Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 49

То же относится и к времени. Идеально чувствительные часы, испытывая воздействие вакуумных колебаний тяготения, должны непрерывно и хаотично менять темп хода. Это означает, что и само время течет не вполне плавно. Его поток постоянно и нерегулярно колеблется, то ускоряя, то замедляя свое движение, и это происходит по-разному в разных местах и в разные моменты.

Державинское сравнение времени с рекой можно было бы продолжить и сказать, что течение в реке времен не спокойное и гладкое. По ней бегут волны; и, кроме того, река времен всегда бурлит. В обычном масштабе секунд, часов, дней это, конечно, совершенно неощутимо, но во временных масштабах микромира такое бурление времени составляет одну из важнейших его черт.

Помимо колебания полей в вакууме постоянно происходят и другие события. В нем все время рождаются и тут же исчезают частицы и античастицы. Они возникали парами: электрон с позитроном, протон с антипротоном... Вообще все возможные частицы, каждая в паре со своей античастицей, живут в вакууме своей особой беспокойной жизнью. Но они тоже — как и вакуумные колебания — не могут сами собой вырваться из него и начать независимое существование. Но если сталкиваются, скажем, два протона достаточно высокой энергии, то эти вакуумные пары частиц могут освободиться из вакуума. Тогда рождается целый «сноп» частиц, которые потом в вакууме не исчезают и живут уже независимо от него.

Все эти явления в вакууме имеют квантовую природу. Самопроизвольное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц «из ничего» возможно только потому, что закон сохранения энергии выполняется в природе не строго, а с точностью до квантовой неопределенности. Рождаясь, частицы берут у вакуума энергию взаймы. Но они обязаны вернуть ее через положенный срок, и потому они снова исчезают, превращаясь в «ничто». Чем больше заимствованная энергия, тем короче жизнь вакуумной пары. Эти процессы в микромире уже давно и подробно изучает физика элементарных частиц, причем не только теоретически, но и экспериментально.

Рождение в вакууме пары частиц создает в данной месте и на данное время дополнительную массу. Как и всякая масса, эта масса вызывает тяготение. Но тяготение в свою очередь управляет геометрией пространства, темпом течения времени. Значит, рождение частиц замедляет в данном месте ход времени, слегка притормаживает его. Поэтому постоянное рождение и исчезновение частиц в вакууме тоже заставляет «бурлить» реку времен.

Квантовые представления о самопроизвольном рождении частиц из вакуума находят сейчас необычайно смелое развитие в космологии. Они важны для изучения ранней истории Вселенной, когда ее возраст исчислялся ничтожными мгновениями. Более того, эти представления наводят на мысль, что и само происхождение Вселенной можно понимать как квантовый процесс. Вселенная не существовала извечно, она возникала в тот момент времени, который мы с полным основанием приняли за начальный. И вблизи этого момента Вселенная вела себя как объект микромира с присущими ему квантовыми закономерностями. Она была тогда вполне похожа на микрочастицу. И если так, то не могла ли Вселенная самопроизвольно родиться из вакуума, как рождаются обычные элементарные частицы? Такую догадку высказали несколько лет назад П. И. Фомин в нашей стране и Э. Трайон в США. Это смелая гипотеза и она вызывает сейчас немалый интерес. Однако ее разработка возможна лишь на основе общей гравитационной теории, которой пока не существует. Так что основательное доказательство — или опровержение — идеи квантового происхождения Вселенной остается делом будущего, и притом скорее всего отдаленного.

Тем не менее уже и сейчас ясно, что квантовый подход к ранней Вселенной вполне оправдан. Он, несомненно, обещает плодотворную основу для настоящего понимания природы времени, его происхождения. Время Вселенной начинается с ее рождения. Когда не было Вселенной, не было и ее времени. Повторим еще раз: в природе нет никакого времени «самого по себе». Не существует единого и всеобъемлющего времени для всей природы, на которое, как на какой-то стержень, «нанизывались» бы все подряд события в мире. Время — это всегда конкретное физическое свойство данных конкретных физических тел и происходящих с ними изменений.

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.

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.