Текст книги "Тайны пространства и времени"
Автор книги: Виктор Комаров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 25 (всего у книги 37 страниц)
Часть II
ЗАГАДКА ВРЕМЕНИ
Глава 1 «СТРЕЛА ВРЕМЕНИ»Природа времени – одна из самых излюбленных тем современной научной фантастики. Разумеется, авторы, пишущие в этом плане, не ставят перед собой задачу раскрыть эти свойства. Манипуляции с временем они используют как фон, на котором развертывается действие, фон, позволяющий ставить героев в необычные ситуации. И, надо признать, фон, создающий для этого поистине неограниченные возможности, потому что категория времени до сих пор таит в себе множество загадок…
Проблема времени занимала человека еще с глубокой древности. Самые выдающиеся мыслители пытались постичь его сокровенный смысл.
Интерес этот вполне понятен. Пожалуй, среди физических величин, характеризующих течение явлений в окружающем нас мире, нет величины более таинственной, неуловимой, ускользающей от нашего понимания, чем время…
Современное естествознание – физика, астрономия, космология, кибернетика, математика, информатика – поставляет все большее количество новых данных, способных пролить свет на природу времени. При этом центральным вопросом является вопрос о его направленности.
Народная мудрость гласит: дом потеряешь – можно выстроить новый, деньги потеряешь – можно заработать другие, время потеряешь – все потеряешь.
В этом афоризме нашло свое отражение наиболее характерное отличительное свойство времени – его необратимость. Время нельзя повернуть вспять, что прошло – то прошло безвозвратно. Мы не можем, по крайней мере на существующем уровне науки и техники, возвратиться в прошлое и не можем, опередив время, заглянуть в будущее, а затем вернуться в свою эпоху.
Необратимость времени ученые называют стрелой времени.
Историческое представление о необратимости или однонаправленности времени, видимо, сложилось под влиянием того обстоятельства, что все реальные процессы, с которыми сталкивается человек в окружающем мире, практически необратимы. Ведь если бы время потекло вспять, то вокруг нас стали бы происходить совершенно поразительные явления. Но таких явлений никто и никогда не наблюдал.
Немаловажную психологическую роль сыграло, по всей вероятности, и то обстоятельство, что мы ничего не можем изменить в прошлом и не способны во всех деталях предвидеть будущее. Для прошлого характерна полная определенность, а для будущего – значительная неопределенность. Иными словами, между прошлым и будущим существует явная асимметрия. А вся жизнь человеческая протекает на той грани, на которой будущее превращается в прошлое. И сама жизнь человека – это необратимый процесс.
Философы неоднократно пытались вывести временной порядок из причинного. Но дело в том, что при определении причинного порядка мы явно или неявно опираемся на понятия временного порядка. Ведь когда речь идет о том, что «причина порождает следствие», подразумевается, что следствие появилось после причины. Таким образом, любая попытка вывести временной порядок из порядка причинного фактически неизбежно приводит к логическому кругу.
Однако наряду со всеми этими рассуждениями общего характера закономерно возникает потребность выявить такие необратимые процессы в самой природе, с которыми можно было бы строго связать однонаправленность времени.
«Мы не только измеряем движение временем, но и время движением… ибо время определяет движение, будучи его числом, а движение – время», – говорил Аристотель.
Сущность времени нельзя понять, не связывая его с поведением материальных объектов, с конкретными физическими явлениями. Каковы же те физические процессы, протекающие в реальном мире, которые определяют однонаправленность времени?
Чтобы доказать необратимость времени, в сущности достаточно обнаружить в природе хотя бы один строго необратимый физический процесс. Представим себе Вселенную, в которой все процессы обратимы. В такой Вселенной, очевидно, не существовало бы направления времени. Но появление хотя бы одного необратимого процесса сразу придало бы физический смысл направленности времени как для самого этого процесса, так и для всех других, связанных с ним, обратимых процессов, которые вследствие этого стали бы необратимыми. А так как все процессы во Вселенной в той или иной мере взаимосвязаны, то наличие хотя бы одного строго необратимого физического процесса может по существу служить обоснованием необратимости времени.
В классической механике Ньютона нет никаких запретов, препятствующих обращению времени. В ее уравнениях можно поменять знак времени на обратный, и все процессы потекут в обратном направлении, проходя в обратном порядке те же самые состояния. Другими словами, уравнения механики, так же как и их решения – обратимы во времени.
Однако этой «теоретической обратимости» отнюдь не соответствует фактическая необратимость механических процессов в реальном мире.
Возникает парадоксальное противоречие: реальные механические процессы необратимы, а теория механических явлений допускает их полное обращение. Следовательно, оставаясь в рамках чистой механики, физического обоснования однонаправленности времени мы получить не можем.
В то же время ссылок на одни только экспериментальные подтверждения фактической необратимости механических процессов, какими бы многочисленными они ни были, – недостаточно. Необходимо иметь еще доказательства «помологические», то есть на уровне физических законов. Но из того, что было сказано выше, – ясно, что такое обоснование однонаправленности времени невозможно.
В связи с этим возникает необходимость попытаться все же найти в природе такие необратимые физические процессы, с которыми можно было бы строго связать однонаправленность времени.
Из второго начала термодинамики следует, что почти все природные процессы протекают с увеличением энтропии. А наиболее распространенным обоснованием однонаправленности времени как раз и считается обоснование, связанное с фактом возрастания энтропии. Иными словами, то обстоятельство, что почти во всех природных процессах энтропия возрастает, и может быть принято за физическую причину необратимости времени.
Однако и на этом пути мы тоже сталкиваемся с определенными сложностями и парадоксами. Как мы знаем, в природе могут происходить самопроизвольные процессы самоорганизации, связанные с уменьшением энтропии. Причем вероятность подобных процессов отлична от нуля. Хотя при этом уменьшение энтропии в некоторой области явлений неизбежно связано с ее увеличением в какой-либо другой области. И поэтому строгого помологического обоснования термодинамической стрелы времени тоже не получается. Несмотря на то, что ни одного факта прямого нарушения второго закона термодинамики в распоряжении современной науки не имеется.
Таким образом, возможность строгого обоснования однонаправленности времени на основе термодинамических закономерностей отвергается на том основании, что в принципе подобные процессы могут протекать и в обратном направлении. Однако те же самые закономерности считаются вполне достаточными для полного запрета возможности существования вечного двигателя «второго рода». Хотя теоретическая вероятность осуществления такого двигателя ничуть не меньше, чем вероятность обращения термодинамического процесса. А, может быть, эта вероятность даже и выше, поскольку в случае с вечным двигателем речь идет не о самопроизвольном явлении, а об активной целенаправленной деятельности человека по использованию природных процессов.
Можно попытаться связать необратимость времени с процессом рассеяния электромагнитного излучения, которое, как известно, распространяется в виде сферической волны, неограниченно расширяющейся в пространстве и никогда не возвращающейся назад. Речь, разумеется, идет не об отраженных сигналах, а о возвращении всей излученной энергии обратно в источник. Но таких случаев, когда какой-либо объект «всасывал» бы в себя электромагнитное излучение, самопроизвольно возвращающееся из окружающего пространства, никто никогда не наблюдал.
Для сравнения можно привести расходящиеся круговые волны на поверхности воды. Каждый не раз наблюдал их возникновение при падении в воду какого-либо предмета. Но никто никогда не видел, чтобы на водной поверхности самопроизвольно возникали круговые волны, сходящиеся в одну точку и выталкивающие вверх какие-либо предметы.
Однако в отличие от термодинамики с ее вторым началом, в теоретической электродинамике никакого всеобщего принципа расходимости и затухания электромагнитных волн не существует. Более того, признается полное равноправие волновых процессов, расходящихся и сходящихся, затухающих и самовозбуждающихся. Это нашло отражение в теоретическом равноправии уравнений с так называемыми запаздывающими и опережающими потенциалами.
Однако течение природных процессов обуславливается не только законами и уравнениями, но и так называемыми начальными условиями. Чтобы возникла расходящаяся затухающая волна, необходимо и достаточно наличие всего одного точечного источника излучения. А для того, чтобы образовалась самовозбуждающаяся когерентная сходящаяся волна, в природе должны реализоваться условия неизмеримо более сложные. Необходимо наличие множества источников, расположенных в определенных местах и синхронизированных таким образом, чтобы они в совокупности порождали сходящееся в одну точку излучение. Согласно расчетам К. Поппера, вероятность самопроизвольного возникновения подобной ситуации практически равна нулю.
Вряд ли, однако, ее удалось бы осуществить и искусственным путем, поскольку задача синхронизации источников, расположенных на огромных расстояниях друг от друга, практически неразрешима из-за конечной скорости распространения физических взаимодействий.
Но если бы даже подобную ситуацию и можно было сконструировать, надо было бы обеспечить еще одно условие: чтобы интенсивность волновых процессов усиливалась по мере приближения к точке схода, то есть по мере удаления от своего источника. А это вряд ли осуществимо…
Видимо, не столько расходимость волновых процессов, сколько затухание является главным признаком их необратимости. Именно тем признаком, с которым можно попытаться связать необратимость времени.
Поэтому контрпримером расходящемуся затухающему волновому процессу должен служить не процесс «всасывания» неким источником когерентного электромагнитного излучения, притекающего из глубин Вселенной, а процесс расходящегося из одного центра волнового излучения, интенсивность которого возрастает по мере удаления от источника.
Нетрудно понять, что невозможность реализации подобного процесса обусловлена отнюдь не отсутствием соответствующих начальных условий, а более фундаментальными свойствами природы, в частности, законами сохранения. Ведь в таких процессах энергия должна была бы либо черпаться из ничего, либо концентрироваться из окружающей среды путем самопроизвольного повышения ее организации, что опять-таки противоречит второму началу термодинамики и закону возрастания «энтропии».
Но поскольку универсальный принцип, запрещающий обращение волновых процессов, нам еще неизвестен, электромагнитная стрела времени также не может считаться теоретически строго обоснованной.
Можно предпринять еще одну попытку – связать однонаправленность времени с фактом расширения Вселенной.
Очевидно, с каждым состоянием расширяющейся Метагалактики можно сопоставить определенный момент времени, характеризующий временной интервал, отделяющий это состояние от начала расширения. И поскольку взаимные расстояния между галактиками непрерывно изменяются только в сторону увеличения – этому соответствует и единое направление времени – «космологическая стрела времени».
Однако и при обосновании космологической стрелы времени мы также сталкиваемся с серьезными трудностями. Дело в том, что нам неизвестен какой-либо общий закон или принцип, запрещающий «сбегание» космических объектов, то есть сжатие Вселенной.
С точки зрения общей теории относительности, возможность смены расширения сжатием зависит от средней плотности материи во Вселенной, а ее точное значение нам пока неизвестно.
Все же некоторые исследователи считают определяющей именно космологическую стрелу времени, поскольку существующее направление статистических и электродинамических процессов является следствием расширения Вселенной. Подобная точка зрения имеет довольно веские основания. В самом деле, как по пространственным, так и по энергетическим масштабам разбегание галактик – процесс неизмеримо более мощный, чем мелкомасштабные статистические и электродинамические процессы…
Но все это только предположения. Ни взаимосвязь трех упомянутых стрел времени, ни определяющая роль космологических процессов пока не доказаны. Поэтому можно предположить, что и космологический фактор не является тем главным фактором, который определяет необратимость времени.
В пользу такой точки зрения говорят по меньшей мере два обстоятельства. Во-первых, представление о необратимости времени сформировалось задолго до обнаружения расширения Вселенной, а во-вторых, если бы расширение Вселенной сменилось сжатием, а направление статистических и электродинамических процессов оказалось прежним, наши представления о направлении времени остались бы неизменными.
Но если бы в сжимающейся Вселенной потекли вспять термодинамические и электродинамические процессы, то эти представления, видимо, изменились бы самым коренным образом.
Однако рассуждения рассуждениями, а поскольку существуют хотя бы и не строго обоснованные на уровне всеобщих принципов, но подтвержденные фактическими наблюдениями три различные стрелы времени – между ними должна существовать какая-то связь или хотя бы какая-то корреляция. В том, разумеется, случае, если эти стрелы действительно отражают реальное положение вещей.
В этом направлении идут интенсивные теоретические поиски. Не исключено, что в результате будет найдено единое фундаментальное обоснование однонаправленности времени, а три стрелы времени окажутся его частными проявлениями.
Но может случиться и так, что никакого единого закона подобного рода не существует, а необратимость времени связана со всей совокупностью природных процессов.
Следует упомянуть и о том, что в связи с открытием нарушения Т-инвариантности при распаде Кё-мезона были попытки построить так называемую каонную стрелу времени и установить зависимость между нею и тремя другими стрелами. Однако эти теоретические поиски пока что только начинаются.
Но вернемся к электродинамике и ее уравнениям с запаздывающими и опережающими потенциалами. Обычно в классической электродинамике уравнения с опережающими потенциалами отбрасываются на том основании, что они не имеют физического смысла. Если исходить из того, что причина любого явления не может располагаться в будущем, то эти уравнения описывают процессы, обращенные во времени. Примером такого процесса как раз и может служить сферическая электромагнитная волна, сходящаяся в точку. Но в реальном мире такие процессы не происходят.
В квантовой электродинамике дело обстоит значительно сложнее. Еще в 1945 году Дж. Уилер и Р. Фейнман показали, что если исходить из предположения о том, что действие заряженных частиц друг на друга распространяется со скоростью света, то приходится учитывать как запаздывающие, так и опережающие действия. В противном случае оказался бы нарушенный 3-й закон Ньютона – закон действия и противодействия.
Для примера представьте себе две частицы – два электрических заряда А и В, разделенные расстоянием, равным одному световому часу. Если действие в А начинается в 12 часов, то оно достигнет В в 13 часов. Но, поскольку это действие должно иметь равное противодействие, реакция в В должна начаться в 13 часов и достигнуть А в 12 часов. Но такие «опережающие действия» вступают в явное противоречие, с одной стороны, с принципом причинности, о котором подробнее речь пойдет несколько позже, а с другой – с нашим практическим опытом. В самом деле, если на поведение А в настоящий момент влияет будущее поведение В, то это поведение, которое наступит только через час, уже никаким иным быть не может. Иначе изменилось бы поведение А в данный момент, а этого случиться не может, так как оно уже совершилось. Но это, в свою очередь, означает, что мы никаким способом не могли бы повлиять на будущее поведение В, что заведомо не соответствует действительности…
Впрочем, Уилеру и Фейнману удалось показать, что если А взаимодействует не только с В, но и со всеми остальными частицами бесконечной Вселенной, и если принять, что эта Вселенная – статическая с однородным распределением заряда, то результирующий эффект опережающего действия содержать не будет.
Однако при этом Уилер и Фейнман исходили, как теперь ясно, из неправильной модели Вселенной. В дальнейшем эта проблема подвергалась многократному исследованию, в результате чего связь между фактором расширения Вселенной, то есть космологической стрелой времени и электромагнитной стрелой, сделалась более ощутимой. Но в полной мере этот вопрос не исследован и сегодня.
Любопытно, что почти все законы современной физики теоретически не запрещают обращения тех процессов, которые практически являются необратимыми.
Исключение составляют уже упомянутые нами случаи аномального распада Кё-мезона, который интерпретируется как доказательство неинвариантности законов физики элементарных частиц относительно изменения знака направления времени. Но эта интерпретация остается дискуссионной.
Таким образом, следует признать, что нашим необратимым миром почему-то управляют законы, безразличные к направлению течения времени.
Естественно поэтому ожидать, что должен существовать некий более общий фундаментальный закон, определяющий это направление. Каков этот всеобщий закон, нам пока неизвестно. Тем более что и ни в одной ограниченной области физических явлений такие частные законы не сформулированы.
Можно лишь предполагать, что общий закон, о котором идет речь, должен не только разрешать течение тех или иных процессов в определенном направлении, но и запрещать их протекание в обратном направлении.
Впрочем, и это предположение является чисто интуитивным. В самом деле, почему нам недостаточно того, что все известные нам законы физики разрешают протекание процессов в том направлении, в котором они фактически протекают? Почему нам обязательно необходим еще и закон, запрещающий их протекание в обратном направлении? Разве недостаточно того, что подобных «обратных» процессов мы в природе нигде до сих пор не обнаружили?
И вообще возникает вопрос: можно ли связывать столь всеобщее фундаментальное свойство, как необратимость времени, с каким-либо одним, отдельным, конкретным физическим процессом или видом процессов? Но и этот вопрос пока остается без ответа!..
Но поскольку с чисто практической точки зрения в окружающем нас мире «однонаправленность» времени («стрела времени») реально существует, то каждое мгновение, в которое мы живем, – есть граница между прошлым и будущим, то есть та грань, на которой будущее превращается в прошлое.
Таким образом, в действительности мы всегда ограничены всего лишь одним мгновением. И не имеем никакой возможности ни вернуться в прошлое, ни попасть в будущее…
Но если мы не можем, по крайней мере пока, переместиться назад или вперед во времени чисто физически, то человеческая мысль время от времени все же опережает время. Или пытается это сделать…
Вспомним, что наши далекие предки за разного рода «прорицаниями» обращались в храмы. Например, древние евреи в Иерусалимском храме имели специального оракула, и в случае необходимости священник с помощью этого оракула обращался за советом к Богу Яхве с тем, чтобы узнать его волю. Различные способы прорицания для того, чтобы узнать волю Бога или богов, использовались во всех первобытных обществах.
Однако с течением времени подобная «практика» была постепенно не только забыта, но перешла в ведение всевозможных магов и колдунов и превратилась в «темное» и презираемое занятие.
Тем не менее над проблемой «мысленного проникновения в будущее» задумывались крупнейшие умы человечества, пытаясь обосновать подобную возможность с позиций науки и не только психологии, но и естествознания.
Так, взгляд на мир, утверждающий принципиальную возможность «прорицания», пытался в свое время сформулировать К. Юнг, введя для этого понятие «синхронии».
В одной из своих работ он четко формулирует различие между так называемым каузальным и синхронистическим мышлением. Каузальное мышление, по Юнгу, носит «линейный характер». При каузальном подходе человек пытается мысленно представить себе последовательность событий, их взаимосвязанность и порождающие их причины и следствия.
Но как мы теперь знаем, с точки зрения современной физики каузальность уже нельзя считать абсолютным законом. Мы уже говорили о том, что, например, в мэоне, который является одной из разновидностей физического вакуума, не существует привычной нам последовательности событий во времени – здесь прошлое, настоящее и будущее существуют как бы синхронно. А это значит, что каузальность позволяет мысленно охватывать некоторую совокупность физических явлений, но не дает доступа к глубинным основам законов природы.
Что же касается синхронистического мышления, то его можно назвать «пространственным»; оно как бы центрированно относительно времени, то есть речь идет об определенном комплексе событий, совершившихся в определенный момент времени.
Каузальное мышление проводит четкую границу между физическими и психическими явлениями. До XIX века в науке бытовало представление о том, что физические явления могут вызываться только физическими причинами, а психические явления – только психическими причинами.
Но возникает закономерный вопрос: существует ли причинная взаимосвязь между психическими и физическими явлениями в действительности? Что касается каузальной связи между различными психическими явлениями – то она бесспорно существует, скажем, одно психическое явление способно вызвать другое. Но существует ли причинно-следственное взаимодействие между физическим и психическим, в особенности воздействие психического на физическое – этот вопрос до сих пор остается открытым.
С этой точки зрения, очень важно наблюдать за обеими сферами реальности – физической и психической – с тем, чтобы выяснить, происходят ли одновременно (синхронно) с психологическими событиями (например, мыслями или снами) какие-либо внешние физические события. И если это так, то, следовательно, может иметь место своеобразный комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных физических и психологических (психических) событий.
При этом синхронистический способ мышления выделяет некоторый ключевой момент времени, который является фокусирующей точкой для определенного комплекса событий.
В частности, математической базой синхронистического мышления при осуществлении тех или иных прорицаний служит натуральный ряд чисел. Наиболее простейшая форма – чет или нечет. Например, при бросании монеты выпадение орла или решки. На этом основании выбирается способ действия и принимается соответствующее решение.
Возможны и более сложные системы, но в их основе все равно фактически лежит принцип – чем пли нечет.
Особенно популярны подобные прорицания были в Древнем Китае, где две выдающиеся личности – легендарный король Вэну и князь Чу сумели превратить примитивного оракула в стройное философское мировоззрение, получившее название «системы И Цзин» и существовавшее вплоть до эпохи Мао Цзэдуна.
Интересно, что Карл Юнг наряду с каузальным порядком признавал и существование порядка акаузального. И именно такой порядок, по его мнению, обусловливает синхронистические события. Эти события – не просто случайные, а укладывающиеся в особый вневременной порядок. И потому в отличие от обычных, следующих друг за другом и потому предсказуемых событий, синхронистические события, происходящие в рамках акаузального порядка, являются единичными, спорадическими и непредсказуемыми.
После опубликования работы Юнга в научных кругах обсуждался вопрос о возможности выявления закономерности синхронистических событий, которая сделала бы их предсказуемыми. Иными словами, позволила бы вычислять вероятности таких событий в тех или иных случаях. Но поскольку подобные попытки не принесли желаемого результата, то Юнг после долгих раздумий пришел к заключению, что прогнозировать синхронистические события принципиально невозможно.
В глубокой древности, когда отсутствовало ясное, отчетливое понимание подлинной природы вещей, наши предки все же пытались делать подобные предсказания, в действительности смешивая каузальное и синхронистическое.
Однако если внимательно проанализировать результаты различных прорицаний, то можно заметить, что даже в случаях их совпадения с событиями исполнение не было точным, что прогнозировалось не само событие в определенный конкретный момент времени, а только его общий характер, примерный момент времени и вероятность осуществления.
