2.3. Особенности механики Ньютона

В классической механике время выступает как параметр дви­жения. И движение от прошлого к будущему легко спутать. Та­ким образом, главные особенности классической механики Ньютона — это детерминизм (определенность): если известны начальные условия и уравнения, то мы можем предсказать движение, — обратимость времени. Однако если снять на пленку фильм о развитии растения из семени, а затем «прокрутить» его в обратном направлении, то каждый из нас легко отличит спо­соб показа, который отвечает реальному ходу развития, от спо­соба, который в природе не существует. Значит, физическое описание процессов в классической механике неполно и отра­жает лишь какие-то одни стороны реальной природы, не затра­гивая других ее глубинных свойств, учет которых должен авто­матически приводить к тому, что ситуации, когда dt < О должны быть запрещены.

На самом деле, это один из многих парадоксов науки, возни­кающих при изучении человеком окружающего мира, в данном случае — «парадокс времени». Понятием времени в физике пользовались сотни лет, причем интуитивно предполагая, что dt > 0. Парадокс же заключается в том, что хотя весь опыт чело­вечества (заметим, и другие науки — геология, биология, исто­рия) говорил о существовании направленного развития событий, но это не находило своего отражения в физике. Эта ситуация породила философские споры о возможностях физики и вообще «количественной» науки в описании природы по сравнению с геологией, биологией, историей и т.д. Можно сказать, что если в этих науках идея развития от прошлого к будущему составляет саму основу, тй физике был чужд интерес к развитию событий. Все это ставило барьер между физикой и другими науками, изу­чающими высшие формы существования материи.

Вспомним хотя бы Ч. Дарвина с его теорией биологической эволюции. Такое положение не могло удовлетворить естествен­ные науки. В дальнейшем их развитии и совместном с другими науками о природе и обществе понимании эволюции на основе новых представлений неравновесной термодинамики был уста­новлен направленный ход времени. В 1927 г. английский астро­ном А. Эддингтон (1882—1944) ввел для этого понятие стрелы времени от прошлого к будущему. Некоторые исследователи предлагают описывать направленный ход времени в современ­ном естествознании тремя стрелами времени: первой, связанной с расширением Вселенной после Большого Взрыва; второй, свя­занной с ростом энтропии в классической термодинамике; третьей, обусловленной биологической и исторической эволю­цией. На самом деле это лишь примеры, подтверждающие ре­альность направленности изменения времени. На это же указы­вают и некоторые физические неравновесные процессы: тепло­проводность, диффузия, гидродинамические процессы и т.д. Если же анализ взаимодействия тел или частиц проводится в рамках классической физики для установившихся структур, т.е. таких, для которых изменений практически уже нет, и они, сле­довательно, равновесны, то время здесь обратимо. Поэтому раз­витие системы не учитывается (может быть, поэтому в целом классической физике и была чужда сама идея развития, эволю­ции!): время направленно в эволюционирующих системах. Отме­тим, что эта необратимость времени относится к простым систе­мам, более конкретно — к материальной точке. Как уже упоми­налось, для реальных систем время проявляет неоднозначную сущность и связано с усложнением объекта.

Остановимся еще на одной трактовке времени. В хронологи- ческо-историческом для человечества понимании времени как параметра, изменяющегося в одном направлении от прошлого к будущему, очень большую роль играло то, что на последователь­ность (череду) непрерывно меняющихся и принципиально не­совпадающих событий («Невозможно дважды войти в одну и ту же реку времени», — говорил Гераклит (ок. 540—470 гг. до н.э.) накладывались природные периодические процессы, связанные с движением Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, смены дня и ночи и т.д. Следствием этой высокой стабильности повто­ряемости природных процессов явилось сначала интуитивное, а затем закрепленное в физике деление времени на одинаковые Интервалы и принятие астрономической шкалы времени в каче­стве единственной. Хотя известны понятия биологических и хи­мических часов, но ход времени в них может не совпадать. Само время зависит, таким образом, от скорости протекания процес­сов. Опыт воспроизведения результатов физических экспери­ментов, выполненных в разное время, иногда с интервалом во много лет, показал, что законы физики инвариантны относи­тельно выбора начала отсчета времени и направленности t. Ма­тематически это означает, что при изменении начала отсчета значения отрезков времени от начала до данного момента разли­чаются на постоянную величину At:

f=t + At,

где At = const. Только в этом случае dt' = dt и все уравнения фи­зики остаются неизменными. Эти же доводы приводят к посту­лату о равномерности течения времени. Понятно, что одного «астрономического» аспекта времени, без сопоставления с раз­витием биологических, геологических и исторических событий недостаточно для осознания времени как характеристики, не­прерывно и равномерно меняющейся в одном направлении.

Например, если наблюдать неподвижные объекты, отсчиты­вая время по секундомеру без отметки минут на шкале и зная, что один оборот стрелки равен одной минуте, то легко сбиться со счета времени. Но мы не собьемся, если после каждого обо­рота стрелки будем выкладывать на стол, например, по спичке. Накопление спичек и их счет, количество — это уже типичный непериодический и необратимый процесс. Действительно, сов­ременная физика связывает необратимость хода времени с необ­ратимыми термодинамическими процессами. Хотя даже в клас­сической термодинамике рост энтропии dS (dS= где 8Q —

изменение тепловой энергии, dT — изменение температуры) оз­начает уже направление термодинамических процессов, т.е. что время течет только в одном направлении. Поэтому при таком представлении времени нам требуется некоторая дополнитель­ность (взгляд с другой стороны!) при его описании. В физике, это связывается с использованием принципа дополнительности Бора (см. п. 1.2.7). Заметим, что понятие времени во многом яв­ляется еще не проясненным, и великие естествоиспытатели на­шего времени это хорошо понимали. Так, В. И. Вернадский го­ворил, что «наука XX столетия находится в такой стадии, когда наступил момент изучения времени так же, как изучаются мате­рия и энергия, заполняющая пространство». Н. А. Козырев, из­вестный своими революционными взглядами на понятие време­ни, отмечал, что «время представляет собой целый мир загадочных явлений и их нельзя проследить логическими рассуждениями. Свой­ства времени должны постоянно выясняться физическими опыта­ми» [94].

Н. А. Козырев, рассматривая время как физическое явление, считал, что чисто геометрическое представление о времени как о некотором параметре движения (длительности процесса) являет­ся недопустимо упрощенным. Поскольку пространство из-за на­личия кривизны и гравитирующих масс не «пустое» (геометриче­ское) вместилище материальных объектов, а обладает физиче­скими свойствами, то и время обладает своими физическими свойствами. Благодаря этим свойствам время может воздейство­вать на физические системы и вещество и становится активным участником мироздания. Степень активности времени Н. А. Ко­зырев назвал плотностью времени. Наличие плотности времени должно вносить в систему организованность, некий порядок, а значит, вопреки обычному ходу развития системы (разрушению организованности, установлению равновесия и в целом тепловой смерти Вселенной), уменьшить энтропию системы. Время пре­пятствует установлению равновесия, оно против энтропии!

Ход времени может создавать дополнительные напряжения и тем самым менять потенциальную и полную энергии. Отсюда Н. А. Козырев делает вывод, что ход времени может быть источ­ником энергии. Таким образом, время играет активную роль в ма­териальных процессах и вещество может быть детектором, обна­руживающим изменение плотности времени. «Время нельзя от­рывать от материи», — говорил Н. А. Козырев. Асимметрия играет большую роль в возникновении и развитии живых систем (см. § 12.5). Поэтому имеющаяся определенная асимметрия вре­мени обеспечивает организму дополнительную жизнеспособ­ность. Жизнь как бы использует ход времени в качестве допол­нительного источника энергии. Время благодаря своим физиче­ским свойствам вносит в Мир жизненное начало, препятствует наступлению тепловой смерти и обеспечивает существующую в нем гармонию жизни и смерти.

Направленность, или ход, времени («стрела времени», по А. Эдцингтону) обеспечивает время особым свойством, создаю­щим различие причин и следствий. Это означает, что проявление активных свойств времени следует искать в причинно-следствен­ных отношениях. Как считал Н. А. Козырев, благодаря конеч­ности хода времени эти связи не являются абсолютно жесткими. Имеется возможность не только видоизменять, но и обращать их, т.е. по существу влиять следствием на причину. При изменении причинных связей могут возникать квантовые значения энергии системы, характерные для механики микромира.

Ход времени Н. А. Козырев определил как с₂ = Эта ве­личина имеет размерность скорости и характеризует скорость перехода от причины к следствию в элементарном причин­но-следственном звене. Он считал, что поскольку между при­чиной и следствием нет никакого вещества, а только простран­ство и время, то величина с₂ отражает свойства именно време­ни и пространства, а не конкретной физической системы или процесса. Поэтому он сделал предположение, что с₂ может быть такой же универсальной фундаментальной постоянной, как скорость света и другие константы (см. § 6.4). Ход времени с₂, по его мнению, является псевдоскаляром, и благодаря это­му в мире устанавливается принципиальное отличие левого от правого.

Н. А. Козыреву удалось показать, что с₂ ~ 2200 км/с ~ ^—у^у ^сь

где С] — скорость света в вакууме, а 1/137 является одним из «магических» чисел (см. § 1.1), о котором Р. Фейнман говорил так: «Вам, конечно, хочется узнать, как появляется это число? Никто не знает. Это одна из величайших проклятых тайн физи­ки: магическое число, которое дано нам и которое человек совсем

не понимает». В квантовой оптике число у^ равно постоянной

тонкой структуры Зоммерфельда: в теории фундаментальных констант оно соответствует константе электромагнитного взаи­модействия.

Предполагается также, что это число может быть связано с «золотым сечением» (см. § 7.14) и «глубинной» симметрией. На­пример, расположенные в одной плоскости два листа относи­тельно стебля составляют около 137° (так называемый угол Фи­боначчи). Это, по-видимому, не случайное совпадение может свидетельствовать о глубокой связи идей Н. А. Козырева с фун­даментальными представлениями о физическом строении окру­жающего нас мира. Для своей механики, учитывающей ход вре­мени, он ввел название несимметричной, или причинной, меха­ники.