Физика времени - Чернин Артур Давидович. Страница 1

А.Д. ЧЕРНИН

ФИЗИКА ВРЕМЕНИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Тайна времени всегда занимала умы людей, издавна волновала их воображение и чувства.

О природе времени, о причине его неудержимого бега размышляли и спорили на протяжении веков. Ускользающую сущность времени пытались уловить еще античные мыслители. В эпоху Возрождения, давшую начало современным наукам о мире и человеке, время понимали уже как реальную, неотъемлемую черту Вселенной и видели в нем вполне определенные свойства, познать и изучить которые можно путем научного исследования. Расцвет физической науки с начала нашего века сделал время предметом прямого экспериментального и наблюдательного изучения; тогда же возникла замечательная теория, раскрывшая глубокие связи между ходом времени, геометрическими свойствами пространства и протекающими в природе физическими явлениями. В наши дни физика времени обогащается новейшими данными космологии и физики элементарных частиц — двух фундаментальных областей современной физической науки, где рождается принципиально новое знание о мире. Проникновение в природу времени продолжается.

В физике нет особого, самостоятельного раздела, специально изучающего время. Не существует отдельной науки о времени — такой, как, например, наука о пространстве — геометрия. Имеется, правда, наука об измерении времени — хронология (хронос по-гречески значит время). Но можно сказать, что вся физика в своих принципиальных основах строится на представлениях о времени. Например, старейшая из физических наук — классическая механика — изучает законы движения тел «обычных» размеров и масс. Чтобы открыть эти законы и затем применять их для расчетов машин и механизмов, строительных конструкций, транспортных средств, а в наши дни — и космических аппаратов, потребовалось сначала выработать определенное понимание времени, ясно и точно сформулировать важнейшие его свойства. Это было сделано Ньютоном 300 лет назад. Когда в первой четверти нашего века возникали теория относительности и квантовая теория, границы физической картины мира далеко раздвинулись и она включила в себя самый большой объект науки — Вселенную как целое и самые малые тела природы — элементарные частицы. Физика наших дней со всеми ее бесчисленными и разнообразными применениями исходит из принципиально новой концепции времени. Вместе с тем фундаментальные идеи современной физики служат основой для дальнейшего развития и углубления наших представлений о времени.

Возникновение и развитие научных представлений о времени, современная физическая концепция времени, трудные и все еще далеко не разрешенные загадки, которые ставит перед нами время и его необратимый бег,— вот о чем рассказывается в этой книге.

Я рад поблагодарить Я. И. Азимова, В. Л. Гинзбурга, Д. А. Киржница и Я. А. Смородинского, прочитавших рукопись книги или отдельные ее части и сделавших ряд ценных критических замечаний. Я глубоко благодарен Л. Э. Гуревичу за многочисленные обсуждения затронутых в книге проблем. Воспроизводимые в книге фотографии часов любезно предоставлены Л. Г. Ченокал и Р. Мартинкусом; им моя искренняя признательность. Рисунки для книги сделал Ф. А. Чернин; его мне особенно приятно поблагодарить.

ГЛАВА 1

ВРЕМЯ И МЫ

Переживая непосредственные впечатления об окружающем нас мире, а затем целенаправленно изучая и осваивая его, человечество постепенно выработало ряд основных понятий, на которых строятся все наши представления, вся система наших знаний. Одно из важнейших — понятие времени.

Основные понятия о мире — это плод человеческого разума, воображения, наблюдательности, памяти, воли. Ум обладает высокой способностью создавать понятия. Но он не извлекает их готовыми из самого себя. Он не может вылепить их из ничего. Ум создает понятия из материала конкретных знаний, полученных в наблюдении мира, в практической деятельности, в повседневном опыте.

Чувство времени

Человек живет во времени и способен тонко чувствовать его. Мы следим за временем, ориентируемся во времени, пользуясь часами, но можем обходиться и без них. Многие более или менее хорошо угадывают время, а некоторые на вопрос «Который час?» отвечают, не глядя на часы, с поразительной точностью.

Конечно, нетрудно угадать, что прошло 45 минут с начала урока или лекции, когда слышишь звонок. Звонок — тоже часы, только они указывают время не в любой момент. Можно узнавать время днем по Солнцу, а ночью по Луне, по их положению на небе. Луна и Солнце — это астрономические часы, подаренные нам природой.

Но как мы узнаем время без всяких часов и без каких-либо ориентиров? Можно ли, например, следить за временем, находясь в закрытом помещении, совершенно изолированном от внешнего мира? Известно, что космонавты, готовясь к космическим полетам, проходят испытания и тренировки в изолированных помещениях, называемых сурдокамерами. Туда не проникают извне ни свет, ни звуки. Человек остается один на один со временем. И, оказывается, даже в таких условиях можно хорошо ориентироваться во времени без часов, проделывать по расписанию определенные программой задания, соблюдать режим работы и отдыха, бодрствования и сна.

Давно известно, что человек обладает пятью чувствами — зрением, слухом, осязанием, обонянием и вкусом. Они описаны еще Аристотелем, знаменитым ученым древности, жившим в Греции в IV веке до нашей эры. Но нет ли у нас еще и шестого чувства — чувства времени? Ведь мы действительно чувствуем время, постоянно ощущаем его течение.

В специальных экспериментах люди, проводившие дни и недели в изолированной камере или глубокой пещере, определяли время с довольно высокой, иногда чуть ли не до процента, точностью. Это означает, что, например, продолжительность часа угадывали с ошибкой всего в минуту-другую, а продолжительность суток — с ошибкой, не превышающей получаса. В подобных экспериментах человек никакого сознательного отсчета времени не вел — не считал вслух, не делал отметок или зарубок, как Робинзон Крузо на своем острове. Уверенное чувство времени вполне обходилось без этого, не оставляло человека и не подводило его.

А вот другой эксперимент. Испытуемому давалось перед сном задание проснуться, скажем, ровно в 7 часов — без будильника. И тренированные люди, а среди них были космонавты, полярники, альпинисты, с очень хорошей точностью просыпались в заданный час, хотя обычно они привыкли вставать в другое время.

В чем же дело? Не означает ли все это, что у каждого из нас имеются какие-то внутренние недремлющие часы, которые исправно идут и когда мы бодрствуем, и когда спим?

Счетчик времени?

Если для выполнения какого-то задания космонавту в сурдокамере нужно отсчитывать секунды, он может воспользоваться пульсом. Частота пульса — приблизительно один удар в секунду — выдерживается с неплохим постоянством, а у людей тренированных пульс особенно ровен. Это часы, которые всегда с нами. Пульс связан с ритмическими сокращениями сердца, и можно сказать, что часовой механизм здесь – сердечная мышца, а пульс – сигнал этого механизма, подобный тиканью механических часов.

Пульс хорош для отсчета секунд или минут. Но если нужно отсчитывать часы, сутки, недели или даже месяцы, космонавт не станет непрерывно держать руку на пульсе. И тем не менее, как мы говорили, человек хорошо чувствует и оценивает как малые, так и сравнительно большие промежутки времени. В этом случае пульс или, скажем, дыхание на роль часов не годятся, да и вообще непрерывный сознательный счет времени невозможен. Тут действуют какие-то другие часы.

Многие исследователи — психологи, физиологи, биофизики, кибернетики — считают, что человек, определенно, обладает внутренними часами, и притом не одними, а многими. По сути дела, на роль часов годится любой орган нашего тела, который, подобно сердцу или системе дыхания, работает ритмически. Нужно, конечно, чтобы его ритм всегда поддерживался более или менее постоянным.