ГЛАВА 14
СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
Из мира строгих и красивых физических теорий, которыми являются классическая механика, теория относительности, квантовая теория, мы уже не раз переходили в область догадок, предположений и гипотез. Поиски сущности времени еще далеко не завершены, и в этой главе мы обратимся к самой трудной загадке времени. Мы уже так или иначе касались ее в других главах книги, да ее и невозможно было обойти, она всюду напоминает о себе.
И нужно сразу сказать, что в физике сделано пока что поразительно мало, чтобы разрешить эту загадку. Научные работы, которые посвящены проблеме бега времени, его направленности и необратимости, можно перечесть по пальцам. Выдвинут ряд гипотез, поставлен ряд вопросов. С ними мы и познакомим читателя. Но это только первые шаги, и главные успехи, как нужно надеяться, еще впереди.
Бег и направление
Те свойства времени, о которых мы судим и которые изучаем с помощью часов, называют количественными его свойствами (или, как часто говорят, метрическими свойствами). С помощью часов мы устанавливаем длительность различных промежутков времени, сравниваем их между собой. Выбирая определенные единицы времени — секунды, часы, годы, мы выражаем в них результаты наших измерений и сопоставляем временным отрезкам те или иные числа, выражающие их длительность. Коротко говоря, с помощью часов мы измеряем время, даем ему количественную меру. Теория относительности и представляет собой теорию количественных (метрических) свойств времени.
Но есть у времени и иные свойства, которые принято называть качественными (или иначе топологическими). Важнейшее из качественных свойств времени это и есть его необратимый бег. Время не стоит, оно неизменно течет от прошлого через настоящее в будущее. Прошлое никогда не возвращается. Мы не можем послать какие бы то ни было сигналы в прошлое, не можем его изменить. Мы можем влиять лишь на будущее и в будущее посылать сигналы.
Время делится на прошлое, настоящее и будущее, и три его части никогда не существуют совместно. Это дало основание Лейбницу сказать, что время есть порядок несовместимых возможностей.
Теория относительности говорит нам, каков темп течения времени, от чего зависит его замедление, но не отвечает на вопрос, почему оно вообще течет, чем определяется его неизменное направление — от прошлого к будущему.
Мы не знаем ответа на эти вопросы. Мы даже не знаем точно, те ли вопросы мы задаем, правильно ли их ставим.
Почему бежит река? Потому что вода не стоит на месте, когда есть уклон, и она всегда течет вниз. Но можно ли и о времени задать прямой вопрос такого рода и надеяться получить на него ответ по этому образцу?
Когда говорят о реке, то сводят вопрос о ее беге к понятиям более общим и в некотором смысле простым. Отвечают, используя такие представления, как вода, наклон, движение, верх и низ... А существуют ли понятия более общие и простые, чем время и его бег? Неизвестно.
Если такие понятия существуют, то, быть может, нужно искать подсказки и намеки в каких-то определенных физических процессах. Таких, которые в каком-то смысле просты, но вместе с тем и универсальны, всеобщи. Некоторые усилия, и давние и вполне современные, сделаны как раз в этом направлении, с этой надеждой. Не исключается, что подходящие процессы уже известны, а нет, так, возможно, пока не известны, но будут когда-нибудь открыты. Например, в мире элементарных частиц.
Возможен и совсем иной взгляд, согласно которому время и его бег представляют собою (вместе с пространством) самое фундаментальное и самое элементарное, к чему должна сводиться вся физика, и что в свою очередь уже не сводимо ни к чему отдельному в явлениях физического мира.
Гипотеза Больцмана
Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906) выдвинул более ста лет назад предположение, что природа времени и, прежде всего, направление его течения связаны с особым родом физических явлений, которые называют необратимыми.
Если взять два железных бруска, один горячий, а другой холодный, и приложить их друг к другу, то, как всем хорошо известно, тепло будет переходить от горячего бруска к холодному. Горячий брусок будет из-за этого остывать, а холодный нагреваться. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температура обоих брусков не сравняется.
Это одно из необратимых физических явлений, и необратимым его называют потому, что никто никогда не видел, чтобы после того, как температура брусков выравнялась, тепло стало бы само собой возвращаться назад к горячему прежде бруску.
Когда нет никакого направленного извне вмешательства, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному. Здесь важно, что физические тела должны быть действительно целиком предоставлены самим себе. Иначе будет, например, то, что происходит в камере домашнего холодильника — в ней холоднее, чем в комнате, но температура камеры и температура комнаты не выравниваются, а их различие может и возрастать, когда холодильник включается и начинает работать его механизм.
В изолированных от внешних воздействий физических телах, в системах физических тел, предоставленных самим себе, все тепловые явления неизменно развиваются в одном направлении — в направлении выравнивания температуры. Это универсальное свойство природы. В несколько более общей формулировке, включающей рассмотренное нами явление как один из частных случаев, об этом свойстве всех физических систем говорят как о втором начале термодинамики. Насколько это важный факт, можно судить по тому, что второе начало термодинамики стоит рядом с законом сохранения энергии, который в этой области физики называют, как мы уже упоминали, первым началом.
Кстати сказать, Больцман был первым, кто объяснил физическое содержание второго начала термодинамики на основе представления о хаотических тепловых движениях молекул или атомов, из которых состоят газы, жидкости и твердые тела.
Из других необратимых явлений упомянем перемешивание жидкостей — например, расплывание сиропа в стакане минеральной воды. Необратимым образом перемешиваются и газы. В газах и жидкостях само собой происходит необратимое сглаживание различий в концентрации частиц, в давлении и других их физических характеристиках. В этих случаях тоже, конечно, нужно исключить всякое внешнее воздействие, в том числе, например, и воздействие земного тяготения.
Изолированная физическая система всегда стремится к состоянию, в котором достигается наибольшее возможное выравнивание — выравнивание температуры, состава, концентрации и т. д. Это состояние называют состоянием термодинамического равновесия.
Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Не оно ли определяет направление, в котором течет время? Эта идея и была высказана Больцманом. Он предполагал, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления. Более того, необратимые явления охватывают все тела физического мира и всю Вселенную в целом; они вносят во Вселенную развитие, создавая тем самым время, задавая его ход и темп, указывая, в какую сторону ему течь. Так возникает непрерывное течение времени, уносящее события в прошлое, влекущее нас в будущее.
В духе представлений об абсолютном времени классической физики, одинаковом всюду и везде в мире, обращение ко Вселенной было естественным и даже необходимым. По мысли Больцмана, стремление всей Вселенной как целого к тепловому равновесию (к тепловой смерти, как об этом говорили потом) — единственное направление ее развития *). И то, что мы называем временем, есть в действительности просто отражение в непосредственно окружающем нас мире этого неудержимого «старения» Вселенной, ее стремления к своему естественному концу.