| |
 Стенограмма эфира
Предел применимости понятия времени вытекает из двух фундаментальных физических теорий — теории относительности, в которой время как бы останавливается для световых движений, и от квантовой механики, которая отрицает существование пространства-времени в квантовом фундаменте классического мира. О границах времени и его необратимости — физики Ростислав Полищук и Юрий Шалаев.
Участники:
Ростислав Феофанович Полищук — доктор физико-математических наук, Физический институт им. Лебедева РАН
Юрий Васильевич Шалаев — кандидат физико-математических наук
Обзор темы:
Речь пойдёт о пределе применимости понятия времени и о связи необратимости времени с ростом энтропии. Предел применимости понятия времени идёт от двух фундаментальных физических теорий — теории относительности и квантовой механики. Первая учит, что нельзя говорить о времени в отрыве от пространства, поскольку время и пространство — только тени четырёхмерного мира точечных событий, поскольку вся физика согласно Эйнштейну и Минковскому есть прежде всего физика событий.
Особое место занимают события, расположенные на нулевом расстоянии друг от друга, вдоль светового конуса. Этот световой конус как граница времени и пространства, точнее, временноподобных и пространственно-подобных смещений от события к событию, может считаться, как мы полагаем, ключом к природе времени и пространства.
Что касается квантовой механики, то она говорит о столь значительных флуктуациях метрики на планковских масштабах (10−33 см), что нельзя уже говорить о какой-то определённой геометрии, о пространственных и временных интервалах и определённом световом конусе на этих масштабах. Неизвестно, сохраняется ли далее обычная архимедова или неархимедова мера, или же понятие меры уступает место неизвестному более общему понятию, скажем, комбинаторной топологии. Весьма вероятно, что понятия пространства, времени и самой материи возникают здесь из более простых и более фундаментальных понятий, которые содержательно будут описаны будущей единой теорией физических взаимодействий, являющейся также теорией физического вакуума.
Обратимся вначале к классическому пространству-времени теории относительности. Каждая точечная частица представляет в нём мировую линию из цепочки событий, отвечающих различным моментам времени. Прожитое частицей время измеряется длиной дуги её мировой линии. В этом пункте соединяется физика с геометрией: показания часов как физического прибора отождествляются с идеализованным геометрическим понятием длины дуги. Для физики время — это просто то, что показывают часы. Поскольку время можно задавать одним числом, оно одномерно. Если две частицы дважды встречаются, то их мировые линии дважды пересекаются, и соответствующие интервалы времени различны. Это называется парадоксом близнецов, хотя никакого парадокса здесь нет. Разлучившиеся в одном возрасте близнецы, преодолевая пространство с различной скоростью, оказываются при новой встрече повзрослевшими на различное собственное время.
Для каждого из этих близнецов имеется собственное локальное время и набор собственных локальных для него пространств одновременных для него событий. Последние образуют ортогональные его мировой линии трёхмерные гиперплоскости. Разгон ненулевой массы покоя до световой скорости требует затраты бесконечной массы-энергии, и потому невозможен. Но допустим наличие воображаемого наблюдателя, способного достигать световой скорости. Если один из близнецов движется со скоростью св5ета, то перпендикулярная ему плоскость ему же и параллельна: такова особенность псевдоевклидовой геометрии локальных миров наблюдателя, где квадрат гипотенузы, задающей интервал между событиями, равен разности квадратов пространственного и временного катетов (если бы в этой пространственно-временной теореме Пифагора стояла не разность, а сумма квадратов катетов, то время ничем не отличалось бы от пространства). Световой вектор с нулевым квадратом длины сам себе и параллелен, и перпендикулярен. В этом смысле световой наблюдатель как бы выбивается из времени: он тратит нуль собственного времени на достижение, скажем, далёкого квазара, расположенного в системе отсчёта Земли на расстоянии 10 миллиардов световых лет (это возможно, поскольку возраст Вселенной составляет около 13 миллиардов световых лет, а квазары и первые звёзды возникли через сотню миллионов лет от Большого взрыва, положившего начало нашей Метагалактике). Дело в том, что момент отправления на далёкий квазар и момент прибытия на него для светового наблюдателя одновременны. Достигнув квазара и вернувшись за одно мгновение, световой наблюдатель застанет Землю постаревшей на двадцать миллиардов лет. Строго говоря, Землю он может не застать, поскольку Солнце, теряя ежесекундно пять мегатонн своей массы-энергии на излучение, через 7,5 миллиардов лет прогорит и взорвётся, поглощая раздувающимся раскалённым шаром Меркурий и Венеру и раскаляя Землю, которая к тому времени потеряет всю свою гидросферу.
Вернёмся к понятию околосветового и светового движения. В теории относительности скорость света одинакова для всех наблюдателей, куда бы и как бы они ни двигались. Расстояние между двумя фотонами, одновременно испущенными в противоположные стороны, через секунду станет 600 000 км, тогда как относительная скорость удаления одного фотона от другого в системе отсчёта фотона останется 300 000 км/с: релятивистский закон сложения скоростей проверен на опыте и отличается от дорелятивистского. Скорость света плюс другая скорость даёт снова скорость света. В этом смысле скорость света подобна бесконечности, которая остаётся равной себе при удвоении и т. д. Таким образом, между световыми и досветовыми скоростями имеется принципиальная разница. Световые частицы имеют нулевую массу покоя, ненулевую массу движения (например, зелёный фотон имеет массу 10−32 грамма) и не могут быть ускорены или замедлены (замедление света в среде связано с взаимодействием света с веществом). Между безмассовыми световыми частицами и массивными досветовыми лежит пропасть, преодолеваемая, правда, квантовым механизмом Хиггса, о котором речь пойдёт ниже.
Но теория относительности возникла раньше квантовой механики как результат деформации классической механики Ньютона с параметром деформации, равным обратной скорости света. Приравнивание этого параметра нулю возвращает нас от группы симметрии Пуанкаре к группе Галилея с абсолютным отделением времени от пространства. Квантовая механика появляется, как дополнительная деформация теории с постоянной Планка в качестве параметра деформации. При этом понятие числа обобщается до понятия квантового числа, бесконечной матрицы. Произведение ненулевых квантовых чисел-операторов зависит от порядка сомножителей, и квадрат такого ненулевого числа может равняться нулю.
Но вернёмся к геометрии пространства-времени. Когда пространственный или временной катет обращается в нуль, четырёхмерная гипотенуза приобретает смысл, соответственно, пространственного или временного интервала. Когда оба катета равны (скорость света переводит секунду времени в световую секунду и считается единичной), длина гипотенузы, соединяющей, скажем событие отправления фотона от квазара с событием прибытия его на Землю, равно нулю. Чтобы увидеть мир с точки зрения светового наблюдателя, будем считать, что его скорость постепенно увеличивается до световой. При этом в силу лоренцева сокращения длин при переходе в движущуюся систему отсчёта расстояние до точки впереди движения (апекс) и до точки позади (антиапекс) сокращается до нуля при достижении световой скорости. Световой наблюдатель, как отмечалось, тратит нуль собственного времени для преодоления нулевого расстояния. При этом его пространство схлопывается в двухмерное: не затронута только поперечная двухмерная геометрия. Преимущественным для светового наблюдателя становится не привычное 1+3 расщепление пространства-времени на одномерное время и трёхмерное пространство, а 2+2 расщепление на двухмерное пространство и двухмерное пространство-время.
На первый взгляд кажется, что нет различия между прямым и обратным световым движением: понятия «впереди» и «позади» вырождаются в единое «здесь уже сейчас». На самом деле увеличение скорости приводит из-за релятивистской аберрации света к стягиванию звёзд передней полусферы в апекс движения с неограниченным голубым смещением частоты фотонов из-за эффекта Доплера, а задняя небесная полусфера стягивается к антиапексу движения с неограниченным красным смещением. В световом пределе задняя полусфера перестаёт существовать для наблюдателя (нулевой импульс наблюдаемых фотонов и других частиц эквивалентен их отсутствию), а передняя полусфера приобретает вид бесконечно жёсткого встречного излучения. Та же картина, кстати, будет при падении наблюдателя в чёрную дыру при пересечении её границы, горизонта событий, чего не заметил Роджер Пенроуз, описывая падение на чёрную дыру в своей новой книге «Новый ум короля». При отражении светового наблюдателя от зеркала (от уголкового отражателя, возвращающем каждый падающий луч в антипараллельном направлении) апекс и антиапекс движения, а ними и существующая и исчезнувшая половины мира поменяются местами.
Теперь полезно заметить, что движение со скоростью света с точки зрения светового наблюдателя (а именно его картина мира лучше улавливает его суть) не является движением: он тратит нулевое время на преодоление нулевого расстояния, которые естественно считать отсутствующими для него. Здесь динамика оборачивается релятивистской статикой. Именно её имеет смысл положить в фундамент релятивистского мира (релятивистский коготок увяз — всей птичке привычного мира пропасть). Если временную координату обозначить через t, а пространственную через x, то двум противоположным световым временам-состояниям соответствуют координаты t+x, t-x. Их сумма и разность порождают временное и пространственное измерение. Теперь важно понять не движение, а покой, с которого Аристотель начал строить свою физику. Теперь мы от инерциального движения Галилея-Ньютона-Эйнштейна возвращаемся к релятивистской статике Аристотеля, где покой есть суперпозиция противоположных световых состояний, «стоячая волна». Если в основу релятивистского мира положить световые времена (иначе говоря, перейти от векторов и тензоров к спинорам), то получится, что в фундаменте мира нет скоростей и, стало быть, ускорений, а есть комбинация релятивистски вырожденных исходных состояний физической субстанции. В этом смысле досветовая частица — это как бы сцеплённая пара световых состояний, расщепляющаяся при аннигиляции частицы и античастицы с превращением в пару фотонов.
Всё это, конечно, просто гипотеза, эвристические соображения. Но в их пользу говорит то, что собственным значением квантового оператора скорости частицы является только плюс-минус скорость света. Досветовые скорости получаются только для чётной компоненты оператора скорости.
О неизбежности пересмотра понятия классического пространства-времени говорит осмысление того факта, что мы живём в квантовом мире. Переход к квантовому рассмотрению можно сделать следующим образом. Разобьём искривлённое трёхмерное мгновенное пространство на плоские тетраэдры, каждый из которых определяется шестью его рёбрами, точкой 6-мерного пространства. Набор всех тетраэдров задаёт точку бесконечномерного пространства, приближённо описывающую геометрию пространства.
Бесконечное дробление разбиения в пределе точно описывает геометрию мгновенного искривлённого пространства вместе с его метрикой с помощью геометродинамической координаты бесконечномерного суперпространства трёхмерных пространств. Уравнения Эйнштейна тогда описывают эволюцию Вселенной как эволюцию мгновенного трёхмерного пространства, как кривую линию в суперпространстве.
Но здесь следует вспомнить про принцип неопределённостей Гейзенберга: если геометродинамическая координата задана совершенно точно, то импульс, указывающий, куда скакнёт мгновенное состояние Вселенной в следующий момент времени, совершенно не определён. Но в физике, вопреки мнению некоторых, реально существует только то, что можно измерить. Если невозможно измерить состояние мгновенного пространства в следующий момент времени, то следующего момента и самого времени реально просто нет. Дж. А. Уилер уже около сорока лет говорит об отсутствии классического пространства-времени общей теории относительности в рамках квантовой физики, и этот факт полезно усвоить всем. В уиллеровом суперпространстве трёхмерных пространств время — только «номер кадра», имеющий иную степень реальности, чем пространственные измерения. Теперь истинная размерность мира сократилась с четырёх до трёх, а лоренцева сигнатура (− + + +) сменилась сигнатурой (+ + +).
Но в революционном подходе Уилера нарушена симметрия переменных в принципе неопределённостей. Если мы разрежем 3-пространства на двухмерные плёнки, нумеруемые координатой х, то мы можем точно проследить эволюцию одной 2-геометрии, плёнки, заметающей в пространстве-времени гиперповерхность с сигнатурой (− + +) во времени t, но платим за это отсутствием 2-геометрии соседних плёнок, отсутствием измерения х. Итак, существует не измерение t и x, а t или x! Но тогда можно сказать, что реализуется только суперпозиция равноправных световых измерений t + x, t − x, а не оба они одновременно. Дух релятивизма предполагает равноправие указанных комбинаций. Если считать, что знак перед одним из световых времён флуктуирует с планковской частотой (1043 циклов в секунду), то мы получим флуктуирующую сигнатуру пространства-времени. В этом состоит смысл гипотезы флуктуирующей сигнатуры пространства-времени, высказанной одним из нас в 1993 году.
Если считать, что пространственная изотропия рождается из усреднения исходной анизотропии, что пространственные координаты суть некоммутирующие операторы, то операцию относительно комбинаций световых измерений можно распространить на остальные два комплексные световые измерения, дающие остальные пространственные измерения. Уменьшая их реальную флуктуирующую размерность на единицу, в итоге получаем четырёхмерие как флуктуирующее действительное двухмерие или комплексное одномерие. Теория фракталов показывает, как кривая может заполнять квадрат и куб, площадь и объём, так что квантовые элементы малой размерности в принципе могут формировать макроскопические образы большей видимой размерности (в духе пены Уиллера). Теория суперструн наделяет дополнительной размерностью исходные элементы мира, которые у Эйнштейна считались нульмерными бесструктурными точками-событиями, способными образовывать структуры типа кривизны и кручения только за счёт внешнего примыкания и принципов симметрии. Структурирование исходных элементов накладывает ограничение на способы их примыкания и саму внутреннюю размерность мира превращает в динамический параметр, позволяющий вслед за гравитацией (которую Эйнштейн свёл к кривизне пространства-времени) геометризовать остальные физические взаимодействия. Мы же здесь пересматриваем возможную внешнюю размерность пространства-времени.
Природа через принцип экстремума действия не случайно «нащупала» внешнюю макроскопическую размерность четыре для устойчивого пространства-времени, потому что для пространства размерности 2 или 4 мир был бы неустойчив, электроны упали бы на атомы, а планеты — на Солнце.
Если элементарным событием считать сильно изломанную флуктуирующую комплексную кривую со световыми звеньями (дискретную «спираль» из пары сцеплённых таких кривых), то в духе интеграла по путям Г. Рязанова (где гладкие кривые дают тривиальный вклад) вероятность квантового состояния физической системы равна произведению комплексной вероятности войти в это состояние (волновая функция) на комплексно сопряжённую вероятность выйти из него, так что наблюдаемыми величинами будут только действительные неотрицательные вероятности.
Приведённые выше гипотезы могут не подтвердиться, но в любом случае имеет смысл пошатать привычные понятия, поскольку физика явно подходит к пределу их применимости. Согласно нашему принципу финитизма всякое понятие имеет конечный предел применимости. Но переход к новому понятию достигается только через исчерпание ресурса применимости старого понятия, Из принципа финитизма следует отсутствие актуальной бесконечности (включая вечность во времени) в природе, поскольку она предполагает бесконечное применение конечного правила, тогда как познание природы заставляет нас каждый раз менять сами правила. Мир, который кажется нам таким стабильным и гармоничным, на самом деле является промежуточным состоянием физического вакуума между его двумя очередными фазовыми переходами, когда этот вакуум имеет вид материи в пространстве и времени. Очевидно, что в фундаменте мира нет ни пространства, ни времени (с его «до» и «после»), ни вещества, но есть более простая субстанция, эти эпифеномены временно рождающая: вакуум распадается на частицы, являющиеся квантами возбуждения поля, которые живут в рамках своей космологической эволюции.
На планковских масштабах пространства и времени в окрестности космологической сингулярности флуктуации метрики столь велики, что нельзя говорить о длинах, углах, какой-то геометрии. Исходные анизотропные метрики накладываются друг на друга и усредняются, создают максимально изотропную геометрию пространства-времени де Ситтера. Затем вакуум распадается, рождаются частицы и приходит фридмановская стадия эволюции вещества и излучения. Эти последние с расширением Вселенной разрежаются, и плотность вакуума, отвечающая современному значению космологической постоянной, во всё большей степени определяет ускоряющееся расширение и приближение к новому миру де Ситтера со значительно меньшей космологической постоянной. Каков будет новый фазовый переход этого вакуума, современная космология пока не знает.
Физика — это не только формулы, но и стоящая за ними интуиция и нестрогие эвристические соображения. Чтобы интуитивно-психологически приблизиться к новым световым образам, заключающим в себе, по всей вероятности, ключ к природе пространства и времени, привлечём ещё ряд простых наблюдениё и соображений. Световой интервал (световая гипотенуза пространственно-временного треугольника) есть результат компенсации временного и пространственного катетов. В этом смысле время можно рассматривать, как мнимое пространство или, наоборот, рассматривать пространственное измерение как мнимое время. Это говорит о реальности мнимых величин, квадрат которых отрицателен. Реальность отрицательной величины отвечает изменению ориентации положительной величины. Приписать величине ориентацию — значит ввести в оборот отрицательные величины. Тогда «нуль» можно считать комбинацией ненулевых величин, а не простым отсутствием чего-то. Например, нулевой заряд нейтрона — это сумма ненулевых зарядов трёх образующих его кварков, другая комбинация которых даёт единичный заряд протона. Мнимой величине реальность придаёт допущение ещё одного измерения в мире чисел: мнимая единица тогда отвечает повороту действительной единицы, имеющей теперь ориентацию, направление, на прямой угол, так что двукратный такой поворот возвращает нас на исходную действительную числовую ось, но с изменением ориентации на противоположную, плюса на минус. В этом смысле «мнимость» есть просто «повёрнутость».
Релятивизм и квантовая механика распространили реальность комплексных чисел, интуитивно отвечающих операциям растяжения длин и поворота на какой-то угол, не только на связь воедино слитых в классической физике пространственного и временного измерений, но и на массы и импульсы. Если масса покоя досветовой частицы или масса движения (частота) световой частицы равна нулю, то частицы просто нет. Но частица с ненулевой массой-энергией покоя является также гравитационным зарядом, порождающим всюду гравитационное поле и в этом смысле как-то всюду присутствующим (через обмен виртуальными гравитонами со всеми другими частицами). Поэтому надо говорить не об одной частице, а об одночастичном состоянии поля (вакуум — это идеализованное бесчастичное состояние, Вселенная — многочастичное состояние). Две точечных массы реализуют, делают реальностью понятие отрицательной потенциальной энергии гравитационного поля: ведь надо приложить положительную массу-энергию, чтобы растащить два кирпича на бесконечное относительное расстояние, обратить в нуль их взаимное гравитационное взаимодействие.
Масса-энергия является компонентой 4-импульса или даже тензора энергии-импульса (включающего также давления). При достаточно низкой температуре физическое поле переходит в конденсированное состояние (как вода в лёд), образует так называемый бозе-конденсат (при этом фермионы должны образовывать куперовские пары, чтобы обойти принцип запрета Паули, не допускающий чисто фермионного конденсата). Частицами конденсата являются кванты его возбуждения. Если энергия покоя частиц конденсата точно компенсируется энергией их взаимодействия с конденсатом, то бозе-конденсат квантов скалярного поля имеет нулевой 4-импульс, нулевую массу-энергию. Это отвечает взаимокомпенсации отрицательного квадрата массы комплексного скалярного поля положительной массой-энергией самодействия этого поля. Эффективный суммарный квадрат массы имеет при этом правильный положительный знак, но только на фоне уже ненулевого постоянного классического скалярного поля, называемого полем Хиггса. Заполненное этим полем пространство как бы остаётся «пустым», но благодаря такой перестройке вакуумного состояния безмассовые световые частицы обретают ненулевую массу покоя (словно возникает «стоячая волна»).
Появление массы у «безмассовых» частиц отвечает понижению температуры (как при появлению снега в облаках). По современным представлениям Вселенная начала расширяться из состояния с температурой 1032. При этом все физические взаимодействия были слиты в одно взаимодействие, а флуктуации плотности массы-энергии на 94 порядка превосходили плотность воды (которой тогда не было). При взрывчатом расширении Вселенной и падении температуры до 1028 симметрия сильных взаимодействий (объединяющих кварки в ядра атомов, которых тогда ещё тоже не было) и взаимодействий ещё существовала, и промежуточные бозоны и электроны были безмассовыми частицами. Слабое взаимодействие, как и электромагнитное было дальнодействующим, подчинялось закону обратных квадратов, это продолжалось от 10−43 секунды до 10−12 секунды от начала расширения (до температуры 1016 градусов). Затем электроны обрели массу, и только фотоны (да, может быть, нейтрино, что маловероятно) остались безмассовыми. Через сотню миллионов лет частицы конденсировались в галактики и звёзды, и вспышки сверхновых звёзд породили то вещество, из которого состоят наши тела. В этом смысле человек — просто «снежинка» Вселенной, существующая между двумя фазовыми переходами космического вакуума.
Человек образует центр Вселенной, но не географический, а смысловой. Появление разума вписывается в космический процесс остывания, конденсирования и упорядочения физической субстанции. Это связано с тем, что с ростом температуры минимуму свободной энергии, управляющему появлением стабильных состояний физической системы, всё более благоприятствует увеличение энтропии, разрушение порядка. Наоборот, падение температуры «дисциплинирует» поведение динамической системы. Чисто эвристически даже переход от язычества к христианству, пытающемуся спасти теплоту человеческих отношений, и современная десакрализация знания о мире, и даже террористические эксцессы можно рассматривать, как негативное проявление «остывания» человечества, которому люди в среднем пытаются противостоять. Ведь в социуме есть своя социальная энтропия, а ресурсы социума вписаны в ресурсы биосферы, являющейся малым, локализованным в пространстве-времени, но структурно устойчивым образованием в космосе.
Человек раздвоен не только по половому признаку, призванному корректировать биологический наследственный код, но и по признаку мировоззренческому, призванному корректировать код социокультурный. Это последнее раздвоение связано с переносом акцента на волю либо разум. Наука акцентирует разум и говорит человеку, что он и окружающая его Вселенная возникает вместе со своим пространством-временем-материей, и проектированию этих неокончательных модусов на все пространства и времена обедняет картину реальности. Зрелость науки проявляется в том, что она видит горизонт сегодняшнего знания и не абсолютизирует, не догматизирует его, не посягает на постижение его богатства своими бесконечными повторениями конечных правил, которые всегда незримо тянут на поверхность точного знания новые удивительные правила. Может ли сегодня эта наука сказать что-то о необратимости времени?
Говоря о времени, следует иметь в виду, что наше о нём представление исходит из нашего индивидуального времени, из локальных времён отдельных наблюдателей. Представление о времени возникает благодаря памяти, которая превращает ушедшее прошлое в прошлое, длящееся в виде его запечатлённых биохимизмом мозга следов. Память есть перевод модуса (меры, формы) времени в модус пространства: тексты, нотные записи, прозвучавшие звуки продолжают сосуществовать и придают смысл чему-то звучащему (или обдумываемому) сейчас. Но если последовательность событий — характеристика времени, то их одновременное сосуществование — характеристика пространства. Например, существующее сейчас человечество — это также память космоса, вобравшая в себя 13 миллиардов лет своей эволюции.
Если два события разделены пространственным интервалом, то для какого-то наблюдателя они обязательно одновременны, для какого-то другого первое предшествует второму, а для какого-то третьего наблюдателя, наоборот, первое наступает после второго. Значит, единого потока времени в общем случае во Вселенной нет. Когда возникает вещество, космологический субстрат, возникает и его время. Для световой материи, как мы уже говорили, обычного времени и пространства нет: световое 2+2 расщепление пространства-времени отличается от вещественного 1+3 расщепления. А ведь в основании мира господствуют, вероятно, именно световые образы.
Законы эволюции физических систем возникают из принципа экстремума действия: реализуется равнодействующая всех возможных эволюций. Поскольку внутри этой суммарной реализации лежит набор различных реализаций, не удивительно, что возникает расщепление реализаций: один человек в одной ситуации поворачивает направо, а другой в той же ситуации — налево. В отличие от макротел электрон до измерения в эксперименте с двумя щелями проходит сразу через обе щели, давая интерференционную картину.
Получаемые из принципа экстремума действия полевые уравнения симметричны во времени. Откуда же возникает асимметрия прошлого и будущего? Она возникает из сочетания симметрии возможностей с асимметрией реализации только одной из них. Пока человек не принял решения, он перебирает все варианты. Выбор одного варианта исключает, как правило, остальные варианты. Когда фотон падает на полупосеребрённое зеркало, он проходит сквозь него прямо или отражается, скажем, вниз. Обернём эту ситуацию во времени. Тогда точка падения фотона становится источником его излучения. Но прошедший напрямую фотон теперь пройдёт либо снова напрямую, либо отразится уже вверх, куда ранее он не мог попасть. Налицо асимметрия во времени при условии расщепления возможности. Дело в том, что процесс реализации (измерения, редукции волнового пакета) не симметричен во времени. Мы живём в квантовом мире, и описывающее квантовую эволюцию симметричное относительно изменения знака времени уравнение Шредингера не описывает асимметричную во времени редукцию волнового пакета, сопровождающую определённый класс взаимодействий квантовой системы с окружением.
Редукция волнового пакета есть разрыв в непрерывной эволюции. Разрывные дискретные процессы не менее типичны для нашего мира, чем процессы непрерывные. Например, за 2 миллиарда секунд средней человеческой жизни обновляется в среднем всё шестимиллиардное население Земли. Значит, каждую секунду три человека в среднем умирает и три — рождается. За непрерывностью обновления человечества стоит ежесекундно повторяющаяся драма чьей-то индивидуальной жизни и смерти. Видимый нами солнечный свет, рисующий картину окружения, есть тоже драма рождения фотона в недрах Солнца и исчезновения его на сетчатке нашего глаза (обычная лампочка излучает в секунду 1020 фотонов, а Солнце — на 25 порядков больше).
В окружающем нас мире необратимость времени связана с ростом энтропии. Энтропия — это логарифм объёма области фазового пространства, содержащей все точки, представляющие данное состояние. Например, энтропия кубометра газа на 26 порядков превосходит энтропию того же газа, сосредоточенном в одном кубическом сантиметре. Значит, выпущенный из этого кубика в сосуд объёмом кубометр газ с подавляющей вероятностью заполнит его весь равномерно. Достигнув теплового равновесия, газ останется в нём практически навсегда. Согласно теореме Пуанкаре о возвращении газ может вернуться в свой первоначальный кубик, но в среднем не раньше, чем через 101026 лет, что много больше возраста Вселенной 1010 лет. Поскольку Вселенная столько ждать не может, газ никогда не вернётся в исходную ячейку, растворившийся в чашке чая сахар никогда не примет снова форму брошенного в чай кусочка, умерший человек никогда не вернётся к жизни (его потомки — это и есть его инобытие, отрицающее его небытие), и т. д.
Если процесс с ростом энтропии обернуть во времени, то получим процесс убывания энтропии, чего мы реально не наблюдаем. Поскольку рост энтропии является наиболее вероятным и естественным, то в отсутствии факторов, ограничивающих систему, энтропия должна возрастать в обоих направлениях времени по отношению к энтропии данного состояния. Значит, дело в источниках негэнтропии, минус-энтропии.
Для земной биосферы источником низкой энтропии является Солнце: одиночный фотон оптического диапазона, дающий начало фотосинтезу растений и согревающий Землю, имеет большую энергию, чем переизлучаемый Землёй тепловой инфракрасный фотон. Значит, энергия, переизлучаемая Землёй, представлена большим числом инфракрасных фотонов и большим числом степеней свободы, чем падающее на Землю солнечное излучение. Растения, потребляя энергию в низкоэнтропийной форме и переизлучая её в высокоэнтропийной форме, снабжают себя, а через пищевые цепи и нас, низкой энтропией.
Гравитация сконденсировала доземное и досолнечное вещество в сгустки, расплавив недра Земли и запалив недра Солнца, запустив в них термоядерные реакции перегорания водорода в гелий. Эти реакции стабилизировали форму и температуру Солнца на уровне, пригодном для появления жизни на Земле, но не слишком далеко от её орбиты. Углеводородное топливо на Земле является источником энергии и низкой энтропии для машин, перерабатывающих его в высокоэнтропийную тепловую форму. Вспомним, что масса-энергия в своей совокупности сохраняется — в отличие от энтропии и информации. Гравитация, конденсируя рассеянный холодный низкоэнтропийный газ в сгустки и зажигая звёзды, закачала в них массу энтропии, которая продолжает расти при излучении вовне их энергии. Само расширение Вселенной отвечает росту её энтропии.
Но здесь можно заметить некоторое противоречие: смена расширения Вселенной её сжатием должна тогда сопровождаться уменьшением её энтропии. Но дело в том, что если для обычного газа рост энтропии связан с увеличением однородности его распределения, для гравитирующих систем, потенциальная гравитационная энергия которых, как отмечалось, отрицательна, рост энтропии соответствует гравитационному конденсированию, а максимальная энтропия — образованию чёрной дыры. В конечной сингулярности чёрной дыры пространство-время-материя исчезают, а в первоначальной сингулярности белой дыры, в Большом взрыве пространство-время-материя рождаются.
Асимметрия эволюции Вселенной связана с различной ролью компонент кривизны пространства-времени, отождествляемой с тензором Римана (20 компонент), состоящим из тензора Риччи, тензора источников, вещества (10 компонент) и тензора Вейля, отвечающего свободной части гравитационного поля (ещё 10 компонент). Тензор Риччи отвечает за сжатие трёхмерных объёмов, образованных инерциально движущимися частицами, а тензор Вейля — за их приливную деформацию, сохраняющую объёмы. В начале расширения энергетически выгодны распад вакуума с рождением частиц и изотропизация метрики. Здесь тензор Риччи сингулярно велик, а тензор Вейля, отвечающий за неоднородность пространства-времени, очень мал. Около конечной сингулярности чёрной дыры, наоборот, тензор Риччи мал, а тензор Вейля сингулярно велик. Если бы начало Вселенной (Большой взрыв) и её конец (Большой коллапс) отмечали одинаково симметричные наборы сингулярностей, соответственно, белых и чёрных дыр, второе начало термодинамики бы не выполнялось. Впрочем, Большой коллапс современной космологией не предсказывается: наша Метагалактика расширяется ускоренно из-за разрежения плотности массы-энергии вещества и излучения при постоянстве плотности массы-энергии вакуума с постоянным отрицательным давлением. Будущая квантовая теория гравитации предскажет, видимо, новую перестройку вакуума, всё больше вступающего в свои права по мере разрежения вещества. При этом эта новая теория будет, очевидно, асимметричной по отношению к стреле времени, расширяя смысл как самого понятия времени, так и второго начала термодинамики с её запретом убывания энтропии.
В заключение обратимся от судьбы Вселенной к судьбе жизни на Земле, как бы опровергающей второе начало термодинамики: усложнение живых организмов и социума отвечает росту упорядоченности, негэнтропии, а не «плюс-энтропии», Античный языческий тезис «В Начале был Хаос» сменился тезисом Евангелия от Иоанна: «В Начале было Слово», символизирующее смысловую упорядоченность бытия. Совместим ли этот переход с физикой? Да, ведь если энтропию нельзя уничтожить, то её можно вытеснять.
Жизнь и есть поток негэнтропии, обеспечиваемый самокоррекцией наследственного кода при условии притока свободной энергии. Приток негэнтропии в биосфере обеспечивается половым диморфизмом и пищевыми цепями (без хищников биосфера существовать не может), а в социуме — самокоррекцией социокультурного наследственного кода, достигаемого поляризацией и последующим взаимооплодотворением противоположных мировоззренческих начал (без социальных хищников типа властных структур социум тоже существовать не может). Пример взаимооплодотворения западного техноцентризма и восточного культуроцентризма дают «экономические драконы» Юго-Восточной Азии, а в будущем сможет дать Россия. Физика способна математически моделировать эволюцию такой сложной динамической системы, как человечество вместе с его ресурсами, но только в макроскопическом «термодинамическом» приближении. При этом она несовместима с догматизацией утопий (типа теократии или марксизма), исходящих из возможности полного уничтожения социальной энтропии.
Этим утопиям недостаёт диалектики. Но человеческий дух обнажает те противоречия, которые он способен вынести. Сегодняшнее переломное время требует для одних — социальной транквилизации, для других, наоборот, отказа от иллюзий (во многой мудрости многая печаль). Время бросает человеку вызов, и человек умственным взором находит границы самого времени, свидетельствуя, что он сам — «вечности заложник у времени в плену». Оказывается, что сам мир, вероятнее всего, есть лишь иерархия мгновений, и человек причастен к космическому мгновению не только внешней, но и внутренней частью мгновения своего индивидуального существования.
Библиография
Иванов Ю. Н., Шалаев Ю. В. Оптимальный поворот плоскости круговой орбиты//Космические исследования. 1965. Т. 3
Киржниц Д. А. Труды по теоретической физике: В 2 т. М., 2001
Левитан Е. П. Эволюционирующая Вселенная. М., 1993
Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. М., 1990
Пенроуз Р. Новый ум короля. М., 2003
Полищук Р. Ф. Гипотеза флуктуирующей сигнатуры квантового пространства-времени//8-я Российская гравитац. конференция, 25–28 мая 1993. Пущино-Москва, 1993
Полищук Р. Ф. Джордано Бруно и проблема бесконечности//Полигнозис. 2002. № 2
Шалаев Ю. В. Излучение гелия в солнечной хромосфере//Астрон. журнал. 1961. № 5
Kukharenko Yu.A., Polishchuk R. F. Nonequilibrium States of a Scalar Fields in Quantum Cosmology//Astronomical and Astrophysical Transactions. 1996. V.10
Polishchuk R., Stavraki G. On a Possible Virtual Nature jf Space-Time//Origins, Time and Complexity. 1994. V. 2
Polishchuk R. Man as a Singularity of the Universe//Origins, Time and Complexuty. 1994. V. 2. P. 2
Polishchuk R. Life as a Negentropy Current and Problem of Infinity//Fundamentals of Life/Ed. by G. Palyi, C. Zucchi, L. Caglioti. Paris, 2002
Тема № 290
Эфир 03.09.2003
Хронометраж 50:15
|
03.09.2003 
50:15
www.ntv.ru