02:43 5 января 2021 Наука

Николай Козырев «… Вселенной внутренняя связь»

Фото: ссылка

Есть в природе тайны, на пороге которых останавливается в недоумении не первое поколение ученых. Вот и я, много лет изучая космические тела, не перестаю удивляться: как сохранились, «выжили» эти сгустки материи в мире, где постоянно увеличивается энтропия, хаос. В самом деле, в соответствии с законами статистической механики система из огромного числа частиц должна переходить из неустойчивого состояния (здесь: сгусток материи) в более вероятное положение, то есть материя давно должна распределиться по вселенной равномерно — времени для этого в мире, существующем вечно, вполне «достаточно».

Правда, в такой системе возможны небольшие изменения — флуктуации, этого нельзя отрицать. Однако вероятность флуктуации, которая вернула бы систему к ее первоначальному состоянию, ничтожна и, по сути, равносильна полному запрету. И если существование звезд и планет (как результат малых флуктуации) «законно», то совершенно непонятно, почему существует сама вселенная, состоящая из сгустков материи, силовых полей и сравнительно пустого пространства.

Чтобы исправить положение, можно предположить вмешательство в нашу вселенную другой, сторонней системы.

Однако оживляющий толчок «со стороны» едва ли спасает положение: звезды, галактики так удалены друг от друга, что переход их в равновесное состояние должен наступить раньше, чем этому могут помешать внешние силы.

Что же препятствует превращению мира в скучную, однообразную пустыню? К сожалению, наука не дает ответа, и мы тяжело переживаем ее бессилие в основном вопросе космогонии. Отчасти поэтому и теоретическая механика кажется нам скучной и сухой. И дело здесь вовсе не в том, что знания, которые мы черпаем из «теормеха», относительны (особенность, присущая любой науке).

Причина в другом — в глубоком несоответствии точных наук и реальной действительности. Святая святых нашего мира — его постоянное обновление, гармония жизни и смерти; точные же науки изучают лишь процессы увядания и смерти.

В биологии всегда можно определить, где причина и где следствие. Причинность вообще фундаментальное свойство мира, благодаря которому, собственно, и возможно познание. Классическая же механика описывает мир, лишенный причинности, в нем нет отличия будущего от прошедшего, причины от следствий (столкнулись два шара, бессмысленно допытываться, кто кого толкнул). Если биология отвечает на вопрос «почему?», то точные науки — на вопрос «как?». («Запрещается» спрашивать: почему идет дождь, можно пояснить, как он идет.) Получается, что не биология, а точные науки — описательные, и это обедняет их содержание. Однако не нужно забывать — такое описание позволяет ученым предсказывать многие явления. И обаяние точных наук столь велико, что нередко компенсирует недостатки их фундамента.

Представим на минуту, что принципы точных наук истинны и безупречны. Это значит, что мы никогда не сможем получить ответы на наши бесчисленные «почему», адресованные природе. А если довести мысль до конца, получится, что мир непознаваем и законы природы просто рецепты для его описания. Разумеется, ученый никогда не сможет с этим согласиться.

Нужно уничтожить разрыв между точными науками и естествознанием, положив в основу первых причинность. Но сделать это можно, лишь выявив «вселенной внутреннюю связь»—то единое, что объединяет мир от нейтрино до человека

Время — фундаментальное и одновременно самое загадочное свойство природы. Представление о времени подавляет наше воображение. Недаром умозрительные попытки понять сущность времени оказались безрезультатными. Время сближает нас с «тайной жизнью» мира, которую едва ли может предвидеть смелый полет человеческой мысли.

Точные науки отрицают существование у времени каких-либо других свойств, кроме простейшего — «длительности», или промежутков, измеряемых часами. Создав теорию относительности, Эйнштейн углубил это понятие: промежутки времени и пространства у него — компоненты четырехмерного интервала Мира Минковского. Но и здесь время играет весьма пассивную роль. Оно лишь дополняет пространственную арену, на которой разыгрываются события мира. В уравнениях теоретической механики будущее не отличается от прошедшего, а значит, не отличаются и причины от следствий.

Эта наука изучает мир строго детерминированный, но лишенный причинности — главной приметы реальной действительности.

Возникает естественное желание устранить противоречие между теорией и практикой, ввести в теоретическую механику принцип причинности и направленности времени (такую механику можно назвать «причинной» или «несимметричной»).

Но, может быть, в статистической механике учитывается направленность времени? Действительно, здесь существует некий мостик между естествознанием и теоретической механикой. Приведем пример: какая-либо система частиц может оказаться в неустойчивом состоянии из-за воздействия внешней силы (причины). Если система изолирована, то согласно второму началу термодинамики ее энтропия будет возрастать. Это изменение энтропии «продиктует» направление времени. Но постепенно система «успокоится» и придет к равновесию. Случайные флуктуации энтропии в ту или иную сторону будут встречаться одинаково часто, и время как таковое потеряет всякий смысл. Итак, в статистической механике направленность времени лишь свойство состояния системы. Мы же говорим о механике, в которую время входит органично как объективная реальность. Статистическое обобщение такой механики может привести к неожиданному выводу — второе начало термодинамики ошибочно. Действительно, «текущее» время, воздействуя на материальную систему, может помешать ей перейти в равновесное состояние.

Другими словами, события происходят не только во времени, как в некоторой среде, но и с помощью времени.

Именно время устраняет возможность тепловой смерти вселенной. Но как перенести в механику принцип причинности из естествознания, если сам принцип еще совершенно не сформулирован? Известно только, что причинность тесно связана со свойствами времени, в частности с различием будущего и прошедшего. Ну что ж, начнем хотя бы с такого постулата:

1. ВРЕМЯ ОБЛАДАЕТ СВОЙСТВОМ, СОЗДАЮЩИМ РАЗЛИЧИЕ ПРИЧИН И СЛЕДСТВИЙ, ПРОШЕДШЕГО И БУДУЩЕГО. ЭТО СВОЙСТВО МОЖЕТ БЫТЬ НАЗВАНО НАПРАВЛЕННОСТЬЮ, ИЛИ ХОДОМ.

Причинность лишь указывает, что время направлено, но она отнюдь не свойство этой направленности, а только его результат. Причина всегда находится вне тела, в котором проявляется следствие, и следствие наступает после причины. Согласившись с этим, можно ввести еще две аксиомы:

2. ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ ВСЕГДА РАЗДЕЛЯЮТСЯ ПРОСТРАНСТВОМ. МЕЖДУ НИМИ СУЩЕСТВУЕТ СКОЛЬ УГОДНО МАЛОЕ, НО НЕ РАВНОЕ НУЛЮ ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗЛИЧИЕ.

3. ПРИЧИНЫ И СЛЕДСТВИЯ РАЗДЕЛЯЮТСЯ ВРЕМЕНЕМ. МЕЖДУ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯМИ СУЩЕСТВУЕТ СКОЛЬ УГОДНО МАЛОЕ, НО НЕ РАВНОЕ НУЛЮ ВРЕМЕННОЕ РАЗЛИЧИЕ δх ОПРЕДЕЛЕННОГО ЗНАКА.

Аксиома (2) — основа классической механики Ньютона. Она содержится в третьем законе, согласно которому под действием внутренних сил не может произойти изменение количества движения. Иными словами, в теле не возникает внешняя сила без участия другого тела. Отсюда в силу непроницаемости материи δх ≠ 0. А из-за полной обратимости времени δt = 0 (аксиома (3) в механике Ньютона отсутствует).

В квантовой механике наоборот. Принцип непроницаемости материи утрачивает свое значение, поэтому можно считать, что δх = 0. Однако здесь есть необратимость во времени, которой нет в механике Ньютона. Воздействие на систему макроскопического тела (прибора) вводит различие между будущим и прошедшим. Можно предсказать поведение системы после такого воздействии, но совершенно нельзя предвычислить ее поведение до «вмешательства» прибора. Поэтому δt ≠ 0, хотя и может быть сколь угодно малым.

Если ввести обозначение С3 = δх/δt, в классической механике при δх ≠ 0 и δt = 0 С2 = ∞. В квантовой механике δх = 0 и δt ≠ 0, потому С2=0. Итак, оба раздела механики входят в нашу аксиоматику как две крайние схемы. А это значит, что нам удалось нащупать связь между двумя столь непохожими областями науки.

С одной стороны, мир атома, в котором нет течения времени, а причинно-следственные связи не имеют никакой прочности (фактически их нет). Это мир неопределенности, индетерминизма, где существуют только статистические закономерности. С другой стороны, мир макротел, причинные связи здесь бесконечно прочны, взаимодействие мгновенно, и время кажется неотвратимым роком. К счастью, обе эти крайности всего лишь схемы, нужные нам для познания мира: реальные микро- и макромиры отличаются от тех, что описываются в уравнениях механики.

Остановимся на смысле символов δх и δt. В длинной цепи причинно-следственных превращений мы рассматриваем только то элементарное звено, где причина порождает следствие. Согласно обычным физическим воззрениям, такое звено — пространственно-временная точка, не подлежащая дальнейшему анализу. δх и δt — как бы размеры «пустой» точки, где нет материальных тел, а есть только пространство и время. Так как они бесконечно малые одного порядка, то С2 — конечная величина, представляющая собой скорость перехода причины в следствие.

Величина С2 связана только со свойствами времени и пространства, а не со свойствами тел. Поэтому С2 должна быть универсальной постоянной, характеризующей течение времени в нашем мире. И еще одно обстоятельство. Превращение причины в следствие требует преодоления «пустой» точки. «Прыжок через бездну» происходит только за счет хода времени. Отсюда прямо вытекает участие времени в процессах материальных систем.

Если у знака δt есть определенный смысл (будущее минус прошедшее), то знак δх совершенно произволен, поскольку пространство однородно и в нем нельзя выделить какого-либо преимущественного направления. Но раз так, сразу же напрашивается вопрос: какой знак у С2? Ведь логически рассуждая, мы можем умозрительно представить мир с противоположным ходом времени. Возникает трудность, которая на первый взгляд кажется непреодолимой и разрушающей все построение. Однако именно благодаря этой трудности мы приходим к единственно возможному выводу: С2 — не скаляр (согласно обычной механике), а псевдоскаляр (скаляр, меняющий знак при зеркальном отображении координатной системы). Поясним это простым рассуждением. Ход времени должен быть определен по отношению к некоему «эталону». Таким «эталоном», не зависящим от свойств тел, может быть только пространство. В пространстве, как мы уже видели, нет различий в направлениях, но есть абсолютное различие между правым и левым (хотя сами эти понятия условны). Поэтому ход времени, связанный с различием в свойствах «эталона», может определяться величиной, имеющей смысл линейной скорости поворота (которая меняет направление при отображении в зеркале). Разумеется, эта формальная аналогия совершенно не объясняет сущности «четвертого измерения». Зато она открывает замечательную перспективу — экспериментально исследовать время. Действительно, можно ожидать, что у вращающегося тела — например, гироскопа — ход времени изменится и станет равным С2±U (где U — линейная скорость волчка). Это изменение проявится в виде дополнительных сил, действующих вдоль оси вращения и неизвестных в теоретической механике. Большие «волчки» — планеты — под действием этих сил принимают форму кардиоиды. Об этом рассказано в статье «Река времени» («Техника — молодежи» № 8 за 1959 год). Однако вернемся к тем недалеким годам, когда «причинная» механика только зарождалась.

Помню хмурый ленинградский день, осень, которая казалась мне по-весеннему зеленой. Теперь я знал, что в этом обреченном, как думалось нам раньше, мире идут непредусмотренные механикой процессы и они препятствуют его смерти. Живут не только растения и животные, в широком смысле можно говорить о жизни космических объектов и других физических тел. Но если мир однороден (а в этом наука не сомневается), то в каждой случайной капле можно обнаружить все его свойства. Значит... жизненные процессы должны наблюдаться даже в самых простых механических опытах! Но почему же люди этого до сих пор не замечали?

С большим волнением я приступил к опытам со взвешиванием гироскопа. При вращении против часовой стрелки он становился несколько легче, при вращении в обратную сторону утяжелялся (отклонение от веса гироскопа в покое 90 г всего ±4 мг, но все же!). Простой эксперимент подтверждал, что, когда направление вращения волчка и ход времени совпадают, возникают дополнительные силы. Измерив их, можно не только вычислить величину С2 (около 700 км/час), но и определить ее знак. Оказалось, что ход времени нашего мира положителен в левой системе координат. Отсюда возникает возможность объективного определения левого и правого: левой системой координат называется та система, в которой ход времени положителен, а правой — в которой он отрицателен. Значит, именно ход времени — тот самый материальный мост, о необходимости которого (для согласования понятий левого и правого) говорил еще Гаусс!

Опыты с гироскопами дали еще один принципиально новый результат. Оказалось, что дополнительные силы действия и противодействия могут располагаться в разных точках системы — на стойке весов и на гироскопе. Получается пара сил, поворачивающих коромысло весов.

Следовательно, время обладает не только энергией, но и моментом вращения» который оно может передать системе.

Однако не нужно забывать: мы ставили эксперимент над самым загадочным свойством природы — временем, а гироскопы, весы, подвески — всего лишь орудия (причем весьма грубые), с помощью которых мы исследовали удивительный мир. Мы ожидали встретить неведомое, и оно проявилось совершенно необычно.

Что может быть хуже для экспериментатора, чем признание горького факта — опыт невоспроизводим. Но у нас иногда все получалось, легко, иногда — никакого ожидаемого эффекта. Усилили причинное воздействие — эффект наблюдается вновь. Так, может быть, у времени, кроме постоянного хода, существует и еще одно переменное свойство — его интенсивность, плотность? Быть может, у нашей субъективной оценки «пустого», тянущегося времени есть физические предпосылки в самой природе?

Одни вопросы потянули за собой другие. Почему наши опыты летом удаются хуже, чем зимой, а на севере, возле Мурманска, они всегда удачней, чем в Крыму? Вероятно, плотность времени меняется в широких пределах из-за процессов, происходящих в природе, и наши опыты — своеобразный прибор, регистрирующий эти перемены. Если это так, то нельзя ли воздействовать одной материальной системой на другую через время? Правда, подобную связь можно было предвидеть, поскольку причинно-следственные изменения происходят не только во времени, но и с помощью времени. Другими словами, в каждом процессе природы тратится или образуется время...

Возьмем простой механический процесс и попытаемся изменить плотность времени. Например, будем поднимать двигателем груз — получается система с двумя полюсами: источником энергии и ее стоком, то есть причинно-следственный диполь. Один из полюсов диполя приблизим к длинному маятнику, у которого вибрирует точка подвеса. Вибрацию надо настроить так, чтобы эффект отклонения к югу был неполный - (еще Гук поставил эксперимент, доказывающий, что тело при падении отклоняется не только к востоку, но и к югу). Оказалось, если к телу маятника или к точке подвеса приблизить тот полюс диполя, где происходит поглощение энергии (в нашем примере — груз), то «южное» отклонение возрастает. С приближением же другого полюса (двигателя) эффект, наоборот, неизменно слабел.

Влияние причинного полюса не зависело от направления относительно маятника, и сила воздействия убывала обратно пропорционально первой степени расстояния (а не его квадрату, как было бы в случае силового поля). Интересно, что даже толстая стена лаборатории не экранировала маятник от таких воздействий (есть данные, что роль такого экрана могут выполнить органические вещества с одними «правыми» молекулами, например, сахар). Итак, вблизи системы с причинно-следственным отношением плотность времени действительно меняется. Около двигателя происходит разрежение времени, а около груза — его уплотнение. Образно говоря, время втягивается причиной и, наоборот, уплотняется в том месте, где расположено следствие. Поэтому маятник как бы получает помощь от «приемника» и испытывает помехи со стороны двигателя. Вероятно, именно поэтому опыты сравнительно легко удаются зимой и в северных широтах и плохо (или даже вообще не удаются) — летом и на юге. На юге находится атмосферный двигатель, приводящий в движение весь механизм погоды, и летом он работает очень интенсивно. В наших же краях и севернее проявляются следствия этой деятельности. Свойства времени чрезвычайно трудно объяснить, прибегая к излюбленному популяризаторами методу аналогий; его воздействие принципиально отличается от воздействий силовых полей.

Причинный полюс сразу создает две равные и противоположные силы, приложенные к телу маятника и к точке подвеса. Происходит передача энергии без импульса, а следовательно, и без отдачи на полюс. Такая передача энергии обладает важнейшим свойством: она не может распространяться с конечной скоростью (ибо с распространением связан перенос импульса) и должна происходить мгновенно. Время во вселенной не распространяется, а всюду возникает сразу. На ось времени весь наш мир проектируется одной точкой.

Поэтому измененные свойства какой-либо секунды проявятся сразу, убывая обратно пропорционально первой степени расстояния. Такая мгновенная передача информации через время не противоречит специальной теории относительности, и, в частности, относительности понятия одновременности, — воздействие через время осуществляется в той системе координат, с которой связан источник этих воздействий. Время не может стать «двигателем» космической ракеты (у него нет «отдачи»), но, овладев его свойствами, люди могут сделать реальной мечту фантастов о передаче информации с неограниченной скоростью. Океан времени, на преодоление которого свету требуются тысячелетия, можно миновать.

Два года назад я делал доклад на коллоквиуме Международного астрономического союза в Брюсселе. Тема — физические особенности двойных звезд. Два объекта в этих звездах удивительно похожи друг на друга (по яркости, спектральному типу, радиусу и т. д.). Возникает впечатление: главная звезда воздействует на «спутник» и постепенно изменяет его облик. Однако расстояние между «близнецами» столь велико, что возможность такого воздействия обычным образом, то есть через силовые поля, исключается. Думаю, отгадка таится во времени.

Система Земля — Луна, по сути, двойная планета. И существует немало данных, что наш спутник физически кое в чем уподобляется Земле. Сама по себе Луна едва ли сохранила внутреннюю энергию, проявившуюся, например, в извержении газов в кратере Альфонса. Не происходит ли здесь воздействия Земли на Луну через время? Это лишь два примера, но я уверен, что в природе их множество. Нужно научиться выявлять работу времени, экспериментально изучать его свойства.

Растения и животные, вероятно, уже используют асимметричность нашего мира, течение времени в одну сторону для получения дополнительной энергии (см. «Техника — молодежи» № 8 за 1959 год.). Теперь этому должен научиться и человек. Все наши машины работают по принципу выравнивания энергетических уровней системы.

Если «причинная» механика позволит обнаружить жизнь вне организмов, научит нас управлять ею, тогда машины будут обновлять, а не исчерпывать активные возможности мира, его ресурсы. Только так может установиться подлинная гармония человека с природой, человечества со вселенной.

Николай Козырев, доктор физико-математических наук, профессор

Техника-молодёжи №12 1968

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс.Дзен!

Нажмите «Подписаться на канал», чтобы читать «Завтра» в ленте «Яндекса»

Комментарии Написать свой комментарий

К этой статье пока нет комментариев, но вы можете оставить свой

1.0x