Тайны открытий XX века

Время течет беспрестанно и бесповоротно. Так происходит в повседневной жизни. Однако до сих пор остается загадкой, какова физическая природа феномена времени. Возможно, время порождено расширением Вселенной. Тайна времени — одна из важнейших проблем современной физики.

По законам релятивистского времени

Законы физики не приближают нас к пониманию природы времени. В них нет ничего, что мы могли бы интерпретировать как описание времени, процесса его течения.

С появлением частной теории относительности мы начали все отчетливее понимать, насколько загадочен и сложен феномен времени. Ведь из уравнений, выведенных Эйнштейном, явствовало, что для двух человек, движущихся один относительно другого, само время течет по-разному. Чем быстрее перемещается человек, тем медленнее для него течет время. Классическим стал пример с молодым космонавтом, который вернулся на Землю после полета со скоростью, близкой световой, и увидел, что его брат-близнец за короткое время разлуки стал дряхлым стариком; сам же космический странник, «человек юный, бодрый», с ужасом глядел на эту непостижимую перемену.

С точки зрения Эйнштейна и современных физиков, в этой перемене не было ничего сверхъестественного. Такого понятия, как «истинное время», не может быть. У каждого наблюдателя есть свое собственное, «индивидуальное время».

В современных космических полетах время замедляется всего на считанные доли секунды, поскольку скорости полетов невысоки. Если же когда-нибудь ракеты помчатся со скоростью, близкой световой, то «парадокс близнецов», возможно, воплотится наяву.

В экспериментах, проведенных физиками, уже доказана относительность времени. Так, в опыте немецкого физика Геральда Хубера, поставленном в начале 1990-ых годов в лаборатории Гейдельбергского университета, ионы лития разгоняли до скорости 19 200 километров в секунду. Затем сравнивали их поведение с поведением частиц, находившихся в покое. Так было установлено, что для ионов лития, мчавшихся с большой скоростью, время замедлялось на одну десятимиллионную долю секунды.

Особенно эффектен был эксперимент, поставленный в 1976 году. Известно, что период полураспада мюонов, тяжелых собратьев электронов, составляет полторы миллионные доли секунды. В лабораторных условиях мюоны удалось разогнать до скорости, равной 99,94 процентам скорости света. Тут-то и выяснилось, что продолжительность их жизни возросла в 29 раз.

Ситуация станет еще запутан-нее, если принять во внимание уравнения обшей теории относи-тельности. Согласно им, мощные источники гравитации, то есть сверхмассивные объекты, также замедляют течение времени. И это доказано экспериментально.

Если взять пару чрезвычайно точных атомных часов, показывающих одно и то же время, и оставить одни часы в лаборатории, а другие поместить на борт самолета, совершающего сверхдальний перелет, то после его приземления часы на его борту будут спешить на несколько миллиардных долей секунды. Наша планета создает мощное гравитационное поле и замедляет течение времени. Данный эффект был достоверно зафиксирован еще в семидесятые годы. В 1985 году он был подтвержден с высокой степенью точности в рамках эксперимента NAVEX, проводившегося на борту космического корабля «Space Shuttle».

Меняется время и в окрестности черных дыр. При приближении к черной дыре постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила замедляет бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на часы, лишь изредка толкая стрелку. Это время за пределами черной дыры мчится, как лавина с горы. Здесь же, возле самого сердца Тьмы, время словно взрывается. За доли секунды остынет Солнце — будто и не было пяти миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, еще недавно уходившая в вечность, внутри черной дыры сжимается в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть «до скончания веков». А потом?

По всем расчетам, там должна наступить сингулярность — то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры — средоточие нашего неведения. Там нарушаются законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.

Приходится признать, что наши привычные представления о времени крайне примитивны, поскольку опираются лишь на известные нам факты — на наблюдение за природой одного крохотного уголка мироздания. Вселенная же непомерно велика и неведома.

Куда метит стрела времени

Согласно общей теории относительности, время существовало всегда. Однако многие физики, например, Стивен Хоукинг, полагают, что в момент Большого Взрыва, не только возникла материя, но и родились пространство и время. «Рассуждать о том, что было за секунду до Большого Взрыва, так же бессмысленно, как и говорить о том, что находится на километр к северу от Северного полюса», — поясняет Хоукинг.

Да что там «за секунду до»?! По мнению физиков, не существовало и некоторых моментов времени после Большого Взрыва. Предположительно, есть «квант времени» — минимальный неделимый отрезок времени. Подсчитана и его величина — десять в минус сорок третьей степени секунды. В таком случае нельзя спрашивать, что было через десять в минус пятидесятой степени секунды после Большого Взрыва или что было через десять в минус сотой степени секунды. Таких моментов времени просто не было в природе.

Пустота, мнимость, ничто — и вдруг, как по мановению фокусника, из пустоты рождается доля секунды, «Северный полюс времени». И в следующие мгновения выстроится цепочка этих песчинок времени — его квантов. Цепочка, уходящая за горизонт. На веки веков! Река времени, пробившая твердь пустоты. Теперь ее бег не остановить.

Но почему же время течет в одном направлении? Почему его река не петляет, не сворачивает, не возвращается к истоку? Почему она необратима, как кажется нам? Основные законы физики, описывающие природные феномены, инвариантны по отношению к времени. Это значит, что в принципе любой физический процесс является обратимым. Время отнюдь не течет из прошлого в будущее — с таким же успехом оно может течь из будущего в прошлое. Однако повседневный опыт учит иному: что-то мы ни разу не видели, чтобы осколки разбитой чашки снова склеились или упавшее яблоко взлетело вверх.

И тут нельзя не вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что энтропия, то есть «мера беспорядка», замкнутых систем неизменно нарастает. Порядок превращается в хаос. Конечно, в отдельных сегментах системы может происходить и нечто противоположное: чашка склеивается, яблоко, вопреки мнению Ньютона, взлетает на ветку. Однако вероятность этого практически равна нулю, — ну, может быть, пару раз в вечность и случится такое.

Значит, второй закон термодинамики нарушает симметрию времени. Физики говорят о «термодинамической стреле времени», которая, может быть, и заставляет время течь из прошлого в будущее. Проблема только в одном: этот закон нельзя вывести из основных уравнений физики. Это — постулат, в его основе лежит опыт, обретенный многими поколениями людей.

Такой ответ не устраивает физиков, представителей строго научной школы. В 1998 году сотрудники CERN провели эксперименте К-мезонами, или каонами, и их античастицами — антикаонами, анализируя скорость их распада. Результаты этого эксперимента можно истолковать так: время течет назад и вперед с разной скоростью, то бишь время отнюдь не зеркально симметрично. Физики говорят об «асимметрии времени в квантовом мире», о «врожденной ориентации каонов во времени», о «стреле времени в микромире».

По предположению израильского физика Ювала Неемана, «направленность времени, проявляющаяся в поведении каонов, связана с расширением Вселенной». Если бы Вселенная не расширялась, а сжималась, то преобладали бы антикаоны.

Итак, физики вновь и вновь возвращаются к мысли о том, что Большой Взрыв породил время, а начавшийся процесс расширения Вселенной сыграл роль «стрелы времени», придал происходящему в ней особую внутреннюю динамику.

Что же касается термодинамических процессов деградации, наблюдаемых во Вселенной, то они, как предположил, нобелевский лауреат Илья Пригожий, являются локальными событиями, и нет доказательств, будто они определяют ее судьбу. Во Вселенной, полагают некоторые космологи, есть и островки, где время течет вспять. По мнению Лоренса Шульмана, «подобные островки могли бы состоять из невидимой нами темной материи, из которой состоит большая часть Вселенной».

Вообще, если оставаться на строго научных позициях, нельзя однозначно сказать, не повернет ли «стрела времени» когда-нибудь назад и не начнет ли Вселенная сжиматься, а время — течь вспять. Тогда процесс самоорганизации возьмет верх, и Вселенная будет вечно становиться все сложнее. Пойдут вспять и термодинамические процессы: например, холодные газы, рассеянные в космическом пространстве, начнут само собой нагреваться — только за счет постепенного сжатия Вселенной.

«Вселенная вступит в эру чудес. Лучи света превратятся в звезды, из упавших яблок вырастут деревья, из горсток праха возродятся люди — они будут молодеть на глазах, пока не превратятся в нерожденные комочки клеток», — пишет австралийский философ Хью Прайс, автор книги, посвященной «стреле времени».

Впрочем, астрономические открытия последних лет свидетельствуют, что наша Вселенная будет, по-видимому, расширяться вечно. Со временем все разрушится, Вселенная опустеет. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр. Все пространство заполонит космическая пыль. Вечность преборет все, хотя, как печально заметил Джеймс Джойс, «к концу всех этих биллионов и триллионов лет вечность едва начнется».

Под действием силы тяжести отдельные пылинки время от времени будут сливаться друг с другом. Эти сгустки, коллапсируя, вновь превратятся в черные дыры, которые вслед за тем снова аннигилируют. Вселенная, как заезженная пластинка, будет какое-то время наигрывать одну и ту же мелодийку: сгущение, коллапс, аннигиляция, сгущение, коллапс, аннигиляция… Но когда-нибудь уничтожатся и эти остатки вещества.

К тому времени вся жизнь во Вселенной, «свершив печальный круг, угаснет». В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей.

Что впереди? «Холодно, холодно, холодно. Пусто, пусто, пусто. Страшно, страшно, страшно» (А.П. Чехов). И течет бесконечное Время.

… Легко понять, что в опустевшей Вселенной не будет стрелы времени, потому что там ничего не будет происходить. Вселенная словно умрет… Чтобы родиться в новых гипотезах физиков! И тогда вместе с ней, как феникс из пепла, восстанут и время, вытянувшись цепочкой квантов, и стрела времени. Все начнется вновь? Станет еще одним звеном в той цепи перерождений, в которую веруют буддисты? И что это за цепь? Время? Так что же такое время?