Как стали время изучать всерьез

Если подойти с должным уважением к попыткам доисторического человека познать окружающий мир, пружины его развития и изменения, то надо признаться, что время изучали всерьез всегда: в доплеменных пещерах; в первых общинах, где началось разделение труда; в ранних аграрных государственных формациях; в развитых системах торговых городов; в индустриально развитых странах с высоким потенциалом науки; в наш век атомной энергии, ЭВМ и выхода в космос.

В древних Месопотамии, Шумере, Индии, Египте знали о цикличности течения процессов. Грек Платон (428–348 до н. э.) видел во времени "движущийся образ вечности"; Аристотель — свойство движения; римлянин Лукреций (1 век до н. э.) в своей знаменитой поэме "О природе вещей", являющейся энциклопедией знания своего века, писал:

"Также и времени нет самого по себе, но предметы сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось, (Что происходит теперь и что воспоследует позже. И неизбежно признать, / Что никем ощущаться не может) Время само по себе, вне движения тел и покоя".

Великий энциклопедист эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452–1519), знавший и умевший все, что знали в ту эпоху, и еще многое сверх того, провел анализ представлений свойств времени и нашел, что "хотя время и причисляют к непрерывным величинам, однако оно, будучи невидимым и бестелесным, не целиком подпадает власти геометрии, которая делит видимые и телесные вещи на фигуры и тела бесконечного разнообразия. Время совпадает только с первыми началами геометрии, то есть с точкой и линией: точка во времени должна быть приравнена к мгновению, а линия имеет сходство с длительностью известного количества времени. И подобно тому как точки — начало и конец линии, так мгновения — граница и начало каждого данного промежутка времени. И если линия делима до бесконечности, то и промежуток времени не чужд такого деления. И если части, на которые разделена линия, соизмеримы друг с другом, то и части времени будут друг с другом соизмеримы".

Рассуждая о природе жизни и смерти, Леонардо да Винчи пишет: "О время, истребитель вещей, и старость завистливая, ты разрушаешь все вещи и все вещи пожираешь твердыми зубами годов мало-помалу, медленной смертью. Елена, когда смотрелась в зеркало, видя досадные морщины своего лица, содеянные старостью, жалуется и думает наедине, зачем два раза была похищена". (Елена Прекрасная, дочь Зевса и Леды, супруга греческого царя Менелая, была похищена сыном троянского царя Приама Парисом, что явилось причиной десятилетней Троянской войны).

В этих и других высказываниях делались попытки понять свойства времени на интуитивном уровне, словесно описать их. Возможностями исследовать свойства самого времени мыслители не располагали. Время в лучшем случае оказывалось всего-навсего служанкой, выполняющей работу в уравнениях точных наук.

Только к концу XIX — началу XX века появились наконец технические возможности изучать время, да и человек психологически созрел до того, чтобы приступить к этому изучению.

Начало научному подходу к исследованию времени было положено немецким философом И. Кантом (1724–1804) еще в XVIII веке.

Иммануил Кант говорил о времени как о сложном предмете рассмотрения, состоящем из трех «модусов» — последовательности, сосуществования и устойчивости. Таким образом, Кант рассматривал время и как последовательность ряда значений, и как совокупность всего существующего, и как величину. В таком рассмотрении время оказывается уже не одномерным, а как бы двух- или трехмерным явлением.

Французский философ-интуитивист Анри Бергсон (1859–1941) задолго до того, как Пуанкаре и Эйнштейн выдвинули теорию относительности, выступил в 1889 году против понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Им было предложено представление о времени как о потоке событий. Для Бергсона внешняя реальность подвижна. Никаких «готовых» вещей нет, все существует в процессе развития и неустойчивого, изменяющегося состояния. Имеется реальное пространство без длительности, в котором все явления появляются и исчезают одновременно с изменением состояния сознания человека. Имеется реальная длительность, разнородные моменты которой взаимно проникают друг в друга, но так, что каждый момент ее может быть сопоставлен с одновременным с ним состоянием внешнего мира и тем самым уже отделен от внешнего мира. Из сравнения этих двух реальностей возникает заимствованное у пространства символическое представление длительности, которая принимает таким образом мнимую форму однородной среды. Соединительной чертой между пространством и длительностью служит одновременность, которую Бергсон определяет как пересечение времени с пространством.

Вот это "бергсоновское время" — время процесса, а не покоя — и положено в основу современных физических представлений, а также представлений в биологии.

Сегодня в физике и философии рассматриваются две взаимодополняющие концепции времени (в смысле принципа дополнительности Бора). Первая пара является дополняющей для понятия природы времени. Время по одной концепции есть такая же субстанция, как пространство или вещество (субстанциальная концепция). Время по другой концепции есть отношение (система отношений) между физическими событиями (реляционная концепция).

Вторая пара является дополняющей для понятия отношении категории времени и категории бытия. События прошлого, настоящего и будущего, согласно одной концепции, существуют реально и даже в некотором смысле одновременно, важен момент осознания явлений и материальных объектов, возникновение и исчезновение которых иллюзорно (статическая концепция); по другой концепции, реально существует только настоящий момент, событии прошлого уже нет, события будущего еще не наступили (динамическая концепция).

Далее выделяется несколько классов (типов) времени: абстрактное (представляемое); физическое (измеряемое с помощью тех или иных механизмов или за счет наблюдения периодических явлений природы); метрическое (отвлеченное) математическое время, матрица для пересчетов между физическим и релятивистским временем; релятивистское время (время теории относительности); биологическое время (время живых организмов).

Детальное изучение времени началось тогда, когда были сконструированы приборы точного измерения его отрезков. Их создали на основе развития астрономических знаний о Земле как небесном теле, о Солнечной системе. Галактике и на основе успехов физики.

Человечество научилось очень точно мерить время течения процессов как в самом человеке, так и вне его, во всей Вселенной, поскольку часы, употребляемые астрономами, суть не что иное, как совокупность всей Солнечной системы.

В нашу задачу не входит изложение техники этих измерений, достаточно только напомнить, что новым эталоном времени стали атомные часы, что созданы различного типа электронные секундомеры, разрешающие измерять малые промежутки времени. Это позволило изучать атомные и ядерные процессы, протекающие за миллионные, миллиардные и биллионные доли секунды. Наконец, люди научились в некоторых случаях как бы изменять временные масштабы. Сверхскоростная киносъемка с последующим медленным воспроизведением всего происшедшего разрешает рассмотреть ход сверхбыстрых процессов (включая взрывы), а съемка замедленная с последующим ускоренным воспроизведением процессов медленных (включая рост и развитие).

Эти технические возможности обеспечили измерение скорости самых различных процессов и сравнение этих скоростей между собой.

Что касается астрономии, то ее успехи в изучении двойных звезд позволили многое узнать о природе гравитационных волн, то есть излучений, которые на земном шаре проявляются в виде силы тяжести. Согласно общей теории относительности, гравитационные волны представляют собой поперечные волны кривизны пространства — времени, которые могут существовать вдали от гравитирующих масс и распространяться со скоростью света. Под их воздействием тела испытывают деформации так называемого приливного типа — растяжение и сжатие Силы гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю вызывают как вынужденные колебания оси вращения Земли, так и приливные деформации земного шара. Луна находится ближе к Земле, чем Солнце, и приливы от нее вдвое больше. Не говоря о морских приливах, которые хорошо известны, Луна вызывает явления приливов и суши. На широте Москвы изменения радиуса Земли в результате этого достигают 40 сантиметров. Сила тяжести изменяется на Земле от экватора к полюсам с увеличением высоты над поверхностью Земли и со временем. Последнее происходит периодически в связи с изменением положения Земли относительно Луны и Солнца и не периодически — в связи с процессами, происходящими в недрах Земли.

Знания о природе гравитационных волн позволили развить релятивистскую теорию гравитации и, в частности, показать зависимость хода собственного времени системы от характера поля гравитации. Наконец, значительные успехи, достигнутые в развитии целого ряда областей науки (биологии, биогеохимии, гистологии, эмбриологии, физиологии и т. д.), когда была использована точная аппаратура, разрешающая измерять время биологических процессов, позволили совершить большой скачок в познании особенностей времени живых организмов биологического времени, выделенного академиком В. И. Вернадским (1863–1945) в 30-х годах нашего века.

До 1905 года, когда А. Эйнштейн (1879–1955) опубликовал свою специальную (частную) теорию относительности, общепринятой являлась ньютоновская концепция времени как некая абсолютная длительность, не зависящая от материи. (Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения рассматривает общая теория относительности (теория тяготения Эйнштейна); специальная (частная) теория относительности исследует свойства пространства-времени в приближении, когда эффектом тяготения можно пренебречь, то есть это частный случаи общей теории относительности. Пространство и время рассматривались как некий ящик, в который вложена материя и свойства которого не зависят от наличия вещества. Кроме того, время считалось однородным, одинаковым во всех точках пространства и от пространства не зависящим.

Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна-Минковского), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событии в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся пи-мезон живет 10-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью — 300 000 километров в секунду — он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.

Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.

Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.

Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некой величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно (изотропно) или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (то есть в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.

Эйнштейн получил цилиндрическую Вселенную, то есть мир, в котором пространство обладает положительной кривизной и замкнуто, а время незамкнуто. У де Ситера получился сферический мир, в котором и время замкнуто.

Современные космологические представления основываются на решениях, найденных советским исследователем А. А. Фридманом в 1924 году. Он описывает полностью однородный и изотропный мир Основным свойством этих решений является их нестационарность. Возникающие отсюда представления о расширяющейся Вселенной полностью подтверждаются астрономическими данными. Первым подтверждением этого факта было открытие Э. Хабблом в 1929 году красного смешения в спектрах удаленных галактик. Если считать, что это следствие так называемого эффекта Доплера, то красное смещение доказывает удаление галактик. Таким образом, в настоящее время можно считать, что изотропная модель дает, в общем, правильное описание Вселенной.

Другим важным свойством изотропной модели является наличие в ней особой точки пространственно-временной метрики (формулы) по oтношению ко времени. Присутствие такой точки означает, другими словами, конечность времени. Вопрос о конечности времени продолжает дискутироваться и пока остается открытым. Общая теория относительности допускает в принципе не только бесконечные, но и конечные решения. Существуют модели, допускающие замкнутость линии времени, но если замкнутое пространство еще можно трактовать как конечное, то переход от замкнутости времени к заключению о его конечности наталкивается на значительные трудности. Дело в том, что замкнутое время означает повторение циклов событии. При этом для описания последовательности циклов событий возникает необходимость ввести некое промежуточное мета-время. Попытки же его введения наталкиваются на неизбежность пересмотра самого понятия времени, характерного для общей теории относительности. Поэтому представляется наиболее вероятным, что в рамках этой теории логическая конструкция замкнутого времени как раз и есть форма замкнутого времени.

Бесконечность времени имеет два аспекта, количественный и качественный. Количественный аспект бесконечности времени соответствует бесконечности моментов времени. Но момент времени не является некой самостоятельной субстанцией, а представляет собой форму бытия совокупности событий, состояний движущейся материи, причем специфика каждого из временных моментов есть выражение качественно различного характера этих совокупностей.

Бесконечность времени обусловливается постоянным развитием материи, переходом возможностей в действительность. Время есть форма существования материи, выражающая процесс становления, процесс появления нового.

Таким образом, согласно современным представлениям в физике, бесконечность времени состоит в постоянном движении, изменении, развитии материи. Что касается единственности времени или множественности времен, общая теория относительности позволяет для описания некоторых систем ввести несколько существенно различных, но одинаково объективных времен. Это так называемый гравитационный коллапс. Коллапсирующая система характеризуется обычным мировым временем, определяемым в интервале от минус до плюс бесконечности. Однако полное описание всего процесса коллапса невозможно с использованием только этого времени. Для частиц, падающих в гравитационном поле, существует свое собственное время, причем настолько замедленное, что его конечный отрезок описывает бесконечным, с точки зрения стороннего наблюдателя, процесс падения частицы на звезду. Для описания же всего процесса эволюции вводится третье, глобальное время (время Крускала), где есть возможность для пространства и времени как бы меняться местами.

Было бы, однако, неправильно полагать, что только в теории относительности прослеживается глубокая связь между материей и временем. Один из основных законов движения материи, закон сохранения энергии, можно вывести из свойства однородности времени. В теории взаимодействия элементарных частиц существует так называемая СРТ-теорема, которая гласит, что законы движения частиц, выведенные наукой, не меняются, если воздействовать комбинацией трех операций, называемых также тремя симметриями. Операция С — это замена частицы на античастицу. Операция Р, когда левое и правое меняются местами, как это происходит при возникновении отражения в зеркале. Операция Т — изменение направления движения всех частиц на обратное.

Сначала предполагалось, что все три преобразования оставляют физическую систему неизменной, но затем убедились, что законы, управляющие поведением материи, не меняются после действия только двух операций — С и Р.

Как полагает крупнейший современный математик, внесший большой вклад в разработку проблем гравитации и космологии, автор книги "Краткая история времени" Стивен Хокинг, в случае С-Р-симметрии жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, которые являлись бы нашим зеркальным отражением и состояли бы из антиматерии. Но вот попытка осуществить Т-симметрию наталкивается на непреодолимое различие между движением во времени вперед и назад. Проделать Т-операцию, согласно Хокингу, то же самое, как если бы заснять на кинопленку падение стакана на пол, а затем прокручивать ее задом наперед, тогда зрители увидят, как осколки собираются в виде целого стакана, а стакан запрыгивает обратно на стол. Но такое запрыгивание равносильно созданию порядка (стакана) из беспорядка (осколков), что противоречит второму закону термодинамики, который вытекает из того, что состоянии беспорядка всегда гораздо больше, чем состоянии порядка. Рост беспорядка (энтропия) прослеживается всюду. Даже чтобы выжить, люди употребляют пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращают ее в тепло, то есть в неупорядоченную форму энергии.

Стивен Хокинг полагает, что именно рост энтропии со временем является иллюстрацией стрелы времени, которая разрешает различать прошлое и будущее, придавая времени направление. Но при этом он считает, что существуют по крайней мере три стрелы времени, совпадающие по направлению: термодинамическая, указывающая направление времени, в котором растет беспорядок, психологическая — ощущение направления хода времени, память о прошлом, космологическая — направление, в котором Вселенная расширяется.

Совпадение направления термодинамической и космологической стрел Хокинг видит в том, что разумные существа, способные спросить, что такое время, могут жить только в фазе расширения Вселенной.

Что же касается совпадения направления психологической и термодинамической стрел времени, Хокинг полагает, что субъективное ощущение времени задается в мозгу человека термодинамической стрелой времени, поскольку мозг фиксирует события в их естественном порядке, то есть в порядке возрастания энтропии. Заканчивая книгу "Краткая история времени", он пишет, что читатель, запомнивший каждое слово из его книги, получит около двух миллионов единиц информации и ровно настолько же возрастет порядок в его голове. Но пока книга читается, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, полученной в виде пищи, превратится в неупорядоченную энергию, переданную во внешнюю среду в виде тепла. Беспорядок во Вселенной при этом должен достичь гигантских размеров.

Наконец, одним из основных аргументов в защиту необратимости времени является необратимость причинно-следственных отношений. При обратном ходе времени причинно-следственная связь оказывается нарушенной и невозможно никакое взаимодействие. Следовательно, отсутствует движение, а значит, и время.

Что касается времени в микромире, в современной физике при исследовании взаимодействия элементарных частиц используется процедура квантования пространства-времени. При этом обычно вводится минимальная длина 10–13 сантиметров и минимальная длительность 10–24 секунд. Направление времени не рассматривается.

В заключение этого раздела хотелось бы коснуться вопроса, который фантасты очень часто решают легко и просто. Это вопрос возврата во времени. Поскольку в мире Эйнштейна — Минковского время и пространство равноценные координаты, возвращаемся мы в покинутую нами точку пространства легко и постоянно. Но не даром. За возврат в пространстве (так же, как и за движение вперед) мы заплатим временем. Мы вернулись туда же, но не тогда же, а позже, в другое время. Тем самым вернулись уже в иную мировую точку. Если теоретически мы могли бы двинуться по временной координате назад, в прошлое, то должны были бы за это тоже заплатить. Заплатить пространством, то есть попали бы в другую точку Вселенной, где-то вне земной поверхности, и к тому же, весьма вероятно, кем-то уже занятую, что привело бы к немедленной гибели.