Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич
В посленьютоновскую эпоху физики неоднократно подчеркивали удивительную особенность законов природы: они никак не выделяют направление течения времени от прошлого к будущему.
Мы хорошо знакомы с этим обстоятельством на примере простейших механических задач. Так, например, пусть шарик катится по поверхности, ударяется о стенку под некоторым углом и, отскочив от нее, продолжает свое движение. Мы можем мысленно обратить направление течения времени и представить шарик, катящийся в обратном направлении, последовательно проходящий точки своей траектории в обратном порядке. Мы как бы засняли опыт на кинопленку и прокрутили ее в обратном направлении. При этом будут выполняться законы механики: закон отражения шарика от стенки (угол падения равен углу отражения). Законы механики одинаково хорошо описывают движение шарика и при обычном направлении времени, и когда мы мысленно обратили его вспять.
Чуть более сложный пример. Вот планета, вращающаяся вокруг Солнца по законам, открытым Кеплером. Если изменим направление течения времени (как говорят физики, изменим знак у времени, поменяем «плюс» на «минус»), то получим планету, движущуюся по той же орбите, но в обратном направлении. Законы Кеплера будут в точности выполняться.
Таким образом, законы физики Ньютона одинаково описывают и прямое и обратное движение, совсем их не различая. Они, эти законы, не определяют направление течения времени от прошлого к будущему. Такое свойство физики называют Т-симметрией или Т-инвариантностью. Этим свойством обладают не только законы Ньютона, но и законы электродинамики, и законы специальной и общей теории относительности.
Т-инвариантность позволяет одинаковым методом рассчитывать события и в направлении к будущему, и в направлении к прошлому. Так, например, по законам небесной механики можно рассчитать будущее движение, а значит, и будущие появления на нашем небе кометы Галлея; но с тем же успехом можно рассчитать и когда комета приближалась к Солнцу и Земле в далеком прошлом. Наблюдения подтверждают точность этих вычислений.
В XVIII и первой половине XIX века существовала уверенность, что все процессы в природе сводятся в конце концов к механическому движению и взаимодействию частиц, их притяжению и отталкиванию. В таком случае, зная законы, управляющие этими движениями, можно в принципе любое явление рассчитать и вперед по времени, и назад сколь угодно далеко.
И прошлое, и будущее Вселенной в равной степени могут быть точно вычислены. Они полностью определяются положением и скоростями всех частиц во Вселенной, заданными в какой-то момент, — так считал основоположник небесной механики, французский астроном и математик П. Лаплас (1749–1827). Он писал: «…мы должны рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие ее предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, которому были бы известны для какого-либо данного момента все силы, обусловливающие природу, и относительные положения всех ее составных частей, если бы вдобавок он оказался достаточно обширным, чтобы подчинить эти данные анализу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением легчайших атомов — не оставалось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же, как и прошлое, предстало бы перед его взором».
Справедливо заметил по поводу этого высказывания ленинградский физик А. Чернин: «Современный сторонник Лапласа мог бы, наверное, сказать, что будущее уже как бы снято на киноленту, которая — вся уже целиком готовая — просто разматывается перед нашим взором. Ее можно просматривать и вперед — к будущему, и назад — к прошлому».
Так что же получается — все законы природы не различают прошлое и будущее? Они позволяют с одинаковой свободой двигаться по времени в обоих направлениях — и к будущему, и к прошлому? Почему же время движется только в одном направлении? То, что это так, известно точно! Мы помним события прошлого. Даже отдаленные события в прошлом оставляют следы. Но мы совсем не помним будущее! Прошлое уже было, его изменить никак нельзя, а на будущее можно влиять. Мы знаем все это и из опыта науки, и из нашей повседневной жизни. Никакой симметрии в течении времени в природе нет, оно, как говорят физики, полностью анизотропно. Но в законах движения материи это никак не отражается!
Правда, здесь надо сделать одну небольшую, но существенную оговорку…
В 1964 году американские физики Дж. Кронин и В. Фитч обнаружили процесс, который не обладает Т-инвариантностью. Иными словами, процесс этот не безразличен к направлению течения времени. За свое открытие они шестнадцать лет спустя получили Нобелевскую премию.
Американские физики установили, что распад нестабильной частицы нейтрального К-мезона происходит таким образом, что он «чувствует» направление течения времени. Может, в этом все дело? Раз есть процессы, которые не Т-инвариантны, так, возможно, они и определяют направление бега времени, а заодно и его темп?
Но вряд ли сделанное американцами открытие решает загадку времени. Несимметричные во времени процессы совершенно определенного класса очень редко происходят с экзотическими частицами. Между тем мы знаем, что направленный бег времени проявляется везде и всегда, буквально во всем, что происходит во Вселенной. Невозможно (по крайней мере сегодня) представить, как редкие и экзотические процессы могут управлять этим всеобщим направленным временным потоком. Значит, не в этих редких процессах дело. Но тогда в чем же?
Физики, подчеркивая обратимость времени в элементарных процессах, давно уже установили, что время явно необратимо в процессах сложных, которые они так и называют — необратимыми. Это было понято еще в прошлом веке. Рассмотрим такой простой пример: в сосуд с водой мы добавляем каплю чернил. Капля быстро расплывается, и через некоторое время окрашивающее вещество расходится по всему сосуду. Такой опыт может наблюдать каждый. Но никто никогда не видел, чтобы процесс шел в обратном направлении — чтобы рассеянные по всему сосуду частички чернил собрались вместе в одну каплю. Почему же этого не происходит? Ведь законы, по которым движутся и взаимодействуют молекулы воды и чернил, Т-инвариантны! Если всем частичкам воды и чернил, рассеянных в сосуде, придать в некоторый момент точно противоположно направленные скорости и исключить при этом всякие внешние воздействия, то все события в сосуде повторятся вспять по времени и чернила соберутся в каплю. Значит, такая картина возможна!
Да, в принципе это возможно, но практически никогда не происходит. Все дело в том, что собирание чернил в каплю хотя и возможное, но крайне маловероятное событие. Прежде чем разобраться в этом, рассмотрим еще один опыт, который проделывают в школе на уроках физики.
Возьмем железный брусок, нагреем его, а затем поместим в сосуд с холодной водой. Брусок охладится, а вода в сосуде нагреется, их температура сравняется. Всегда процесс происходит именно так. Никогда не бывает, чтобы тепло от холодной воды переходило к горячему бруску и еще больше повышало его температуру.
А почему, собственно, это невозможно? Ведь переход тепла от холодного тела к горячему не нарушает закона сохранения энергии. Тепловая энергия, сохраняясь, переходит от одного тела к другому. Но всегда этот переход почему-то совершается только в одном направлении — от горячего к холодному.
Это еще один пример необратимого процесса, как и расплывания капли чернил. В этих примерах много общего. Действительно, мы знаем, что тепло — это хаотическое движение молекул. Поэтому, если у всех молекул и в воде, и в железном бруске в некоторый момент поменять скорости точно на противоположные и опять-таки исключить все внешние влияния, то процесс будет развиваться точно вспять по времени (ведь движения молекул описываются Т-инвариантными законами!). Значит, тепло потечет от холодного тела к горячему. Но так никогда не бывает в реальности!
Почему же во всех подобных процессах возникает необратимость, если они складываются из движений частиц, которые явно обратимы во времени? Где и как теряется эта обратимость?
