Физика времени

Классическая механика осознала, зафиксировала и описала те свойства времени, которые поддаются непосредственному восприятию в повседневном опыте. Время классической механики — это время макромира, мира, масштабом и мерой которого служит сам человек и окружающие его тела природы. Микромир, мир атомов и элементарных частиц, был еще недоступен науке. О макромире, о Вселенной в целом можно было тогда только строить гипотезы. Но огромное разнообразие явлений макромира, связанных с движениями тел, получило полное, надежное и точное объяснение. В основе этого объяснения, в его фундаменте лежало то понимание времени, которое сложилось у Галилея и было ясно и четко сформулировано Ньютоном.

Абсолютное время, неподвластное никаким воздействиям, с раз и навсегда заданным темпом — вот исходная аксиома классической механики. Успехи классической механики в объяснении явлений макромира, чрезвычайная плодотворность ее применений в конструировании различных машин, механизмов, сооружений — все это рассматривалось как подтверждение аксиомы абсолютного времени, подтверждение, необычайное по богатству, полноте и надежности.

Свойства времени, установленные и проверенные классической механикой в движениях макроскопических тел, не подлежат отмене или пересмотру. Это достижение, которое останется в науке навсегда. Но уже и основоположникам классической механики было понятно, что от четкого выяснения непосредственно проявляющихся свойств времени еще очень далеко до постижения его глубинного физического содержания. Новый крупнейший шаг на этом пути был сделан спустя почти три столетия, в начале XX века, усилиями Эйнштейна и других физиков и математиков, подготовивших появление теории относительности и сделавших ее затем основой современного физического мировоззрения.

Классическая механика действует и торжествует в макромире, но только в нем. Как было установлено и осознано в начале нашего века, область ее применения ограничена в двух важнейших отношениях. Во-первых, скорости исследуемых ею движений должны быть малы по сравнению со скоростью света. Во-вторых, силы тяготения, управляющие движениями тел, должны быть слабыми, чтобы они не могли разогнать эти тела до скоростей, сравнимых со скоростью света.

Теория относительности вышла за эти рамки, расширила поле деятельности физики. Она не отбросила классическую механику, а включила ее в себя в качестве частной, приближенной теории, действующей при должных ограничениях скорости и сил тяготения. Теория относительности открыла новые свойства времени.

Как и в классической механике, эти свойства проявляются прежде всего через движение физических тел. Вместе с тем время оказалось теснейшим образом связанным с пространством. Вместе с пространством оно составляет единый четырехмерный мир, в котором и происходят все физические явления. Это единство времени и пространства, их сцепленность друг с другом обнаруживаются тогда, когда скорости движения тел приближаются к скорости света.

В теории относительности время оказывается не абсолютным. Во-первых, абсолютного смысла лишается понятие одновременности. В классической механике два события, одновременность которых зафиксирована по каким-то одним часам, остаются одновременными и по всем другим часам, движущимся относительно первых и относительно друг друга. Теория относительности утверждает, что это не так: то, что одновременно по одним часам, не одновременно по другим часам, если они движутся друг относительно друга. Имеется, конечно, приближенная одновременность, когда скорость часов мала по сравнению со скоростью света, — это и есть область действия классической механики. Но когда скорость приближается к скорости света, два события, зафиксированные как одновременные по одним часам, оказываются случившимися в существенно разные моменты времени по другим часам, очень быстро движущимся относительно первых.

Во-вторых, сам темп времени теперь зависит от движения и становится поэтому относительным. Часы, движущиеся относительно нас, всегда представляются нам отстающими. Это означает, что измеряемое ими время замедлено в своем беге. Конечно, и в этом случае эффект на самом деле заметен только при больших скоростях.

Наконец, в-третьих, время оказывается подверженным действию сил тяготения, они влияют на его темп: там, где имеются силы тяготения, время течет медленнее, чем в отсутствие этих сил. Различие в темпе времени практически незаметно при земном тяготении, но оно тем значительнее, чем сильнее тяготение. В присутствии очень сильного тяготения, например вблизи черной дыры, темп времени столь сильно замедляется, что оно даже как бы останавливается там в своем беге.

Теория относительности дает полное представление о том, как и от чего зависит темп времени и отмеряющий его ход часов. Она позволяет построить физико-математические модели, описывающие время и пространство Вселенной как целого. На ее основе Фридман предсказал общую динамику Вселенной, а учет в его теории данных астрономии позволил установить, что космологическое расширение продолжается приблизительно 15 или 18 миллиардов лет.

Так в физике появилась мера времени, определяющая темп эволюции всей Вселенной. Возраст нашей Галактики на несколько (3 или 5) миллиардов лет меньше возраста Вселенной. Солнце и Земля еще моложе — им около 5 миллиардов лет. Вселенная как целое старше галактик, звезд, планет, а также и самих атомных ядер и элементарных частиц, из которых состоят все ее тела и системы.

Кстати, о возрасте атомных ядер имеются непосредственные экспериментальные данные. Они получены из измерений природной распространенности на Земле некоторых радиоактивных элементов. Возраст самых старых их ядер достигает 15 или даже 18 миллиардов лет. Замечательно, что эти данные согласуются с космологическими оценками возраста мира. Конечно, точность, с которой в обоих случаях определяется возраст, не слишком высока, и потому совпадение этих величин нельзя понимать слишком буквально. Нельзя, например, считать, что ядра возникли в самой сингулярности,— они могли возникнуть через минуты, часы, годы, а то и сотни миллионов лет после нее.

Кванты

Квантовая теория, вторая великая физическая теория наших дней, вместе с теорией относительности, в комбинации с нею, проливает новый свет на свойства времени, особенно в микромире.

Классическая механика дала теорию времени для макромира, теория относительности — для мегамира, для Вселенной как целого. В микромире без квантовой теории не обойтись — это область, где квантовые явления играют ключевую роль. Подлинный синтез обеих теорий, в котором наравне с квантовой теорией в полную силу звучала бы как специальная, так и общая теория относительности, остается пока еще делом будущего.

Ряд замечательных следствий такого синтеза известен, однако, уже и сейчас. Прежде всего, это гравитон — квант «взволнованного» пространства-времени, который сочетает в себе свойства элементарной частицы, летящей со скоростью света, и легкой волны искривленности, бегущей по четырехмерному миру. Искривленность пространства-времени, даже очень слабая, обеспечивает его энергию и импульс. Собственно, это энергия и импульс самого искривленного пространства-времени, трактуемые на языке квантовой теории. Здесь приоткрывается завеса над совсем новыми связями в природе, глубинный смысл которых еще предстоит выяснить. И в самом деле, квантовые эффекты вызывают «материализацию» пространства-времени (если воспользоваться этим старым словом, которое в ходу сейчас, кажется, по большей части у фокусников-иллюзионистов).

Другим замечательным успехом на этом пути мы обязаны английскому теоретику С. Хокингу. Он применил квантовые соображения к такому объекту, как черная дыра. Здесь поле тяготения, а с ним и искривленность пространства-времени уже не слабы, как в «проквантованных» гравитационных волнах. Напротив, это пример очень сильных релятивистских эффектов. Оказалось, что черные дыры предстанут перед нами уже не абсолютно черными, если учесть соотношения неопределенностей и иные закономерности мира квантовых явлений. Хокинг доказал, что черная дыра должна испускать частицы и излучение. Она испускает их подобно нагретому телу, причем соответствующая температура тем выше, чем меньше масса, ушедшая в черную дыру. Излучение уносит с собой энергию, которая черпается из этой массы. Масса убывает, но из-за этого температура только возрастает. А чем выше температура, тем больше мощность излучения. В конце концов черная дыра заканчивает свое существование сильным всплеском излучения.