Пространство и время в космологии и термодинамике

Начало и конец времени, границы и безграничность пространства Вселенной — эти проблемы невозможно обойти в любых моделях космологии. Здесь в настолько тугой узел завязаны физические и мировоззренческие представления, что и исследователи, и общество не могут добиться ясного, спокойного, «неангажированного» взгляда на эти вопросы. Здесь — проблемное поле, современная область исследований, где происходит рождение новых смыслов привычных понятий. Особое внимание привлекает к себе болезненномировоззренческий вопрос о начале и конце времени Вселенной. Именно привязанность человеческой жизни к потоку времени, с этой точки зрения, является причиной неоправданно эмоциональной оценки людьми содержания различных космологических гипотез от Птолемея, Коперника, Бруно, Кеплера, Ньютона до Эйнштейна, Хокинга, Пенроуза и других. Здесь слишком тесно переплетены наука, мировоззрение, религия и философия. Не менее горячие мировоззренческие споры вызывают представления о пространстве и времени, развиваемые в современной термодинамике. Многие ведущие теоретики настойчиво призывают в процессе разговора о физических конструкциях мира и времени забыть привычное человеку чувство течения времени, ибо в этих конструкциях не идет речи ни о каком потоке или течении времени.

Классическая термодинамика впервые ввела в физику эволюцию, а вместе с ней и возможность другого взгляда на время. Это была, так сказать, негативная эволюция — эволюция, творимая разрушительными процессами, необратимыми процессами деградации. Второе начало термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса утверждает, что неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна. Понятие энтропии было введено в физику Клаузиусом в 1865 г. Впоследствии второе начало термодинамики было распространено на все системы, обменивающиеся энергией и веществом с внешним миром. При этом в процессе энтропии участвуют только необратимые процессы, такие как, например, теплопроводность или диффузия. Таким образом, второе начало термодинамики говорит о том, что необратимые процессы приводят к асимметрии времени, к выделенное™ одного из направлений временного порядка, к направленности временного порядка: второе начало связывает направленность времени с возрастанием энтропии. Причем, направленность времени, связываемая со вторым началом, является фундаментальной, а не локальной. Она не может быть включена в схему симметричного динамического описания, как это можно сделать, например, с направленным временем в случае сверхслабого взаимодействия: распада К-ноль мезона.

Второй закон термодинамики сразу же приобрел огромную популярность, какой в те времена (1850—1865) еще не знала физика. В 1852 г. У. Томсон выдвинул идею тепловой смерти Вселенной. К такому же выводу пришел и Р. Клаузиус. Во многих работах, посвященных второму началу термодинамики, как правило, яркими красками рисовалась картина тепловой смерти вселенной. Физики доступно и убедительно описывали переход механической энергии в тепловую, деградацию механической энергии, физическую эволюцию мира к тепловому равновесному состоянию, хаосу и смерти. С ростом энтропии стали связывать направленность времени, т. е. появилась термодинамическая «стрела времени».

Главная концептуальная новизна термодинамики заключалась в том, что она ввела в теоретический обиход понятие необратимости, которого мы не находим ни в классической, ни даже в квантовой физике на уровне их фундаментальных (основополагающих) законов. Появление необратимости в физической теоретической картине мира вошло в конфликт с классической механической динамикой, для которой необратимость была лишь иллюзией, за которой теоретическая физика должна увидеть фундаментальные обратимые законы.

Найти в конкретном процессе причину асимметрии времени, показать, что направление времени является производным понятием «непременного» происхождения, оказалось очень заманчивой перспективой для многих ученых. Начало этому направлению исследований практически положил Л. Больцман, который полагал, что он нашел ключ к пониманию «стрелы времени» и доказал, что асимметрия времени определяется возрастанием энтропии изолированной системы, эволюционирующей от менее вероятных состояний к более вероятным со все большим молекулярным беспорядком. Концепция Больцмана в науке была встречена критически и породила дискуссию, которая не умолкла и по сей день. В 1872 г. Больцман опубликовал Н-теорему, которая вместе с его же статистической интерпретацией второго начала термодинамики (т.е. закона о поведении энтропии в изолированных системах) была положена в основу теории необратимых процессов. Она породила острую дискуссию, связанную с ее принципиальной необратимостью, что не согласовывалось с обратимостью механики Ньютона — Гамильтона.

Настойчивые попытки согласовать термодинамическое описание природы с классической динамикой, связанные с осознанием роли необратимости, привело к формированию новой концепции времени. Эта концепция во многом связана с работами Брюссельской школы неравновесной термодинамики во главе с И. Р. Пригожиным. Исследование состояний, далеких от равновесия, показывает, что для диссипативных систем с необходимостью возникают нелинейные уравнения, а с ними естественным образом возникает необратимость процессов. Именно с необратимостью процессов связывают необратимость времени, которая, в свою очередь, оказывается тесно связанной с неустойчивостями в открытых системах.

Пригожин вводит два времени: динамическое и внутреннее. Динамическое время — эго время, позволяющее задать описание движения точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Внутреннее время — это время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией. Описание внутреннего времени сильно отличается от традиционного представления о времени как о прямой, идущей из далекого прошлого в далекое будущее. Настоящее в гаком представлении соответствует единственной точке, отделяющей прошлое от будущего. Настоящее возникает ниоткуда и исчезает в никуда. Стянутое в точку, оно бесконечно близко и прошлому, и будущему. «В нашем представлении, — пишет И. Р. Пригожин, — прошлое отделено от будущего интервалом, длина которого определяется характерным временем тау, и настоящее обретает продолжительность» [12, с. 238—239]. При этом происходит, по выражению Пригожина, овременивание пространства, поскольку его характеристики связаны с характерным временем тау.

Принятие второго начала термодинамики в качестве фундаментального динамического принципа приводит к далеко идущим последствиям в наших представлениях о пространстве, времени и динамике. Применение второго начала позволяет определить внутреннее время, которое дает возможность сформулировать нарушение симметрии, лежащее в основе второго начала. Важно, что внутреннее время существует только для неустойчивых динамических систем. Необратимость и неустойчивость тесно связаны между собой: «Необратимое, ориентированное время может появиться только потому, что будущее не содержится в настоящем… мы приходим к выводу, что нарушенная временная симметрия является существенным элементом нашего понимания природы» [10, с. 252].

С точки зрения нелинейной термодинамики открытые термодинамические системы существенным образом включают неравновесность, нелинейность и неопределенность в своем существовании и эволюции. Впоследствии это положение стало центральным в синергетике и ее обобщении утверждений нелинейной термодинамики применительно к любого рода открытым диссипативным системам, независимо от их содержания (природные, социальные, когнитивные). В связи с этим открылись новые теоретические перспективы в исследовании проблем пространства и времени.