Книга: Сейчас. Физика времени
Назад: Глава 7 В бесконечность и далее Время, текущее поблизости от черных дыр, намного необычнее, чем большинство из нас думает…
Дальше: Глава 9 Раскрываем секрет энтропии Энтропия звучит таинственно, но это все-таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…
Часть II
Сломанная стрела
Глава 8
Стрела преткновения
Эддингтон утверждает, что движение времени вперед объясняется увеличивающейся энтропией
Солдаты короля,
Как только ни старались,
Но собрать Шалтая
У них не получалось.Ш. Перро, «Сказки Матушки Гусыни»
Несмотря на огромный прогресс, достигнутый в понимании времени, Эйнштейн потерпел полную неудачу в объяснении его фундаментального свойства: движения. Время не просто четвертое пространственное измерение. Оно иное по своей природе, потому что развивается. Прошлое совершенно отличается от будущего, и мы знаем это очень хорошо. Тот особый момент, давший название этой книге – «Сейчас», – движется вперед вместе со временем. Почему? Может ли он двигаться вспять; можем ли мы понять, как работала машина времени Герберта Уэллса, и построить такую же? Мы в состоянии изменить свое будущее. По крайней мере, об этом говорят родители. Почему же тогда не можем изменить прошлое? Или можем?
Этой головоломкой занялся Артур Эддингтон. Он был физиком, астрономом, философом и популяризатором новейших достижений науки. Эддингтон разрабатывал и проводил сложные эксперименты, развивал новые теории, а его имя оказалось тесно связанным с важнейшими идеями физики. В 1919 году ему задали вопрос: «На самом ли деле теория относительности настолько сложна, что всего три человека в мире могут понять ее до конца?» Согласно легенде, он ответил: «А кто третий?»
Эддингтон первым измерил отклонение света в поле тяготения Солнца. Это стало одним из главных экспериментальных подтверждений искривленного пространства-времени Эйнштейна. Ученый осуществил этот эксперимент в 1919 году при полном затмении Солнца – чтобы светило не мешало. Таким образом он сделал знаменитым Эйнштейна, а заодно и себя.
Эддингтон обладал глубоким взглядом на природу физических явлений. Он ввел понятие предел Эддингтона, которое сейчас известно каждому астроному и студенту, изучающему астрофизику. Это понятие описывает равновесие между внешним электромагнитным давлением на звезду и ее внутренней силой гравитации. Оно дало ключ к пониманию не только природы гигантских звезд, но и таких необычных объектов, как квазары.
Эддингтон понимал, что несмотря на гигантский прогресс в научных изысканиях Эйнштейна, пока еще оставалось много необъясненных загадок относительно времени. В уже упомянутой книге «Природа физического мира» ученый писал:
Время обладает великим свойством – оно идет вперед. Но это тот его аспект, который физики иногда склонны игнорировать.
Эддингтон не предложил никаких объяснений по поводу значения понятия сейчас, как и не высказал никаких идей по поводу того, почему время течет. Но он дал широко принятое сегодня объяснение направлению времени.
«Почему время идет вперед?» – задавался вопросом Эддингтон. Большинство людей, услышав этот вопрос, считают его глупым, аналогично такому: «Почему мы помним прошлое, а не будущее?» Эти вопросы кажутся глупыми, но лишь до тех пор, пока вы не задумаетесь над ними всерьез. Кажется, что физика не делает различия между прошлым и будущим; ее законы одинаково применимы и в обратном направлении времени. Если вы знаете прошлое, то можете использовать законы классической физики, чтобы предсказать будущее. Однако оказывается, если вы знаете будущее, можете использовать те же законы, чтобы узнать, что происходило в прошлом. Эддингтон не только задал глупый вопрос, но дал на него ответ, который покорил физиков и продолжает увлекать их и сегодня.
Чтобы объяснить свои идеи о направленности времени, ученый предложил представить ряд событий как функцию времени. Он называл это пространственно-временной диаграммой и ссылался на Германа Минковского (мы говорили о нем в ). Однако давайте рассмотрим менее абстрактный вариант, который все же сохраняет основные элементы такой диаграммы, – кусок кинопленки. (Вспомните время, когда кинофильмы снимались отдельными кадрами на пленке, а не путем записи бит информации в памяти компьютера.) Если вы взглянете на отдельные кадры, сможете ли сказать, какая сторона перед вами – лицевая или обратная? Определить это весьма затруднительно, пока вы не увидите какую-нибудь надпись, например дорожный указатель. Если буквы в указателе
вы видите в зеркальном отображении, значит смотрите на пленку с ее обратной стороны. Большие объекты (горы, деревья и прочие элементы пейзажа) в значительной степени симметричны. Люди в зеркале тоже такие же, как в отображении, а вот предметы культуры – нет. В биологии симметрия также часто нарушается: например, большинство людей праворукие, и молекула обычной сахарозы повернута вправо.
Следующие вопросы: можете ли сказать, в каком порядке следует прокручивать кинопленку? Какова последовательность кадров? Как раз это Эддингтон называл образом-символом стрела времени. Если бы, например, на пленке было запечатлено движение планет вокруг Солнца, скорее всего, вы не смогли бы указать правильный порядок кадров. Или если кинофильм был анимацией сталкивающихся в газе атомов, вы также не смогли бы его указать. Однако для большинства лент этот порядок был бы очевидным. Запустите пленку с неправильного конца, и люди на экране пойдут назад. Разбитая посуда подпрыгнет с пола и, невредимая, займет свое место на полке. Пули вылетят из мертвого тела и вернутся в дуло пистолета. Скользящие вниз по наклонной поверхности предметы ускорят свое движение, а не затормозятся под воздействием сил трения.
Ни одно из этих необычных событий не противоречит законам физики. Разбитое яйцо может восстановиться и запрыгнуть на стол – если бы молекулярные силы в нем были организованы именно так. Но это очень маловероятно. При движении вещей вниз по наклонной плоскости трение тормозит их, а не ускоряет. Удары разбивают предметы, а не собирают. Все эти явления имеют под собой совершенно определенное основание: второй закон термодинамики. (Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может взяться ниоткуда или быть уничтоженной [то есть соответствует закону сохранения энергии]; разумеется, при определении энергии нужно пользоваться уравнением Эйнштейна E = mc².)
Второй закон также гласит, что существует некая величина, называемая энтропией, которая либо остается постоянной, либо увеличивается. Сравните это с энергией, которая всегда постоянна. Она может переходить с одного объекта на другой, но ее сумма никогда не меняется. В отличие от первого закона термодинамики, второй закон не абсолютен, а вероятностен. Хотя он и может быть нарушен, вероятность его нарушения большим скоплением частиц исчезающе мала.
Энтропия и время увеличиваются вместе. Они коррелируют друг с другом. Это было известно. Новым в умозаключениях Эддингтона было то, что определяет стрелу времени именно энтропия. Она же ответственна за то, что время течет скорее вперед, чем назад. Эддингтон утверждал, что второй закон термодинамики объясняет, почему мы помним прошлое лучше, чем будущее.
Выдвинутая им идея о связи между энтропией и стрелой времени имеет такие далекоидущие последствия для нашего понимания реальности и, возможно, даже сознания, что, по мнению некоторых, о ней должны знать все образованные люди. Известный английский писатель и ученый Чарльз Сноу в своей широко известной статье The Two Cultures and the Scientific Revolution, опубликованной в 1959 году, сожалел, что не все образованные люди знают об этом великом достижении науки. Он писал:
Много раз мне приходилось бывать в обществе людей, которые по стандартам нашей традиционной культуры считались высокообразованными и иногда с удовольствием говорили о «безграмотности» ученых. Пару раз меня провоцировали, и я интересовался, кто из этих людей может назвать второй закон термодинамики. Ответ был холодным и отрицательным. А ведь я всего лишь сформулировал научный эквивалент вопроса – читали ли они Шекспира?
Серьезный ученый сравнивает второй закон термодинамики с творчеством Шекспира! Не уверен, что согласен со Сноу, хотя его статья и оказала большое влияние на мою жизнь (это было настольное издание для студента-первокурсника Колумбийского университета). Возможно, упомянутые Чарльзом Сноу «высокообразованные» люди никогда не слышали о втором законе термодинамики, но предполагаю, большинство из них все-таки имели достаточное представление о физике, чтобы грамотно объяснить уравнение E = mc2. Наверное, все-таки аналогом Шекспира в физике могла бы быть теория относительности.
Эддингтон вознес второй закон термодинамики еще выше, отдав ему место вершины научной мысли. Он писал:
По моему мнению, второй закон термодинамики занимает главенствующее место среди законов природы. Если кто-либо скажет, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла, – тем хуже для уравнений Максвелла.Если ваша теория не подтверждается экспериментальными данными… ну что же, экспериментаторы тоже иногда ошибаются. Но если ваша теория обнаруживает противоречия со вторым законом термодинамики, я не оставляю вам никакой надежды. Ей не остается ничего другого, как рассыпаться в глубочайшем уничижении.
Эти утверждения больше звучат как отрывок из религиозного трактата, чем как заявления выдающегося ученого. Однако его экстравагантная уверенность в «главенствующем месте» второго закона имеет довольно понятное основание. В самой глубинной сути этот закон гласит, что высоковероятностные события произойдут со значительно большей вероятностью, чем события низковероятностные. Звучит как сплошная тавтология, но это правда. Вскоре мы поговорим с вами о понимании вероятностей, но для начала давайте сделаем второй закон термодинамики менее загадочным. Так что же такое энтропия?
Назад: Глава 7 В бесконечность и далее Время, текущее поблизости от черных дыр, намного необычнее, чем большинство из нас думает…
Дальше: Глава 9 Раскрываем секрет энтропии Энтропия звучит таинственно, но это все-таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…
