Физика времени - Чернин Артур Давидович - Страница 41

Но как выбрать между этими мыслимыми вариантами эволюции Вселенной? Между этими моделями прерывистого и сплошного времени? Только проверка в эксперименте или наблюдении может принести подтверждение или опровержение теоретической идее.

Увы, об этом мы мало что можем сейчас сказать. Спустя 25 веков после Платона мы все еще не знаем, какой эксперимент, какое наблюдение нужно поставить, чтобы узнать, действительно ли время Вселенной бежит по кругу. Это только один из многих вопросов о мире и времени, над которыми люди размышляют веками и тысячелетиями — со времен «Ригведы» и космогонических легенд до нашего века точных наук.

ГЛАВА 12

ВРЕМЯ И ЭНЕРГИЯ

В физике различают три области исследований в соответствии с размерами изучаемых тел и продолжительностью происходящих с ними изменений. В предыдущих главах мы коснулись астрофизики и космологии; вместе они составляют одну из этих трех областей физики: ее предметом являются самые крупные по размеру физические тела — галактики, их скопления, Вселенная как целое. Размеры видимой Вселенной оцениваются приблизительно в 10—15 миллиардов световых лет. В переводе на метры это составляет величину порядка 1026 метра. Что же касается продолжительности процессов, охватывающих всю Вселенную, то о ней можно судить по промежутку времени, за который расстояния между галактиками удваиваются вследствие космологического расширения. Он составляет примерно 15—18 миллиардов лет. Столько же приблизительно времени прошло от начала расширения.

Интервал от самого малого до самого большого охватывает, как мы видим, 44 порядка (то есть степеней десяти) на физической шкале размеров. Интервал времени на шкале длительностей столь же велик. Эти крайние размеры и длительности очерчивают пределы научного знания, пространственно-временные границы современной физической науки. На этих рубежах и ведется сейчас ее дальнейшее наступление. Здесь происходит раскрытие принципиально новых и самых глубоких закономерностей природы. Поэтому астрофизику (с космологией) и физику микромира называют фундаментальными областями физики.

«Между» этими двумя областями располагается «обычная» физика, изучающая тела «обычных» размеров, с которыми мы имеем дело в нашей повседневной жизни. Эти тела не слишком сильно (не на много порядков) отличаются по размерам от нас самих, а происходящие с ними явления разыгрываются за времена, не слишком сильно отличающиеся от нашего собственного возраста. В этой области размеров и длительностей принципиальных загадок для физики уже не осталось: здесь действуют хорошо известные и надежно проверенные общие законы, и никаких неожиданностей — фундаментального, принципиального порядка — быть не может. Это и есть область классической физики, классической механики. О ней говорят так же, как о физике макромира.

В этой главе мы расскажем о том, как в физике, в трех ее областях, установлены и изучаются глубинные связи между свойствами времени и самой важной характеристикой физических тел и их взаимодействий — энергией. Мы начнем с классической механики, затем обратимся к космологии и общей теории относительности и, наконец, остановимся на физике микромира с ее особыми квантовыми закономерностями.

При всем огромном разнообразии явлений, происходящих в очень сильно различающихся между собой масштабах пространства и времени, физический мир представляет собой единое целое. И изучающая его наука тоже в идеале должна быть единой и универсальной. В своих фундаментальных областях физика развивается сейчас именно в направлении объединения, в направлении поиска единства самого большого и самого малого.

Симметрия времени

Одно из неотъемлемых свойств времени в классической механике — его однородность, то есть одинаковость, неразличимость и равноправность всех его моментов (см. главу 4). Это свойство именно самого времени, а не того, что в нем происходит. Зажигаются и гаснут звезды, возникают и разрушаются планеты, зарождается жизнь, сменяются поколения — абсолютное время ко всему этому безразлично. Мир физических тел претерпевает многообразные изменения, но само абсолютное время на эти изменения никак не реагирует. В ходе инерциальных часов каждое «тик-так» неотличимо от всех остальных.

Однородность времени, как и однородность и изотропия пространства, представляют собою их свойства симметрии. Слово симметрия по-гречески значит соразмерность. Мы говорим о симметрии городской площади или здания, о симметрии узора на ковре, о симметрии кристалла. В этих случаях мы имеем дело с симметриями в пространстве: пространстве города, ковра или какого-то минерала. Но в городе, на ковре или в образце минерала нет однородности. Это примеры иных симметрий. А пример однородности — прямое как стрела шоссе, без подъемов и спусков, всюду одинаковое по ширине, по гладкости и т. д. Все участки такого идеального шоссе одинаковы, неразличимы и равноправны. Если на этом шоссе устраивать автогонки, то все равно, в каком месте давать старт. Результат гонок от этого никак не будет зависеть. Их ход и результат безразличны к тому, где проведут черту старта: здесь или сдвинут ее по шоссе в ту или другую сторону. Однородность — это сдвиговая симметрия, симметрия относительно сдвигов.

Согласно определению, предложенному знаменитым математиком Германом Вейлем, объект является симметричным, если над ним можно произвести некоторые операции, в результате которых он будет выглядеть точно так же, как и прежде. Идеальное шоссе — это объект, который никак не изменяется при сдвигах вдоль него.

Таким же однородным, как идеальное шоссе, является абсолютное время классической физики. Оно обладает симметрией относительно сдвигов момента, принимаемого за начальный. Это означает, что все равно, какой из моментов принять за начало счета времени, за его старт. С какого момента ни отсчитывать время, полагать ли начальным какой-то данный момент или сдвигать «нуль времени» вперед — в будущее, или назад — в прошлое, все равно отрезок времени между двумя определенными событиями будет одним и тем же. Его длительность от этого не зависит. От этого вообще ничего не зависит — ни один из результатов физических наблюдений, опытов и т. п.

В абсолютном времени нет никакого выделенного, особенного момента, который мог бы претендовать на исключительное право считаться начальным, стартовым моментом. Да и вообще на какие-либо особые права. Все моменты одинаковы — потому-то одинаковы и результаты одних и тех же физических экспериментов, проделываемых в разное время. Это подтверждается всем опытом классической физики.

Физические процессы идут одинаково, и их результат один и тот же, когда бы они ни начались — сейчас, через год или быть может, миллиард лет назад.

То же можно сказать и о пространственных симметриях. В пространстве классической физики нет ни каких-то выделенных точек, ни выделенных направлений. Все точки, все направления одинаковы и равноправны, и потому физические эксперименты, проделываемые в разных местах и при различной ориентации приборов по направлениям, дают одни и те же результаты. Однородность пространства — это его симметрия относительно всевозможных сдвигов. Изотропия — симметрия относительно всевозможных поворотов вращений вокруг всевозможных осей в пространстве.

Вечный двигатель

Одно из незыблемых законов классической физики — закон сохранения энергии. Если некоторая система тел изолирована от всех других тел и никак с ними не взаимодействует, то энергия этой системы не меняется со временем, остается всегда одной и той же. Она может только переходить из одной формы в другую при разнообразных превращениях внутри системы. Например, кинетическая энергия переходит в потенциальную и наоборот, как это известно по примерам свободного падения тел в поле тяготения.

Если же система взаимодействует с другими телами, то ее энергия может измениться, но всегда так, что сколько энергии она получит (потеряет), столько же ее потеряют (получат) эти другие тела.