Можно ли повернуть время? Или время глазами физики.

время

Время необратимо. Оно течет в одну сторону. Так — абсолютно во всех областях физики: механике, термодинамике, электродинамике… всюду эта стрела времени, острие которой всегда направлено вперед. И уже из этой повсеместной однонаправленности времени следует, что причина ее лежит глубоко в природе материи. Так глубоко, что наших сегодняшних знаний мало для разгадки. А хочется уже теперь, сейчас найти ответ. Вот и пытаются порой хотя бы намек на него увидеть в том, что называют обратимостью времени в механике. Но ведь и называют-то напрасно.

Да, действительно, если в механике возможно какое-либо движение, то (конечно, при отсутствии трения) возможно и движение обратное. Маятник качается слева направо, чтобы затем повторить тот же путь, только в обратном направлении. А если столкновение двух бильярдных шаров заснято на кинопленку, то пленку можно пускать «задом наперед», и происходящее на экране никого не удивит. Шары могут столкнуться, могут и разлететься. Все правильно. Хорошо бы вот этак, дожив лет до пятидесяти, «запустить» время в обратную сторону — и вот тебе опять восемнадцать. Такое «эгоистическое» управление временем только для самого себя можно назвать вариантом Фауста.

Превращение Фауста из старца в юношу ничего не изменило в окружающем мире: часы в кармане Фауста по-прежнему шли вперед. Мы не знаем в точности, какие физико-химические процессы в клетках вызывают их старение и отмирание. А вдруг и вправду старую клетку можно сделать такой же активной, как и молодая? Считает же известный американский физик Ричард Фейнман, что старение и смертность всего живого не вытекают прямо и безусловно из законов физики. Строго говоря, вариант Фауста — биологический, а не физический.

Что же, рассмотрим чисто физический вариант — путешествие на уэллсовской машине времени. Посетим древнюю Грецию, запишем песни Эллады на диктофон, заедем в Москву эпохи Ивана Грозного за книгами из его библиотеки и вернемся домой с трофеями. Ситуация, тысячи раз обыгранная фантастами. При этом они даже не оговаривают, только подразумевают, что путешественник и в эпоху, предшествующую его рождению, сохраняет свою личность и помнит все, что узнал до момента отправления в прошлое. Заманчиво? Недаром у Льюиса Кэрролла («Алиса в Стране чудес») Шляпочник говорил Алисе: «Надо быть в хороших отношениях со временем, тогда оно делало бы с часами все, что только пожелаешь». Правда, о том, что эти часы могут пойти именно назад, Кэрролл не писал.

Так можно ли для начала установить хорошие отношения со временем хотя бы в механике — остановить часы, чтобы пустить их вспять? Нет, говорят, в механике никаких запретов, препятствующих обращению времени — перемене его знака. Правильно говорят, только забывают добавить: «перемена знака времени должна быть произведена во всем интервале времени». Что это значит? Бильярдные шары могут от удара разлететься друг от друга, могут, наоборот, встретиться. Но попробуйте-ка представить себе киноленту, на которой начавшие разбегаться бильярдные шары без всякой причины останавливаются и возвращаются обратно. Сразу увидите: фальшивка, лента склеена из двух разных кусков. А неподдельную киноленту можно прокручивать в любую сторону хоть с начала к концу, хоть от конца к началу, но только целиком. Возможно прямое движение, возможно обратное, но переход от одного к другому невозможен.

время

Словом, маятник часов идет то слева направо, то справа налево, а время — всегда в одном направлении. Стрела времени — едина для всей физики, даже более точно — для всей природы.

Ну а не пойти ли вслед за теми, кто причины направленности времени и возможность поворота времени ищет в космосе? Лучшая модель Метагалактики сегодня — та, что создана в 1922 году А. А. Фридманом на основе общей теории относительности. Лучшая потому, что хорошо согласуется с астрономическими наблюдениями. Строго говоря, здесь целое семейство моделей, свойства которых зависят от того, какова средняя плотность вещества в Метагалактике. Но во всех вариантах возможной истории по этим моделям гравитирующая материя разлетается — мир расширяется, затем для одного из вариантов — закрытой модели — расширение Метагалактики сменяется ее сжатием. Так, может быть, стрела времени летит только в одну сторону по той причине (или по той же причине), что наша Вселенная сейчас только расширяется? Но ведь в решении Фридмана направление времени не меняется при переходе Метагалактики от расширения к сжатию, оно остается одним и тем же, всегда одним и тем же. Даже такие катаклизмы, как изменение характера движения материи во Вселенной, не в состоянии повернуть стрелу времени.

Позволю себе небольшое отступление, демонстрирующее, как мне кажется, глубочайшую связь старых и новых научных представлений о мире, прочную связь теорий Ньютона и Эйнштейна.

«Эйнштейновское» решение Фридмана о расширении мира можно получить и на основе чисто «ньютоновских» представлений. Частицы материи разлетаются по инерции. В то же время взаимное их притяжение постепенно заставляет скорость разлета падать. Если скорость с самого начала была ниже некоей величины, разлет частиц сменится падением их друг на друга, и тогда Метагалактика начнет сжиматься.

Итак, сжимается Метагалактика или расширяется, времени, по Фридману, все равно. Но есть все-таки ситуация, для которой модель Фридмана не годится, в которой решение Фридмана не имеет смысла. Это при бесконечной плотности вещества. «Сингулярности» — так называют моменты, когда плотность вещества оказывается бесконечной. В состоянии сингулярности было, по современным представлениям, все вещество нашей Метагалактики перед началом ее расширения. Так было ли в этот момент, предшествующий расширению Вселенной, само время? Или «было такое время, когда времени не было»?

Чтобы ответить, надо поставить конкретные значения тогдашних параметров вещества в уравнения общей теории относительности. Но бесконечная плотность вещества делает, увы, все члены этих уравнений поля бесконечными. Герой Станислава Лема, профессор Тарантога, изобрел банкноты с горизонтальной восьмеркой — для обозначения бесконечной суммы денег. Только вот что он с ними мог делать? В том же положении оказываются физики — с бесконечными членами уравнений им делать нечего. Где же выход, как все- таки узнать, что происходит со временем в сингулярности?

Всем знаком один из примеров проявления этого принципа в физике: тело, движущееся по инерции, всегда идет по прямой — кратчайшему пути, и так в любой ситуации из всех возможных траекторий реализуется самая короткая. Не буду вводить читателя в хитроумные профессиональные тонкости — здесь важно другое: удалось доказать, по крайней мере для ряда случаев, при этом наиболее интересных для физики, что направление времени при переходе через сингулярность сохраняется.

Способов обойтись в данном случае без уравнений поля оказалось несколько. Тот же вывод может быть получен также и из «принципа соответствия» общей теории относительности с ньютоновской теорией тяготения. Теория Эйнштейна «поправляет» ньютоновский закон всемирного тяготения только тогда, когда скорости тяготеющих тел приближаются к скорости света. Если же скорости таких тел много меньше, уравнения общей теории относительности дают те же результаты, что ньютоновские формулы. И, значит, те результаты и выводы эйнштейновской теории, к которым скорость света прямого отношения не имеет, должны совпадать с ньютоновскими полностью.

Это второе рассуждение проще первого, но до него додумались позднее. В науке и технике существует своеобразный «закон» — чем проще решение, тем труднее его найти! Раз задача назрела, то обычно она решается многими способами и многими авторами. Другие ученые, двигаясь иными путями, пришли к тому же выводу, что и мы: бесконечная плотность вещества не меняет знака времени. Значит, оказываются невозможными красочно описанные В. Комаровым построения Уилера и Девиса. Напомню, что в модели Девиса при прохождении через сингулярность время меняет свое направление, а в модели Уилера при прохождении через сингулярность вообще меняются свойства Вселенной.

сингулярность

От этих экзотических моделей приходится отказаться. А, честно говоря, жаль — красивые, эффектные идеи! Но, увы… тем и отличается физик от лирика — он не может увлекаться красивыми построениями, не реализуемыми в природе. Законы природы ограничивают наши возможности, и физик, подобно детективу, должен найти не все, что может быть, а единственно правильное решение задачи.

Иногда спрашивают: зачем физик копается в сингулярностях, которые были — если были — более десяти миллиардов лет назад? Он же все равно, в силу необратимости времени, ничего там не изменит. Какое это имеет отношение к сегодняшним проблемам науки? Поверьте, дело тут не просто в любопытстве, пусть благородном. Все в нашем мире взаимосвязано. Реакции в атомном ядре растапливают огненные печи звезд, настоящее зависит от прошлого, и законы природы надо знать во всей возможной полноте. Мы должны быть уверены в достоверности наших знаний о природе, именно, повторю, в полноте их, как ни странно это звучит. Разумеется, я не хочу сказать, что мы знаем о природе все, но нам необходимо четко определять, где проходит граница того, что нам о ней известно.

Если существуют (существовали) не известные нам физические поля, источники энергии неизвестной природы, то это должно было каким-то образом сказаться при колоссальных температурах и плотностях в период, близкий к сингулярности. Вещество нашей Метагалактики, пережив эти температуры и плотности, донесло следы их до нас, мы пытаемся найти и понять эти следы. Когда наши расчеты не согласуются с наблюдениями; то одно из двух: либо неверна теоретическая модель, которой руководствовались при расчетах, либо в природе есть неучтенные, неизвестные нам источники энергии.

Если надежные астрономические данные говорят о таких источниках, то рано или поздно они будут открыты и на Земле — или созданы людьми. Если же астрофизика уверенно скажет, что нет никаких указаний на существование источников энергии неизвестной природы, то остается работать над использованием для человечества той энергии, которую мы уже знаем,— солнечной, ядерной, термоядерной…

Еще один путь для движения во времени пробуют найти на основе модели Геделя, историю которой очень хорошо описал В. Комаров. Тяготение, как известно, действует на все виды материи, в том числе и на свет, лучи света искривляются. Тяготение искривляет пространство, прямые линии становятся кривыми. Не могут ли и линии самого времени искривиться, искривиться до того, что замкнутся, станут замкнутыми кривыми? Такие «замкнутые времяподобные линии» возникают в решении Геделя. Все события на «геделевской» линии повторяются — через оборот — до мельчайших подробностей, прошлое регулярно к нам возвращается. Возникают и линии, ведущие из настоящего в прошлое. С точки зрения космонавта в звездолете, движущемся по «линии Геделя», его часы идут нормально, он летит вперед не только в пространстве, но и во времени, а для нас, наблюдателей, он с каждым следующим витком все дальше и дальше уходит назад, в прошлое.

Из анализа решения Геделя можно в принципе получить необходимые для существования петель времени условия. (Я пишу «в принципе», потому что такой анализ пока еще никто не провел.) Значит, петли времени все-таки возможны не только в фантастике?! Ведь решение Геделя — вполне законное решение уравнений общей теории относительности, не менее законное, чем модель Фридмана.

Но тут придется напомнить наше сравнение физика с детективом. Не все варианты, теоретически возможные, осуществляются природой. А физика интересует в отличие от фантаста именно то, что есть на самом деле. И все-таки ситуация не безнадежна. Ведь, скажем, колеса тоже в природе не было, но оно не запрещено ее законами — результат налицо. Если решение Геделя, на самом деле, возможно, то оно может быть реализовано искусственно. Могут быть созданы «дороги» для езды в прошлое — и возвращения из него. Нам это не под силу, но кто ограничит силу наших далеких потомков! Космонавт-звездолетчик, пролежавший в анабиозе тысячи лет по пути к далекой звезде и обратно, перед посадкой на Землю делает нужное количество витков в такой «Геделиане», искусственно сооруженной из грандиозной системы. Человечество сможет заселить далекие галактики, держать связь на расстояния в десятки тысяч и миллионы световых лет — сигнал только должен по пути пройти и через Геделиану!

Это, конечно, мечта, но насколько она обоснованна? Непривычное всегда принимается с недоверием. Вспомните для примера первую реакцию Эйнштейна на фридмановское толкование его же собственной теории.

К «чисто теоретическим» выводам надо относиться серьезно. Может быть, и решение Геделя ждет своего признания? Очевидное возражение против решения Геделя состоит в следующем. Если космонавт сделает лишний виток в «Геделиане» или хоть немного отклонится от расчетной траектории, то он может прилететь на Землю до своего отлета, встретиться сам с собой и помешать собственному старту или скажем, встрече и знакомству своих будущих родителей (Вспоминаем отличный фильм об этом, «Назад в будущее»).

назад в будущее

Это, как вы, наверно, знаете, общее возражение против идеи путешествия во времени. Парадокс, не раз остроумно решавшийся фантастикой, но то фантастика. Значит, решение Геделя ошибочно? Но ведь оно следует из общей теории относительности. Выходит, эта теория неверна? Автор полагает все-таки, что теория Эйнштейна верна, а решение Геделя — нет.

Но чтобы доказать это, надо проанализировать, какая физическая реальность может соответствовать такому решению, какая форма материи может создать гравитационное поле, требующееся для «Геделианы». Если такая форма материи просто невозможна или источник необходимого поля должен иметь бесконечную массу (что опять-таки невозможно) — а для уже разобранных учеными случаев дело обстоит именно так, — то решение Геделя физически нереализуемо. И мечта останется только мечтой. Ну, а вдруг, все-таки…

Нужен детальный анализ. Но он сложен, в науке же и технике так много более актуальных задач — а время течет, жизнь идет. Но, повторяю, пока такой анализ не сделан, ситуация с решением Геделя неясна и зачеркивать его нельзя.

Как бы хотелось, чтобы ситуация эта прояснилась — и именно так, как нам, человечеству, нужно…

Может быть, тогда, научившись «обманывать» время, мы найдем и один из ключей к проблеме, что такое время? Почему оно бежит только в одну сторону?

Итак, пока не видят физики реальных путей к тому, чтобы «наладить с временем хорошие отношения» и попросить его замедлить свой ход, убыстрить его, пойти вспять… Мне не хочется кончать статью пессимистическим выводом, и поэтому я укажу на слабый огонек надежды. Лет тридцать назад Ричард Фейнман показал, что в квантовой электродинамике позитрон можно формально рассматривать как электрон, двигающийся назад во времени. Является ли такой подход чисто формальным приемом, не стоит ли за ним нечто большее? Неизвестно. Может быть, и вправду позитроны — это электроны, путешествующие в прошлое? И если таковы реальные факты, то как сделать такие путешествия более «массовыми» и использовать их? Этими вопросами, на которые пока нет ответа, я и закончу статью.

Автор: М. Герценштейн.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *