4. Проблема времени

Аннотация. Рассматриваются теории молекулярного, динамического хаоса и стремление замкнутых систем к термодинамическому равновесию, больцмановское время, асимметрия времени. Обращается внимание на трудности введения понятия времени в процессе обучения.

1.5.1. Космический хаос и направление времени

Современная астрофизика – это эволюционная теория, которая изучает условия образования и устойчивости упорядоченных структур в первоначально бесструктурной среде – космическом хаосе. Явление самоорганизации материи состоит в появлении последовательности упорядоченных во времени и пространстве событий. Согласно принципу эквивалентности Эйнштейна свойства пространства и времени зависят от динамических свойств материи и обратно: пространство и время указывают материи, какими свойствами она должна обладать. Отсюда можно предположить существование связи между макроскопическими свойствами самоорганизации материи и известной асимметрией течения времени.

Локальные микроскопические законы математически записываются дифференциальными уравнениями, которые симметричны во времени (обратимость). Но есть и явления, которые указывают на макроскопическую стрелу времени: рост энтропии, расширение Вселенной, распад к⁰ – мезонов и др. Больцман для объяснения второго начала термодинамики на основе динамических законов движения атомов ввел гипотезу молекулярного хаоса, согласно которой в равновесной системе распределение атомов по скоростям случайно. С одинаковой вероятностью любую допустимую скорость может иметь любой из атомов. В неравновесном состоянии такого равновероятного распределения скорости нет. Переход неравновесной системы в равновесное состояние по Больцману происходит в соответствии с теоремой Пуанкаре. Периоды возврата у разных атомов различны. Они зависят также от начальных скоростей и изменяются при столкновениях. Вследствие этого с течением времени изменяется распределение атомов по скоростям и в пространстве. Распределения становятся случайными, и система переходит в равновесное состояние.

Теория динамического хаоса является альтернативной гипотезе молекулярного хаоса. Она рассматривает появление хаоса в физических системах как следствие динамики этих систем. Порядок и беспорядок – это два проявления динамического хаоса, присущего системе. Динамический хаос может быть близок к молекулярному хаосу Больцмана. Но полного совпадения нет, так как в динамическом хаосе всегда есть корреляция между различными степенями свободы.

С точки зрения эргодической теории термодинамические законы справедливы для систем с бесконечно большим числом степеней свободы.

Стремление к термодинамическому равновесию характерно для всех сложных замкнутых систем. Наблюдаемые структуры в таких системах Больцман считал случайными флуктуациями хаоса, которые постепенно «рассасываются». Это «рассасывание» и отражает второй закон термодинамики, необратимость. Больцман считал, что процессы рождения и уничтожения флуктуаций определяют эволюцию материи. А время течет в том направлении, в котором происходят необратимые физические процессы. Переходы в равновесные состояния создают время, задают его направление. Изменение времени отражает переход всей Вселенной в равновесное состояние.

В равновесном состоянии или молекулярном хаосе нет никаких структур. Это смерть. Направление времени Больцмана – направление к смерти Вселенной. Но повседневный опыт и астрономические наблюдения свидетельствуют и о наличии обратных процессов – процессов самоорганизации материи. Самоорганизующиеся системы не чувствуют больцмановского времени. Во всех уголках Вселенной существуют процессы самоорганизации материи. В этих процессах развиваются пространственно – временные корреляции, нарушающие однородность и бесструктурность вещества.

А.Эддингтон пытался связать направление течения времени с расширением Вселенной. Но это расширение не влияет на ход процессов в гравитационно-связанных системах, таких как галактики и Солнечная система. Из – за расширения Вселенной не происходит увеличения радиусов планет и Солнца. Поэтому расширение Вселенной не может определять направление течения времени в любой точке пространства.

Существует еще и собственное психологическое чувство времени. Оно связано с процессами, идущими в организме и сознании человека. Как показали эксперименты, темп его изменяется в зависимости от условий и внутреннего состояния человека. Направление изменения психологического времени всегда связано у нас с уверенностью, что происходят необратимые изменения от прошлого к будущему. Физические причины этой асимметрии состоят в том, что организм человека, как и любая система со сложными внутренними и внешними связями, является неинтегрируемой системой. Такие системы не симметричны относительно прошлого и будущего.

В 1964 г. Дж. Кронин и В. Фетч обнаружили, что вероятность распада

к⁰ → е ⁺ + + π ^- превышает вероятность распада к⁰ → е ^- + + π ⁺. Эта асимметрия создает асимметрию практически всех электромагнитных эффектов и взаимодействий. Появляется некоторая неравноправность правого и левого в атомных системах. Выдвинута гипотеза, что вследствие этого и появляется асимметрия времени. Пенроуз предполагал, что закон распада к⁰ – мезона несимметричен во времени. Однако распад к⁰ – мезона не зависит от свойств электромагнитного взаимодействия, так как в распаде не участвуют электромагнитные степени свободы. Но связь этого распада с макроскопической асимметрией времени осуществляется через возбуждение электромагнитных степеней свободы.

Причины асимметрии времени могут быть связаны со свойствами гравитационного взаимодействия. Гравитация – притяжение. В системах с гравитационным взаимодействием изменение времени можно связать с развитием гравитационного скучивания. Изменение гравитационного времени является отражением процессов самоорганизации. Например, говорят о звездах первого, второго и т.д. поколения. Первые появляются благодаря гравитационному скучиванию первичного вещества – водорода и гелия. На определенной стадии эволюции они взрываются и обогащают окружающий газ атомами новых химических элементов, которые были синтезированы в недрах звезды во время ее жизни и во время взрыва. Из этого вещества рождаются новые звезды и т.д. появление звезд из первоначально почти однородной среды соответствует появлению новых степеней свободы, то есть новых способов распределения внутренней энергии гравитирующего вещества. Развитие новых степеней свободы, рост гравитационной энтропии означает, что в системе развивается динамический хаос. По–видимому, в этом состоянии находится наблюдаемая Вселенная.

Таким образом, если Вселенная находится в состоянии динамического хаоса, то ей суждена эволюция с бесконечной сменой структур, которые могут оказаться более совершенными, чем наблюдаемые сейчас галактики, звезды и живые существа. В идеальном хаосе нет ни смысла, ни гармонии. В космическом хаосе они есть.