Физика времени

Когда говорят о реке, то сводят вопрос о ее беге к понятиям более общим и в некотором смысле простым. Отвечают, используя такие представления, как вода, наклон, движение, верх и низ... А существуют ли понятия более общие и простые, чем время и его бег? Неизвестно.

Если такие понятия существуют, то, быть может, нужно искать подсказки и намеки в каких-то определенных физических процессах. Таких, которые в каком-то смысле просты, но вместе с тем и универсальны, всеобщи. Некоторые усилия, и давние и вполне современные, сделаны как раз в этом направлении, с этой надеждой. Не исключается, что подходящие процессы уже известны, а нет, так, возможно, пока не известны, но будут когда-нибудь открыты. Например, в мире элементарных частиц.

Возможен и совсем иной взгляд, согласно которому время и его бег представляют собою (вместе с пространством) самое фундаментальное и самое элементарное, к чему должна сводиться вся физика, и что в свою очередь уже не сводимо ни к чему отдельному в явлениях физического мира.

Гипотеза Больцмана

Знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906) выдвинул более ста лет назад предположение, что природа времени и, прежде всего, направление его течения связаны с особым родом физических явлений, которые называют необратимыми.

Если взять два железных бруска, один горячий, а другой холодный, и приложить их друг к другу, то, как всем хорошо известно, тепло будет переходить от горячего бруска к холодному. Горячий брусок будет из-за этого остывать, а холодный нагреваться. Переход тепла продолжается до тех пор, пока температура обоих брусков не сравняется.

Это одно из необратимых физических явлений, и необратимым его называют потому, что никто никогда не видел, чтобы после того, как температура брусков выравнялась, тепло стало бы само собой возвращаться назад к горячему прежде бруску.

Когда нет никакого направленного извне вмешательства, тепло всегда переходит от горячего тела к холодному. Здесь важно, что физические тела должны быть действительно целиком предоставлены самим себе. Иначе будет, например, то, что происходит в камере домашнего холодильника — в ней холоднее, чем в комнате, но температура камеры и температура комнаты не выравниваются, а их различие может и возрастать, когда холодильник включается и начинает работать его механизм.

В изолированных от внешних воздействий физических телах, в системах физических тел, предоставленных самим себе, все тепловые явления неизменно развиваются в одном направлении — в направлении выравнивания температуры. Это универсальное свойство природы. В несколько более общей формулировке, включающей рассмотренное нами явление как один из частных случаев, об этом свойстве всех физических систем говорят как о втором начале термодинамики. Насколько это важный факт, можно судить по тому, что второе начало термодинамики стоит рядом с законом сохранения энергии, который в этой области физики называют, как мы уже упоминали, первым началом.

Кстати сказать, Больцман был первым, кто объяснил физическое содержание второго начала термодинамики на основе представления о хаотических тепловых движениях молекул или атомов, из которых состоят газы, жидкости и твердые тела.

Из других необратимых явлений упомянем перемешивание жидкостей — например, расплывание сиропа в стакане минеральной воды. Необратимым образом перемешиваются и газы. В газах и жидкостях само собой происходит необратимое сглаживание различий в концентрации частиц, в давлении и других их физических характеристиках. В этих случаях тоже, конечно, нужно исключить всякое внешнее воздействие, в том числе, например, и воздействие земного тяготения.

Изолированная физическая система всегда стремится к состоянию, в котором достигается наибольшее возможное выравнивание — выравнивание температуры, состава, концентрации и т. д. Это состояние называют состоянием термодинамического равновесия.

Стремление к термодинамическому равновесию имеет универсальный характер и не знает исключений. Не оно ли определяет направление, в котором течет время? Эта идея и была высказана Больцманом. Он предполагал, что время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические явления. Более того, необратимые явления охватывают все тела физического мира и всю Вселенную в целом; они вносят во Вселенную развитие, создавая тем самым время, задавая его ход и темп, указывая, в какую сторону ему течь. Так возникает непрерывное течение времени, уносящее события в прошлое, влекущее нас в будущее.

В духе представлений об абсолютном времени классической физики, одинаковом всюду и везде в мире, обращение ко Вселенной было естественным и даже необходимым. По мысли Больцмана, стремление всей Вселенной как целого к тепловому равновесию (к тепловой смерти, как об этом говорили потом) — единственное направление ее развития *). И то, что мы называем временем, есть в действительности просто отражение в непосредственно окружающем нас мире этого неудержимого «старения» Вселенной, ее стремления к своему естественному концу.