7.3. «Стрела» времени.

В современном научном познании немало места отводится проблеме «стрелы» времени, касающейся самых различных областей человеческого знания. Известный западный философ Г. Рейхенбах следующим образом выразил свое отношение к этой проблеме: «Проблема времени всегда заводила в тупик человеческий разум. Не только события внешнего мира, но и все наши субъективные переживания происходят во времени. Время представляется таким образом, как будто бы его поток, который упорядочивает события физического мира, протекает через человеческое сознание и вынуждает его приспосабливаться к этому порядку. Наши наблюдения над физическими предметами, наши чувства и эмоции, а также процессы мышления имеют протяженность во времени, и нам нельзя избавиться от этого неумолимого потока, который непрерывно течет от прошлого через настоящее к будущему»⁵⁷². Нелишне заметить, что в индуистском пантеоне богов значительное место отводится богине времени Кали, перед чьим лицом не могут устоять ни боги, ни люди, ибо она представляет самое страшное, непобедимое оружие – «стрелу» времени.

Повседневная макроскопическая практика свидетельствует о том, что макроскопические процессы протекают направленно во времени: от прошедшего через настоящее к будущему. В нашем сознании это выражается в представлении о «стреле» времени, о безвозвратно уходящем прошедшем, в котором все абсолютно неизменно, и о наступающем будущем, в котором все еще неопределенно и на которое мы можем влиять, осуществляя принятые решения и проявляя волю. Иначе обстоят дела в науке, где отмечается, что имеется достаточное число аргументов против какой бы то ни было абсолютизации положения о необратимой направленности времени. «Более того, оказывается, что большинство аргументов в пользу абсолютной необратимой направленности времени черпаются не из физики, а из других областей знания, включая историю, психологию, а также некоторые философские концепции»⁵⁷³.

Известно, что законы механики, электродинамики, квантовой физики, выраженные в уравнениях движения классической и нерелятивистской квантовой механики, а также квантовой теории поля допускают обращение времени (в теории поля – одновременно с СР-преобразованием). «Стрела» времени однако физически выделяется лишь для необратимых макроскопических процессов – уравнения теплопроводности, уравнение диффузии, гидродинамические уравнения Навье-Стокса и т.д. оказываются необратимы во времени. В наиболее общем виде «стрела» времени в макроскопических необратимых процессах выражается законом возрастания энтропии, фиксирующего качественное различие между событиями прошлого и будущего. И тем не менее, не все так просто со «стрелой» времени в современной науке, о чем говорит понятие «мнимого» времени.

Это понятие введено в науке для того, чтобы осуществить объединение теории гравитации с квантовой механикой⁵⁷⁴. Известный английский физик-теоретик С. Хокинг пишет об этом следующее: «Попытки объединить гравитацию с квантовой механикой привели к понятию «мнимого» времени. Мнимое время ничем не отличается от направлений в пространстве. Идя на север, можно повернуть назад и пойти на юг. Аналогично, если кто-то идет вперед в мнимом времени, то он может повернуть и пойти назад. Это означает, что между противоположными направлениями мнимого времени нет существенной разницы. Но когда мы имеем дело с «реальным» временем, то мы знаем, что существует огромное различие между движениями во времени вперед и назад»⁵⁷⁵. Такой подход дает возможность С. Хокингу дать свое понимание существования «стрелы» времени в современной науке.

Исходя из определения «стрелы» времени как увеличение беспорядка, или роста энтропии, С. Хокинг выделяет, по меньшей мере, три «стрелы» времени: «Можно говорить по крайней мере о трех различных стрелах времени. Во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает беспорядок, или энтропия. Во-вторых, стрела психологическая. Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не будущее. И в-третьих, стрела космологическая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается»⁵⁷⁶. Им приводятся аргументы, основанные на условии отсутствия границ у Вселенной и слабом антропном принципе, которые объясняют одинаковой направление всех трех «стрел» времени и показывают, почему должна существовать определенная «стрела» времени. Только в том случае, когда «направления этих трех стрел совпадают, могут возникнуть условия для развития разумных существ, способных задать такой вопрос: почему беспорядок увеличивается в том же направлении по времени, в котором расширяется Вселенная?»⁵⁷⁷

Причина существования «стрелы» времени объясняется С. Хокингом с позиций теории квантовой гравитации следующим образом. Вселенная начала свое расширение достаточно однородного и упорядоченного состояния (оно не могло быть совершенно однородным, иначе нарушается принцип неопределенности Гейзенберга, указывающим на существование небольших флуктуаций плотности и скоростей частиц). Такое состояние Вселенной является «спокойным» и тензор Вейля, описывающий искривление космического времени при отсутствии вещества, не равен нулю. Затем в ходе расширения Вселенной начинают увеличиваться флуктуации плотности, результатом чего является возникновение галактик, звезд и жизни. Вселенная переходит в неоднородное и неупорядоченное состояние, тензор Вейля становится большим, что и объясняет существование термодинамической «стрелы» времени⁵⁷⁸. Наблюдаемое совпадение термодинамической и космологической «стрел» времени объясняется слабым антропным принципом, согласно которому на стадии сжатия Вселенной никакой разумной жизни не может быть, разумные существа могут жить только в фазе ее расширения. Психологическая «стрела» времени совпадает с термодинамической и космологической «стрелой» в силу того факта, что человек помнит прошлое, а не будущее.

В противоположность С. Хокингу отечественный физик А.Д. Сахаров предложил космологическую модель Вселенной с поворотом «стрелы» времени. С конца XIX века известно противоречие, или «глобальный парадокс обратимости», фиксирующего обращение времени в уравнениях движения классической и нерелятивистской квантовой физики и необратимость уравнений статистической физики. «Традиционное объяснение, - пишет А.Д. Сахаров, - относит необратимость к начальным условиям. Однако неравноправие двух направлений времени в картине мира при этом сохраняется. Современная космология открывает возможность устранения этого парадокса»⁵⁷⁹.В соответствии с концепцией расширяющейся Вселенной существует некоторый момент времени, когда обращается в нуль пространственный метрический тензор (этот момент «фридмановской сингулярности» обозначен Ф). Выдвигается предположение, что в космологии можно рассматривать не только более поздние, чем Ф, но и более ранние моменты времени, причем статистические свойства состояния Вселенной в момент Ф таковы, что энтропия возрастает как во времени, так при повороте «стрелы» времени. «Поворот стрелы времени снимает парадокс обратимости – в картине мира в целом восстанавливается равноправие двух направлений времени, присущее уравнениям движения»⁵⁸⁰. Таким образом, выделяется момент времени t=0, когда имеет место состояние ложного вакуума с минимальной, нулевой энтропией. По определению энтропия всегда неотрицательна, т.е. она возрастает при t>0 и 0<t, что и называется «поворотом стрелы времени», хотя не имеется философской интерпретации этой формальной возможности.

С проблемой существования «стрелы» времени связан целый спектр интересных вопросов, относящихся к различным явлениям. В научной литературе отмечается, что представление о необратимо направленном времени связано с принципом причинности. Нарушение принципа причинности в рамках динамической концепции, исходящей из ограниченной применимости законов классической термодинамики, ведет к признанию существования частиц с отрицательной массой. «Очевидно, энергия системы, излучающей частицу отрицательной массы, увеличивается, а энергия системы, поглощающей такую частицу, уменьшается. Таким образом, процесс испускания частицы отрицательной массы вызывает в излучающей системе такое же действие, какое в ней может вызвать процесс поглощения аналогичной частицы положительной массы. И, наоборот, поглощение частицы отрицательной массы для поглощающей системы эквивалентно испусканию подобной частицы положительной массы»⁵⁸¹. С точки зрения наших обычных макроскопических представлений, частицы с отрицательной массой ведут себя странно: она отталкивает частицу с положительной массой, она при взаимодействии с окружающей средой, испытывая трение, должна ускоряться, а не замедляться и т.д. Аналогия здесь существует, когда рассматривают системы, работающие при отрицательных температурах (достаточно упомянуть, функционирование мазеров). Нелишне заметить, что переход от положительных температур к отрицательным совершается не через абсолютный нуль по Кельвину, а через бесконечность.

На основе обращения «стрелы» времени в современной науке теоретики исследуют возможность построения «машины времени» за счет изменения топологии трехмерного пространства. Оказывается, что общая теория относительности допускает возможность для осуществления идеи «машины времени». «Она связана, - отмечает А.К. Гуц, - с чисто механическим перемещением тела в пространстве-времени по временной петле, т.е. гладкой времениподобной замкнутой мировой линии. Для этого необходимо рассмотреть решение уравнений Эйнштейна, допускающее такие линии»⁵⁸². В этом случае исходят из допущения, что временные петли появляются за счет искусственного изменения топологии пространства-времени – приклеивают к пространству-времени 4-ручки (четырехмерную кротовую нору). Так как общая теория относительности не очень подходит для подобного рода изменений, то используется более богатая теория, например, 5-мерная теория Калуцы-Клейна и теория пружинных слоев 4-мерных слоений в 5-мерном многообразии. В данном подходе речь идет о том, что для функционирования «машины времени» необходима наряду с другими факторами (скачкообразные колебания поля – электромагнитного, скалярного и др.) переброска «материи во времени»⁵⁸³. Здесь предполагается, что пространство-время представляет собою единое «нечто», в котором реально существуют прошлое, настоящее и будущее, и тогда в прошлое можно проникнуть через четырехмерные кротовьи норы.

На популярном языке путешествия в прошлое при помощи «машины времени» означает, что человек может проникать в него через искусственно сконструированные четырехмерные кротовые норы – своего рода космические туннели. Представьте себе, что вы входите в такого рода туннель на Земле, а выбираетесь через несколько часов, а то и минут, неподалеку от Альфы Центавра — на расстоянии в четыре с лишним световых года. Если же вам удастся двигать концы этого туннеля один относительно другого, то вы сможете его применить и для путешествий во времени. Подобные перемещения давно используют фантасты, и на страницах их романов всевозможные «нуль-транспортировки» стали обычным делом, таким же, как бластеры и скорчеры. Фильмы же типа «Назад в будущее» или «Эксперимент "Филадельфия"» сделали максимально наглядными результаты игры воображения.

В реальной жизни, однако, пока никто не видел и намека на нечто похожее. Однако в общей теории относительности Эйнштейна подобные «короткие пути» возникают довольно естественно. «И вот совсем недавно один итальянский теоретик высказал в своей статье предположение, что такой туннель возможно создать в лаборатории. А группа американских физиков считает, что если «норки» в пространстве остались от Большого взрыва или были созданы неизвестными нам цивилизациями для межгалактических перемещений, то нам может повезти их зарегистрировать»⁵⁸⁴. Следует иметь в виду, что здесь могут быть осуществлены две стратегии. Первая заключается в создании туннеля из квантовых флуктуаций - в соответствии с квантовой теорией, на сверхмалых расстояниях около 10^-33 см. флуктуации гравитационного поля становятся столь сильны, что пространство просто начинает пениться⁵⁸⁵ и там образуются не только пузыри, но и туннели. Некоторые теоретики (например, американский физик Т. Роман) полагают, что их вполне можно увеличить благодаря процессу инфляционного расширения Вселенной. Основная сложность подобных рассмотрении заключается в том, что пока у теоретиков нет квантовой теории гравитации и они не знают всех свойств квантовых пузырей.

Вторая стратегия, разработанная К. Торном, состоит в том, что человек сам искривляет и скручивает пространство. Необходимо иметь в виду, что это сложный и катастрофический для пространства процесс. Туннель в нашем пространстве должен проходить через пространства более высоких измерений и для его создания нужно очень сильно искривить пространство. Итог такого рода деятельности может привести к непредсказуемым последствиям - в начале и конце туннеля образуется разрыв, где время и пространство резко обрываются, примерно так же, как и в точке сингулярности черной дыры или Большого взрыва, что может привести просто к исчезновению нашей планеты. Ведь мы пока не можем подробно изучать, описывать и понимать эти явления, опять-таки поскольку не создана теория квантовой гравитации.

Недавно К. Макконе из Турина предложил третий путь создания туннеля — искривить пространство мощным магнитным полем. Может показаться странным, что гравитационный эффект должен возникнуть от действия совсем другого поля, однако из общей теории относительности следует, что все, обладающее энергией, искривляет пространство. Доказательство этому нашел итальянский теоретик Т. Леви-Чивита всего через два года после первой публикации Эйнштейна в своей работе о «магнитной гравитации». В этом варианте возможно использование вещества, состоящего из частиц с отрицательной массой, которое пока не обнаружено⁵⁸⁶.

Более реальным является не путешествие в прошлое с помощью «машины времени», когда обращается «стрела» времени, а физическое моделирование условий прошлого. В науке известно так называемое лошмидтово «обращение» времени: любой закон, по которому движется система из большого числа частиц, должен быть симметричным относительно времени⁵⁸⁷. Это лошмидтово «обращение» времени можно осуществить следующим способом. В атомных системах, постепенно вышедших из некоторого упорядоченного состояния, можно вызвать возврат к первоначальной упорядоченности. Здесь используется атомная «память» системы, когда создается в атомных внешне разупорядоченных системах «скрытая упорядоченность» посредством воздействия на нее когерентными электромагнитными излучениями разного типа – радиочастотным, сверхвысокочастотным или лазерным⁵⁸⁸. Иными словами, обращение «стрелы» времени можно осуществлять на основе «памяти» физических, химических, биологических и других систем. Все изложенное выше показывает необычайную сложность рассматриваемой проблемы, ее многозначный характер.