Текст книги "Физика времени"
Автор книги: Артур Чернин
сообщить о нарушении
Текущая страница: 19 (всего у книги 20 страниц)
Гипотеза Эддингтона
Если связывать течение времени с каким-то определенным физическим явлением, то нужно выбрать явление совсем особого рода – с одной стороны, оно должно быть заметно выделенным из всех явлений природы, а с другой стороны, оно должно иметь самый общий, всемирный характер. Таким явлением, единственным и всеобщим, является расширение Вселенной. Гипотезу о связи направления времени с расширением Вселенной выдвинул много лет назад английский физик и астроном Артур Эддингтон (1882—1944), автор замечательных трудов по теории относительности, космологии, физике звезд. Ему принадлежит выражение «стрела времени», которым мы воспользовались для названия этой главы книги.
Но последнее не означает, что мы присоединяемся к точке зрения Эддингтона на природу времени. Против нее существуют сильные возражения.
Действительно, расширение Вселенной – это явление огромного пространственного масштаба, оно проявляется в относительном движении, взаимном удалении галактик и их скоплений друг от друга. Это, однако, отнюдь не означает еще (как иногда неудачно говорят и пишут) всеобщего «растяжения» всех вообще расстояний и длин в мире. Размеры планет и Солнца, радиус Солнечной системы не возрастают со временем – они никак не ощущают далекие движения галактик. Общее космологическое расширение им никак не передается, оно не воздействует на них. На этот счет имеется строгое теоретическое доказательство, полученное Эйнштейном (совместно с Э. Страусом) в 1945 году.
Но тогда против идеи Эддингтона возникают те же возражения, что и против гипотезы Больцмана. Если данное физическое явление определяет стрелу времени, то есть задает его бег и направление, то должен существовать способ «сообщить» об этом всем без исключения часам в мире, всем остальным явлениям и процессам в природе. Такого способа, как видно, не существует.
Т-инвариантность и «обширный ум»
Т-инвариантность законов движения означает, как мы говорили, что эти законы сами по себе не указывают направления времени. Классическая механика и обобщившая ее теория относительности только выстраивают события в цепочку одно за другим, но это цепочка без стрелки. События в истории данного тела нанизываются на время (его собственное время), как бусинки на нитку, и все равно, в каком направлении, с какого конца их перебирать.
Мы упомянули уже и о том, что на основании законов движения можно вычислить будущие затмения и вообще всю будущую динамику нашей планетной системы. Точно так же можно вычислить прошлые затмения и всю предшествующую историю Солнечной системы. Значит, прошлое и будущее нам одинаково открыты и полностью доступны знанию.
Более того, Пьер Симон Лаплас (1749—1828), знаменитый французский математик и физик, предположил, что возможность таких точных вычислений распространяется не только на мир планет, но и на все вообще частицы вещества, из которых состоит все на свете, включая и нас с вами. Даже наши мысли и чувства, поскольку в конце концов они определяются движениями атомов и молекул в нашем мозгу, в нашем теле, можно точно вычислить наперед. В одинаковой степени это относится и к прошлому.
Лаплас говорил об этом так.
«... мы должны рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, обусловливающие природу, и относительные положения всех ее составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов; не оставалось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошлое, предстало бы перед его взором».
Современный сторонник Лапласа мог бы, наверное, сказать, что будущее уже как бы снято на киноленту, которая – вся уже целиком готовая – просто разматывается перед нашим взором. Ее можно просматривать и вперед – к будущему, и назад – к прошлому.
Рассуждение Лапласа производит, конечно, сильное впечатление. Но оно на самом деле ошибочно. В хорошо понятном увлечении успехами механики он стремился свести к механическим движениям все многообразие природы, весь мир явлений. Но природа в действительности гораздо богаче, ее законы не сводятся целиком к законам механического движения.
Впрочем, одно важное возражение может быть предъявлено Лапласу и в рамках самой механики. Он исходил из того, что состояние мира в какой-то данный момент известно абсолютно точно, а дальнейшие вычисления дают столь же абсолютно точное решение его задачи. Но реально мы никогда не можем абсолютно точно узнать и задать, скажем, координаты тел в данный момент. Всегда имеется та или иная предельная, конечная точность, с которой это можно сделать. Пусть мы можем указать положения тел, их координаты с точностью до десятой или даже двадцатой значащей цифры – все равно это будет только какое-то приближение, содержащее хотя и малую, но неисчезающую погрешность. «Обширный ум», а лучше воображаемая вычислительная машина с невероятным быстродействием и огромной памятью, должны прежде всего впитать эти сведения, и затем произвести по рецепту Лапласа вычисления будущего или прошлого. Но в каком бы направлении ни производился расчет – к будущему или к прошлому – по ходу расчета ничтожные исходные погрешности в определении начальных положений тел приведут к совсем не малым отклонениям от идеально точного решения, подразумеваемого Лапласом. Отклонения растут, даже если сама машина не вносит в расчет собственных ошибок. Рано или поздно реальные результаты реального вычисления станут уже очень сильно отличаться от идеального решения. И вместо истинного будущего мы получим нечто совершенно от него отличное. Картина смешается, запутается, и запутают ее ничтожные и невинные, казалось бы, погрешности в исходных данных.
Если бы мы захотели вычислить будущее состояние каждой молекулы в стакане воды всего только на секунду вперед, любой мыслимый расчет дал бы картину расположения и движения молекул, которая очень сильно отличалась бы от того, что на самом деле наступит через секунду. Но такой расчет и недоступен современным вычислительным машинам: они могут вычислять движения в системе из сотен тысяч точек, а в стакане воды 1024 молекул. Да и любая машина будущего вряд ли сможет произвести такое вычисление, а если допустить, что и сможет, на это уйдет гораздо больше времени, чем секунда.
И это всего только стакан воды. Что же говорить о всей Вселенной, о чувствах и мыслях людей...
Но это не означает, что вычисление будущего поведения физических систем вообще невозможно. Все, что нам нужно знать наперед о стакане воды, легко поддается описанию. Только для этого не нужно вычислять положения и скорости каждой молекулы – вполне достаточно пользоваться всего несколькими физическими величинами, характеризующими всю такую систему как целое, – температурой, давлением, плотностью, объемом. И мы легко решаем в школе задачу о том, что произойдет с температурой в сосуде с водой, если ее, например, подогреть, сообщив столько-то тепла.
От причины к следствию
В Т-инвариантном мире Лапласа предшествующее событие в истории тела является причиной последующего события. Но два таких события, оставаясь самими собою, меняются ролями, когда цепочка событий обращается и «разматывается» назад. То событие, которое было причиной по отношению к другому при одном порядке, окажется его следствием при обратном порядке.
Но, может быть, все дело в том, что в реальном мире причина и следствие непереставимы? Может быть, время потому и течет, что причина вызывает следствие?
Время течет от причины к следствию. Такая мысль и была высказана еще Готтфридом Лейбницем, классиком естественных наук нового времени.
Эта мысль основана на ином подходе, чем гипотеза Больцмана. Она обращена не к какому-то отдельному физическому явлению или их классу, а к самым исходным, первичным представлениям физической науки. И правда, все физические связи имеют причинно-следственную основу; если что-то происходит, то происходит по определенной причине и является ее следствием. Сначала действует причина, а затем происходит вызываемое ею следствие. От причинно-следственного порядка к порядку временному – это ясная и привлекательная идея.
Не странно ли, что из нее не выросла, во всяком случае, до сих пор, физическая теория времени? Никаких возражений против нее, как кажется, быть не может. Но и попытки развивать или конкретизировать ее в физическом или математическом плане пока что не были сколько-нибудь результативными, несмотря на немалые усилия, прилагавшиеся и в прошлом, и в последние десятилетия.
От причины к следствию – это привлекательно, ибо сами понятия фундаментальны, первичны и всеобщи. Но, например, каким образом на причинно-следственной основе можно понять особую роль тяготения в том, что касается воздействия на ход времени? Конкретных вопросов можно было бы поставить немало. Но главный вопрос, очевидно, другой – как переход от причины к следствию создает стрелу времени? И что в точности означают здесь слова переход и создает?
«Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом. Но стоит задуматься – и вот я уже не знаю, что такое время». Эти слова, сказанные много веков назад*), можно вполне повторить и сейчас, особенно когда речь идет о неотвратимом беге времени, о его направлении к будущему и необратимости в прошлое.
*) Они принадлежат Блаженному Августину (357—430), философу, много размышлявшему о нашем восприятии времени.
ГЛАВА 15
ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ?
В I веке до нашей эры был составлен полный свод сочинений Аристотеля – их исправили, переписали и расположили по темам. Вслед за работами, составившими «Физику», поместили группу трактатов философского содержания. Они получили название «Метафизика» – это значит «то, что после физики». Здесь Аристотель говорил об общих взглядах на мир и на место в нем человека. Он обсуждал их, отталкиваясь от воззрений Платона, споря с ними.
Аристотель расходился со своим учителем в понимании самого главного. А главное – это философский вопрос о реальности мира. Платон полагал, что все окружающие нас тела иллюзорны и на самом деле даже не существуют. Это всего лишь какие-то «тени», бледные копии некоторых высших прообразов, оригиналов всех вещей. Вот эти прообразы – он называл их идеями – действительно существуют и притом всегда в неизменном виде. Но существуют они не в нашем мире, а в воображаемом идеальном мире, где все совершенно и вечно. Предметы же нашего мира изменчивы и преходящи, они возникают и исчезают и потому лишены «истинного существования».
Не соглашаясь с этим, Аристотель утверждал независимое существование мира и природы как настоящей реальности. Идеи и понятия не предшествуют нашему миру. Напротив, реальный мир служит источником идей, рождающихся в сознании человека. В наших идеях и понятиях отражаются конкретные знания людей о мире.
Здесь столкнулись два противоположных друг другу направления философской мысли, которые в дальнейшем, уже в XVIII веке, получили названия материализма и идеализма. Материализм в споре с идеализмом отстаивает объективную, независимую от чего бы то ни было реальность мира и природы. Название «материализм» происходит от латинского слова «материя», которое значит примерно то же, что и русское слово «вещество». В философии понятие материи имеет особый, фундаментальный смысл. Согласно определению, данному В. И. Лениным, это «...философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них».
Материалистический подход к миру, природе, человеку, обществу всегда был, по существу, в основе всякого научного знания. Для физики он вытекает из самого ее характера как науки экспериментальной.
Наша книга – о физике времени. Но в этой заключительной ее главе, «после» физики, уместно, наверное, сказать немного и о философских взглядах на время.
Мир, время, мышление
В сочинении, носящем название «Тимей» (по имени одного участников ведущихся там обсуждений), Платон, не слишком вдаваясь в объяснения и подробности, излагает свой взгляд на происхождение Вселенной и природу времени. Его картина мира еще очень близка к мифологической.
Земля со всем, что на ней, а также Солнце, Луна, планеты, звезды создаются у Платона творцом, который действует в соответствии с некоторым высшим прообразом и идеалом. Все эти создания, насколько вообще возможно, стремятся походить каждое на свой идеал. Однако в одном очень важном отношении идеал принципиально недостижим. Ведь мир имел начало, он претерпевает изменения, становится старше и, возможно, будет когда-то иметь конец. Идеалы же вечны и неизменны. И вот чтобы хоть как-то сгладить этот недостаток мира, его творец, оказывается, и придумал время.
«Он замыслил сотворить некоторое движущееся подобие вечности; устрояя небо, он вместе с ним творит для вечности, пребывающей в едином, вечный же образ, движущийся от числа к числу, который мы назвали временем».
Время у Платона – заменитель вечности, ее несовершенное воплощение в мире. Он называет время подвижным образом, движущимся подобием вечности. Время движется, течет и таким путем стремится подражать вечности, имитировать ее. Платон называет и «механизм», приводящий время в движение: это обращения небесных тел.
«…чтобы время родилось от разума и мысли бога, возникли Солнце, Луна и пять других светил, именуемых планетами». «Все эти светила, назначенные участвовать в устроении времени, получили подобающее им движение». Это движение светил, как видно из наблюдения, циклично; поэтому и время у Платона бежит по кругу.
Время как подвижный образ вечности... Если отвлечься от «космогонической легенды» Платона, забыть про его бога–творца, придуманный мир идей и т. п., это определение (или, может быть, метафора) не потеряет содержания, не станет пустым. Напротив, вне мифологического сюжета оно даже выигрывает. Конечно, это не научное утверждение в современном смысле, а лишь смутная догадка. Но она привлекает смелым сопоставлением крайностей. С одной стороны, это вечность, неподвижная и лишенная изменений, а с другой – это время, суть которого в неукротимом движении, влекущем за собой необратимые изменения.
За два с половиной тысячелетия, считая от Платона, философия предложила немало разнообразных соображений о времени. В русле философского идеализма это были всякий раз попытки тем или иным путем отрицать время как реальную черту реального мира. И. Кант, космогонист, но прежде всего классик идеализма второй половины XVII – начала XIX веков, считал, что время (и пространство) не является свойством самой природы. Он рассматривал время как свойство человеческой познавательной способности. По его мнению, человек обладает «интуицией времени», которая позволяет ориентироваться во внешнем мире. Время и пространство не присущи миру как таковому. Это только те «формы», в которых человек воспринимает внешний мир.
Близкие к этому взгляды разделяли Р. Декарт, Г. Лейбниц, другие мыслители. Они полагали, что такие общие и жизненно важные идеи, как идея времени или идея пространства, человек получает не из опыта – он имеет их в своей душе от рождения в уже готовом виде.
Многие философы-идеалисты сомневались в том, что человек вообще способен правильно понимать окружающий его мир. Наши знания о нем объявляли иллюзорными или искаженными. Естественные сложности и противоречия, с которыми сталкивается человеческий разум в своем стремлении к знанию, казались им неразрешимыми. Природа времени представлялась таинственной и непостижимой.
Материалистический подход к природе времени совершенно иной. Смело отбрасывая мифологию, отрицая всякое божественное сотворение мира, строили свой взгляд на природу уже мыслители-материалисты классической древности. В VII —VI веках до нашей эры Фалес из Милета, столетием позднее Гераклит Эфесский следовали хотя еще и наивному, но определенно материалистическому пониманию мира. Они нисколько не сомневались в его реальном существовании, независимом от воли богов или разума людей. Родоначальник материализма нового времени Ф. Бэкон (1561 – 1626), его последователь Т. Гоббс (1588 – 1679), английские философы, утверждали опытное происхождение всякого знания о мире. Но все же время у Гоббса существует не в природе, не вне нас, «а только в мышлении нашего разума». Преодолевая такого рода отдельные отступления, зрелый материализм выработал свое понимание времени и пространства как реально существующих и притом неотъемлемых черт окружающего нас мира.
В этом состоит философское решение проблемы времени, материалистический ответ на вопрос о его природе.
Время не придумано богами. Это не иллюзия человеческого разума. Время существует в природе и вместе с ней. И как всякое свойство мира, оно доступно познанию и действительно успешно изучается человеческим разумом на основе опыта. Наши знания о времени постоянно развиваются, становятся глубже и полнее.
«Советский энциклопедический словарь» (1982 г.) определяет время, с философской точки зрения, как форму последовательной смены явлений и состояний материи. Изучение времени в его конкретных взаимных связях с пространством, веществом, движением – задача физической науки. Современная физическая концепция времени строится на основе двух фундаментальных физических теорий – теории относительности и квантовой теории.
Относительность
Начало исследованию времени положили еще мыслители древности, стремившиеся на основании простых ощущений и наблюдений составить себе общее представление о времени, силой ума и воображения проникнуть в самую его суть. Первая физическая концепция времени была создана гораздо позже трудами Галилея и Ньютона. Ею стала классическая механика – наука об общих законах движения физических тел. В классической механике сущность времени проявлялась в движении. Время представало в ней как непрерывный и равномерный поток, неограниченный в обоих направлениях – в прошлое и в будущее. Скорость этого потока считалась всюду и везде одинаковой и не зависела ни от чего в мире.
Классическая механика осознала, зафиксировала и описала те свойства времени, которые поддаются непосредственному восприятию в повседневном опыте. Время классической механики – это время макромира, мира, масштабом и мерой которого служит сам человек и окружающие его тела природы. Микромир, мир атомов и элементарных частиц, был еще недоступен науке. О макромире, о Вселенной в целом можно было тогда только строить гипотезы. Но огромное разнообразие явлений макромира, связанных с движениями тел, получило полное, надежное и точное объяснение. В основе этого объяснения, в его фундаменте лежало то понимание времени, которое сложилось у Галилея и было ясно и четко сформулировано Ньютоном.
Абсолютное время, неподвластное никаким воздействиям, с раз и навсегда заданным темпом – вот исходная аксиома классической механики. Успехи классической механики в объяснении явлений макромира, чрезвычайная плодотворность ее применений в конструировании различных машин, механизмов, сооружений – все это рассматривалось как подтверждение аксиомы абсолютного времени, подтверждение, необычайное по богатству, полноте и надежности.
Свойства времени, установленные и проверенные классической механикой в движениях макроскопических тел, не подлежат отмене или пересмотру. Это достижение, которое останется в науке навсегда. Но уже и основоположникам классической механики было понятно, что от четкого выяснения непосредственно проявляющихся свойств времени еще очень далеко до постижения его глубинного физического содержания. Новый крупнейший шаг на этом пути был сделан спустя почти три столетия, в начале XX века, усилиями Эйнштейна и других физиков и математиков, подготовивших появление теории относительности и сделавших ее затем основой современного физического мировоззрения.
Классическая механика действует и торжествует в макромире, но только в нем. Как было установлено и осознано в начале нашего века, область ее применения ограничена в двух важнейших отношениях. Во-первых, скорости исследуемых ею движений должны быть малы по сравнению со скоростью света. Во-вторых, силы тяготения, управляющие движениями тел, должны быть слабыми, чтобы они не могли разогнать эти тела до скоростей, сравнимых со скоростью света.
Теория относительности вышла за эти рамки, расширила поле деятельности физики. Она не отбросила классическую механику, а включила ее в себя в качестве частной, приближенной теории, действующей при должных ограничениях скорости и сил тяготения. Теория относительности открыла новые свойства времени.
Как и в классической механике, эти свойства проявляются прежде всего через движение физических тел. Вместе с тем время оказалось теснейшим образом связанным с пространством. Вместе с пространством оно составляет единый четырехмерный мир, в котором и происходят все физические явления. Это единство времени и пространства, их сцепленность друг с другом обнаруживаются тогда, когда скорости движения тел приближаются к скорости света.
В теории относительности время оказывается не абсолютным. Во-первых, абсолютного смысла лишается понятие одновременности. В классической механике два события, одновременность которых зафиксирована по каким-то одним часам, остаются одновременными и по всем другим часам, движущимся относительно первых и относительно друг друга. Теория относительности утверждает, что это не так: то, что одновременно по одним часам, не одновременно по другим часам, если они движутся друг относительно друга. Имеется, конечно, приближенная одновременность, когда скорость часов мала по сравнению со скоростью света, – это и есть область действия классической механики. Но когда скорость приближается к скорости света, два события, зафиксированные как одновременные по одним часам, оказываются случившимися в существенно разные моменты времени по другим часам, очень быстро движущимся относительно первых.
Во-вторых, сам темп времени теперь зависит от движения и становится поэтому относительным. Часы, движущиеся относительно нас, всегда представляются нам отстающими. Это означает, что измеряемое ими время замедлено в своем беге. Конечно, и в этом случае эффект на самом деле заметен только при больших скоростях.
Наконец, в-третьих, время оказывается подверженным действию сил тяготения, они влияют на его темп: там, где имеются силы тяготения, время течет медленнее, чем в отсутствие этих сил. Различие в темпе времени практически незаметно при земном тяготении, но оно тем значительнее, чем сильнее тяготение. В присутствии очень сильного тяготения, например вблизи черной дыры, темп времени столь сильно замедляется, что оно даже как бы останавливается там в своем беге.
Теория относительности дает полное представление о том, как и от чего зависит темп времени и отмеряющий его ход часов. Она позволяет построить физико-математические модели, описывающие время и пространство Вселенной как целого. На ее основе Фридман предсказал общую динамику Вселенной, а учет в его теории данных астрономии позволил установить, что космологическое расширение продолжается приблизительно 15 или 18 миллиардов лет.
Так в физике появилась мера времени, определяющая темп эволюции всей Вселенной. Возраст нашей Галактики на несколько (3 или 5) миллиардов лет меньше возраста Вселенной. Солнце и Земля еще моложе – им около 5 миллиардов лет. Вселенная как целое старше галактик, звезд, планет, а также и самих атомных ядер и элементарных частиц, из которых состоят все ее тела и системы.
Кстати, о возрасте атомных ядер имеются непосредственные экспериментальные данные. Они получены из измерений природной распространенности на Земле некоторых радиоактивных элементов. Возраст самых старых их ядер достигает 15 или даже 18 миллиардов лет. Замечательно, что эти данные согласуются с космологическими оценками возраста мира. Конечно, точность, с которой в обоих случаях определяется возраст, не слишком высока, и потому совпадение этих величин нельзя понимать слишком буквально. Нельзя, например, считать, что ядра возникли в самой сингулярности,– они могли возникнуть через минуты, часы, годы, а то и сотни миллионов лет после нее.
