Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 18 (всего у книги 20 страниц)
Из вакуума...
Соображения, которые мы только что изложили, не кажутся еще, пожалуй, слишком дерзкими. Гораздо дальше заходят рассуждения о самом происхождении мира. Квантовым свойствам времени (и пространства) в таких рассуждениях отводится ключевая роль. Другая исходная идея – представление о физическом вакууме.
Все физические тела погружены в вакуум, который, как стало теперь ясно, не назовешь просто пустотой. Под вакуумом понимают такое состояние физической системы, когда в ней нет ни частиц, ни полей. Это состояние наименьшей возможной энергии. Но это не означает, что в нем вообще ничего нет. В вакууме постоянно протекают сложнейшие физические превращения. В нем происходят, например, особого рода вакуумные колебания электромагнитного поля. Но это не то поле, которое хорошо известно нам по разнообразным проявлениям; это не оно, а его, так сказать, «вакуумные корни». Эти колебания не вырываются из вакуума и не могут распространяться. Но они отчетливо проявляются в физическом эксперименте. (В частности, они влияют на взаимодействие между ядром и электронами в атоме и тем самым немного сдвигают линии в спектре излучения атома.)
Такого рода квантовые колебания есть не только у электромагнитного поля, но вообще у всех физических полей. Имеются и вакуумные колебания поля тяготения – «вакуумные корни» гравитационных волн. В эксперименте их не наблюдали, но они, несомненно, должны существовать: гравитационные волны и в этом смысле ничуть не хуже электромагнитных. Вакуумные колебания не могут распространяться, но в каждом данном месте они постоянно и нерегулярно колеблют уровень тяготения. А из-за этого, согласно обшей теории относительности, непрерывные изменения претерпевают и геометрические свойства пространства-времени. Они испытывают постоянное «дрожание». По этой причине, например, отношение длины окружности к радиусу колеблется около 2π – значения, которое оно имеет в евклидовой геометрии. Ясно, конечно, что эти колебания неуловимо малы, когда мы имеем дело с «обычными» длинами. Но чем меньше масштаб, тем эти «дрожания» геометрии заметнее. И в микромире они должны быть существенны.
То же относится и к времени. Идеально чувствительные часы, испытывая воздействие вакуумных колебаний тяготения, должны непрерывно и хаотично менять темп хода. Это означает, что и само время течет не вполне плавно. Его поток постоянно и нерегулярно колеблется, то ускоряя, то замедляя свое движение, и это происходит по-разному в разных местах и в разные моменты.
Державинское сравнение времени с рекой можно было бы продолжить и сказать, что течение в реке времен не спокойное и гладкое. По ней бегут волны; и, кроме того, река времен всегда бурлит. В обычном масштабе секунд, часов, дней это, конечно, совершенно неощутимо, но во временных масштабах микромира такое бурление времени составляет одну из важнейших его черт.
Помимо колебания полей в вакууме постоянно происходят и другие события. В нем все время рождаются и тут же исчезают частицы и античастицы. Они возникали парами: электрон с позитроном, протон с антипротоном... Вообще все возможные частицы, каждая в паре со своей античастицей, живут в вакууме своей особой беспокойной жизнью. Но они тоже – как и вакуумные колебания – не могут сами собой вырваться из него и начать независимое существование. Но если сталкиваются, скажем, два протона достаточно высокой энергии, то эти вакуумные пары частиц могут освободиться из вакуума. Тогда рождается целый «сноп» частиц, которые потом в вакууме не исчезают и живут уже независимо от него.
Все эти явления в вакууме имеют квантовую природу. Самопроизвольное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц «из ничего» возможно только потому, что закон сохранения энергии выполняется в природе не строго, а с точностью до квантовой неопределенности. Рождаясь, частицы берут у вакуума энергию взаймы. Но они обязаны вернуть ее через положенный срок, и потому они снова исчезают, превращаясь в «ничто». Чем больше заимствованная энергия, тем короче жизнь вакуумной пары. Эти процессы в микромире уже давно и подробно изучает физика элементарных частиц, причем не только теоретически, но и экспериментально.
Рождение в вакууме пары частиц создает в данной месте и на данное время дополнительную массу. Как и всякая масса, эта масса вызывает тяготение. Но тяготение в свою очередь управляет геометрией пространства, темпом течения времени. Значит, рождение частиц замедляет в данном месте ход времени, слегка притормаживает его. Поэтому постоянное рождение и исчезновение частиц в вакууме тоже заставляет «бурлить» реку времен.
Квантовые представления о самопроизвольном рождении частиц из вакуума находят сейчас необычайно смелое развитие в космологии. Они важны для изучения ранней истории Вселенной, когда ее возраст исчислялся ничтожными мгновениями. Более того, эти представления наводят на мысль, что и само происхождение Вселенной можно понимать как квантовый процесс. Вселенная не существовала извечно, она возникала в тот момент времени, который мы с полным основанием приняли за начальный. И вблизи этого момента Вселенная вела себя как объект микромира с присущими ему квантовыми закономерностями. Она была тогда вполне похожа на микрочастицу. И если так, то не могла ли Вселенная самопроизвольно родиться из вакуума, как рождаются обычные элементарные частицы? Такую догадку высказали несколько лет назад П. И. Фомин в нашей стране и Э. Трайон в США. Это смелая гипотеза и она вызывает сейчас немалый интерес. Однако ее разработка возможна лишь на основе общей гравитационной теории, которой пока не существует. Так что основательное доказательство – или опровержение – идеи квантового происхождения Вселенной остается делом будущего, и притом скорее всего отдаленного.
Тем не менее уже и сейчас ясно, что квантовый подход к ранней Вселенной вполне оправдан. Он, несомненно, обещает плодотворную основу для настоящего понимания природы времени, его происхождения. Время Вселенной начинается с ее рождения. Когда не было Вселенной, не было и ее времени. Повторим еще раз: в природе нет никакого времени «самого по себе». Не существует единого и всеобъемлющего времени для всей природы, на которое, как на какой-то стержень, «нанизывались» бы все подряд события в мире. Время – это всегда конкретное физическое свойство данных конкретных физических тел и происходящих с ними изменений.
ГЛАВА 14
СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
Из мира строгих и красивых физических теорий, которыми являются классическая механика, теория относительности, квантовая теория, мы уже не раз переходили в область догадок, предположений и гипотез. Поиски сущности времени еще далеко не завершены, и в этой главе мы обратимся к самой трудной загадке времени. Мы уже так или иначе касались ее в других главах книги, да ее и невозможно было обойти, она всюду напоминает о себе.
И нужно сразу сказать, что в физике сделано пока что поразительно мало, чтобы разрешить эту загадку. Научные работы, которые посвящены проблеме бега времени, его направленности и необратимости, можно перечесть по пальцам. Выдвинут ряд гипотез, поставлен ряд вопросов. С ними мы и познакомим читателя. Но это только первые шаги, и главные успехи, как нужно надеяться, еще впереди.
Бег и направление
Те свойства времени, о которых мы судим и которые изучаем с помощью часов, называют количественными его свойствами (или, как часто говорят, метрическими свойствами). С помощью часов мы устанавливаем длительность различных промежутков времени, сравниваем их между собой. Выбирая определенные единицы времени – секунды, часы, годы, мы выражаем в них результаты наших измерений и сопоставляем временным отрезкам те или иные числа, выражающие их длительность. Коротко говоря, с помощью часов мы измеряем время, даем ему количественную меру. Теория относительности и представляет собой теорию количественных (метрических) свойств времени.
Но есть у времени и иные свойства, которые принято называть качественными (или иначе топологическими). Важнейшее из качественных свойств времени это и есть его необратимый бег. Время не стоит, оно неизменно течет от прошлого через настоящее в будущее. Прошлое никогда не возвращается. Мы не можем послать какие бы то ни было сигналы в прошлое, не можем его изменить. Мы можем влиять лишь на будущее и в будущее посылать сигналы.
Время делится на прошлое, настоящее и будущее, и три его части никогда не существуют совместно. Это дало основание Лейбницу сказать, что время есть порядок несовместимых возможностей.
Теория относительности говорит нам, каков темп течения времени, от чего зависит его замедление, но не отвечает на вопрос, почему оно вообще течет, чем определяется его неизменное направление – от прошлого к будущему.
Мы не знаем ответа на эти вопросы. Мы даже не знаем точно, те ли вопросы мы задаем, правильно ли их ставим.
Почему бежит река? Потому что вода не стоит на месте, когда есть уклон, и она всегда течет вниз. Но можно ли и о времени задать прямой вопрос такого рода и надеяться получить на него ответ по этому образцу?
Когда говорят о реке, то сводят вопрос о ее беге к понятиям более общим и в некотором смысле простым. Отвечают, используя такие представления, как вода, наклон, движение, верх и низ... А существуют ли понятия более общие и простые, чем время и его бег? Неизвестно.
Если такие понятия существуют, то, быть может, нужно искать подсказки и намеки в каких-то определенных физических процессах. Таких, которые в каком-то смысле просты, но вместе с тем и универсальны, всеобщи. Некоторые усилия, и давние и вполне современные, сделаны как раз в этом направлении, с этой надеждой. Не исключается, что подходящие процессы уже известны, а нет, так, возможно, пока не известны, но будут когда-нибудь открыты. Например, в мире элементарных частиц.
Возможен и совсем иной взгляд, согласно которому время и его бег представляют собою (вместе с пространством) самое фундаментальное и самое элементарное, к чему должна сводиться вся физика, и что в свою очередь уже не сводимо ни к чему отдельному в явлениях физического мира.
Гипотеза Больцмана
Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906) выдвинул более ста лет назад предположение, что природа времени и, прежде всего, направление его течения связаны с особым родом физических явлений, которые называют необратимыми.
Если взять два железных бруска, один горячий, а другой холодный, и приложить их друг к другу, то, как всем хорошо известно, тепло будет переходить от горячего бруска к холодному. Горячий брусок будет из-за этого остывать, а холодный нагреваться. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температура обоих брусков не сравняется.
Это одно из необратимых физических явлений, и необратимым его называют потому, что никто никогда не видел, чтобы после того, как температура брусков выравнялась, тепло стало бы само собой возвращаться назад к горячему прежде бруску.
Когда нет никакого направленного извне вмешательства, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному. Здесь важно, что физические тела должны быть действительно целиком предоставлены самим себе. Иначе будет, например, то, что происходит в камере домашнего холодильника – в ней холоднее, чем в комнате, но температура камеры и температура комнаты не выравниваются, а их различие может и возрастать, когда холодильник включается и начинает работать его механизм.
В изолированных от внешних воздействий физических телах, в системах физических тел, предоставленных самим себе, все тепловые явления неизменно развиваются в одном направлении – в направлении выравнивания температуры. Это универсальное свойство природы. В несколько более общей формулировке, включающей рассмотренное нами явление как один из частных случаев, об этом свойстве всех физических систем говорят как о втором начале термодинамики. Насколько это важный факт, можно судить по тому, что второе начало термодинамики стоит рядом с законом сохранения энергии, который в этой области физики называют, как мы уже упоминали, первым началом.
Кстати сказать, Больцман был первым, кто объяснил физическое содержание второго начала термодинамики на основе представления о хаотических тепловых движениях молекул или атомов, из которых состоят газы, жидкости и твердые тела.
Из других необратимых явлений упомянем перемешивание жидкостей – например, расплывание сиропа в стакане минеральной воды. Необратимым образом перемешиваются и газы. В газах и жидкостях само собой происходит необратимое сглаживание различий в концентрации частиц, в давлении и других их физических характеристиках. В этих случаях тоже, конечно, нужно исключить всякое внешнее воздействие, в том числе, например, и воздействие земного тяготения.
Изолированная физическая система всегда стремится к состоянию, в котором достигается наибольшее возможное выравнивание – выравнивание температуры, состава, концентрации и т. д. Это состояние называют состоянием термодинамического равновесия.
Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Не оно ли определяет направление, в котором течет время? Эта идея и была высказана Больцманом. Он предполагал, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления. Более того, необратимые явления охватывают все тела физического мира и всю Вселенную в целом; они вносят во Вселенную развитие, создавая тем самым время, задавая его ход и темп, указывая, в какую сторону ему течь. Так возникает непрерывное течение времени, уносящее события в прошлое, влекущее нас в будущее.
В духе представлений об абсолютном времени классической физики, одинаковом всюду и везде в мире, обращение ко Вселенной было естественным и даже необходимым. По мысли Больцмана, стремление всей Вселенной как целого к тепловому равновесию (к тепловой смерти, как об этом говорили потом) – единственное направление ее развития *). И то, что мы называем временем, есть в действительности просто отражение в непосредственно окружающем нас мире этого неудержимого «старения» Вселенной, ее стремления к своему естественному концу.
*) О современных взглядах на судьбу Вселенной мы уже рассказали в главе 11.
Но как об этой вселенской эволюции узнают часы, висящие у нас на стене? Да даже и не часы, а просто маятник на подвесе? Маятник размеренно раскачивается влево и вправо, проходя ряд положений сначала в одном направлении, а потом в обратном, снова уходит и опять возвращается и т. д. Качания маятника – это обратимое и к тому же периодическое явление, по крайней мере с точностью до трения в подвесе и о воздух, которое, конечно, представляет собой явление необратимое, но оно специально может быть сделано очень малым.
Качающийся маятник служит хорошими часами, как это заметил первым Галилей (см. главу 3). И, разумеется, они показывают время не потому, что имеется трение в подвесе или о воздух. Наоборот, эти часы тем лучше исполняют свое назначение, тем точнее указывают время, чем меньше в них трение, так что необратимые явления в самом маятнике или вокруг него не при чем.
И значит, если прав Больцман, маятник и в самом деле должен как-то чувствовать движение Вселенной к тепловому равновесию – другой возможности нет. Для этого требуется, однако, какое-то постоянное физическое воздействие на маятник, которое непрерывно сообщало бы ему, что происходит со Вселенной. Однако физика ничего не может сказать о процессе такого воздействия, о его существе.
Ни Больцман, ни кто-либо после него не смогли доказать, что такой процесс действительно существует в природе. А ведь на этом, очевидно, и держится все рассуждение, вся гипотеза...
Но, может быть, не стоит привлекать необратимость всей Вселенной, когда прямо вокруг нас протекает немало необратимых явлений, и им, кажется, легче влиять на наши часы. Но снова возникает пример маятника, о котором мы говорили, и он безжалостно разрушает и этот, более скромный, вариант гипотезы.
За сто лет, что существует гипотеза Больцмана, о ней много думали, писали, спорили, но решительного развития, не говоря уже о доказательстве, она так и не получила. Замечательно, что эта попытка проникнуть в природу времени происходила из стремления связать время с реально протекающими в мире физическими явлениями. Она послужила прообразом других гипотез о физической природе времени, которые имели совсем иной характер, но следовали тем не менее тому общему подходу к физике времени, который предложил Больцман.
Обращение времени
Законы движения, открытые классической механикой, обладают одним важным качеством: они безразличны к направлению времени. Это означает, что они определяют поведение тел как в направлении от настоящего к будущему, так и в направлении от настоящего к прошлому. Тем же качеством обладают и законы движения в теории относительности. Это безразличие законов механики, а значит, и самих механических движений к направлению времени отражает одну из фундаментальных черт физического мира. Об этом стоит рассказать подробнее.
Пусть сейчас, в настоящий момент времени, некоторое тело находится в данной точке и имеет известную нам скорость. Тогда на основании законов движения мы можем точно определить, где оно будет спустя, скажем, секунду или час. Но на основании тех же законов мы можем также определить, где это тело было секунду или час назад. Известно, что астрономы, пользуясь законами движения и применяя их к Земле, Луне и Солнцу, могут предсказывать солнечные затмения, которые случатся в будущем. И вместе с тем они могут вычислить, когда затмения случались в прошлом.
Вспомним астрариум, эту движущуюся механическую модель планетной системы (см. главу 3). Ее можно запустить, так сказать, и вперед, и назад. И в обоих направлениях времени она покажет все нужные события и притом в правильные моменты времени. При движении вперед, по часовой стрелке, события будут развиваться к будущему, как обычно. А при движении в обратную сторону, против часовой стрелки, наоборот, к прошлому.
Законы механики допускают и прямое, и обратное движение. Они одинаково надежно управляют движениями в обоих направлениях времени. Эти законы сами по себе еще не задают направления от прошлого к будущему. Они не выделяют этого направления, не отличают его от противоположного, которое для них одинаково приемлемо.
Об этом можно сказать и иначе: законы механики не изменяются при смене направления времени, при обращении времени.
Это означает наличие в них определенной симметрии. Вспомним данное Вейлем определение симметрии (см. главу 12): объект является симметричным, если над ним можно произвести операции, в результате которых он будет выглядеть точно так же, как и прежде. В данном случае объектом служат законы движения, а операция, которая над ними производится, – это обращение времени. Симметрию относительно обращения времени называют T-инвариантностью. T-инвариантность представляет собой общее свойство движений – не только механических, но и вообще всех движений, управляемых любыми силами природы. Для сил электромагнитных это доказано электродинамикой. Для тяготения – ньютоновской теорией и общей теорией относительности. Все известные эксперименты с сильным и слабым взаимодействием тоже указывают на это – за одним единственным исключением, о котором мы чуть позже скажем.
Любопытная иллюстрация обращения времени – показ кинофильма в обратном направлении. Все события развиваются тогда на экране не от прошлого к будущему, а от будущего к прошлому. Тем не менее многое происходит при этом вполне естественным путем. Например, девочка подбрасывает и ловит мяч, кто-то берет с полки книгу и так далее. Но вот разлитое на столе молоко само собою собирается в чашку. Это уже невозможное событие, такого не бывает, и мы сразу узнаем здесь неправильный, обращенный ход событий. По чисто механическим явлениям оба направления в ходе событий не отличить. Но как только возникает необратимое явление – разливается молоко, горит свеча и так далее, – различие между прямым и обращенным течением времени обнаруживается самым очевидным образом.
Но откуда возникает необратимость, если законы движения обладают T-инвариантностью? Ведь, например, перемешивание газов и жидкостей происходит благодаря механическим движениям атомов и молекул, а эти движения безразличны к направлению времени, они не способны выделить направление от прошлого к будущему.
Вопрос действительно не простой. О нем говорят как о парадоксе обратимости, и вокруг него было немало острых споров. Разрешение парадокса предложил Больцман; ему энергично возражал Пуанкаре, но прав все же оказался Больцман.
Вот его рассуждение. Из свойств механических движений молекул следует, что возможно как перемешивание двух газов, так и обратный процесс, когда эти газы, перемешавшись, снова затем разделятся. Капля сиропа, расплывшись по воде, может снова собраться, стянуться и оказаться на прежнем месте. Тепло может перейти обратно к тому из двух соприкасающихся брусков, который раньше был горячим. Все эти события возможны: раз имеется обратимость в движениях отдельных атомов, значит, обратимо и поведение всего их коллектива. Категорического запрета на эти события нет. На это и указывал Пуанкаре. Но все дело в том, что такие обратные явления происходят очень и очень редко.
Вот что говорит об этом Больцман: «Нельзя предполагать..., что два диффундирующих газа смешаются и разделятся несколько раз в течение немногих дней. Время, в течение которого можно надеяться наблюдать (хотя бы один) случай разделения, настолько велико, что исключается любая возможность наблюдать такой процесс». Обратные явления происходят так редко, что за всю историю Вселенной ни одному из них не случилось произойти. А это означает, что фактически они вообще не происходят.
Прямое и обратное явления в принципе допустимы оба. Они различаются лишь частотой, с которой в действительности происходят: прямые происходят очень часто (то есть практически всегда), а обратные очень редко (то есть практически никогда). Больцман подсчитал частоту (или, иначе, вероятность) прямых и обратных явлений и тем самым показал, что поведение большого коллектива частиц, совершающих обратимые, T-инвариантные движения, будет уже практически необратимым. Когда в любой физической системе имеется отклонение от теплового равновесия, естественное развитие событий всегда таково, что система изменяется в направлении, приближающем ее к равновесию.
Скажем теперь об уже упомянутом исключении из общего правила Т-инвариантности движений. Речь идет не о большом коллективе частиц, а об одной элементарной частице, называемой нейтральным К-мезоном. Это нестабильная, распадающаяся частица, и из свойств ее распада следует (хотя, надо сказать, и несколько косвенно), что ее поведение не обладает T-инвариантностью *). Частица «различает» прошлое и будущее; два направления времени для нее не равноценны, не симметричны.
*) Подробнее об этом читатель может узнать из книги: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1984.
Так не отсюда ли возникает действительное направление времени?
Догадка напрашивается, кажется, сама собой. Но К-мезон – очень редкая частица, и его распад – слишком редкое явление, глубоко запрятанное к тому же в недра микромира. Трудно представить себе, как эти частицы могли бы управлять временем везде и всегда всей Вселенной.
Дерзкую идею о происхождении направления времени выдвинул астроном из Пулковской обсерватории Н. А. Козырев. Он предположил, что известные нам законы движения – это лишь некоторая приближенная форма точных законов, которые еще предстоит открыть. И если в приближенных законах царит T-инвариантность, то точные законы обладают T-неинвариантностью, то есть нарушением Т-инвариантности, хотя, быть может, и очень слабым (отчего оно до сих пор и оставалось неуловимым). Такая скрытая, очень слабая, но всеобщая асимметрия между двумя направлениями времени задает преобладание одного из них, которое и означает для нас направление от прошлого к будущему.
Эту идею, вносящую необратимость в сами законы движения, не удалось ни разработать теоретически, ни тем более доказать в экспериментах. Стоит заметить, что в 50-е годы, когда идея была предложена, о K-мезонах как примере нарушения Т– инвариантности еще не знали.
