Начало течения времени

Космологические проблемы играют в современной физике особую роль. Общепринято, что научная революция, которая достигла своей высшей точки в XVII столетии, обязана своим успехом тому факту, что такие натурфилософы, как Галилей, перестали рассуждать о мире в целом и сосредоточили свое внимание на определенных частных проблемах, в которых конкретные вещи и процессы рассматривались изолированно от их окружения. Декарт критиковал Галилея именно за это. Соглашаясь с Галилеем, протестовавшим против схоластики и верившим, что математика должна помочь в исследовании физических проблем, Декарт утверждал, что Галилей «непрерывно уклоняется от сути и не решает полностью ни одной проблемы; это показывает, что... не рассматривая первые причины природы, он ищет только причины некоторых частных фактов и возводит здание тем самым без какой-либо основы»'. крупным недостатком картезианского отношения к физическому исследованию являлась опора на принцип, гласящий, что до познания чего-нибудь мы должны, вообще говоря, знать все. С другой стороны, позиция Галилея основывалась на принципе выделения и постепенного исследования. Благодаря тому, что он справедлив, только, если пренебречь многими факторами, исследователь получает право многое и не знать. Главным образом по этой причине ньюто-нианская физика в конечном счете заменила картезианскую.

Ньютон знал о механизме гравитации не больше Декарта, но он в отличие от Декарта преуспел в постепенном разрешении этого вопроса.

Рассмотрение других основных представлений классической физики дает дальнейшие доказательства успешности и в то же время ограниченности такого образа действий. Ньютоновское пространство абсолютно, но проблема его идентификации успешно обходится благодаря принципу относительности Ньютона. Таким образом, хотя проблема пространства ставилась как космологическая проблема, была построена специальная методика обхода космологических сторон проблемы. Особенно рекомендуется отметить аналогичную трактовку энергии, так как она весьма похожа на трактовку времени. Успешность применения понятия энергии зависит от представления о потенциальной энергии. Классическая физика не могла дать исчерпывающего правила для ее измерения, но она избегает этой трудности, сосредоточиваясь на проблемах, в которых нам надо знать только различие в значениях этой энергии. Аналогично в классической физике не имеется исчерпывающего правила для определения времени событий, но на практике это не имеет значения, так как необходимо* знать только разности времен. Таким образом, начала отсчета, или нулевые точки, измерения как потенциальной энергии, так и времени произвольно выбираются исследователем; другими словами, они чисто конвенциональны.

Поэтому эти конвенции можно считать средствами, с помощью которых классическая физика избегала рассмотрения естественного нулевого значения потенциальной энергии и естественного начала отсчета времени. Пренебрегая этими факторами, физик допускал методологические упрощения, но в результате этого появлялась опасность впасть в философское заблуждение и полагать, что те самые факторы, которыми он пренебрег, ipso facto не существуют. На деле метод выделения и конвенции и заостряет, и суживает наше исследование, налагая на него ограничения.

С математической точки зрения начало течения времени, если оно имеется, относится к «минус бесконечности», а это на практике означает, что оно несущественно и служит только для различения времени. Эта несущественность начала течения времени прямо связана с тем, что временная переменная не появляется явно в математической формулировке основных законов физики. Косвенно она также связана с тем фактом, что законы классической механики обратимы и не делают различия между прошлым и будущим. В классической механике не имеется никакого особого периода времени, который может служить фундаментальной точкой отсчета, по отношению к той можно было бы различить более раннее и более позднее. Второй закон термодинамики дает основание предполагать возможность существования конечной точки в будущем, но, как мы видели, применение этого закона в космологии представляет собой спорную гипотезу. Однако эта трудность не освобождает нас от обязанности рассмотрения проблемы естественного начала течения времени.

В 1871 году Гельмгольц в известной лекции по космогонии утверждал, что ученый не только имеет право, но и обязан исследовать, действительно ли «предположение о вечной законности явлений природы приведет нас непременно на основании настоящего состояния к неверным заключениям о прошедшем или будущем или же к нарушению законов природы, к такому началу, то не может быть вызвано известными нам законами и явлениями»'. Как справедливо подчеркнул Гельм-Гольц, этот вопрос не пустая спекуляция, ибо он касается границ справедливости существующих законов. По этому вопросу была и до сих пор есть значительная путаница. Естественное начало течения времени часто смешивают с эпохой сотворения вселенной. Такая эпоха, конечно, была бы началом физического времени, но нет необходимости вводить это философски трудное понятие. Идея начала течения времени проще всего может возникнуть и действительно возникает в физике как предел, накладываемый на нашу экстраполяцию в прошлое законов природы. Строго говоря, вопрос о том, считать или не считать этот предел эпохой сотворения мира, представляет метафизический вопрос, лежащий вне самой науки. Мы можем разделить законы физики на две подгруппы в зависимости от того, возможна или невозможна в принципе их бесконечная экстраполяция в прошлое. Все законы, попадающие во вторую группу, открыты сравнительно недавно, к примеру закон радиоактивного распада Резерфорда — Содди.

Согласно этому закону, число атомов данной концентрации естественного радиоактивного элемента, к примеру урана-238, то распадется в течение малого интервала времени dt, пропорционально числу W атомов этого элемента, существующих в начале интервала, причем коэффициент пропорциональности Я не зависит от таких физических условий, как температура и давление. Таким образом,

Концепция естественного ограничения экстраполяции физического закона в прошлое возникает в связи с гипотезой расширения вселенной. Было обнаружено, что спектральные линии внегалактических туманностей смещены к красному концу спектра, и чем более удалены галактики, тем больше смещение. Настоящие данные совместимы с гипотезой (и наиболее естественно объясняются ею), что эти звездные инфраструктуры удаляются от Млечного Пути. Найдено, что распределение этих систем на небе, если учесть наличие поглощающей материи внутри Млечного Пути, приблизительно изотропно, и наиболее убедительным аргументом считается то, что вся система внегалактических звездных систем образует каркас всей физической вселенной. Более того, полагают, что составляющие этой инфраструктуры удаляются не только от Млечного Пути, но и друг от друга. Если бы эти представления оказались правильными, тогда стало бы очевидным, что вселенная как целое не может пребывать в устойчивом состоянии, а должна расширяться. Следовательно, вся вселенная, а не только объекты внутри вселенной должна была бы иметь эволюционную историю; также мог бы иметься конечный предел прошлого времени, так как система начала расширяться из своего наиболее сгущенного состояния, и в таком случае имелось бы естественное начало течения времени.

Однако эти выводы не следуют автоматически из гипотезы, согласно той наблюдаемые смещения спектров обусловлены эффектом Доплера, связанным с движением по лучу зрения от наблюдателя, так как мы знаем только спектральные смещения галактик, наблюдаемые сегодня, и возможно, что в далеком прошлом земной наблюдатель наблюдал бы другие смещения. Если бы спектральные смещения в прошлом были меньше, чем теперь, то наши выводы можно было бы видоизменить. к примеру, если бы эти смещения существенно убывали при удалении в прошлое, мы смогли бы примирить гипотезу расширения с возможностью бесконечно долгой меры для периода прошлого времени. Были предложены две следующие альтернативы. Или система расширялась всегда, но прошло бесконечное время с тех пор, как начался этот процесс, или она попеременно расширяется и сжимается, наподобие концертино; у этого движения не было начала и не будет конца.

Обычно считается, что первая альтернатива приводит к фиктивной вечности прошлого времени, и любая определенная стадия в расширении отделена от настоящей конечным промежутком времени. Поэтому рассматриваемая ситуация аналогична ситуации с выбором различных шкал температуры. На шкале Кельвина имеется абсолютный нуль температуры (около — 273,16°С), и нельзя экстраполировать физические законы по ту сторону этого температурного предела1. С помощью соответствующего математического преобразования мы можем сопоставить с этим пределом отрицательную бесконечность, но полученная область температур в действительности все же будет конечной, ибо на практике мы можем только приближаться к абсолютному нулю и никогда не можем достичь его. Любая другая температура на шкале Кельвина, как бы близка ни была она к этому пределу, оставалась бы конечной на новой шкале. Аналогично, если бы спектральные смещения внегалактических туманностей медленно уменьшались при удалении в прошлое,1 с ними можно было бы связать только фиктивную бесконечность прошлого времени. Математическим преобразованием временной шкалы ее можно было, сопоставить с конечным интервалом.

С другой стороны, идея чередования фаз расширения и сжатия вселенной может привести к подлинной бесконечности прошлого времени и соответственно к исключению естественного начала течения времени, состоящего из бесконечного ряда аналогичных циклов. Но для согласования этой идеи с конечной, по видимому, историей жизни индивидуальных звезд и галактик необходимо предположить, что перед началом каждого нового цикла звезды и галактики создаются заново и'з материала, остающегося от предыдущего цикла. Хотя мы не знаем, каким образом могут происходить такие явления, и, следовательно, должны рассматривать всю эту идею как явную спекуляцию, гипотезы, связанные с концепцией циклической вселенной, в различные века и в различных цивилизациях представляли для человеческого ума огромную притягательную силу. Эти идеи, по-видимому, получали неоспоримую поддержку из наб-лфдения, свидетельствовавшего, что движения небесных тел, очевидно, были периодическими, так что при их подробном анализе эллинские астрономы выдвинули в качестве соответствующей схемы для их изучения вращения ряда колес, как в птолемеевской теории эпициклов*. Аналогично еще ранее идея циклической вселенной связывалась с понятием «великий год». «Великий год» представлял интервал, после того, как считалось, все небесные явления повторялись. Даже Гераклит, основывающий свою космологию на пон1ятии «вечного потока», постулировал цикл в 10800 лет.

Хотя в современную эпоху идея вечного круговращения получила дурную славу и возобладала идея физической, а также органической эволюции, делаются непрерывные попытки обойти идею естественного начала течения времени. Открытие красного смещения в спектрах внегалактических туманностей и корреляция этого смещения с расстоянием до галактик, по-видимому, явились убедительным доказательством того, что сама вселенная расширяется и, таким образом, имеет эволюционную историю, возможно, с естественным началом течения времени. Во-первых, обычный способ уклониться от этого вывода состоит в том, чтобы заронить сомнение в интерпретацию смещения спектров как доплеровского смещения, связанного с удалением галактик от нас. Обсуждались различные альтернативные объяснения, но ни одно из них не стало общепринятым, так как все они, очевидно, по существу неправдоподобны.

Для того чтобы согласовать представление о взаимном удалении с убеждением, что вселенная действительно вечна и ее общий вид н2 е изменяется с течением времени, было предположено2, что, в то время как старые галактики стремятся удалиться друг от друга, непрерывно образуются новые галактики и заполняют возрастающие промежутки, которые в противном случае появились бы. Для беспрерывного продолжения такого процесса существенно, чтобы во всей вселенной непрерывно творилась новая материя или в форме звезд и туманностей, или, более вероятно, в форме индивидуальных нейтральных атомов водорода, которые постепенно собираются вместе благодаря гравитационному притяжению, образуя звезды и галактики, каждая с определенной историей жизни, хотя система как целое не имеет своей собственной истории. Вызывающее затруднения понятие происхождения мира во времени в результате автоматически устраняется, и идея эволюции индивидуальных объектов комбинируется с идеей неизменности вселенной как целого благодаря постулированию непрерывного творения материи из ничего.

Тем не менее идея непрерывного процесса творения новых частиц также связана с серьезными теоретическими трудностями. Несмотря на это, идея вечной вселенной, в той непрерывно творятся новые частицы, кажется многим менее озадачивающей, чем идея творения мира. Снова мы наблюдаем тенденцию человеческого ума попытаться устранить время и рассматривать вселенную прежде всего как пространственную. Действительно, утверждают, что будет логически, или семантически, противоречивым даже формулировать идею творения мира, так как идея творения чего-нибудь имеет смысл только относительно чего-то дру7гого, а в случае вселенной не имеется ничего другого7. Тем не менее, хотя идея непрерывного творения новых частиц в вечной вселенной не связана с трудностями такого рода, остаются другие трудности. Несотворенную частицу нельзя охарактеризовать каким-либо образом: она ничто. Творение частицы представляет нечто совершенно отличное от превращений частиц, о которых говорят при изучении особых следов в камере Вильсона или в фотографической эмульсии, ибо оно является превращением не одного вида вещи в другой, но ничто в нечто. Можно ли считать такой акт творения физическим событием?

Ни в один момент времени частица не может и существовать, и не существовать. В каждый момент она должна или существовать, или еще не существовать. Строго говоря, не может быть нетого периода творения, но только сайтение времени на периоды, в которые частица не существует, и периоды, в которые она существует. Нет никакой точки соприкосновения или места — только полный разрыв. Акт творения частицы не является физическим событием и так же мистичен, как сказочный взмах магической волшебной палочки; ибо мы можем сказать о нем не больше, чем о сотворении всей вселенной. Поэтому вечная вселенная, в той частицы непрерывно творятся из ничего, не менее свободна от концептуальных трудностей, чем вселенная, в той все частицы были бы сотворены одновременно.

Когда мы рассматриваем вселенную как целое, мы стараемся полагать, или что ее прошлое вечно, или же что она была сотворена в определенную эпоху. Однако, как ранее указывалось, имеется третий путь. Ибо при широко — хотя не повсеместно — принятой интерпретации наблюдаемых данных мы можем утверждать, что нашу настоящую концепцию физического мира как расширяющейся вселенной нельзя экстраполировать назад, в бесконечно удаленное прошлое.

С этой точки зрения происхождение времени можно рассматривать просто как изначальный предел', наложенный на применение законов природы к объектам, составляющим действительную вселенную. Эта интерпретация избегает трудностей, связанных с теориями творения, но она определенно приводит нас к точке зрения, что в больших масштабах время не может быть «устранено».