Физика времени

«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.