Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 50

Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906) выдвинул более ста лет назад предположение, что природа времени и, прежде всего, направление его течения связаны с особым родом физических явлений, которые называют необратимыми.

Если взять два железных бруска, один горячий, а другой холодный, и приложить их друг к другу, то, как всем хорошо известно, тепло будет переходить от горячего бруска к холодному. Горячий брусок будет из-за этого остывать, а холодный нагреваться. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температура обоих брусков не сравняется.

Это одно из необратимых физических явлений, и необратимым его называют потому, что никто никогда не видел, чтобы после того, как температура брусков выравнялась, тепло стало бы само собой возвращаться назад к горячему прежде бруску.

Когда нет никакого направленного извне вмешательства, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному. Здесь важно, что физические тела должны быть действительно целиком предоставлены самим себе. Иначе будет, например, то, что происходит в камере домашнего холодильника — в ней холоднее, чем в комнате, но температура камеры и температура комнаты не выравниваются, а их различие может и возрастать, когда холодильник включается и начинает работать его механизм.

В изолированных от внешних воздействий физических телах, в системах физических тел, предоставленных самим себе, все тепловые явления неизменно развиваются в одном направлении — в направлении выравнивания температуры. Это универсальное свойство природы. В несколько более общей формулировке, включающей рассмотренное нами явление как один из частных случаев, об этом свойстве всех физических систем говорят как о втором начале термодинамики. Насколько это важный факт, можно судить по тому, что второе начало термодинамики стоит рядом с законом сохранения энергии, который в этой области физики называют, как мы уже упоминали, первым началом.

Кстати сказать, Больцман был первым, кто объяснил физическое содержание второго начала термодинамики на основе представления о хаотических тепловых движениях молекул или атомов, из которых состоят газы, жидкости и твердые тела.

Из других необратимых явлений упомянем перемешивание жидкостей — например, расплывание сиропа в стакане минеральной воды. Необратимым образом перемешиваются и газы. В газах и жидкостях само собой происходит необратимое сглаживание различий в концентрации частиц, в давлении и других их физических характеристиках. В этих случаях тоже, конечно, нужно исключить всякое внешнее воздействие, в том числе, например, и воздействие земного тяготения.

Изолированная физическая система всегда стремится к состоянию, в котором достигается наибольшее возможное выравнивание — выравнивание температуры, состава, концентрации и т. д. Это состояние называют состоянием термодинамического равновесия.

Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Не оно ли определяет направление, в котором течет время? Эта идея и была высказана Больцманом. Он предполагал, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления. Более того, необратимые явления охватывают все тела физического мира и всю Вселенную в целом; они вносят во Вселенную развитие, создавая тем самым время, задавая его ход и темп, указывая, в какую сторону ему течь. Так возникает непрерывное течение времени, уносящее события в прошлое, влекущее нас в будущее.

В духе представлений об абсолютном времени классической физики, одинаковом всюду и везде в мире, обращение ко Вселенной было естественным и даже необходимым. По мысли Больцмана, стремление всей Вселенной как целого к тепловому равновесию (к тепловой смерти, как об этом говорили потом) — единственное направление ее развития *). И то, что мы называем временем, есть в действительности просто отражение в непосредственно окружающем нас мире этого неудержимого «старения» Вселенной, ее стремления к своему естественному концу.

_{*) О современных взглядах на судьбу Вселенной мы уже рассказали в главе 11.}

Но как об этой вселенской эволюции узнают часы, висящие у нас на стене? Да даже и не часы, а просто маятник на подвесе? Маятник размеренно раскачивается влево и вправо, проходя ряд положений сначала в одном направлении, а потом в обратном, снова уходит и опять возвращается и т. д. Качания маятника — это обратимое и к тому же периодическое явление, по крайней мере с точностью до трения в подвесе и о воздух, которое, конечно, представляет собой явление необратимое, но оно специально может быть сделано очень малым.

Качающийся маятник служит хорошими часами, как это заметил первым Галилей (см. главу 3). И, разумеется, они показывают время не потому, что имеется трение в подвесе или о воздух. Наоборот, эти часы тем лучше исполняют свое назначение, тем точнее указывают время, чем меньше в них трение, так что необратимые явления в самом маятнике или вокруг него не при чем.

И значит, если прав Больцман, маятник и в самом деле должен как-то чувствовать движение Вселенной к тепловому равновесию — другой возможности нет. Для этого требуется, однако, какое-то постоянное физическое воздействие на маятник, которое непрерывно сообщало бы ему, что происходит со Вселенной. Однако физика ничего не может сказать о процессе такого воздействия, о его существе.

Ни Больцман, ни кто-либо после него не смогли доказать, что такой процесс действительно существует в природе. А ведь на этом, очевидно, и держится все рассуждение, вся гипотеза...

Но, может быть, не стоит привлекать необратимость всей Вселенной, когда прямо вокруг нас протекает немало необратимых явлений, и им, кажется, легче влиять на наши часы. Но снова возникает пример маятника, о котором мы говорили, и он безжалостно разрушает и этот, более скромный, вариант гипотезы.

За сто лет, что существует гипотеза Больцмана, о ней много думали, писали, спорили, но решительного развития, не говоря уже о доказательстве, она так и не получила. Замечательно, что эта попытка проникнуть в природу времени происходила из стремления связать время с реально протекающими в мире физическими явлениями. Она послужила прообразом других гипотез о физической природе времени, которые имели совсем иной характер, но следовали тем не менее тому общему подходу к физике времени, который предложил Больцман.

Законы движения, открытые классической механикой, обладают одним важным качеством: они безразличны к направлению времени. Это означает, что они определяют поведение тел как в направлении от настоящего к будущему, так и в направлении от настоящего к прошлому. Тем же качеством обладают и законы движения в теории относительности. Это безразличие законов механики, а значит, и самих механических движений к направлению времени отражает одну из фундаментальных черт физического мира. Об этом стоит рассказать подробнее.

Пусть сейчас, в настоящий момент времени, некоторое тело находится в данной точке и имеет известную нам скорость. Тогда на основании законов движения мы можем точно определить, где оно будет спустя, скажем, секунду или час. Но на основании тех же законов мы можем также определить, где это тело было секунду или час назад. Известно, что астрономы, пользуясь законами движения и применяя их к Земле, Луне и Солнцу, могут предсказывать солнечные затмения, которые случатся в будущем. И вместе с тем они могут вычислить, когда затмения случались в прошлом.

Вспомним астрариум, эту движущуюся механическую модель планетной системы (см. главу 3). Ее можно запустить, так сказать, и вперед, и назад. И в обоих направлениях времени она покажет все нужные события и притом в правильные моменты времени. При движении вперед, по часовой стрелке, события будут развиваться к будущему, как обычно. А при движении в обратную сторону, против часовой стрелки, наоборот, к прошлому.