Необратимость времени

В естествознании с момента зарождения классической физики рассматриваются процессы, происходящие в пространстве и во времени.

При этом понятия пространства и времени сначала рассматривались как самоочевидные. Однако на самом деле они имеют очень сложную сущность, особенно это касается так называемых парадоксов времени.

В классической и квантовой физике время выступало в качестве особого параметра, знак которого можно менять на обратный. При этом законы классической и квантовой механики справедливы как для прямых, так и для обратных процессов, т. е. время в этих случаях является обратимым.

Парадоксы времени стали возникать позднее, с рассмотрения понятия временного интервала, или длительности, затем в связи с проблемой становления нового подхода к рассмотрению вопросов эволюции и самоорганизации неживой и живой природы, при детальном рассмотрении законов термодинамики, в частности закона возрастания энтропии.

Парадоксы времени возникают также при рассмотрении причинно-следственных связей, поскольку причина, по смыслу, должна предшествовать следствию, и т. д.

В основе парадоксов времени в основном лежит противоречие между законами классической физики, игнорирующими эволюцию и развитие, с одной стороны, и возникновением нового в той или иной системе неживой или живой природы — с другой.

В большом числе случаев исследования развития различных систем в пространстве и времени показали, что время является необратимым. В 1928 г. Артур Эддингтон (1882–1944 гг.) в книге “Природа физического мира” для образной характеристики необратимости времени использовал яркое выражение “стрела времени”.

В этой книге он предсказал конец господства в физике детерминистских (“первичных”) законов с обратимым временем и наступление эры статистических (“вторичных”) законов, описывающих необратимые процессы. Предсказание Эддингтона полностью сбылось.

Сейчас принято рассматривать уже три стрелы времени. Это, во-первых, стрела термодинамическая, указывающая направление времени, в котором возрастает энтропия, во-вторых — стрела психологическая (или биологическая).

Это направление, в котором мы ощущаем ход времени, направление, при котором мы помним прошлое, но не знаем будущее.

Это направление времени, в котором наблюдается четко выраженная асимметрия между прошлым и будущем, между причиной и следствием. И, в-третьих, стрела космогоническая. Это направление времени, в котором Вселенная расширяется, а не сжимается.

Ниже подробнее остановимся на существующих парадоксах времени и современной точке зрения на необратимость времени.

Время не существует само по себе, вне материальных изменений, точно так же невозможно существование материальных систем и процессов, не обладающих длительностью, не изменяющихся от прошлого к будущему. Пространство и время неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии материи.

В строгом смысле время выражает порядок смены физических состояний и является объективной характеристикой любого физического процесса или явления.

В общей форме для времени характерны длительность и порядок последовательности событий.

Отметим главные свойства времени:

• однонаправленность (необратимость);
• одномерность (при наличии начала отчета любой момент времени может быть задан с помощью только одного числа, а для фиксации любого события требуется один временной параметр);
• упорядоченность (моменты времени расположены по отношению друг к другу в линейном порядке);
• непрерывность и связанность (время состоит из несчетного множества мгновений, его нельзя разбить на части, чтобы в одной из них не было бы времени, бесконечно близкого ко второй части).

С течением лет взгляды на природу времени менялись существенным образом. До начала ХХ в. ученые придерживались взглядов основателя классической механики И. Ньютона об абсолютном и относительном времени.

В своей знаменитой работе “Математические начала натуральной философии” Ньютон выделил абсолютное и относительное время следующим образом: “Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся, или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год”.

Абсолютность времени означает, что каждое событие можно единственным образом пометить неким числом, которое называется точкой времени (временный отсчет), и все точно идущие часы будут показывать одинаковый интервал времени между двумя событиями.

В классической физике в качестве основных трех величин наряду с временем t принято использовать длину ℓ и массу m тел, хотя это совсем необязательно, можно подобрать другие три и через них определить все остальные.

Например, скорость определяется как изменение длины, деленное на изменение времени:

v = dl , а ускорение — dt как изменение скорости dv за интервал времени dt, т. е. a = dv = d ( dl ) = d²l. dt dt dt dt² Здесь время выступает как некоторый параметр движения, а второй закон движения Ньютона F = ma можно записать в виде: d²l. F= m dt2

Очевидно, что этот фундаментальный закон симметричен относительно направления времени. Действительно, если мы течение времени t заменим на обратное, т. е. (-t), то второй закон Ньютона останется неизменным, так как вторая производная d²l dt² не зависит от знака времени t: d²l dt² d² l =. d( t)²

Следовательно, законы классической механики допускают обратимость времени. Более того, главная особенность классической физики — это детерминизм (определенность). То есть если известны уравнения движения и начальные условия, то можно вполне однозначно определить любое состояние механической системы как в прошлом, так и в будущем.

Если она прокручивается назад, то мы увидим, что вода и лежащие на полу осколки вдруг собираются вместе и, сжавшись в целую чашку, вспрыгивают на стол. Нам ясно, что фильм прокручивается назад, потому что в обычной жизни такого не бывает.

Значит, физическое описание процессов в классической физике неполно и отражает какие-то стороны реальной природы, не затрагивает других ее глубинных свойств, учет которых должен автоматически приводить к тому, что ситуации, когда время имеет отрицательный знак,  невозможны.

В классической физике фундаментальные законы механики не содержат таких запретов. И в этом проявляется один из аспектов парадокса времени.

Парадокс заключается также в том, что весь опыт человечества, обобщенный во многих науках (геологии, биологии, истории и т. п.), говорит о существовании направленности развития событий, но почему-то это не находило своего отражения в законах классической физики.

Сегодня стала известна причина такого положения. Если в большинстве наук идея развития от прошлого к будущему составляет саму их основу как, например, в биологии — идея эволюционного развития, то в классической механике развитие событий, идеи становления практически не рассматриваются.

Какотмечал И. Р. Пригожин, внесший огромный вклад в разрешение парадокса времени, в книге “Время, хаос, квант”, “все, что дает классическая физика, сводится к следующему: изменение есть не что иное, как отрицание возникновения нового (все повторяется и все предсказано!), и время есть лишь параметр, не затрагиваемый преобразованием, которое он описывает”.

Следующие этапы развития представлений о времени в специальной теории относительности, а позднее в квантовой механике микромира также не смогли решить “парадокс времени”, связанный с существованием “стрелы времени”.

Открытие того, что скорость света одна и та же для любого наблюдателя независимо от того, как он движется, привело к созданию теории относительности, которая отвергла существование единого абсолютного времени.

Каждый наблюдатель измеряет время своими часами, и показания часов разных наблюдателей не обязательно совпадают. Время стало более субъективным понятием, связанным с наблюдателем, который его измеряет.

В СТО не существует разграничения между прошлым и будущим. Самым поразительным выводом СТО является то, что события, происходящие в определенной последовательности, с точки зрения одного наблюдателя могут совершаться в иной последовательности, с точки зрения другого наблюдателя, движущегося относительно первого.

Не улучшает положение дел с решением проблемы парадокса времени и квантовая механика микромира. В квантовой механике аналогом классического уравнения движения Ньютона является уравнение Шредингера для волновой функции , физический смысл которой — вероятность нахождения квантовой частицы в каком-то состоянии.

В уравнение движения Шредингера волновая функция входит в квадрате, и реальный физический смысл имеет лишь значение 2 , которое не зависит от знака входящего в него времени (от направления времени).

Понимание необратимости во времени многих процессов было найдено прежде всего в рамках статистической физики. В современной физике существует объяснение того факта, что процессы, происходящие с участием достаточно большого числа частиц, необратимы во времени (например, при передаче тепла от более нагретого тела к менее нагретому).

Необратимость таких процессов имеет вероятностный характер. Это означает, что обратный во времени процесс, в принципе, возможен (т. е. он не противоречит уравнениям и законам физики), но крайне маловероятен.

Именно анализ тепловых процессов позволил по-новому понять необратимость времени, выяснить внутренние причины существования термодинамической “стрелы времени”.

При изучении тепловых процессов был установлен важнейший закон природы — второе начало термодинамики, — который дает возможность выразить в математической форме направление течения физических событий.

Этот закон гласит, что в реально существующих физических замкнутых системах процессы протекают (во времени) таким образом, что энтропия S возрастает. Это означает, что направление протекания физических процессов определяется при помощи энтропии.

В дальнейшем Людвиг Больцман (1844–1906 гг.) показал, что закон возрастания энтропии необходимо рассматривать не как строгий, а как статистический закон.

Переход от высокой температуры к низкой нужно понимать, как статистическое уравнивание различий между молекулами по скоростям.

И закон возрастания энтропии подтвержден законом больших чисел в математической статистике, из которого следует, что система в целом постепенно (во времени) переходит к своему наиболее вероятному состоянию.

Эту связь между энтропией (S) и термодинамической вероятностью W состояния системы Больцман выразил в виде S = k lnW, где k — постоянная Больцмана.

Таким образом, термодинамические процессы могут быть полностью сведены к статистической механике. Направление физических процессов, а значит, и направление времени объяснятся как статистическая тенденция: акт становления представляет собой переход от менее вероятных состояний к более вероятным. Это положение представляет собой центральное звено концепции “направления” времени.

Другим аспектом рассмотрения необратимости времени является установление тесной связи между временным порядком и причинными процессами. Более того, выясняется, что временной порядок можно свести к причинно-следственному порядку.

Эта идея впервыебылавыдвинутаещесовременником Ньютона Лейбницем, а затем окончательно обоснована Эйнштейном.

Следующая биологическая “стрела времени” — развитие во времени все более совершенных форм живой природы — подтверждена современной теорией эволюции органического мира. При этом сама теория эволюции сегодня опирается на неравновесную термодинамику, в основе которой лежит концепция необратимых процессов.

В заключение отметим, что “стрела времени” существует и при решении космических проблем. Развитие космологических теорий Большого взрыва и расширяющейся Вселенной также приводит к необратимости времени, к наличию только одного направления течения потока времени.