Hиколай Непомнящий - Время - Назад XX век: Хроника необъяснимого

Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна-Минковского), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событии в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся пи-мезон живет 10-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью — 300 000 километров в секунду — он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.

Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.

Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.

Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некой величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно (изотропно) или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (то есть в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.

Эйнштейн получил цилиндрическую Вселенную, то есть мир, в котором пространство обладает положительной кривизной и замкнуто, а время незамкнуто. У де Ситера получился сферический мир, в котором и время замкнуто.

Современные космологические представления основываются на решениях, найденных советским исследователем А. А. Фридманом в 1924 году. Он описывает полностью однородный и изотропный мир Основным свойством этих решений является их нестационарность. Возникающие отсюда представления о расширяющейся Вселенной полностью подтверждаются астрономическими данными. Первым подтверждением этого факта было открытие Э. Хабблом в 1929 году красного смешения в спектрах удаленных галактик. Если считать, что это следствие так называемого эффекта Доплера, то красное смещение доказывает удаление галактик. Таким образом, в настоящее время можно считать, что изотропная модель дает, в общем, правильное описание Вселенной.

Другим важным свойством изотропной модели является наличие в ней особой точки пространственно-временной метрики (формулы) по oтношению ко времени. Присутствие такой точки означает, другими словами, конечность времени. Вопрос о конечности времени продолжает дискутироваться и пока остается открытым. Общая теория относительности допускает в принципе не только бесконечные, но и конечные решения. Существуют модели, допускающие замкнутость линии времени, но если замкнутое пространство еще можно трактовать как конечное, то переход от замкнутости времени к заключению о его конечности наталкивается на значительные трудности. Дело в том, что замкнутое время означает повторение циклов событии. При этом для описания последовательности циклов событий возникает необходимость ввести некое промежуточное мета-время. Попытки же его введения наталкиваются на неизбежность пересмотра самого понятия времени, характерного для общей теории относительности. Поэтому представляется наиболее вероятным, что в рамках этой теории логическая конструкция замкнутого времени как раз и есть форма замкнутого времени.

Бесконечность времени имеет два аспекта, количественный и качественный. Количественный аспект бесконечности времени соответствует бесконечности моментов времени. Но момент времени не является некой самостоятельной субстанцией, а представляет собой форму бытия совокупности событий, состояний движущейся материи, причем специфика каждого из временных моментов есть выражение качественно различного характера этих совокупностей.

Бесконечность времени обусловливается постоянным развитием материи, переходом возможностей в действительность. Время есть форма существования материи, выражающая процесс становления, процесс появления нового.

Таким образом, согласно современным представлениям в физике, бесконечность времени состоит в постоянном движении, изменении, развитии материи. Что касается единственности времени или множественности времен, общая теория относительности позволяет для описания некоторых систем ввести несколько существенно различных, но одинаково объективных времен. Это так называемый гравитационный коллапс. Коллапсирующая система характеризуется обычным мировым временем, определяемым в интервале от минус до плюс бесконечности. Однако полное описание всего процесса коллапса невозможно с использованием только этого времени. Для частиц, падающих в гравитационном поле, существует свое собственное время, причем настолько замедленное, что его конечный отрезок описывает бесконечным, с точки зрения стороннего наблюдателя, процесс падения частицы на звезду. Для описания же всего процесса эволюции вводится третье, глобальное время (время Крускала), где есть возможность для пространства и времени как бы меняться местами.

Было бы, однако, неправильно полагать, что только в теории относительности прослеживается глубокая связь между материей и временем. Один из основных законов движения материи, закон сохранения энергии, можно вывести из свойства однородности времени. В теории взаимодействия элементарных частиц существует так называемая СРТ-теорема, которая гласит, что законы движения частиц, выведенные наукой, не меняются, если воздействовать комбинацией трех операций, называемых также тремя симметриями. Операция С — это замена частицы на античастицу. Операция Р, когда левое и правое меняются местами, как это происходит при возникновении отражения в зеркале. Операция Т — изменение направления движения всех частиц на обратное.

Сначала предполагалось, что все три преобразования оставляют физическую систему неизменной, но затем убедились, что законы, управляющие поведением материи, не меняются после действия только двух операций — С и Р.

Как полагает крупнейший современный математик, внесший большой вклад в разработку проблем гравитации и космологии, автор книги "Краткая история времени" Стивен Хокинг, в случае С-Р-симметрии жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, которые являлись бы нашим зеркальным отражением и состояли бы из антиматерии. Но вот попытка осуществить Т-симметрию наталкивается на непреодолимое различие между движением во времени вперед и назад. Проделать Т-операцию, согласно Хокингу, то же самое, как если бы заснять на кинопленку падение стакана на пол, а затем прокручивать ее задом наперед, тогда зрители увидят, как осколки собираются в виде целого стакана, а стакан запрыгивает обратно на стол. Но такое запрыгивание равносильно созданию порядка (стакана) из беспорядка (осколков), что противоречит второму закону термодинамики, который вытекает из того, что состоянии беспорядка всегда гораздо больше, чем состоянии порядка. Рост беспорядка (энтропия) прослеживается всюду. Даже чтобы выжить, люди употребляют пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращают ее в тепло, то есть в неупорядоченную форму энергии.