Текст книги "Физика времени"

Автор книги: Артур Чернин

Пространство и время

Знакомство с временем шло у человечества вслед за осознанием и изучением пространства. Понятие времени пробуждалось и формировалось, вероятно, по примеру понятия пространства. Не только в детском сознании, но и в первоначальном сознании человечества образы сейчас и скоро возникли сначала как двойники наглядных и очевидных образов здесь и близко.

Естественным было стремление и все другие временные отношения, узнаваемые из жизни, опыта, строить и представлять себе по примеру пространственных отношений. В пространстве все ясно, в нем как будто давно уже нет волнующих загадок, но время остается для нас полным тайн. Наука о пространстве – геометрия – существует очень давно и получила широкое развитие и распространение; наука же о времени не имеет даже собственного названия (хронометрия?). Уходящее глубокими корнями в прошлое стремление изучить время по образу пространства еще далеко не исчерпало себя. Усилия современных исследователей опираются на весь опыт изучения мира – донаучный и научный, и самая грандиозная из современных физических идей, идея относительности Эйнштейна,– это тоже попытка мыслить время по образу и подобию пространства.

Идея относительности объединяет пространство и время, она присоединяет время к пространству в качестве нового, четвертого измерения. Мы еще будем подробно об этом говорить. Сейчас же обратим внимание на то, что новое измерение – время – рассматривается как бы наравне с тремя пространственными измерениями, а вместе все это четырехмерное образование объявляется четырехмерным пространством. (Хотя и четырехмерным, но именно пространством, а отнюдь не, например, четырехмерным временем. Это, очевидно, уступка нашему чувству, которое пространства, так сказать, не боится и не видит в нем ничего недоступного уму.)

Свести время к пространству, пусть и не впрямую, а искусным образом сконструировав единое пространство-время с четырьмя измерениями,– это блестяще удалось. Все отношения в таком четырехмерном мире строятся по существу так же, как и пространственные отношения в обычном трехмерном мире.

Дело в том, что сама по себе геометрия не содержит никаких специальных ограничений на число измерений. Геометрия Евклида действует и в объеме (три измерения), и на плоскости (два измерения), и на прямой (одно измерение). Математически можно развить и ее четырехмерный вариант – в этом нет ничего особенного….

В теории Эйнштейна используется, правда, не евклидова геометрия, а более общая геометрия Римана. Но сейчас стоит (подчеркнуть не это, а то замечательное обстоятельство, что самая тонкая идея современной физики использует именно пространственные, геометрические представления в попытке проникнуть в тайну времени. Такой подход был успешным на заре человеческого знания, он остается плодотворным и сейчас.

Но все-таки есть во времени нечто, что никак не сводится к пространственным соответствиям, не имеет аналогов в геометрии. Это прежде всего его неудержимый бег.

Время течет и притом всегда в одном направлении – от прошлого к будущему. Это всегда поражало и поражает человека в его размышлениях о времени.

Течение времени – это особое свойство времени, очевидное для всех, но все еще остающееся и до сих пор недостаточно понятым и исследованным. О различных попытках разрешить эту загадку времени мы еще расскажем в дальнейшем, в предпоследней главе книги.

А сейчас – немного о самом слове время.

Имена времени

В древности верили: дать имя – значит создать. Именам человека, героя, бога, любого предмета или явления приписывалась особая важность, иногда даже магическая сила. Острое внимание к обозначению посредством специального слова, к именам вещей характерно и для самих первых шагов знания, и для всей последующей науки. Но прежде чем дать имя, нужно сначала увидеть, выделить, обособить нечто новое, чего раньше не было или что раньше не осознавалось. И обозначение нового, его имя несет на себе печать этого процесса узнавания и осознания.

Точно не известно, когда в языках человечества впервые проявилось специальное слово для обозначения времени. Первоначально это слово могло, вероятно, означать какие-то впечатления о переменах, о длительности, о повторяемости или цикличности. И только много позже оно стало обозначать именно время как таковое.

В «Толковом словаре живого великорусского языка» В. И. Даля читаем: «Время – 1) длительность бытия; пространство в бытии; последовательность существования; продолжение случаев, событий.».

Это время вообще – главный и первый по перечислению у Даля смысл слова. К нему пример: «Время за нами, время перед нами, а при нас его нет». Это высказывание несколько философского характера, восходящее к рассуждениям античных мыслителей.

Но слово время имеет и еще три значения:

2) пора, година, срок, то есть какое-то конкретное время, его момент или отрезок. На это значение слова у Даля два примера, две поговорки: «Придет время, будет и пора. Знай время и место»;

3) погода, состояние воздуха (атмосферы, как мы сейчас сказали бы). И пример: «Каково время? Ясно, дождь, снег»;

4) Счастье, земное благоденствие, благосостояние. Об этом поговорка: «Будешь во времени, и нас помяни». Отсюда и слово временщик, то есть в первоначальном своем значении счастливчик.

Слово время мы и сейчас употребляем в двух смыслах – как время вообще и как определенное время, то есть время данного события (во время войны), исторической эпохи (смутное время), или любого действия, явления, происшествия. Но значения погода и счастье, которые были еще живыми при Дале – его словарь вышел в 1863—66 годах, сейчас утрачены. В «Словаре русского языка» С. И. Ожегова (первое издание – 1949 год; в 1984 году вышло шестнадцатое издание) этих значений уже нет; сто лет назад они были «пойманы» Далем, как видно, уже «на излете».

Замечательно, что не только в русском, но и в некоторых других языках одно и то же слово означало или означает и время, и погода. Оба эти значения имеют болгарское слово време и сербско-хорватское време. Как и русский, это языки из славянской семьи языков.

В чешском, тоже языке славянской группы, время – это cas (читается час), а погода – pocasi, слово того же корня. Да и русское погода имеет корнем год, то есть оно тоже связано с временем, с определенным его периодом. И притом оба слова построены в русском и чешском языках похожим способом, с той же приставкой по.

В польском языке, как и в современном русском, два значения уже разошлись; время – это czas, а погода – pogoda.

Оба смысла – время и погода – имеются и в словах романской группы языков. Например, французское temps означает время, пора, досуг, погода, ритм. В испанском языке значения время и погода имеет слово tiempo, в итальянском – слово tempo. В румынском языке, имеющем и славянские, и романские корни, есть два слова – timp и vreme, первое романского, а второе славянского происхождения. Оба они означают одновременно и время, и погода.

Эти (далеко не полные) сведения об именах времени говорят нам о каких-то глубинных связях между понятием времени и представлениями о природных условиях, в которых живет человек. Природные условия меняются и притом довольно регулярно со сменой времен года. Регулярная повторяемость, цикличность изменений погоды служит очевидным и наглядным проявлением общего течения времени.

Мы уже упоминали о том, что представление о цикличности лежит у истоков нашего понимания времени. К этому можно добавить и некоторые сведения из этимологии, учения о происхождении слов (этимон по-гречески значит истина). Заглянем в «Этимологический словарь русского языка» А. Г. Преображенского. Он выходил отдельными выпусками с 1910 года; имеется стереотипное издание 1959 года. В этом словаре прослеживается история русских слов вплоть до индоевропейской основы, общей для индийских, славянских, романских, германских и некоторых других языков.

Непосредственным предком нашего слова время было древнерусское веремя, а более далеким – общеславянское вермя или вертмя. Индоевропейской основой послужило им слово uertmen, похожее на санскритское vartman (санскрит – один из древнеиндийских языков). Последнее означает путь, колея, след колеса. А. Г. Преображенский указывает на близость слова время к словам вертеть, воротить и заключает, что его первоначальный смысл – вращение, коловращение. То есть опять намек на круговорот и повторяемость. «Называя вещи, мы подражаем их сущности», – говорил Сократ, один из мудрецов античности.

ГЛАВА 2
В ПОИСКАХ СУЩНОСТИ ВРЕМЕНИ

Осознать время, силой разума и воображения создать образ и понятие времени, дать, наконец, ему имя – это был один из важнейших шагов в первоначальной истории изучения и освоения человечеством природы и мира. С этого начался длительный путь размышлений и споров, догадок и гипотез о том, что такое время, в чем его физическая сущность.

Уже в VI веке до нашей эры, когда в Древней Греции возникают первые ростки физической науки, складывается убежденность в том, что окружающий нас мир во всей его сложности и изменчивости, сама природа вещей могут быть поняты человеком. За разнообразием, видимой случайностью, несвязанностью и хаосом наших впечатлений стоит единый порядок, общие закономерности, которым подчиняются все явления природы. Цель человека – познать, изучить эти общие законы природы.

Поток событий и законы природы

Античные мыслители не были всегда единодушны в своей оценке времени, его значения и роли в мире. Одни видели во времени первооснову мира и всех реальных вещей в нем. Другие, напротив, считали, что самым важным, самым существенным в вещах является как раз то, что остается всегда одним и тем же, что не зависит от времени и никак не подвержено его течению.

Понимание времени, увлекающего мир в непрерывное движение, раньше и ярче всех выразил Гераклит (конец VI – начало V веков до нашей эры). Вот его знаменитые высказывания.

«В одну и ту же реку нельзя войти дважды, ибо воды в ней вечно новые».

«Солнце новое каждый день».

«Все течет, все изменяется».

«Мир является совокупностью событий, а не вещей».

Древний мыслитель проводит идею о том, что изменение и развитие составляют самую суть физического мира. Мир – это совокупность событий, под которыми понимается все, что начинается или возникает, затем длится и, наконец, завершается. Мир находится в состоянии непрекращающихся изменений, и все, что происходит в нем, происходит во времени и принципиально от времени неотделимо. События противопоставляются у Гераклита вещам как каким-то неизменным предметам, лишенным жизни, движения или развития.

Да, мир – поток событий, разнообразных происшествий с физическими телами. Но события эти происходят не хаотически, не случайно и бессвязно. Они следуют единым и общим законам, которым подчиняется весь мир предметов и явлений.

Фундаментальные законы природы неизменны, они справедливы во все времена. Один из самых важных – закон сохранения энергии (о котором, конечно, в античном мире еще не знали). В этом смысле две точки зрения, о которых мы выше упомянули, совсем не обязательно исключают друг друга. Скорее, они друг друга дополняют: все меняется – в соответствии с неизменными законами природы.

Но и это оказывается еще не все. Оказывается, сами эти законы не существуют вне времени, в отрыве от него. Между ними и временем имеется глубокая внутренняя связь; такую связь выявила современная физика, физика XX века. Это касается, в частности, и закона сохранения энергии. Оказывается, что сохранение энергии в физических процессах вытекает из определенных свойств времени, оно представляет собой их прямое следствие. Об этом мы расскажем в главе 12.

Великий год

К античности восходит немало вопросов, которые и до сих пор ставит перед нами время и его бег. В Древней Греции спорили о начале и конце времени. Было ли начало у времени? Прекратится ли его бег когда-либо в будущем? Может ли вообще время остановиться?

В рассуждениях античных мыслителей преобладал взгляд на время как на бег по кругу. Вот одно характерное высказывание.

«Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Оно ограничено и описывает окружность. Движение времени соединяет конец с началом и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно».

Такой точки зрения держались столетиями; приведенное утверждение относится к V веку нашей эры и принадлежит Проклу, который суммирует в нем установившийся еще с времен ранней античности взгляд.

Этот геометрический образ строится на сравнении времени с движением по окружности, то есть с помощью пространственной аналогии. Он соединяет в себе два свойства окружности – ограниченность и вместе с тем бесконечность. Перенесение их на время означает, очевидно, что всякое изменение или развитие во времени длится не сколь угодно долго. Все происходит в пределах цикла, соответствующего полному обходу по окружности. По этой причине и само изменение должно быть цикличным: в конце циклов мы приходим к тому, с чего начали.

А потом все повторяется сначала, и так снова и снова – до бесконечности.

В этом мире бесконечных повторений исключается какое–либо разнообразие. Все, что происходит сейчас, уже происходило когда-то, и притом бесконечное число раз, – в прошлых циклах. И в будущем ничего, кроме уже происходившего, не ожидается.

Утешительно, как видно, лишь то, что сам этот цикл может быть очень длинным. Давалась даже оценка этого «великого года», как его называли, – 36 тысяч лет. Это таинственное число упоминается в сочинениях Платона, великого мыслителя античности, жившего в V—IV веках до нашей эры*).

_{*) Концепция великого, или мирового, года была широко распространена и на Древнем Востоке. Там фигурировали гораздо большие длительности – от 8 с лишним миллиардов до почти 200 тысяч миллиардов лет. Представления о времени на Древнем Востоке – особая тема, выходящая за рамки нашей книги.}

Время и небо

Представление о цикличности времени имеет глубокие корни в человеческом опыте и сознании. Время всегда ощущалось прежде всего через регулярную смену непрерывно повторяющихся земных и небесных явлений. Ежедневный восход Солнца, ежегодный приход весны – вот главные ориентиры в нашем ощущении времени.

Наблюдения ночного неба позволили древним астрономам открыть периодические движения светил. Они говорили об этом как о вращении небесных сфер, круговом движении небес. Неизменное, невозмутимое циклическое «движение небес» наводило на мысль о непрерывном круговом ходе времени.

Вот что говорил Платон: «…мы не смогли бы сказать ни единого слова о природе Вселенной, если бы никогда не видели ни звезд, ни Солнца, ни неба. Поскольку же день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной».

Течение времени, его причина и происхождение связывались со Вселенной. У Платона время и Вселенная нераздельны. Он учил, что само вращение небес и вызывает ход времени: Вселенная своим круговращением как бы производит для нас время. И если бы небеса когда-либо разрушились, то время тоже исчезло бы.

Астрономические наблюдения дали представление о времени как одной из первооснов всего окружающего нас мира. Пусть на самом деле время и не производится вращением небес, но мы можем судить о времени по их движению, с их помощью мы можем измерять время.

Циклические астрономические явления – вращение Земли вокруг своей оси и происходящая из-за этого смена суток, вращение Земли по орбите вокруг Солнца и связанная с ним смена времен года – это грандиозные часы природы. По этому образцу, сверяясь с небом, люди во все времена строили свои часы, устройства для счета времени (см. главу 3).

Время и движение

Еще в I веке до нашей эры в обширной и полной разнообразных сведений о мире поэме «О природе вещей» Лукреций писал:

 
«Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершалось,
Что происходит теперь и что воспоследствует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя.»
 

Споры о связи времени с движением велись веками. Платон полагал, что время и движение, особенно движение небес – это просто одно и то же, что они тождественны друг другу.

Такую крайнюю точку зрения оспаривал Аристотель, самый знаменитый из учеников Платона, великий ученый античности. Он говорил, что время и движение, хотя бы даже и движение всей Вселенной, – это все же разные вещи. И правда: о времени мы судим по движениям и сами эти движения происходят во времени. Но движения могут быть быстрыми и медленными, движение можно прервать или возобновить и вызвать. Тела могут двигаться или находиться в покое. А время течет всегда, и ни прервать, ни снова пустить его ход нельзя.

Столетия спустя, в раннем средневековье, об этом говорилось так: если небеса прекратят движение, но гончарный круг будет продолжать крутиться, можно все же надеяться, что каждый его оборот будет отражать и отмерять ход времени.

По мысли Аристотеля, связь времени и движения такова, что время дает движению меру: «время есть число движения». Время считает, пересчитывает одно за другим последовательные состояния движения. Благодаря времени мы получаем количественную меру движения и можем, например, выяснить, какое из движений быстрее, а какое медленнее. Мы бы, наверное, сказали об этом так: время дает движению скорость, и по значению скорости, по этому числу, мы судим о движении, о его быстроте.

Сложные взаимные отношения времени и движения этим отнюдь не исчерпываются. О тонких гранях этих отношений говорил философ Зенон Элейский, живший в V веке до нашей эры. О нем рассказывает Аристотель в своей «Физике».

Зенон

Зенон знаменит загадками. Загадки, которые он предлагал собеседникам, ставили их в тупик. Они до сих пор не утратили своей остроты и все еще вызывают споры. (Загадки Зенона носят название апорий; апория по гречески значит безвыходность). Но загадка – только форма рассуждения, способ изложения мысли. По существу же апории Зенона – остроумный анализ времени и движения, предпринятый с целью распознать их взаимные связи. Но прежде всего это – попытка разобраться в собственных способностях судить о времени и движении. В каких образах представляем мы себе эти понятия? Как «работаем» с этими образами в нашем сознании? Выясняется, что здесь не все благополучно.

Вот апория под названием «Стрела». Как мы представляем себе полет стрелы? Ее движение – это изменение положения в пространстве. Летящая стрела в разные мгновения находится в разных местах. В любое определенное мгновение она находится в определенном, единственном положении. Она находится в этом месте, как было бы, если бы она там покоилась. Ее нельзя отличить от другой стрелы, которая находится в том же самом месте и покоится. Это рассуждение можно повторить для каждого мгновения, так что в каждое мгновение наша стрела покоится.

– И это значит, – говорит Зенон, – что никакого движения нет.

– Как же так! – восклицает его собеседник. – Я точно знаю, что движение есть.

– Но я тебе доказал, что его нет, – отвечает Зенон. – Докажи мне, если сможешь, что оно есть.

Здесь и наш читатель спросит себя – в чем же дело? Рассуждение началось с довольно очевидного утверждения, дальнейшее следовало, кажется, вполне логично. Но окончательный вывод… Что-то тут не так.

Попробуем разобраться. Если стрела в каждое мгновение покоится, то как же она переходит из одного положения в другое? Наверное, все дело в «перескоке» из одного положения покоя в другое.

Но переход из одного положения в другое требует все же какого-то времени. И это время тоже состоит из мгновений, в каждое из которых стрела опять-таки занимает определенное место в пространстве, как если бы она там покоилась. Но какое же это движение, если стрела в каждое мгновение покоится… Попытка с «перескоками» не удалась.

Так в чем же решение загадки?

Легче всех решает ее сама стрела – она летит, летит и все тут. А наша задача – в том, чтобы составить себе разумную картину ее движения. И строя эту картину, не зайти в тупик, не натолкнуться на абсурдный вывод.

Описывать полет стрелы, снаряда, камня, мяча, имеющих в начале движения такую-то скорость, направленную под таким-то углом к горизонту, мы учимся в школе на уроках физики. Мы узнаём, что горизонтальная составляющая скорости при полете тела не меняется – в пренебрежении, конечно, сопротивлением воздуха. Направленная же вверх вертикальная составляющая скорости убывает из-за действия силы тяжести. В верхней точке пути она обращается в нуль. Затем вертикальная составляющая скорости растет по величине – тоже из-за силы тяжести, но теперь она направлена не вверх, а вниз. Исходя из этих соображений, мы легко можем подсчитать и дальность полета стрелы, и максимальную высоту ее подъема, и скорость в каждой точке пути – все, что ни пожелаем. При таком способе действий нас не подстерегают никакие тупики и головоломки. А если у нас к тому же имеется не очень сложное измерительное оборудование, то мы можем провести прямой эксперимент с полетом стрелы. Можем определить, измерить в таком эксперименте все интересующие нас величины и тем самым проверить расчет, проделанный при решении задачи. Можно не сомневаться, что здесь все будет в порядке.

Собеседники Зенона не знали того, что знает сейчас школьник. Динамики, физической науки о движениях тел под действием приложенных к ним сил, тогда еще не существовало. Что могли они противопоставить загадкам Зенона? Прежде всего, сам очевидный факт движения. Вот стихотворение А.С.Пушкина «Движение» – о Зеноне и его собеседниках:

 
«Движенья нет, сказал мудрец брадатый.
Другой смолчал и стал пред ним ходить.
Сильнее бы не мог он возразить;
Хвалили все ответ замысловатый.
Но, господа, забавный случай сей
Другой пример на память мне приводит:
Ведь каждый день пред нами Солнце ходит,
Однако ж прав упрямый Галилей.»
 

Галилей прав в отстаивании взглядов Коперника на устройство Солнечной системы. И очевидность – это и вправду еще далеко не все. Движение, бесспорно, существует, но что в действительности стоит за наблюдаемой нами картиной? Даже описав самым исчерпывающим образом полет стрелы с помощью динамики, мы еще не знаем, что ответить Зенону.

Зенон предлагает нам рассуждать о движении с помощью наглядных, простых и очевидных образов – мгновение, положение в каждое мгновение и т. д. Мы, не подозревая подвоха, следуем за ним… и оказываемся в тупике. Но, видимо, сами эти образы хороши не всегда; они могут указывать только какие-то отдельные свойства движения, но, как демонстрирует нам Зенон, иногда не «работают». Они могут оказаться недостаточными и даже обманчивыми, вводящими в заблуждение.

Разгадать загадку Зенона, пользуясь им самим предложенными образами, кажется, невозможно. Хоть этому занятию и предавались вслед за ним лучшие умы многих поколений. Но как представить себе движение, составленное из неподвижностей? Да и состоит ли оно из них на самом деле?