, потенциалы и токи. Кроме того, клетка может испытывать колебания – она непрерывно то расширяется, то сокращается, что вызывает колебания и ее собственного электрического поля. Очень важно, что колебания всех клеток, составляющих многочисленный коллектив, происходят не беспорядочно, а как по команде: все разом расширяются, затем вместе сокращаются и так снова и снова. Электрические поля клеток при этом складываются, и общее поле всей группы тоже оказывается ритмически колеблющимся. Из– за этого колеблется, мелко дрожит, как мы говорили, электрическое напряжение, записываемое на энцефалограмму.

Электрические (а точнее, биоэлектромагнитные) явления такого рода наблюдаются у всех живых клеток – это не привилегия одних только клеток нервной ткани, из которой состоит кора головного мозга. Электромагнитные эффекты живых тканей или органов давно уже изучаются наукой. Ритмические колебания, проявляющиеся в электромагнитных эффектах, – общая черта всех живых клеток. Можно сказать, что каждая клетка, обладающая внутренним ритмом, представляет собой живые часы. И неудивительно поэтому, что различного рода ритмическое поведение наблюдается на всех уровнях живого – от отдельной клетки, самого простого одноклеточного организма или растения до высших животных.

Вся живая природа располагает естественными часами, своими внутренними ритмами, живет во времени и постоянно и чувствует его бег. Биологам известны удивительные примеры тонкого чувства времени у пчел, птиц, многих животных. Но лишь человек способен не только жить во времени и переживать время, но и осознавать его, целеустремленно исследовать и изучать.

От ощущения к понятию

Уже в возрасте нескольких месяцев ребенок стремится активно ориентироваться во времени и пространстве. Это необходимо ему для освоения и изучения окружающего его мира. Но сознательное понятие о времени возникает далеко не сразу.

Раньше и легче дается человеку ощущение пространства. Что такое здесь и там, становится понятным довольно скоро. Здесь – это то, что доступно, что можно разглядеть, потрогать, попробовать на вкус. Там непосредственно не доступно, но если приложить усилие, постараться дотянуться или переместиться, то можно превратить там в здесь.

К году или полутора годам ребенок начинает понимать, что такое сейчас – оно похоже на здесь. Чуть позднее выясняется и что такое скоро – оно похоже на там, недалеко. В 3 года становится ясным, что бывает сегодня, завтра и вчера. Только к 7—8 годам складывается наше обычное интуитивное представление о времени как о равномерно и повсеместно текущем потоке мгновений, каждое из которых сначала еще только будет, затем оно уже есть, а потом превращается в было.

В своем развитии ребенок, вероятно, повторяет – в очень ускоренном темпе – тот долгий и давний путь, которым человечество, развиваясь от первобытного состояния, пришло к нашему современному понятию времени. Это тоже был путь ощущения, восприятия, исследования и освоения мира. На самых первых порах источником ощущения и переживания времени было, наверное, стремление превратить желаемое в доступное.

Как говорил еще сто лет назад французский психолог М. Гюйо «время закрыло бы доступ к себе существу, которое ничего не желало бы, ни к чему не стремилось… Будущее – это не то, что идет к нам, а то, к чему мы идем». Цель – действие – достижение. По этому образцу в сознании людей возникла цепочка будущее – скоро – сейчас, которая превратилась потом в представление о последовательности мгновений, сменяющих друг друга в общем потоке времени.

Самые древние черты человеческого сознания оставили след в сказках, легендах, былинах, мифах, ритуалах. Их изучение и привело специалистов к выводу, что вслед за представлением о последовательности близких по времени событий у первобытного человека возникало осознание ритмичности, повторяемости происходящего с ним и вокруг него. Эта повторяемость затрагивала и короткие, и более длительные промежутки времени. Постоянная смена дня ночью, смена одной погоды другой со временем года, неизменная повторяемость годовых изменений в природе – эти ритмы и циклы в окружающем человека мире были исключительно важны для его жизни, для его выживания. Уверенность в том, что, например, за холодами снова последует тепло, служила опорой человеку в его суровой, полной опасностей жизни.

Сознание размеренного и неизменного ритма природы рождало в человеке надежду, даже убежденность, что и в его деятельности должна быть повторяемость, регулярность. Очень важна была для человека уверенность в том, что одни и те же действия приведут к тем же результатам. Возможность повторять действия и всякий раз достигать желаемого рождалась из ощущения мировых ритмов и в свою очередь поддерживала и углубляла это ощущение.

Неизменный повтор, ритмичность в природе еще не дают отчетливого ощущения самого времени, но подсказывают чувство промежутков времени, более или менее одинаковых при одинаковых изменениях. Далее возникает и осознание того, что совершение одинаковых повторяющихся действий требует одинаковых промежутков времени. Вслед за этим необходимо, вероятно, соединить впечатление ритмичности с ощущением последовательности. Так, должно быть, возникает понятие о промежутках времени, стоящих друг за другом и составляющих какой-то ряд.

Теперь остается сделать последний шаг – понять, что этот ряд, эта цепь промежутков, не стоит на месте, а постоянно и неудержимо движется, увлекая за собой и нас, и все вокруг.

Пространство

Среди важнейших понятий, на которых строится вся система человеческих знаний, рядом с понятием времени, а может быть, и прежде него, стоит понятие пространства. Понятие пространства дается ребенку легче, чем понятие времени, мы уже упоминали об этом. Вероятно, и человечество освоилось с ним легче и раньше, а затем люди постоянно использовали – и до сих пор используют – образ и понятие пространства в своих попытках выработать ясное понятие времени, проникнуть в его физическую природу.

Пространство обладает для нас многими явными преимуществами перед временем. Во-первых, его можно видеть. Пространство предстает перед нашим взором как бы целиком, мы видим его сразу и везде. Что же касается времени, то мы его не видим и не слышим; мы ощущаем его, но нам оно дается не целиком: непосредственно мы переживаем только его краткий миг, одно лишь мгновение сейчас из всей череды мгновений.

Во-вторых, в пространстве мы можем свободно перемещаться, двигаться в трех направлениях (или лучше сказать, в трех измерениях): влево – вправо, вверх – вниз, вперед – назад. Но у нас нет свободной подвижности во времени. Мы не можем по нашему произволу вернуться в прошлое, остаться навсегда в настоящем, совершить поездку в будущее и возвратиться обратно.

Обозримость пространства, возможность перемещаться в нем дали, вероятно, первый толчок исследовательской мысли человека. Способность человеческого разума создавать понятия впервые ясно проявила себя, по-видимому, в выработке понятия пространства. Различные грани, стороны, свойства пространства постепенно открывались человеку в зрительных образах и впечатлениях движения, а затем складывались в единое целое. Знание о пространстве фактически первым прошло путь от непосредственного опыта к понятиям, от понятий к строгой науке.

Более трех тысячелетий назад на берегах Нила, Тигра и Ефрата, люди уже располагали глубокими и точными сведениями о том, что такое линия, плоскость, объем. Они могли измерять длины и площади, рассуждали о взаимных отношениях линейных, плоских и объемных, трехмерных фигур. Знание развивалось благодаря практической деятельности строителей, землемеров, путешественников, оно питалось ею и питало ее. Человеческая любознательность, воображение и память строили из отдельных конкретных данных общую науку, способную давать правильные ответы на любые вопросы в самом широком разнообразии условий.

В античном мире эта наука окончательно оформилась в III веке до нашей эры во времена Евклида, и главным образом благодаря именно ему. Евклидова геометрия – наука о пространственных отношениях тел в физическом мире – и по сей день остается основой основ точного знания. Она служит образцом ясности, стройности и цельности для всех наук о природе.