Моя любовь к физике родилась в средней школе при изучении механики. Нам объясняли основные понятия — материальные точки, их массы, координаты, скорости и ускорения. На материальные точки действуют силы, изображающиеся стрелочками. Эти точечные объекты и их параметры подчинены законам Ньютона, позволяющим рассчитать и орбиты планет, и силу, которую нужно приложить к веревке, чтобы сдвинуть санки, стоящие на льду, — все это завораживало, и казалось, что мы стали обладателями каких-то магических знаний. Нам теперь по силам предсказать практически все, что может случиться в нашей Вселенной, ведь ее можно представить как множество материальных точек…

Прекрасная стройность математических построений классической физики заставляла верить в то, что мир наш действительно представляет собой пустое пространство, в котором кое-где находятся объекты и течет время. И рискну утверждать, что именно так многие мыслят себе пространство и время, в которых мы живем. Однако попытка разобраться в том, как именно течет время и как устроено пространство, показывает, что не все так просто.

* * *

На уроках геометрии мы познакомились с образцом научного описания пространства. Мы твердо усвоили, что есть врожденные неопределяемые понятия — «точка», «прямая», «лежит между…» и т. п., есть аксиомы и теоремы. Мы понимаем, что каждую точку пространства можно задать координатами — «длина, ширина, высота». Эта модель пространства хорошо согласовывалась с нашим опытом, решения геометрических задач совпадали с результатами измерений длин отрезков и величин углов. Но вот время… Что это такое?

Мы все, конечно, видели часы и понимаем, что движение их стрелок задает некоторый ритм; сравнивая его с ритмом движения материальных точек, можно говорить о длительностях процессов. Так поступают в математической модели ньютоновской механики: считается, что в каждой точке пространства находятся «невидимые часы», стрелки которых во всех точках пространства всегда показывают одно и то же время. И если наша цель — предсказание движения материальных точек в пространстве и времени, то таких представлений вполне достаточно (если речь не идет о движениях с очень большими скоростями или движениям вблизи очень массивных тел ). В результате появляется классическая механика, отвечающая идеалу построения научного знания — интуитивно ясные понятия и утверждения (аксиомы, роль которых играют законы кинематики, статики и динамики — в последнем случае законы Ньютона), из которых логическим и математическим путем можно получать множество следствий.

Однако можно ли считать такую математическую модель пространства и времени безупречной? Для проверки своих теорий физики часто используют «мысленные эксперименты». Такой эксперимент позволяет найти противоречия между предсказаниями модели и тем или иным принципом, считающимся безусловно истинным, и тем самым показать либо неадекватность модели, либо неистинность принципа. И хотя сам термин «мысленный эксперимент» появился значительно позже, во времена Галилея, сюда же можно отнести рассуждения античного философа Зенона, называемые апориями. Эти рассуждения призваны разобраться в том, что мы называем движением, а это имеет непосредственное отношение к рассматриваемым нами понятиям, так как движение происходит в пространстве и времени.

* * *

Самый известный парадокс Зенона заключается в следующем. Пусть Ахиллес бегает в десять раз быстрее черепахи. Если первоначальное расстояние между ним и черепахой — тысяча шагов, то пока Ахиллес преодолевает это расстояние, черепаха уползет еще на сто шагов. Пока Ахиллес пробегает эти сто шагов, черепаха уползет еще на десять шагов, и т. д. Процесс будет продолжаться до бесконечности, Ахиллес так никогда и не догонит черепаху.

«Простое» объяснение парадокса состоит в том, что для подсчета времени, необходимого Ахиллесу для того, чтобы догнать черепаху, требуется сложить бесконечное число длительностей временных интервалов, которое дает все-таки конечный промежуток времени. Однако это рассуждение показывает лишь возможность иного объяснения модели движения, не противоречащего опыту: мы много раз наблюдали ситуации, когда более быстрый бегун настигает более медленного. Смысл апории в другом: бесконечная (то есть не имеющая конца!) последовательность следующих друг за другом событий должна завершиться, а следовательно — иметь конец! Не менее интересен и парадокс «Стрела»: летящая стрела в каждый фиксированный момент времени неподвижна, а стало быть, она неподвижна всегда, так как из набора неподвижностей нельзя получить движение, как нельзя получить число, отличное от нуля, последовательно суммируя нули.

Апории Зенона действительно доставляют много неприятностей тем, кто пытается разобраться в сути понятия движения, пространства и времени. Так, например, Д. Гильберт и П. Бернайс в своей работе «Основания математики» считают, что апории ставят под сомнение применимость строгих логических рассуждений к описанию реального движения. Р. Курант и Г. Роббинс в книге «Что такое математика» признают, что «…все попытки дать точную математическую формулировку интуитивному физическому или метафизическому понятию непрерывного движения были безуспешными». Возможно, понятия «точка пространства» и «момент времени» просто неверно отражают сущность пространства и времени, ведь пространство нельзя представить как сумму точек, а время — как сумму моментов, и движение не является простым перемещением от точки к точке.

Попытки разобраться с апориями Зенона были предприняты еще в античности. Так Платон, рассуждая о времени, говорит, что время, движущееся от одного момента к другому, есть лишь образ, отсвет неподвижной вечности, при этом вечность он относит к сверхчувственному, к миру идей, а время — к сотворенному по его подобию. В диалоге «Тимей», описывая создание мира демиургом, Платон пишет: «…Он замыслил сотворить некое движущееся подобие вечности; устрояя небо, он вместе с ним творит для вечности, пребывающей в Едином, вечный же образ, движущийся от числа к числу, который мы назвали временем. Ведь не было ни дней, ни ночей, ни месяцев, ни годов, пока не было рождено небо, но Он уготовил для них возникновение лишь тогда, когда небо было устроено. Все это — части времени, а "было" и "будет" суть виды возникшего времени, и, перенося их на вечную сущность, мы незаметно для себя делаем ошибку...» Так возникает метафизическое понимание времени, существующего в эмпирическом мире как образ, подобие вневременной вечности . Движущееся от числа к числу, время Платона, подобно ньютоновскому времени классической механики, не отражает существа иного времени — неподвижного в своем единстве.

Для объяснения парадоксов Зенона Аристотель вводит понятие «непрерывности». Непрерывное не может быть представлено как набор смежных элементов, следующих друг за другом: «я говорю о непрерывном, когда граница, по которой соприкасаются оба следующих друг за другом предмета, становится для обоих одной и той же и, как показывает название, не прерывается...» Непрерывное может быть разделено на части, но эти части тоже состоят из частей и т. д., в нем нет «неделимых» частей (например, точек). Такую конструкцию трудно представить, и поэтому Аристотель говорит о том, что непрерывное приобретает форму (определенною и познаваемую) через неделимое. Непрерывным у Аристотеля является время, пространство, движение. Но время в ряду этих понятий стоит особняком: если у пространственных объектов есть границы — «начало» и «конец», то у времени — нет, так как одна часть времени находится в прошлом, которого уже не существует, а другая — в будущем, которого еще нет. Как же представить такое время? Аристотель предлагает связать время с движением и предлагает способ его измерения, дающее величину времени. Так возникает понятие, опять-таки близкое к времени классической физики, — время есть число.

Итак, время измеряется движением, но не сводится к нему, а лишь проявляется через него. Само время неподвижно, а по нему «скользит» лишь то, что мы называем «теперь» — этот момент, будучи неделимым, есть не время, а граница времени, связь между прошлым и будущим.

Движение же отражается в нашей душе — ею мы ощущаем прошлое и отмечаем моменты времени: «О "теперь" в "теперь" нет памяти... но о присутствующем — чувство, о предстоящем — надежда, о прошедшем же — память» . Тем самым существование времени оказывается связанным с человеческой душой, способной воспринимать время и «считать» его, то есть измерять, ставя каждому его моменту «теперь» соответствующее число, и если нет души — то нет и времени.

Подобные сложности (из-за неразрывной связи существования времени с существованием человеческой души — ведь как же тогда воспринимают время животные?) пытались разрешить неоплатоники, введя понятие Мировой Души. Эта Душа, создав мир, заставила его двигаться от одного к иному, бесконечно изменяясь, являя собой множественный образ Единого Бытия: «Время есть жизнь души в некотором движении, а именно в переходе из одного состояния в другое».

* * *

Попытки разобраться с сущностью времени продолжает Аврелий Августин. Размышляя над этим, он приходит к выводу, с которым трудно не согласиться: «Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; если бы я захотел объяснить спрашивающему — нет, не знаю».

Для этого христианского философа главные вопросы — отношение к Богу и к человеческой душе. В христианском понимании человек имеет душу и сердце, открытые Богу, который стоит над всей природой, и душа помогает ему обрести Бога: «Два вопроса составляют предмет исследования философии: один о душе, другой о Боге. Первый приводит нас к познанию самих себя, другой — к познанию нашего происхождения» . А так как время живет в душе, то не удивительно, что в своем труде «Исповедь» Августин обращается к исследованию времени: «В тебе, душа моя, измеряю я время». По представлениям Августина, время было сотворено вместе с миром, а до творения был лишь вневременной Бог. Душа же содержит в себе три времени — прошлое, настоящее и будущее: «Она и ждет, и внимает, и помнит: то, что она ждет, проходит через то, что она внимает, и становится тем, что она помнит. Будущего еще нет, но в душе живет ожидание будущего. Прошлого уже нет, но в душе живут воспоминания о прошлом. Настоящее лишено длительности, но внимание — протяженно. У будущего нет длительности, ибо нет и самого будущего; длительность будущего — это длительность его ожидания. У прошлого нет длительности, ибо нет и самого прошлого; длительность прошлого — это длительность памяти о нем». Так формируется психологическое понимание времени — прошлого, живущего в памяти, будущего — в ожидании, и настоящего — во внимании.

Но вернемся к физике. Развитие науки требовало как-то определить ту сцену, на которой разворачиваются наблюдаемые физические процессы. А для нужд науки достаточно было измерять время, то есть сопоставлять длительностям процессов некоторое число.

Время как мера движения и движение как форма времени с давних времен связан с явлениями на небе — с периодичностью движения Солнца, Луны и звезд на небосклоне. Научившись соразмерять длительности небесных явлений с длительностью наблюдаемых процессов, ученые Нового времени смогли сформулировать законы движения, в которые время входит как параметр, и в результате была создана наука, имеющая удивительную предсказательную силу. Замена периодических движений светил на колебания маятников, а позже — на периодические явления в специально созданных генераторах не изменила суть подходов ко времени, использовавшихся в классической физике.

Такой подход был предложен еще Р. Декартом. Время само по себе он заменил временем как мерой движения: «…одни качества или атрибуты даны в самих вещах, другие же — только в нашем мышлении. Так, время, которое мы отличаем от длительности, взятой вообще, и называем числом движения, есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим… A чтобы объять длительность всякой вещи одной мерой, мы обычно пользуемся длительностью известных равномерных движений, каковы дни и годы, и эту длительность, сравнив ее таким образом, называем временем, хотя в действительности то, что мы так называем, есть не что иное, как способ мыслить истинную длительность вещей».
Кант также со скепсисом относился к понятию времени самого по себе, считая, что пространство, время и причины — лишь формы, в которых мы способны воспринимать мир. Таким образом, «…идея времени не возникает из чувств, а предполагается ими».

* * *

Казалось бы, для нужд науки подходов, данных Аристотелем, развитых Декартом и Ньютоном, вполне достаточно. Однако интерес к сути времени не угасает и в эпоху бурного развития науки. Реально ли время или существует лишь в нашем восприятии? Это свойство явлений или самостоятельная сущность? И является ли адекватным представление о математическом времени и пространстве, лежащее в основе классической физики?

Ответ на последний вопрос был получен в начале XX века и оказался отрицательным. Эксперименты с большими скоростями показали, что многие «априори ясные» понятия классической физики, такие как одновременность событий, причинно-следственные связи, инерция, гравитация, масса, энергия и другие, требуют существенного уточнения. Возникшая в результате этих следований неклассическая физика оперирует с единым пространством-временем, которое является динамичным, то есть изменяющимся в зависимости от точки зрения наблюдателя и реагирующим на присутствие массы и энергии. И никто не поручится за то, что эта концепция пространства-времени окончательна и никогда не изменится.

Новое понимание времени и пространства, возникшее в теории относительности, опирается на экспериментальный факт, состоящий в независимости скорости света от способа ее измерения. Постулат постоянства скорости света противоречит нашим обыденным представлениям о движении, точнее — о сложении скоростей. Действительно, если я стреляю из пистолета в вагоне скорого поезда, движущегося со скоростью 100 километров в час, в сторону тепловоза, то скорость пули относительно вагона на 100 километров в час меньше ее скорости относительно земли и на 200 километров в час меньше ее скорости относительно вагона встречного скорого поезда. Но если я стреляю из лазера внутри ракеты, то и относительно ракеты, и относительно Земли, и относительно встречной ракеты скорость светового лазерного импульса одна и та же… Это трудно принять, опираясь на повседневный опыт, но результаты экспериментов, а также простота и стройность уравнений электромагнитного поля, записанных для движущихся тел, убедили физиков в справедливости этого факта. Дополнив его достаточно очевидным постулатом относительности движения, суть которого в том, что невозможно определить скорость тела, не указав, относительно чего оно движется, А. Эйнштейн строит новую релятивистскую физику, в которой понятия пространства и времени претерпевают революционные изменения. В частности, из этих двух постулатов следует довольно странное поведение часов: абсолютно одинаковые и полностью исправные часы у двух космонавтов, летящих в ракетах друг мимо друга, будут идти с разной скоростью, причем каждый будет видеть, что часы его товарища отстают по сравнению с его часами. Причем это утверждение не связано ни с конструкцией, ни с точностью часов, а представляет собой внутреннее свойство самого времени. Другое странное свойство времени состоит в том, что события, произошедшие одновременно для неподвижных наблюдателей, будут разновременными для движущихся. Заметим, что релятивистские эффекты проявляются только для движений со скоростями, близкими к скорости света, поэтому в наших примерах рассматриваются ракеты, так как для поездов релятивистские эффекты хотя и существуют в принципе, но практически незаметны.

Еще одним загадочным свойством времени является то, что оно движется из прошлого в будущее. Это сильно беспокоило физиков, так как в их теориях — в механике, электродинамике, даже в квантовой физике — ничто не запрещало процессам течь во времени как в одну, так и в другую сторону. Например, пусть в точке А лежит биллиардный шар, и мы, ударив по нему, заставляем его двигаться со скоростью V в точку B, в которую он попадает через некоторое время, пройдя по траектории АB. Поместив шар в точку B и придав ему ту же скорость V, но направленную в сторону точки A, мы заставим его проследовать по траектории АB в обратную сторону — время как будто пошло вспять. Однако люди сначала рождаются, а потом умирают, и никто не видел обратных процессов.

Некоторые физики связывают такое поведение процессов во времени с самой структурой Вселенной — течение времени в ней направлено в одну сторону, так как Вселенная расширяется. Сама жизнь Вселенной несимметрична во времени — и это накладывает ограничения на все процессы, идущие в достаточно сложных системах, то есть состоящих из большого числа взаимодействующих частей . Так время, текущее в заданной точке, становится связанной с процессами, протекающими вокруг, и даже со всей Вселенной в целом…

* * *

Принято считать, что все концепции времени можно разделить на две большие группы. Первая — реляционные, к ним относятся теории, в которых время не существует само по себе, а является лишь системой отношений между наблюдаемыми событиями. То есть время — это свойство физических тел или явлений, отвечающих за их изменения. Другая группа концепций носит название субстанциональных, в которых время рассматривается как некоторая реальность, существующая наряду с веществом, пространством, гравитацией, электромагнетизмом и другими полями. Концепции времени Платона и Ньютона являются субстанциональными, в то время как Аристотеля, Декарта, Эйнштейна, скорее, можно отнести к сторонникам реляционной концепции. Какая из них верна, никто не знает. Остается надеяться, что будущее прольет свет на загадки сущности пространства и времени.

You have no rights to post comments