Виктор Комаров - Тайны пространства и времени

Классическая физика XIX столетия, как известно, рассматривала время как нечто абсолютное, единое для всей Вселенной, не зависящее от материи. С появлением теории относительности Эйнштейна выяснилось, что никакого абсолютного времени не существует. Время тесно связано с материей. Если бы исчезла материя, подчеркивал Эйнштейн, вместе с ней исчезли бы пространство и время. В частности, было показано, что в системах отсчета, движущихся с ускорением, – об этом мы уже говорили, – течение времени замедляется. Зависит оно и от величины сил тяготения. Чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее течет время.

Кроме того, выяснилось, что для физических процессов, протекающих на различных уровнях организации материи, характерны различные масштабы времени.

Однако, по мнению ряда современных исследователей, несмотря на эти различия, у Вселенной в целом должен существовать некий всеобщий темпоральный ритм – как его образно называют, «пульс Вселенной». В процессе развития материи, по мере возникновения различных новых форм физической реальности, этот ритм должен претерпевать определенные изменения, видимо, подчиняющиеся какому-то всеобщему закону. Открытия этого закона – одна из важных составных задач, связанных с разработкой будущей «единой теории времени».

Из истории мы знаем, что и в древнегреческой философии и в философских системах Древней Индии, Китая и Ближнего Востока присутствовала идея «вечного возвращения», «круга времени».

Нечто похожее мы находим в некоторых современных космологических моделях. В противоположность времени «начинающемуся» рассматривается и вариант с циклическим временем, то есть временем, которое замкнуто само по себе.

Представим себе, что расширение Вселенной в некоторый момент сменилось сжатием и космологическое время потекло в обратном направлении. Так как уравнения ньютоновской механики, электродинамики, классической квантовой механики, а также эйнштейновской теории тяготения инвариантны по отношению к обращению времени, то в такой Вселенной сохранят свое значение и все соответствующие закономерности.

Но если направленность космологической стрелы времени связана с направленностью электромагнитной и электродинамической стрелы, то статистические и электромагнитные явления потекут в сжимающейся Вселенной в обратном направлении. Тепло потечет не от горячих тел к холодным, а наоборот – от холодных к горячим, а энтропия замкнутых систем станет уменьшаться. То же самое произойдет и с электромагнитным излучением. Скажем, фотопластинка с изображением далекой звезды станет излучать электромагнитные волны, сходящиеся на поверхности этой звезды.

Однако вот что любопытно. Казалось бы, в такой сжимающейся Вселенной земной наблюдатель должен был бы регистрировать в излучении галактик не красное, как при расширении, а фиолетовое смещение спектральных линий. Но, поскольку в сконструированной нами Вселенной звезды не излучают свет, а наоборот, собирают электромагнитное излучение, то фактически никакого фиолетового смещения мы бы не обнаружили, как, впрочем, не увидели бы и самих звезд и галактик. Наоборот, «с точки зрения звезд и галактик более фиолетовыми сделались бы наши глаза, фотопластинки, а также излучающие тепло холодильники».

Следовательно, у воображаемого наблюдателя, расположившегося где-нибудь на одной из звезд нашей Галактики, не возникало бы никаких сомнений относительно того, что Вселенная сжимается, и все явления протекали бы именно так, как они и должны протекать в сжимающейся Вселенной. Все различие, по существу, свелось бы таким образом лишь к изменению системы отсчета.

Другими словами, во Вселенной с любым направлением времени всегда можно выбрать такую систему отсчета, в которой все происходит «так, как надо».

А это, в свою очередь, означает, что говорить о «прямом» или «обратном» направлении времени, в сущности, не имеет смысла.

Если мы имеем дело с перемещением точки вдоль прямой линии, то ее поведение с течением времени можно наглядно представить в условном двумерном пространстве, где по одной оси мы будем откладывать перемещения точки, а по другой моменты времени. Соединив между собой соответствующие точки, как это обычно делается при построении различных графиков, мы получим некоторую линию – линию поведения точки. Для того, чтобы отобразить поведение какого-либо объекта на плоскости, нам пришлось бы воспользоваться условным пространством с тремя измерениями. Соответственно при изучении поведения тел трехмерного мира роль условного пространства будет играть четырехмерное многообразие «пространство-время», где по трем осям откладываются перемещения того или иного объекта, а четвертая ось является осью времени.

Разумеется, подобное построение может быть только воображаемым, некой математической абстракцией, поскольку сами мы живем в трехмерном мире и не можем осуществлять реальных четырехмерных построений.

График, который при этом получается в теории относительности, широко пользующейся подобным приемом, называется мировой линией данного объекта.

Какую картину увидел бы воображаемый наблюдатель, глядя на мировые линии галактик в четырехмерном «пространстве-времени», изображающие судьбу этих звездных систем в нестационарной Вселенной? Он увидел бы, что в одном направлении эти мировые линии сходятся, а в противоположном расходятся. И только…

В рамках подобной чисто внешней картины поведения галактик нет смысла ставить вопрос: где прошлое, а где будущее, то есть в каком направлении течет время? А также вопрос о том, какая из двух противоположных областей – область разрежения мировых линий или область их сгущения отражает ситуацию весьма вероятную для реальной Вселенной, а какая – весьма маловероятную?

Известный астрофизик Т. Голд – один из авторов знаменитого «совершенного космологического принципа», сформулированного им вместе с Г. Бонди в 1948 году и оказавшегося несостоятельным, пришел к заключению, что в силу обратимости законов природы во времени для нас, обитателей Вселенной, прямой и обратный «темпорализм», а следовательно картина расширения и сжатия Вселенной, принципиально неразличимы.

В модели Голда, о которой мы уже упоминали, «стрела времени» при переходе от стадии сжатия к стадии расширения в каждом цикле меняет направление. При этом энтропия стремится к максимуму в момент наибольшего расширения.

В связи с работой Голда, кэмбриджский астроном П. Девис предложил несколько иную модель (с этой моделью мы тоже уже познакомили читателей), в которой энтропия достигает максимума в сингулярном состоянии, то есть при сжатии «в точку».