Пространство и время. 
Принципы относительности. 
Необратимость времени

Федеральное агентство по образованию Мурманский государственный педагогический университет Контрольная работа по концепциям современного естествознания:

«Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени»

Выполнил студент 4 курса ЗФО:

Лагунов А.Н.

г. Мурманск, 2008 г.

План

1. Развитие представлений о пространстве и времени. Общие свойства пространства и времени

2. Необратимость времени, как проявление асимметрии

3. Гипотезы Н. А. Козырева о новых свойствах времени

4. N-мерность пространства и времени

5. Список литературы

1. Развитие представлений о пространстве и времени. Общие свойства пространства и времени

На протяжении почти всей истории естествознания и философии существовали 2 основные концепции П. и в. Одна из них идёт от древних атомистов — Демокрита, Эпикура, Лукреция, которые ввели понятие пустого пространства и рассматривали его как однородное (одинаковое во всех точках) и бесконечное (Эпикур полагал, что оно не изотропно, т. е. неодинаково по всем направлениям); понятие времени тогда было разработано крайне слабо и рассматривалось как субъективное ощущение действительности. В новое время в связи с разработкой основ динамики эту концепцию развил И. Ньютон, который очистил её от антропоморфизма. По Ньютону, П. и в. суть особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Пространство само по себе (абсолютное пространство) есть пустое «вместилище тел», абсолютно неподвижное, непрерывное, однородное и изотропное, проницаемое — не воздействующее на материю и не подвергающееся её воздействиям, бесконечное; оно обладает 3 измерениями. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяжённость тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определённые места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами.

Протяжённость, по Ньютону, если говорить о простейших частицах (атомах), есть начальное, первичное свойство, не требующее объяснения. Абсолютное пространство вследствие неразличимости своих частей неизмеримо и непознаваемо. Положения тел и расстояния между ними можно определять только по отношению к др. телам. Др. словами, наука и практика имеют дело только с относительным пространством. Время в концепции Ньютона само по себе есть нечто абсолютное и ни от чего не зависящее, чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, но могут и не заполнять; ход событий не влияет на течение времени. Время универсально, одномерно, непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково). От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное время. Измерение времени осуществляется с помощью часов, т. е. движений, которые являются периодическими. П. и в. в концепции Ньютона независимы друг от друга. Независимость П. и в. проявляется прежде всего в том, что расстояние между 2 данными точками пространства и промежуток времени между 2 событиями сохраняют свои значения независимо друг от друга в любой системе отсчёта, а отношения этих величин (скорости тел) могут быть любыми.

Ньютон подверг критике идею Р. Декарта о заполненном мировом пространстве, т. е. о тождестве протяжённой материи и пространства.

Концепция П. и в., разработанная Ньютоном, была господствующей в естествознании на протяжении 17—19 вв., т.к. она соответствовала науке того времени — евклидовой геометрии, классической механике и классической теории тяготения. Законы ньютоновой механики справедливы только в инерциальных системах отсчёта. Эта выделенность инерциальных систем объяснялась тем, что они движутся поступательно, равномерно и прямолинейно именно по отношению к абсолютному П. и в. и наилучшим образом соответствуют последним.

Согласно ньютоновой теории тяготения, действия от одних частиц вещества к Другим передаются мгновенно через разделяющее их пустое пространство. Ньютонова концепция П. и в., т. о., соответствовала всей физической картине мира той эпохи, в частности представлению о материи как изначально протяжённой и по природе своей неизменной. Существенным противоречием концепции Ньютона было то, что абсолютное П. и в. оставались в ней непознаваемыми путём опыта. Согласно принципу относительности классической механики, все инерциальные системы отсчёта равноправны и невозможно отличить, движется ли система по отношению к абсолютному П. и в. или покоится. Это противоречие служило доводом для сторонников противоположной концепции П. и в., исходные положения которой восходят ещё к Аристотелю; это представление о П. и в. было разработано Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Особенность лейбницевой концепции П. и в. состоит в том, что в ней отвергается представление о П. и в. как о самостоятельных началах бытия, существующих наряду с материей и независимо от неё. По Лейбницу, пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, существующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. При этом Лейбниц в дальнейшем включал в понятие порядка также и понятие относительной величины. Представление о протяжённости отдельного тела, рассматриваемого безотносительно к другим, по концепции Лейбница, не имеет смысла. Пространство есть отношение («порядок»), применимое лишь ко многим телам, к «ряду» тел. Можно говорить только об относительном размере данного тела в сравнении с размерами других тел. То же можно сказать и о длительности: понятие длительности применимо к отдельному явлению постольку, поскольку оно рассматривается как звено в единой цепи событий. Протяжённость любого объекта, по Лейбницу, не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния; что же касается самой природы времени как порядка сменяющихся явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь. Логически концепция Лейбница связана со всей его философской системой в целом.

Однако лейбницева концепция П. и в. не играла существенной роли в естествознании 17—19 вв., т.к. она не могла дать ответа на вопросы, поставленные наукой той эпохи. Прежде всего, воззрения Лейбница на пространство казались противоречащими существованию вакуума (только после открытия физического поля в 19 в. проблема вакуума предстала в новом свете); кроме того, они явно противоречили всеобщему убеждению в единственности и универсальности евклидовой геометрии; наконец, концепция Лейбница представлялась непримиримой с классической механикой, поскольку казалось, что признание чистой относительности движения не даёт объяснения преимущественной роли инерциальных систем отсчёта. Т. о., современное Лейбницу естествознание оказалось в противоречии с его концепцией П. и в., которая строилась на гораздо более широкой философской основе. Только два века спустя началось накопление научных фактов, показавших ограниченность господствовавших в то время представлений о П. и в.

Понятия пространства и времени в философии и естествознании 18—19 вв. Философы-материалисты 18—19 вв. решали проблему П. и в. в основном в духе концепции Ньютона или Лейбница, хотя, как правило, полностью не принимали какую-либо из них. Большинство философов-материалистов выступало против ньютоновского пустого пространства. Ещё Дж. Толанд указывал, что представление о пустоте связано со взглядом на материю как на инертную, бездеятельную. Таких же воззрений придерживался и Д. Дидро. Ближе к концепции Лейбница стоял Г. Гегель. В концепциях субъективных идеалистов и агностиков проблемы П. и в. сводились главным образом к вопросу об отношении П. и в. к сознанию, восприятию. Дж. Беркли отвергал ньютоновское абсолютное П. и в., но рассматривал пространственные и временные отношения субъективно, как порядок восприятий; у него не было и речи об объективных геометрических и механических законах. Поэтому берклианская точка зрения не сыграла существенной роли в развитии научных представлений о П. и в. Иначе обстояло дело с воззрениями И. Канта, который сначала примыкал к концепции Лейбница. Противоречие этих представлений и естественнонаучных взглядов того времени привело Канта к принятию ньютоновой концепции и к стремлению философски обосновать её. Главным здесь было объявление П. и в. априорными формами человеческого созерцания, т. е. обоснование их абсолютизации. Взгляды Канта на П. и в. нашли немало сторонников в конце 18 — 1-й половине 19 вв. Их несостоятельность была доказана лишь после создания и принятия неевклидовой геометрии, которая по существу противоречила ньютоновому пониманию пространства. Отвергнув его, Н. И. Лобачевский и Б. Риман утверждали, что геометрические свойства пространства, будучи наиболее общими физическими свойствами, определяются общей природой сил, формирующих тела.

Воззрения диалектического материализма на П. и в. были сформулированы Ф. Энгельсом. По Энгельсу, находиться в пространстве — значит быть в форме расположения одного возле другого, существовать во времени — значит быть в форме последовательности одного после другого. Энгельс подчёркивал, что «…обе эти формы существования материи без материи суть ничто, пустые представления, абстракции, существующие только в нашей голове» (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 20, с. 550).

Кризис механистического естествознания на рубеже 19—20 вв. привёл к возрождению на новой основе субъективистских взглядов на П. и в. Критикуя концепцию Ньютона и правильно подмечая её слабые стороны, Э. Мах снова развил взгляд на П. и в. как на «порядок восприятий», подчёркивая опытное происхождение аксиом геометрии. Но опыт понимался Махом субъективистски, поэтому и геометрия Евклида, и геометрии Лобачевского и Римана рассматривались им как различные способы описания одних и тех же пространственных соотношений. Критика субъективистских взглядов Маха на П. и в. была дана В. И. Лениным в книга «Материализм и эмпириокритицизм».

Развитие представлений о пространстве и времени в 20 в. В конце 19 — начале 20 вв. произошло глубокое изменение научных представлений о материи и, соответственно, радикальное изменение понятий П. и в. В физическую картину мира вошла концепция поля, как формы материальной связи между частицами вещества и как особой формы материи. Все тела представляют собой системы заряженных частиц, связанных полем, передающим действия от одних частиц к другим с конечной скоростью — скоростью света. Полагали, что поле — это состояние эфира, абсолютно неподвижной среды, заполняющей мировое абсолютное пространство. Позже было установлено (Х. Лоренц и др.), что при движении тел с очень большими скоростями, близкими к скорости света, происходит изменение поля, приводящее к изменению пространственных и временных свойств тел; при этом Лоренц считал, что длина тел в направлении их движения сокращается, а ритм происходящих в них физических процессов замедляется, причём пространственные и временные величины изменяются согласованно.

Вначале казалось, что таким путём можно будет определить абсолютную скорость тела по отношению к эфиру, а следовательно, по отношению к абсолютному пространству. Однако вся совокупность опытов опровергла этот взгляд. Было установлено, что в любой инерциальной системе отсчёта все физические законы, включая законы электромагнитных (и вообще полевых) взаимодействий, одинаковы. Специальная теория относительности А. Эйнштейна, основанная на двух фундаментальных положениях — о предельности скорости света и равноправности инерциальных систем отсчёта, явилась новой физической теорией П. и в. Из неё следует, что пространственные и временные отношения — длина тела (вообще расстояние между двумя материальными точками) и длительность (а также ритм) происходящих в нём процессов — являются не абсолютными величинами, как утверждала ньютонова механика, а относительными. Частица (например, нуклон) может проявлять себя по отношению к медленно движущейся относительно неё частице как сферическая, а по отношению к налетающей на неё с очень большой скоростью частице — как сплющенный в направлении движения диск. Соответственно, время жизни медленно движущегося заряженного p-мезона составляет ~ 10^-8 сек, а быстро движущегося (с околосветовой скоростью) — во много раз больше. Относительность пространственно-временных характеристик тел полностью подтверждена опытом. Отсюда следует, что представления об абсолютном П. и в. несостоятельны. П. и в. являются именно общими формами координации материальных явлений, а не самостоятельно существующими (независимо от материи) началами бытия. Теория относительности исключает представление о пустых П. и в., имеющих собственные размеры. Представление о пустом пространстве было отвергнуто в дальнейшем и в квантовой теории поля с его новым понятием вакуума. Дальнейшее развитие теории относительности показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс. При переходе к космическим масштабам геометрия П.-в. не является евклидовой (или «плоской», т. е. не зависящей от размеров области П.-в.), а изменяется от одной области космоса к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движения. В масштабах метагалактики геометрия пространства изменяется со временем вследствие расширения метагалактики. Т. о., развитие физики и астрономии доказало несостоятельность как априоризма Канта, т. е. понимания П. и в. как априорных форм человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и ньютоновой догматической концепции П. и в.

Связь П. и в. с материей выражается не только в зависимости законов П. и в. от общих закономерностей, определяющих взаимодействия материальных объектов. Она проявляется и в наличии характерного ритма существования материальных объектов и процессов — типичных для каждого класса объектов средних времён жизни и средних пространственных размеров.

Из изложенного следует, что П. и в. присущи весьма общие физические закономерности, относящиеся ко всем объектам и процессам. Это касается и проблем, связанных с топологическими свойствами П. и в. Проблема границы (соприкосновения) отдельных объектов и процессов непосредственно связана с поднимавшимся ещё в древности вопросом о конечной или бесконечной делимости П. и в., их дискретности или непрерывности. В античной философии этот вопрос решался чисто умозрительно. Высказывались, например, предположения о существовании «атомов» времени (Зенон). В науке 17—19 вв. идея атомизма П. и в. потеряла какое-либо значение. Ньютон считал, что П. и в. реально разделены до бесконечности. Этот вывод следовал из его концепции пустых П. и в., наименьшими элементами которых являются геометрическая точка и момент времени («мгновения» в буквально смысле слова). Лейбниц полагал, что хотя П. и в. делимы неограниченно, но реально не разделены на точки — в природе нет объектов и явлений, лишённых размера и длительности. Из представления о неограниченной делимости П. и в. следует, что и границы тел и явлений абсолютны. Представление о непрерывности П. и в. более укрепилось в 19 в. с открытием поля; в классическом понимании поле есть абсолютно непрерывный объект.

Проблема реальной делимости П. и в. была поставлена только в 20 в. в связи с открытием в квантовой механике неопределённостей соотношения, согласно которому для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено. Более того, современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. В действительности не существует реальных физических условий, при которых можно было бы измерить точное значение напряжённостей поля в каждой точке. Т. о., в современной физике установлено, что невозможна не только реальная разделённость П. и в. на точки, но принципиально невозможно осуществить процесс их реального бесконечного разделения. Следовательно, геометрическое понятия точки, кривой, поверхности являются абстракциями, отражающими пространственные свойства материальных объектов лишь приближённо. В действительности объекты отделены друг от друга не абсолютно, а лишь относительно. То же справедливо и по отношению к моментам времени. Именно такой взгляд на «точечность» событий вытекает из т. н. теории нелокального поля. Одновременно с идеей нелокальности взаимодействия разрабатывается гипотеза о квантовании П. и в., то есть, о существовании наименьших длины и длительности. Сначала предполагали, что «квант» длины — 10^-13 см (порядка классического радиуса электрона или порядка «длины» сильного взаимодействия). Однако с помощью современных ускорителей заряженных частиц исследуются явления, связанные с длинами 10^-14—10^-15 см; поэтому значения кванта длины стали отодвигать ко всё меньшим значениям (10^-17, «длина» слабого взаимодействия, и даже 10 ^-33 см).

Решение вопроса о квантовании П. и в. тесно связано с проблемами структуры элементарных частиц. Появились исследования, в которых вообще отрицается применимость к субмикроскопическому миру понятий П. и в. Однако понятия П. и в. не должны сводиться ни к метрическим, ни к топологическим отношениям известных типов.

Тесная взаимосвязь пространственно-временных свойств и природы взаимодействия объектов обнаруживается также и при анализе симметрии П. и в. Ещё в 1918 (Э. Нётер) было доказано, что однородности пространства соответствует закон сохранения импульса, однородности времени — закон сохранения энергии, изотропности пространства — закон сохранения момента количества движения. Т. о., типы симметрии П. и в. как общих форм координации объектов и процессов взаимосвязаны с важнейшими сохранения законами. Симметрия пространства при зеркальном отражении оказалась связанной с существенной характеристикой микрочастиц — с их чётностью.

Одной из важных проблем П. и в. является вопрос о направленности течения времени. В ньютоновой концепции это свойство времени считалось само собой разумеющимся и не нуждающимся в обосновании. У Лейбница необратимость течения времени связывалась с однозначной направленностью цепей причин и следствий. Современная физика конкретизировала и развила это обоснование, связав его с современным пониманием причинности. По-видимому, направленность времени связана с такой интегральной характеристикой материальных процессов, как развитие, являющееся принципиально необратимым.

К проблемам П. и в., также обсуждавшимся ещё в древности, относится и вопрос о числе измерений П. и в. В ньютоновой концепции это число считалось изначальным. Однако ещё Аристотель обосновывал трехмерность пространства числом возможных сечений (делений) тела. Интерес к этой проблеме возрос в 20 в. с развитием топологии. Л. Брауэр установил, что размерность пространства есть топологический инвариант — число, не изменяющееся при непрерывных и взаимно однозначных преобразованиях пространства. В ряде исследований была показана связь между числом измерений пространства и структурой электромагнитного поля (Г. Вейль), между трехмерностью пространства и спиральностью элементарных частиц. Всё это показало, что число измерений П. и в. неразрывно связано с материальной структурой окружающего нас мира.

Основные понятия:

Пространственными характеристиками являются положения относительно др. тел (координаты тел), расстояния между ними, углы между различными пространственными направлениями (отдельные объекты характеризуются протяжённостью и формой, которые определяются расстояниями между частями объекта и их ориентацией). Временные характеристики — «моменты», в которые происходят явления, продолжительности (длительности) процессов. Отношения между этими пространственными и временными величинами называются метрическими. Существуют также и топологические характеристики П. и в. — «соприкосновение» различных объектов, число направлений. С чисто пространственными отношениями имеют дело лишь в том случае, когда можно отвлечься от свойств и движения тел и их частей: с чисто временными — в случае, когда можно отвлечься от многообразия сосуществующих объектов.

Однако в реальной действительности пространственные и временные отношения связаны друг с другом. Их непосредственное единство выступает в движении материи; простейшая форма движения — перемещение — характеризуется величинами, которые представляют собой различные отношения П. и в. (скорость, ускорение) и изучаются кинематикой. Современная физика обнаружила более глубокое единство П. и в., выражающееся в совместном закономерном изменении пространственно-временных характеристик систем в зависимости от движения последних, а также в зависимости этих характеристик от концентрации масс в окружающей среде.

Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.

По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются научные представления о П. и в. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей П. и в. можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.

Понятия П. и в. являются необходимой составной частью картины мира в целом, поэтому входят в предмет философии. Учение о П. и в. углубляется и развивается вместе с развитием естествознания и прежде всего физики. Из остальных наук о природе значительную роль в прогрессе учения о П. и в. сыграла астрономия и в особенности космология.

Развитие физики, геометрии и астрономии в 20 в. подтвердило правильность положений диалектического материализма о П. и в. В свою очередь диалектико-материалистическая концепция П. и в. позволяет дать правильную интерпретацию современной физической теории П. и в., вскрыть неудовлетворительность как субъективистского ее понимания, так и попыток «развить» её, отрывая П. и в. от материи.

Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных П. и в. таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).

2. Необратимость времени, как проявление асимметрии

Наибольший интерес исследователей в последние три десятилетия привлекает проблема направленности и необратимости (однонаправленности) времени, поскольку именно это свойство качественно отличает время от пространственных координат.

Необходимость исследования оснований однонаправленности времени следует из того, что все локальные (микроскопические) физические законы, известные на данный момент, симметричны по отношению к обращению времени. Однако на макроскопическом уровне наблюдается явная временная асимметрия всех явлений. Здесь необходимо заметить, что «жесткая» связь между существованием необратимых процессов и необратимостью времени не вполне корректна. Современная теоретическая физика, основанная на симметричных по времени уравнениях, дает множество модельных процессов, необратимое поведение которых сохраняется и при обращении времени. Так стационарная генерация второй гармоники волны, распространяющейся в среде с квадратичной нелинейностью, независимо от направления времени идет в сторону полного преобразования первой гармоники во вторую. Обратный же процесс распада второй гармоники не идет ни при каком направлении времени. Поскольку единственной причиной подобного поведения является нелинейность системы, можно было бы считать, что нелинейность возникает за счет необратимости времени, однако для возникновения нелинейности существует множество значительно менее экзотических причин, и приходится признать, что по крайней мере некоторые процессы могут быть необратимыми «сами по себе». Указанное обстоятельство не устраняет необходимости анализа оснований однонаправленности времени, поскольку необратимое поведение наблюдается и у систем, поведение которых достаточно хорошо описывается линейными уравнениями, и в этом случае о необратимости самих систем говорить не приходится. В современной литературе рассматриваются два возможных основания необратимости времени: номологическое и фактическое. В первом из них для обоснования однонаправленности времени считается необходимым физическое отличие его противоположных направлений. Причем это физическое отличие должно проявляться в асимметрии физических законов по отношению к обращению времени. Во втором из них однонаправленность наблюдаемых явлений (и, следовательно, однонаправленность времени) является следствием фактических условий протекания процессов. Физические законы в этом случае симметричны относительно обращения времени.

Позиция сторонников фактического основания необратимости времени достаточно полно сформулирована в /5/ следующим образом: «Из того, что законы физики не запрещают процессов, обратных данным, очевидно, логически не следует, что процессы эти фактически протекают. Последнее, видимо, зависит от определенных господствующих в мире или его части условий протекания процессов… Следовательно, время (номологически обратимое) является фактически обратимым тогда, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых все процессы являются фактически обратимыми… Напротив, время (номологически обратимое) является фактически необратимым, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых по меньшей мере некоторые процессы, то есть процессы определенного типа, являются необратимыми». Таким образом, при этом подходе вместо требования асимметрии физических законов появляется требование несимметричности начальных и граничных условий. Основная же трудность этого подхода заключается в необходимости объяснить, почему эти условия асимметричны для всех известных нам классов необратимых процессов. Весьма вероятно, что поиск источника несимметричности фактических условий протекания всех классов необратимых процессов в конечном счете сведется к существованию некоторых несимметричных по времени физических законов, которые обуславливают асимметрию фактических условий протекания процессов и физическое отличие противоположных направлений времени, то есть к номологическому обоснованию направления времени. Любая же попытка номологического обоснования однонаправленности времени должна в первую очередь отталкиваться от критического анализа понятия времени в философии и физике. В зависимости от принятой концепции, постановка вопроса о необратимости времени должна приобретать специфические черты, отражающие специфику выбранной модели времени. Очевидно, что возможные решения проблемы однонаправленности времени также должны отражать специфические черты принятой концепции. Поскольку в современной литературе отсутствует анализ специфических черт проявления однонаправленности времени в различных его концепциях, попытаемся сформулировать постановку проблемы необратимости времени и возможные ее решения, возникающие в рамках субстанциальной и реляционной концепций. В рамках реляционной концепции, утверждающей, что время — система отношений между физическими событиями, постановка вопроса о необратимости самого времени является бессмысленной. Понятие необратимости времени в этой концепции связывается с существованием в окружающем мире необратимых изменений.

Hаправление времени определяется направлением протекания необратимых процессов. Основной трудностью этого определения направления времени является то, что существует по крайней мере три класса необратимых процессов: электромагнитные, термодинамические и космологические, а в работе Р. Пенроуза /6/ рассмотрены семь несводимых на данном этапе друг к другу «стрел времени». Результатом связи направления времени с каким-либо одним типом необратимых процессов являются многочисленные утверждения о возможном обращении времени. Однако, в силу отсутствия известной нам связи между классами необратимых процессов, из обращения одного из них не следует обращение остальных и, следовательно, обращение времени. Единственным путем преодоления указанной трудности является поиск связей между различными классами необратимых процессов и, в конечном счете — некоторого материального фактора (назовем его, к примеру тау-поле), который, принимая участие во всех или по крайней мере в некоторых необратимых явлениях, обуславливал бы их необратимость. Поведение же самого тау-поля, очевидно, должно описываться асимметричными по времени уравнениями. Из всего вышесказанного отнюдь не следует, что тау-поле обязательно должно являться какой-то новой формой материи. Вполне возможно, что роль тау-поля может играть какое-либо из уже известных полей, при условии, что именно это поле обуславливает необратимость наблюдаемых явлений.

В рамках субстанциальной концепции постановка вопроса о необратимости самого времени становится вполне корректной. Поэтому в рамках этой концепции принципиально возможны два пути обоснования однонаправленности времени. Первый путь аналогичен решению этого вопроса в реляционной концепции и не затрагивает определения времени. Второй же путь заключается в развитии субстанциальной концепции. Не затрагивая основы концепции, считающей время особого рода субстанцией, определяющей длительность всех явлений и упорядочивающей события, можно дополнить определение времени, постулируя наличие у него других свойств, проявление которых заключается в том, что время, «само по себе» необратимое, обуславливает необратимость всех или по крайней мере некоторых наблюдаемых явлений. То есть процессы происходят не только во времени, но и с участием времени /7/. Предположение о наличии у времени физических свойств, помимо длительности и упорядоченности, в рамках субстанциальной концепции является вполне естественным, хотя и несколько непривычным. Однако никто уже не считает странным, что, например, элементарные частицы могут обладать массой, зарядом, спином, магнитным моментом и т. д., являясь в то же время вполне определенными объектами.

Таким образом, существует два пути обоснования однонаправленности времени. Первый — поиск материального фактора, обуславливающего необратимость по крайней мере некоторых классов необратимых процессов; второй — предположение о том, что необратимость — это свойство самого времени и что само время обуславливает необратимость по крайней мере некоторых классов процессов. Рассмотренная специфика проявления однонаправленности времени не накладывает никаких ограничений на то, каким образом формируется необратимое поведение реальных систем. Однако ввиду объективности времени должны существовать некоторые, общие для всех концепций, основания его необратимости. Анализ этих оснований позволяет установить, что может быть источником необратимости процессов.

К общим основаниям необратимости времени следует, видимо, отнести асимметрию причинно-следственных (ПС) отношений, поскольку именно эта асимметрия в явном или неявном виде используется как независимый постулат в качестве критерия правильного временного порядка. Именно на основании принципа причинности, например, отбрасываются решения волновых уравнений в виде опережающих потенциалов. Однако, несмотря на то, что в философских исследованиях, за редкими исключениями, асимметрию ПС отношений однозначно связывают с направленностью и необратимостью времени, в существующих физических теориях ПС отношения симметричны, что и выражается симметрией локальных физических законов относительно обращения времени. Сам же принцип причинности используется только для упорядочивания во времени причинно связанных событий.

Тождественность причинного порядка явлений временному порядку стимулировала попытки свести временной порядок к причинному (так называемая «причинная теория времени» /2/). Неудача этих попыток, достаточно полно обоснованная в /8,9/, вполне понятна. Действительно, во-первых, в субстанциальной концепции времени временной порядок является первичным и вводится в качестве независимого постулата. Любая попытка свести временной порядок к причинному в рамках этой концепции должна в первую очередь основываться на ее модификации. В рамках реляционной концепции для установления временного порядка достаточно не существование, а принципиальная возможность причинной связи, то есть временной порядок опять-таки первичен. Во-вторых, если принимать современную трактовку принципа причинности в физике /10/, содержащую два утверждения: 1) материальное воздействие причины на следствие; 2) предшествование причины следствию, то становится очевидным, что для определения причинного порядка необходимо существование временного порядка, поскольку ничем другим, как порядком во времени, причина и следствие в этой трактовке принципа причинности не отличаются. Таким образом, о причинной теории времени можно было бы говорить, если определить количественное и качественное отличие причины от следствия, не зависящее от их временного порядка, и уже на основании этих отличий устанавливать временной порядок.

В современной литературе можно выделить две точки зрения на возможные пути номологического обоснования однонаправленности времени:1. «…для обоснования такого фундаментального определения, как направление времени, недостаточно одних только фактуальных утверждений и эмпирических данных, сколь бы достоверны и убедительны они ни были. Для этого необходимо номологическое обоснование направления времени, специальный закон, устанавливающий необратимость по крайней мере определенной группы физических процессов. По-видимому, это должен быть достаточно строгий принцип запрета, который исключал бы протекание физических процессов в обратном направлении. (…)…имеющиеся данные свидетельствуют о том, что необратимость физических процессов не является только эмпирически наблюдаемой и, видимо, скорее всего есть проявление и действие какого-то единого и всеобщего закона. Очевидно, однако, что такого рода принцип запрета нельзя ниоткуда вывести, а можно только постулировать.» /1/.Соглашаясь с тем, что необратимость наблюдаемых явлений, скорее всего, есть проявление какого-то всеобщего закона, следует заметить, что никакой принцип запрета, не подкрепленный физической теорией, в которой этот принцип появлялся бы естественным образом (как следствие принятых постулатов) в виде отсутствия решений, обращенных во времени, не может быть достаточным для обоснования необратимости времени.

Наиболее ярким современным примером подобной недостаточности, пожалуй, является появление в СТО объектов, распространяющихся со сверхсветовыми скоростями. Несмотря на то, что один из основных постулатов СТО в ее первоначальной формулировке запрещал существование объектов, со скоростями больше скорости света, развитие теории показало, что в математическом формализме СТО сверхсветовые объекты возникают естественным образом, то есть сами уравнения не запрещают их существование. Обоснование же предельности скорости света в рамках СТО, как отмечено в /1/, содержит логический круг и не может считаться корректным. Пожалуй, более конструктивным обоснованием необратимости времени в этом направлении является предложение Р. Пенроуза /6/, который утверждает, что «…остается единственное („очевидное“) объяснение (обратимости локальных законов и необратимости наблюдаемых явлений. — В.М.): не все точные законы физики симметричны во времени!» 2. «…сама множественность этих обоснований (множество различных „стрел времени“. -В.М.) свидетельствует о необходимости обращения рассуждений. Видимо, не однонаправленность времени вытекает из явлений трех рассмотренных типов (необратимые термодинамические и электромагнитные процессы, расширение Вселенной), а, наоборот, наблюдаемая в опыте асимметрия процессов обусловлена единым источником — однонаправленностью времени» /11/.Первая точка зрения может относиться как к реляционной, так и к субстанциальной концепции, и по сути эквивалентна поиску материального фактора, обуславливающего необратимость процессов. Вторая точка зрения может относиться только к субстанциальной концепции, поскольку только в этой концепции время, в принципе, может обладать какими-то свойствами, помимо метрических. Обе приведенные точки зрения объединяет одна общая черта: эти подходы не используют отмеченное выше и являющееся на данном этапе общепринятым, основание несимметричности процессов — временную асимметрию ПС отношений. По-видимому, наиболее естественным (и, видимо, наиболее фундаментальным) путем обоснования однонаправленности времени является та или иная попытка дополнения принципа причинности возможностью количественного или качественного отличия причины от следствия, и построение физической теории, использующей в качестве постулата это реальное «физическое» отличие причины от следствия в элементарных процессах. Вопрос же о том, чем обусловлена постулируемая асимметричность ПС связи: влиянием некоторого материального фактора (тау-поле) или же свойствами самого времени, на сегодняшний день, по-видимому, можно отнести к вопросам терминологии. Согласно принципу двойственности познания окружающей действительности /12/, всегда возможно построение двух типов теорий — одни из них основываются на определенном комплексе свойств пространства и времени и непрерывном умножении свойств материи; другие — на определенном комплексе свойств материи и непрерывном умножении свойств пространства и времени. Причем, теории обоих типов, в принципе, могут одинаково хорошо описывать наблюдаемые явления, и каждая из этих теорий может содержать какие-либо внутренние противоречия, стимулирующие их дальнейшее развитие.

3. Гипотезы Н.А.Козырева о новых свойствах времени

В своих рассуждениях Козырев исходил из основной идеи о том, что время — это не просто «чистая длительность», так сказать, расстояние от одного события до другого, а нечто материальное, имеющее не только «длину», но и определенную плотность.

С первого взгляда с этим трудно согласиться, однако более пристальное рассмотрение показывает, что в этой парадоксальной идее есть смысл.

Действительно, эксперимент и квантовая теория доказали, что если бы окружающее нас пространство можно было рассмотреть в сверхсильный микроскоп, увеличивающий в триллионы триллионов раз, то мы увидели бы его заполненным «смогом» рождающихся и тут же исчезающих частиц. Другими словами, вакуум — это не чистая бестелесная протяженность, как можно было бы подумать, рассматривая пустую откачанную от газов колбу, а особое состояние материи. Но если это так, то похожими свойствами «особой субстанции» должно обладать и время, ведь теория относительности говорит, что пространство и время словно две проекции единого целого — расстояния в четырехмерном пространстве. Правда, такое пространство — специфическое, не окружающее нас трехмерное, но это уже детали. Важно, что если одна проекция обладает материальными свойствами, то, можно думать, они есть и у другой.

Впрочем, мысли о материальности времени высказывались задолго до квантовой механики и теории относительности. Еще в древнейших философиях упоминалось о двух сущностях, составляющих основу нашего мира, — аморфной вещественной, образующей тела, и бестелесной, невидимой и неощутимой, порождающей движение, переход от одного состояния к другому. На современном языке первую мы называем материей, вторую — временем.

Однако, в большинстве философских и физических теории время всегда рассматривается как нечто совершенно не материальное, не имеющее никаких свойств, кроме «чисто геометрических» , — измеряемой часами скорости (ритма) и кривизны, проявляющейся как гравитация.

С точки зрения Козырева, метафора «река времени» имеет прямой смысл. В его теории время, подобно водяному потоку, обладает плотностью и, возможно, имеет какие-то другие свойства, которые еще только предстоит нам открыть. Омывая материальные тела, река времени оказывает на них силовое воздействие. Встреться ей на пути соответствующим образом устроенное «мельничное колесо», и поток времени приведет его в движение.

Образно говоря, время ведет себя не как бесстрастный хронометрист-наблюдатель, а как активный участник происходящих событий. Оно ускоряет их или замедляет.

Можно сказать, что у времени два типа свойств: пассивные, связанные с геометрией нашего мира (ох изучает теория относительности), и активные, зависящие от его внутреннего «устройства». Вот они-то и являются предметом теории Козырева.

Плотность времени характеризует степень его активности. Она показывает, насколько сильно «временная субстанция» воздействует на происходящие в том или ином месте процессы. И подобно тому, как водяная струя изменяется при столкновении с камнем, плотность времени тоже меняется в процессах его взаимодействия с веществом.

В некоторых случаях, например при столкновении упругих шаров, которое происходит почти без потери энергии, процесс может идти как в прямом, так и в обратном направлении. Никаких существенных, качественных изменений тут не происходит, изменяется лишь кинематика. Можно считать, что плотность времени при этом тоже остается неизменной.

Иное дело — необратимые процессы, скажем, торможение тела силами трения или испарение жидкости. Точно провести их в обратном направлении, след в след повторяя все их промежуточные этапы, невозможно. По мысли Козырева, тут происходит изменение плотности времени. Если она увеличивается, это эквивалентно испусканию временной субстанции, то есть творению времени. Если же его плотность снизилась и процессы стали протекать менее энергично, значит, произошло поглощение времени.

Вселенная в теории Козырева оказывается похожей на бескрайнее океан-море, в каких-то местах которого бьют большие и малые ключи, извергающие потоки времени, в других открыты канализационные стоки, втягивающие время. Там оно становится небытием.

Поскольку поток времени активно взаимодействует с веществом, следует ожидать, что на нем останутся отпечатки свойств и структуры тел, с которыми он «сталкивался». Унося с собой часть информации, время разупорядочивает тела, нарушает их внутреннюю организацию.

Козырев считает, что любой процесс, связанный с потерей информации и увеличением хаоса, обязательно испускает поток испещренного информацией времени. В свою очередь, поглощаясь в окружающих телах, он увеличит количество содержащейся в них информации и тем самым несколько упорядочит их структуру.

Получается, любой деструктивный процесс связан с испусканием времени, а всякое упорядочение сопровождается его поглощением. Например, таяние снега, испарение жидкости или растворение сахара в воде являются источниками времени. Тогда в веществах, расположенных по соседству с ними и поглощающих часть испущенного ими временного потока, должны устраняться дефекты кристаллических решеток, а у живых организмов должны восстанавливаться поврежденные генные структуры. Вблизи неравновесных процессов будет изменяться электрическое сопротивление материалов, которое сильно зависит от упорядоченности их структуры, там должны изменяться также теплоемкость, магнитные свойства и многое другое.

Как воды точат камни, текущая сквозь Вселенную река времени ежечасно и ежеминутно влияет на происходящие в ней события, перераспределяет содержащиеся в ней энергию и информацию. На нашей, планете каждую весну рождаются бурные потоки времени, и живая природа, поглощая их, обновляется. Осенью же увядающие поля и леса всеми порами источают время, а кристаллизация жидкости в снег и лед интенсивно поглощает его.

Конечно, все это лишь гипотезы, которые должны быть проверены опытом. Однако чтобы не прерывать логической линии в изложении теории, отложим пока разговор об экспериментах и рассмотрим подробнее, что определяет направление времени и как работают его источники.

Река времени течет из прошлого в будущее. Но чем различаются эти два ее конца? Что определяет направление «стрелы времени» ?

Хотя однозначного ответа на эти вопросы, который удовлетворил бы и специалистов-физиков, и профессионалов-философов, пока еще нет, большинство ученых склоняются к мысли, что дело тут — в неисчислимом количестве каналов, которыми всякий предмет и каждое явление связаны с окружением. Даже те из них, которые выглядят полностью изолированными, на самом деле непрерывно испускают и поглощают кванты различных полей, взаимодействуют с вакуумным «смогом». Можно без преувеличения сказать, что всякое явление в нашем мире прямо или косвенно связано со всеми другими. Это приводит к тому, что энергия и информация в процессах взаимодействия «растекаются» по многочисленным ручейкам-каналам и собрать их обратно просто невозможно. Сделать это можно лишь приближенно, сохранив самые широкие потоки и отсекая все остальное. Точнее всего это удается в упоминавшихся выше «обратимых процессах», хотя полная, стопроцентная обратимость и абсолютная симметрия прошлого с будущим существуют лишь в абстрактной теории.

Необратимые процессы как раз и задают направление «стрелы времени» .

Однако если логически продолжить эти рассуждения, мы придем к мрачному выводу о постепенном, но неизбежном вырождении Вселенной, превращении ее в газ самых простейших, элементарных частиц, которым уже не на что распадаться и не во что переходить. К тому же космологическое расширение Вселенной («разбегание» галактик) делает его чрезвычайно разреженным.

Выходит, нас ждет довольно унылое будущее, практически пустой, холодный и мертвый мир. Правда, расчеты говорят, что такое состояние наступит не ранее, чем через 10¹¹⁰ лет, временной интервал, по сравнению с которым двадцать миллиардов лет существования нашей Вселенной — исчезающе малый миг. Тем не менее, когда речь идет о судьбах мира, вопросе скорее философском, нежели физическом, важен принципиальный ответ.

Козырев не принимал идею тепловой смерти мира. По его мнению, беспредельной диссипации, неограниченному «растеканию» энергии и информации препятствуют процессы поглощения времени, которые играют роль автоматического стабилизатора, предохраняющего мир от смертельной эрозии. Поглощая время, материальные системы восстанавливают уровень своей организации, и это обеспечивает бесконечный круговорот природы.

Подтверждение своей гипотезе пулковский астроном видел в феномене многомиллиардолетнего горения звезд. Подсчет числа нейтрино, освобождающихся в ходе ядерных реакций на Солнце, а, следовательно, и на других звездах, указывает на то, что мощность ядерной топки, по-видимому, недостаточна для поддержания звездной энергетики на стабильном уровне, и поэтому должны быть какие-то иные её источники. Известно несколько альтернатив восстановления энергетического баланса «звездной иллюминации», не столь радикальных, как гипотеза о превращении времени в энергию, но Козырев отдавал предпочтение именно ей.

Если судить по публикациям, то поиск процесса, который бы препятствовал скатыванию Вселенной к состоянию полного равновесия, был отправной точкой его теории.

Объяснение механизму испускания и поглощения времени Козырев пытался найти в связи причины и следствия. От всех других эта связь отличается тем, что явления тут не просто сопутствуют друг другу, а одно из них вызывает, порождает второе. Это — «родительская», или, как говорят философы, глубинная генетическая связь матери — причины и дитя — следствия.

Переход причины в следствие определяет направление процесса, а следовательно, и направление потока времени, различает прошлое и будущее. Время втекает в систему через причину к следствию. Оно втягивается причиной и уплотняется там, где расположено следствие.

И вот тут мы сталкиваемся с очень трудным вопросом. Возникает что-то вроде логического круга: время определяется через причинность, а она в свою очередь зависит от времени, ведь в ее определении используются термины «вызывать», «порождать», которые неразрывно связаны с понятием времени. Ясно, что породить можно лишь то, чего сначала не было, а потом стало. Получается, как в поговорке: где тут начало того конца, которым кончается это начало? Или как в сакраментальном вопросе: кто старше — яйцо или курица?

Правда, по причинным цепочкам событий всегда передается движение. Например, в механических явлениях — импульс и момент вращения. Казалось бы, этим обстоятельством можно воспользоваться для установления порядка. К сожалению, приобретение или потеря движения само по себе еще ничего не говорит о направлении процесса. Тело, с которым связана причина, может как потерять импульс — вспомним останавливающиеся при лобовом ударе биллиардные шары, — так и приобрести его (ружье, из которого сделан выстрел, испытывает отдачу). Вот если бы нам показали два отрывка кинофильма, в одном из которых шары приближаются, а в другом — катятся прочь, постепенно замедляясь, тогда мы сразу бы сказали, что первый видеоклип относится к причине, второй — к следствию. Тут ясно, что есть что. Однако кинофильм — это опять-таки упорядоченная во времени цепочка событий.

Как видим, обойтись без времени никак не удается.

Не только астроном Козырев, но и другие ученые утверждали, что причинность имеет более глубокий и фундаментальный смысл, чем время. Тем не менее, создать «вневременную» теорию причинности еще никому не удалось.

Не будем, однако, слишком придирчивыми. Когда создается новая теория, она всегда выглядит противоречивой. Главное, чтобы все используемые ею величины и их связи можно было однозначно реализовать на опыте и проверить следствия. Теория Козырева этому требованию удовлетворяет, и если ее предсказания подтвердятся опытом, то найти ей обоснование — это уже следующий этап. Как говорится, было бы что обосновывать!

Механические системы самые простые, на них в первую очередь и следует проверять предсказания новой теории. Для этого, прежде всего, заметим, что любое механическое движение слагается из смещения и поворота и может быть представлено как винтовое, наподобие того, как движется вгоняемый в пробку штопор. Козырев предположил, что силовое воздействие временного потока при переходе причины в следствие тоже связано с винтовым усилием.