Физика времени - Чернин Артур Давидович (читать книги полные txt) 📗
Законы механики допускают и прямое, и обратное движение. Они одинаково надежно управляют движениями в обоих направлениях времени. Эти законы сами по себе еще не задают направления от прошлого к будущему. Они не выделяют этого направления, не отличают его от противоположного, которое для них одинаково приемлемо.
Об этом можно сказать и иначе: законы механики не изменяются при смене направления времени, при обращении времени.
Это означает наличие в них определенной симметрии. Вспомним данное Вейлем определение симметрии (см. главу 12): объект является симметричным, если над ним можно произвести операции, в результате которых он будет выглядеть точно так же, как и прежде. В данном случае объектом служат законы движения, а операция, которая над ними производится, — это обращение времени. Симметрию относительно обращения времени называют T-инвариантностью. T-инвариантность представляет собой общее свойство движений — не только механических, но и вообще всех движений, управляемых любыми силами природы. Для сил электромагнитных это доказано электродинамикой. Для тяготения — ньютоновской теорией и общей теорией относительности. Все известные эксперименты с сильным и слабым взаимодействием тоже указывают на это — за одним единственным исключением, о котором мы чуть позже скажем.
Любопытная иллюстрация обращения времени — показ кинофильма в обратном направлении. Все события развиваются тогда на экране не от прошлого к будущему, а от будущего к прошлому. Тем не менее многое происходит при этом вполне естественным путем. Например, девочка подбрасывает и ловит мяч, кто-то берет с полки книгу и так далее. Но вот разлитое на столе молоко само собою собирается в чашку. Это уже невозможное событие, такого не бывает, и мы сразу узнаем здесь неправильный, обращенный ход событий. По чисто механическим явлениям оба направления в ходе событий не отличить. Но как только возникает необратимое явление — разливается молоко, горит свеча и так далее, — различие между прямым и обращенным течением времени обнаруживается самым очевидным образом.
Но откуда возникает необратимость, если законы движения обладают T-инвариантностью? Ведь, например, перемешивание газов и жидкостей происходит благодаря механическим движениям атомов и молекул, а эти движения безразличны к направлению времени, они не способны выделить направление от прошлого к будущему.
Вопрос действительно не простой. О нем говорят как о парадоксе обратимости, и вокруг него было немало острых споров. Разрешение парадокса предложил Больцман; ему энергично возражал Пуанкаре, но прав все же оказался Больцман.
Вот его рассуждение. Из свойств механических движений молекул следует, что возможно как перемешивание двух газов, так и обратный процесс, когда эти газы, перемешавшись, снова затем разделятся. Капля сиропа, расплывшись по воде, может снова собраться, стянуться и оказаться на прежнем месте. Тепло может перейти обратно к тому из двух соприкасающихся брусков, который раньше был горячим. Все эти события возможны: раз имеется обратимость в движениях отдельных атомов, значит, обратимо и поведение всего их коллектива. Категорического запрета на эти события нет. На это и указывал Пуанкаре. Но все дело в том, что такие обратные явления происходят очень и очень редко.
Вот что говорит об этом Больцман: «Нельзя предполагать..., что два диффундирующих газа смешаются и разделятся несколько раз в течение немногих дней. Время, в течение которого можно надеяться наблюдать (хотя бы один) случай разделения, настолько велико, что исключается любая возможность наблюдать такой процесс». Обратные явления происходят так редко, что за всю историю Вселенной ни одному из них не случилось произойти. А это означает, что фактически они вообще не происходят.
Прямое и обратное явления в принципе допустимы оба. Они различаются лишь частотой, с которой в действительности происходят: прямые происходят очень часто (то есть практически всегда), а обратные очень редко (то есть практически никогда). Больцман подсчитал частоту (или, иначе, вероятность) прямых и обратных явлений и тем самым показал, что поведение большого коллектива частиц, совершающих обратимые, T-инвариантные движения, будет уже практически необратимым. Когда в любой физической системе имеется отклонение от теплового равновесия, естественное развитие событий всегда таково, что система изменяется в направлении, приближающем ее к равновесию.
Скажем теперь об уже упомянутом исключении из общего правила Т-инвариантности движений. Речь идет не о большом коллективе частиц, а об одной элементарной частице, называемой нейтральным К-мезоном. Это нестабильная, распадающаяся частица, и из свойств ее распада следует (хотя, надо сказать, и несколько косвенно), что ее поведение не обладает T-инвариантностью *). Частица «различает» прошлое и будущее; два направления времени для нее не равноценны, не симметричны.
*) Подробнее об этом читатель может узнать из книги: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. — М.: Наука, 1984.
Так не отсюда ли возникает действительное направление времени?
Догадка напрашивается, кажется, сама собой. Но К-мезон — очень редкая частица, и его распад — слишком редкое явление, глубоко запрятанное к тому же в недра микромира. Трудно представить себе, как эти частицы могли бы управлять временем везде и всегда всей Вселенной.
Дерзкую идею о происхождении направления времени выдвинул астроном из Пулковской обсерватории Н. А. Козырев. Он предположил, что известные нам законы движения — это лишь некоторая приближенная форма точных законов, которые еще предстоит открыть. И если в приближенных законах царит T-инвариантность, то точные законы обладают T-неинвариантностью, то есть нарушением Т-инвариантности, хотя, быть может, и очень слабым (отчего оно до сих пор и оставалось неуловимым). Такая скрытая, очень слабая, но всеобщая асимметрия между двумя направлениями времени задает преобладание одного из них, которое и означает для нас направление от прошлого к будущему.
Эту идею, вносящую необратимость в сами законы движения, не удалось ни разработать теоретически, ни тем более доказать в экспериментах. Стоит заметить, что в 50-е годы, когда идея была предложена, о K-мезонах как примере нарушения Т- инвариантности еще не знали.
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.
