ОТ ФИЗИКИ НЕОБХОДИМОГО К ФИЗИКЕ ВОЗМОЖНОГО

Время - неотъемлемая составляющая нашего бытия. Веками он пленил воображение художников, философов, поэтов. Включение времени в Галилея механику ознаменовало рождение новой науки. Центральное место нашего пособия - проблема стрелы времени (это понятие ввел в 1928 Эддингтон). Ведь в том виде, в котором время входит в основные законы физики, он сам не вносит никакой разницы между прошлым и будущим!

Многие нынешние физиков воспринимают отрицание стрелы времени как постулат: до и пока речь идет о фундаментальном уровне описания, ее не существует. Однако во всех явлениях макроскопической физики, химии, геологии, биологии или гуманитарных наук будущее и прошлое неравноправные - в них присутствует стрела времени. Каким же образом, где она возникает, если в исходных физических законах ее нет? Откуда появляется асимметрия между прошлым и будущим? Или направленность времени, которое мы воспринимаем, - это не более чем иллюзия? Так мы приходим к главному парадоксу времени.

Парадокс пор не был осмыслен до второй половины XIX в. В те годы законы динамики уже давно воспринимались как выражающие идеал объективного знания. А поскольку из этих законов следовала эквивалентность прошлого и будущего, любые попытки ввести стрелу времени в фундамент физики наталкивались на упорное сопротивление - их рассматривали как покушение на этот идеал и предпочитали возлагать ответственность за разницу между прошлым и будущим на наблюдателя, привносит в описание явлений различные приближения, неточности. Однако сейчас разделять эту точку зрения уже невозможно.

В последние десятилетия родилась новая наука - физика никак равновесных процессов, связанная с понятиями самоорганизации и диссипативных структур. Если когда-то стрела времени проникала в физику через такие простые процессы, как диффузия и вязкость, которые еще можно понять, исходя из оборотной во времени динамики, то сейчас ситуация иная. Теперь мы знаем, что необратимость приводит множество новых явлений - образование вихрей, колебательных химических реакций или лазерного излучения. Во всем этом необратимость играет конструктивную, организующую роль. Невозможно представить жизнь в мире, лишенном взаимосвязей, создаются принципиально необратимыми процессами.

Итак, утверждать, будто стрела времени - "всего лишь феноменология" и обусловлена способом нашего описания природы, с научной точки зрения абсурдно. Парадокс времени ставит перед нами проблему содержания и роли законов природы. Отождествление науки с поиском этих законов, очевидно, является характерной чертой западного мышления. Прототипом универсального закона природы может служить один из законов Ньютона, который кратко формулируют так: ускорение пропорционально силе. Этот закон имеет две важные особенности. Он детерминистический: когда начальные условия известны, мы можем предвидеть движение. И оборотный во времени: между предсказанием будущего и восстановлением прошлого нет никакой разницы; другими словами, движения от настоящего к будущему состоянию и обратно - от настоящего к исходному - равноправны. Закон Ньютона лежит в основе классической механики - науки о движении материи, о траектории.

С начала XX в. пределы физики значительно расширились, теперь у нас есть квантовая механика и теория относительности, но основные отличительные черты закона Ньютона - детерминизм и обратимость во времени - сохранились. Понятие "закон природы" заслуживает более подробного анализа. Мы настолько привыкли к нему, что оно воспринимается как трюизм, как нечто само собой разумеющееся. Однако в других картинах мира привычная для нас концепция закона природы отсутствует. По Аристотелю, живые существа не подчиняются никаким законам; деятельность этих существ обусловлена автономными внутренними причинами, каждая из них стремится к достижению своей собственной истины. А в Китае господствовали взгляды об извечной гармонии космоса, о некоторой статическое равновесие, что связывает воедино природу, общество и небеса.

Идея о том, что в мире могут действовать законы, вызрела в недрах европейской цивилизации. Значительное влияние на формирование представлений о законах природы сделала Библия с ее всеведущий и Всемогущим божеством. Однако на протяжении всей истории западной мысли неоднократно поднимался тот же вопрос: что это такое - возникновение нового в мире, управляемом детерминистическими законами? Впервые этот вопрос встал задолго до рождения современной науки. Платон связывал разум и истину с "миром идей" - высшим бытием, не подвергается изменениям, текучести реального мира с его постоянным "становлением". Становление - неиссякаемый поток воспринимаемых нами явлений - философ относил к сфере чистой мысли. Однако Платон понимал ущербность такой позиции, поскольку она унижала и жизни, и мнение. В "Софисте" он приходит к выводу, что необходимы и бытия, и становления.

С теми же трудностями столкнулись и атомистами. Чтобы допустить возникновения нового, Лукрецию пришлось ввести "клинамен" - некий фактор, будоражит свободное падение атомов в пустоте. Обращение к клинамену часто подвергалось критике за введение в атомистический описание инородного элемента. Но и через два тысячелетия мы встречаем аналогичную попытку в работе Эйнштейна, посвященной спонтанному испусканию света возбужденным атомом. Параллелизм особенно неожиданный, если мы вспомним, что Лукреция и Эйнштейна разделены, очевидно, величайшей революцией в наших отношениях с природой - рождением новой науки. И клинамен, и спонтанное испускание света относятся к событиям, то есть, к реализаций определенных возможностей, заданных своими вероятностями. События и вероятности фигурируют в теориях эволюции, будь то дарвинизм или история человечества (мы увидим, что события также связаны с термодинамической стрелой времени в области сильно неравновесных процессов).

Можно пойти дальше, чем Лукреций и Эйнштейн, которые "добавили" события в детерминированных законов? Можно "видоизменить" само понятие физического закона так, чтобы включить в наше описание природы необратимость? Принятие такой программы привело основательный пересмотр законов природы, который стал возможен благодаря замечательным успехам, связанным с идеями неустойчивости и хаоса.

Начнем с рассмотрения классической динамики. Можно, думать, что все системы, описываемые законами Ньютона, в чем-то схожи. Конечно, каждый знает, что рассчитать траекторию системы трех тел, например Солнца, Земли и Юпитера, труднее, чем траекторию падающего камня, но эти трудности считали непринципиальными, связанными только с большим объемом вычислений. Однако в последние десятилетия выяснилось, что подобная мысль неправильная - не все динамические системы одинаковы. Оказалось, что такие системы делятся на устойчивые и неустойчивые. Так, маятник устойчив: слабые возмущения мало сказываются на его движении; но для большинства динамических систем малые начальные отклонения постепенно растут. Крайний случай неустойчивых систем - так называемые хаотические системы, для которых описание в терминах траекторий становится недостаточным, поскольку сначала как угодно близкие траектории со экспоненциально расходятся.

Итак, хаос появляется в макроскопических необратимых процессах, где он, так сказать, "негативный" - делает невозможными уверены предсказания вследствие быстрого различия соседних траекторий. Этот эффект равнозначен чувствительности уравнения решения к начальным условиям, через которую обычно определяют хаос. Однако важный новый момент состоит в том, что хаос приобретает теперь и "положительные" аспекты. Так как отдельные траектории становятся чрезмерной идеализацией, Пригожин вынужден обратиться к вероятностного описания в терминах ансамбля возможных траекторий. Такое описание сам по себе не нов: он служил отправным пунктом развитого Гиббсом и Эйнштейном подхода к статистической физики.

Здесь нужно подчеркнуть одну очень существенное обстоятельство: с вероятностного описания, вводится для хаотических систем, следует необратимость, потому что он применяется уже не к отдельной траектории, а к пучку, к раскрытого "веера" возможностей. Это утверждение - результат строгого анализа методами современной математики.

Значит, в таком вероятностном представлении прошлое и будущее начинают играть различные роли. Иначе говоря, хаос вводит стрелу времени в фундаментальный динамическое описание. Хаос позволяет решить парадокс времени, но он делает и нечто большее привносит вероятность в классическую динамику, то есть в сферу детерминистической науки. В данном контексте вероятность выступает уже не как следствие нашего незнания, а как неизбежное выражение хаоса.

В свою очередь, это позволяет по-новому определить хаос. Мы сказали, что хаос приводит к необратимому вероятностного описания, теперь же мы перевернем это утверждение: все системы, допускающие необратимый вероятностное описание, будем считать хаотичными. Таким образом, системы, о которых идет речь, допускают описание не в терминах отдельных траекторий (или отдельных волновых функций в квантовой механике), а только в понятиях пучков (или ансамблей) траекторий. Сфера проявлений хаоса чрезвычайно расширилась и включила в себя практически все системы, описываемые современными теориями взаимодействующих полей.

Такое широкое обобщение понятий хаоса требует нового третьей - формулировки законов физики: первое было основано на исследовании индивидуальных траекторий или волновых функций; второе - на теории ансамблей Гиббса и Эйнштейна (с динамической точки зрения вторая формулировка не вносит новизны, поскольку, будучи примененным к отдельным траекторий или волновых функций, сводится к первому). Теперь мы приходим к третьему формулировки, масс совсем другой статус: оно применимо только к ансамблей и справедливо только для динамических систем. Оно приводит к выводу, что не могут быть получены ни на основе ньютоновской, ни ортодоксальной квантовой механики. Именно это новое представление, что вводит необратимость в фундамент описания природы, позволяет объединить "свойства микро - и макромира.

Мотивацией концепции И.Р. Пригожина служил парадокс времени, но он существует не сам по себе. С ним тесно связаны два других парадоксы, что, как мы увидим, самым непосредственным образом касаются возражения стрелы времени: квантовый парадокс и космологический парадокс. В квантовом мире движение описывают волновыми функциями. Главное отличие волновой механики от ньютоновской заключается в том, что классические траектории, получаемые из уравнения движения, непосредственно соответствуют тем, которые наблюдаются, тогда как квантово-механические волновые функции, будучи решениями уравнения Шредингера (в принципе, оно играет ту же роль, что и уравнение Ньютона), задают только амплитуду вероятности, с которыми реализуются различные возможные траектории. И чтобы получить самые вероятности каждого результата, нужно сделать дополнительную операцию - редукцию (коллапс) волнового пакета. Эта операция связана с процедурой измерения, она лежит вне основного уравнением теории.

Отсюда следует двойственность квантовой механики - наличие двух разнородных элементов (волновой функции и ее редукции) приводит к концептуальных проблем, споры вокруг которых продолжаются вот уже шестьдесят лет - с момента возникновения этой теории. Хотя ее абсолютно обоснованно называли наиболее успешной из всех существующих физических теорий, пока так и не удалось выяснить физический смысл редукции волновой функции. Многие ученые полагают, что ответственность за нее несет наблюдатель и выполняемые им измерения. Между парадоксом времени и квантовым парадоксом является тесное аналогия. Они оба отводят нам достаточно странную роль: получается, что человек ответственный как за стрелу времени, так и при переходе от квантовой потенциальной возможности к уже совершенному, то есть за все особенности, связанные с переходом от становления к событиям в нашем физическом рассмотрении.

Поскольку квантовые хаотические системы описывают не в терминах волновых функций, а сразу в терминах вероятностей, отпадает необходимость в коллапсе волновой функции. Временная эволюция хаотических систем превращает описание через волновые функции в описание ансамбля траекторий. Посредником, связывает нас с природными явлениями, выступает уже не акт наблюдения, а квантовый хаос. Идеи, охватывающих общим подходом хаос, стрелу времени и квантовый парадокс, приводят нас к более "целостного" понимание природы, которое содержит в себе и становления, и события (на всех уровнях описания).

Традиционные законы природы соответствовали замкнутом детерминированной Вселенной, прошлое и будущее которого, по сути, не различаются. Это рассматривалось как триумф человеческого разума, преодолевает ограниченность видимой изменчивости природы. Но такой взгляд был чужд для других наук, которые предполагали стрелу времени. Теперь мы понимаем, что детерминированы, симметричные во времени законы справедливы только для устойчивых классических и квантовых систем, то есть для очень ограниченного их класса. Место этих законов заняли сейчас вероятностные представления, соответствующие открытом вселенной, где в каждый последующий момент времени возникает новое, где в игру вступают неведомые прежде факторы.

Указано и третий парадокс - космологический. Современная космология приписывает нашей Вселенной некоторое возраст: он родился с Большим взрывом около +15000000000 лет назад. Ясно, что это событие. Но событие не входит в привычной системы законов природы: траектории там нигде не начинаются и ни на чем не заканчиваются. Именно поэтому гипотеза Большого взрыва с ее проблемой сингулярности (исходного состояния) породила в физике глубочайший кризис.

В поисках выхода из нее Стивен Хокинг и другие ученые предположили, что космологический время - это иллюзия. Если чисто математически ввести в теорию воображаемый время, то разница между пространственными координатами и временем, остался в общей теории относительности, вполне стирается. Сингулярность тоже исчезает, поскольку тогда и пространство, и время уже не имеют границ, а значит, время не имеет начала - он становится чистой "акциденцией", то есть не сущностной, а побочным свойством мира. Так формально решается проблема Большого взрыва, а заодно снимается любая разница между бытием и становлением. По выражению Хокинга, Вселенная "просто есть, и все!". С точки зрения И. Р. Пригожина, события - результат неустойчивости, хаоса. Это утверждение остается в силе на всех уровнях, включая космологический. В детерминированных рамках все предопределено с момента Большого взрыва. В рамках этой концепции законы природы относятся к потенциальным возможностям.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >