CC BY
23
ФИЛОСОФИЯ НАУКИ И ТЕХНИКИ
2017.03.011. РИГГС П.Дж. СОВРЕМЕННЫЕ ПОНЯТИЯ ВРЕМЕНИ В ЗАПАДНОЙ НАУКЕ И ФИЛОСОФИИ. RIGGS P.J. Contemporary concepts of time in western science and philosophy // Long history, deep time. - Canberra: Australian National University, 2015. - Р. 47-66.
Ключевые слова: время в теории относительности; время в квантовой механике; квантовая запутанность; квантовая нелокальность; временная асимметрия; необратимость; временная инвариантность; энтропия; горизонт событий; философские концепции времени; причинная теория времени; статистические теории времени; сверхглубокое время.
В работе физика, математика и философа науки Питера Дж. Риггса (PhD) анализируются основные принципы теорий времени, получивших поддержку и признание среди философов и физиков. Рассмотрение начинается с обсуждения понятия времени в теориях современной физики и продолжается рассмотрением времени в современной западной аналитической философии. Автор пишет, что над загадочной природой времени человечество размышляло больше, чем над любой другой виртуальной проблемой, за исключением, быть может, религии. Время остается наиболее неуловимым из всех метафизических понятий. Даже с развитием современной физики (с начала двадцатого века), несмотря на математическое выражение фундаментальных физических законов, человечество располагает только элементарным представлением о времени, идущим еще со времен Августина.
Назначение науки, пишет Риггс, - порождать физические теории и законы природы. Эти законы могут считаться общими утверждениями о причинных связях между событиями (детерминистские законы) или общими утверждениями о вероятности собы-
тий (недетерминистские законы). Физика считается самой зрелой наукой о природе благодаря своим количественным методам сбора доказательств и развития теории, благодаря ее способности делать точные измерения, ее строгой эмпирической верифицируемости и ее критериям исключения теорий, которые не согласуются с экспериментальными данными. Только те теории, которые отвечают этим строгим требованиям, включаются в физику. Существуют определенные аспекты физики, которые соотносятся с научной перспективой времени.
Во-первых, физика показала, что представления здравого смысла в отношении времени ошибочны. Если, согласно повседневному опыту, время абсолютно, оно всегда одинаково для всех, независимо от их местоположения и движения, то из специальной теории относительности известно (и подтверждено многочисленными сверхточными экспериментами), что время течет по-разному для различных наблюдателей. Оказалось, что, несмотря на кажущуюся парадоксальность, не существует такой вещи, как абсолютное время.
Во-вторых, фундаментальные законы физики не содержат условий, которые бы объективно выделяли настоящий момент из всех остальных, даже притом что человеческое сознание только и знает, что «сейчас» (а не прошлое или будущее). Настоящий момент абсолютно отсутствует в уравнениях физики.
В-третьих, время графически представляется в западной традиции прямой линией. Это соответствует интуитивному чувству времени как прямой линии, начертанной слева направо, как последовательности идущей из прошлого в будущее. Но это является лишь культурной обусловленностью и не имеет реального физического смысла.
В-четвертых, фундаментальные законы физики не различают прошлое и будущее. Все уравнения физики могут быть решены для любого момента времени. Другими словами, по известному состоянию физической системы можно как реконструировать ее прошлые состояния, так и спрогнозировать ее будущее развитие. Время является инвариантом для фундаментальных физических уравнений.
В-пятых, очевиден тот факт, что время (как и сама вселенная) необратимо. Необратимые процессы происходят только вдоль одного направления временной стрелы, что отражено термином
«временная асимметрия», которая не подразумевает структурную асимметрию самого времени, но относится лишь к процессам, происходящим во времени. Например, мы никогда не наблюдаем, чтобы кофе с молоком сам по себе спонтанно разделился в чашке на кофе и молоко, или упавшее и разбившееся яйцо вновь стало целым со временем, несмотря на то что фундаментальные законы физики этого не запрещают.
Время всегда было существенным элементом в исследовании астрономии и навигации. Кроме времени в теории относительности наука всегда имела тенденцию быть прагматичной относительно времени, используя его чисто функциональное определение: время -это то, что измеряют часы. В погоне за лучшими средствами проверки физических теорий разрабатывались более точные технологии измерения времени. Сегодня временные интервалы могут быть измерены с точностью до 12 аттосекунд (одной квинтиллионной доли секунды (10-18 с)). Хотя функциональное определение времени и более высокая точность измерения времени важны в практических и экспериментальных целях, оно ничего не говорит нам о природе самого времени. В большинстве уравнений физики время -просто параметр, которым меряется развитие физических систем. Эта роль параметра ничего не сообщает нам о природе времени.
Время в теории относительности играет большую роль, чем просто физический параметр, поскольку время выступает в них внутренней координатой, непосредственно связанной с пространством, выступая четвертой координатой пространства-времени. Альберт Эйнштейн опубликовал специальную и общую теорию относительности соответственно в 1905 и 1915 гг. Данные теории одни из наиболее эмпирически подтвержденных научных теорий. Теория относительности (релятивистская физика) сообщила нам больше о природе времени, чем какая-либо другая теория в истории науки.
Согласно специальной теории относительности (СТО), скорость света в вакууме - максимально возможная скорость (во Вселенной нет ничего бесконечного). Таким образом она является универсальной константой, одинаковой для всех наблюдателей, независимо от их движения. Например, свет фонаря космического корабля, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, будет распространяться со скоростью света и для стороннего наблю-
дателя, и для наблюдателя с самого корабля. Так как наблюдатели в различных системах отсчета всегда обнаруживают одно и то же значение скорости света, то их измерения пространства и времени должны отличаться. Не существует никакого универсального «настоящего» или «одновременного» (с. 51). Согласно СТО, время в движущихся системах отсчета замедляется и при скорости, близкой скорости света, стремится к нулю. Максимальность скорости света в вакууме говорит о предельности скорости передачи энергии и информации, что гарантирует сохранение логической причинно-следственной связи (следствие не может предшествовать своей причине).
Общая теория относительности (ОТО) - теория о пространстве-времени, являющемся релятивистским объединением пространства и времени. Пространство-время может быть описано как гибкая четырехмерная «матрица» вселенной. ОТО расширяет основные геометрические понятия, объясняя силу тяжести с точки зрения четырехмерной геометрии пространства-времени. Согласно ОТО, временные интервалы между событиями зависят не только от относительного движения, но также и от присутствия поля тяготения и его интенсивности. Это приводит к гравитационной версии эффекта замедления времени, который также экспериментально хорошо подтвержден. Чем ближе часы к источнику поля тяготения, тем короче будут временные интервалы, измеряемые ими (внутри «горизонта событий» черной дыры время стремится к нулю).
Другой наиболее эмпирически подтвержденной научной теорией является квантовая механика. Она разрабатывалась многими физиками в 1920-х годах. Прежде всего, Луи де Бройлем, Альбертом Эйнштейном, Эрвином Шредингером, Вернером Гейзенбер-гом, Нильсом Бором и Максом Борном. Квантовая механика описывает микроскопические явления в масштабе субатомных (квантовых) частиц. Несмотря на то что квантовая механика имеет множество причудливых следствий, она не меняет классического понимания времени в изображении состояний квантового уровня физической системы. Физическая система в квантовой механике описывается уравнением Шредингера, которое позволяет вычислять предшествующие и последующие состояния системы. Время в уравнении Шредингера - просто параметр, определенный чем-то внешним по отношению к изучаемой системе, например измерени-
ем с помощью часов. Несмотря на это, квантовая механика может дать некоторые важные представления о времени и онтологическом состоянии событий на микроскопическом уровне (на квантовом уровне можно говорить в некотором смысле о реальности событий уже происшедших или только должных произойти).
Важнейшим результатом, выведенным из квантовой механики, является положение, что Вселенная по сути нелокальна1 на уровне квантовых взаимодействий. Квантовая нелокальность относится к существованию некоторых видов взаимодействия на расстоянии - дальнодействия, указывая, чт.е. влияния, которые действуют быстрее, чем скорость света. Эти выводы сделаны на основании большого количества экспериментальных данных, которые показывают корреляции между пространственно удаленными квантовыми событиями. Так, например, если взять две квантовые частицы, которые получены с помощью одного физического процесса, то, согласно квантовой механике, физические состояния этих двух частиц будут зависимы («квантовая запутанность»). Если переместить одну частицу на большое расстояние, а затем измерить параметры близкой частицы, параметры удаленной частицы изменятся мгновенно. Тем не менее было показано, что квантовая нелокальность не может использоваться для осуществления коммуникации со скоростями, превышающими скорость света. Благодаря чему этот эффект не вступает в прямое противоречие с теорией относительности (с. 53). Вероятно, пишет автор, квантовая нелокальность таит в себе огромный потенциал для будущего понимания времени.
Далее Риггс обращается к философским концепциям времени (которые не могут быть проверены опытным путем). Зона демаркации между философскими и естественно-научными теориями за тысячелетия сместилась. В древности большинство тем, которые сегодня считаются научными, были предметом философских дис-
1 В физике принцип локальности (близкодействия) утверждает, что на объект влияет только его непосредственное окружение (локальный реализм). Квантовая механика предсказывает посредством неравенств Белла прямое нарушение этого принципа. Эксперименты Белла показали, что квантово запутанные частицы нарушают этот принцип. Было показано, что они влияют друг на друга, будучи физически удаленными друг от друга на значительные расстояния, тем самым подтверждая, что принцип локальности неверен.
путов. Классический пример - вопрос о том, состоит ли мир из атомов. Экспериментально этот вопрос был подтвержден физикой только в XX в. В последние годы несколько других проблем, которые традиционно считались метафизическими (такие как вопросы, касающиеся реалистического представления науки) стали предметом косвенных экспериментов в квантовой механике.
Физика раскрыла некоторые особенности времени, но пока не разработаны физические теории, которые могут подтвердить или опровергнуть те или иные теории времени, они остаются в философской плоскости. Существует множество философских вопросов относительно природы времени: обладает ли время существованием, течет ли оно и имеет ли направленность; прошлое и будущее столь же реальны, как и настоящее? Большинство философов считают, что время действительно существует, но не могут договориться, каким именно образом. Если предположить, что время течет (в некотором смысле), то логично ожидать, что оно будет направленным. Другими словами, течение времени должно «прогрессировать» строго в одной ориентации времени. Направление времени - более сильное понятие, чем ориентация времени, поскольку последнее понятие нейтрально в отношении «каким образом» во времени. Графическая аналогия для направления времени -это стрела времени. Существует множество теорий, постулируемых в философии времени, каждая из которых дает различные ответы на вопросы о времени. Автор приводит самые популярные из них.
Наибольшее внимание в философской литературе уделено причинной теории времени. В теориях относительности постулируется, что время стоит в отношении к событиям, так что время само по себе не существует. Вместо этого фундаментальными считаются события, а существование времени есть следствие особых отношений между ними. В причинных теориях утверждается, что причинные отношения являются более фундаментальными, чем временные. В данных представлениях причины при всех обстоятельствах должны по времени предшествовать своим следствиям. Временная последовательность событий, таким образом, является производной от их причинной последовательности. Причинные теории времени страдают по крайней мере от одного главного недостатка. Во всех попытках свести временные отношения к причинным про-
исходит имплицитное обращение к временным понятиям, что подрывает саму попытку отказаться от времени.
В статистической теории времени утверждается, что понятие времени, в частности его направление (стрела времени), зависит от понятия энтропии. Энтропия - это мера разупорядочения физической системы, относящаяся к системе в целом, а не к ее отдельным составляющим. Энтропия замкнутой физической системы никогда не уменьшается, т. е. любая замкнутая система (система без заимствования энергии извне, например Вселенная) движется в сторону разупорядочения и хаоса. Это движение и определяет направленность течения времени. Например, в течение нашей жизни мы наблюдаем все виды естественных процессов, которые приводят к большому разупорядочению, такому как биологическое увядание и старение. Однако так как исходная статистическая теория времени имеет дело со средним изменением энтропии в замкнутой системе, это не может исключить периодическое уменьшение энтропии в отдельных частях системы (например, жизнь или рост кристаллов противоположны росту энтропии), а потому неспособно однозначно определить объективное направление времени. Другие попытки определить объективное направление времени относительно увеличения энтропии также потерпели неудачу (с. 56).
Другая статистическая теория времени появилась, когда после открытия антиматерии нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман предложил идею взаимодействия элементарных частиц антиматерии. У частицы антивещества есть та же самая масса, как у соответствующей обычной частицы, но ее электрический заряд противоположен по знаку. По идее Фейнмана, частицы антивещества перемещаются «назад» во времени. Это привело его к мысли, что не существует уникального направления времени в микроскопических масштабах. Привычное макроскопическое направление времени, таким образом, является теоретическим следствием статистического эффекта, где антивещества во Вселенной больше. У этой теории есть некоторые следствия, в частности, если бы наше макроскопическое направление времени зависело от количества античастиц, то направление времени исчезло бы в любой пространственной области, где содержание материи уравновесилось бы антиматерией. Гипотеза Фейнмана испытывает недостаток в доказательстве и не воспринимается серьезно большинством физиков.
Согласно естественной теории времени, временные отношения между событиями более фундаментальны, чем другие отношения, и у времени есть объективное существование вне простых временных отношений. Выделяют два типа естественной (реалистической) теории времени: А-теорию (динамическое время) и В-теорию (статичное время). Онтологии этих теорий (то, что они постулируют в качестве существующего) отличны и несовместимы.
Главные положения А-теории: основные отношения между событиями возбуждают временные отношения между прошлым, настоящим и будущим; вследствие течения времени (также называемого временным становлением) настоящий момент движется от прошлого к будущему, являясь целью происходящих событий; у времени есть внутреннее направление от прошлого к будущему; изменения могут быть поняты только с точки зрения напряженных временных отношений. Центральное понятие А-теории - объективность настоящего момента, который «перемещается» от прошлого к будущему и воспринимается как течение времени. Настоящий момент - это особый момент времени, известный на основе сознательного опыта, который разделяет закрытое прошлое от открытого будущего и характеризуется процессом временного становления. В А-теории Вселенная необратима в результате временного становления. Поэтому наблюдаемая временная асимметрия событий является результатом динамического характера времени. Направление, в котором происходят необратимые процессы, дает направление времени.
Основные свойства В-теории: отношения между событиями не имеют временных связей между прошлым, настоящим и будущим; нет никакого течения времени к какой-то определенной цели; нет никакого объективного настоящего момента; все события одинаково реальны; изменения не требуют напряжения временных отношений; временная асимметрия происходит из-за граничных условий, которые зависят от физических процессов. В В-теории то, что кажется прошлым, настоящим или будущим, является чисто субъективным и зависит от наблюдателя. Согласно В-теории, временная асимметрия не является фундаментальным свойством времени, но лишь следствием граничных физических (статистических) условий. Например, молоко и кофе не разделяются в чашке потому, что статистически это настолько маловероятно, что на это потребу-
ется больше времени, чем существует Вселенная. Если бы В-теория времени была корректна, это объяснило бы, почему в нашей Вселенной законы физики инвариантны относительно времени. Основной недостаток В-теории состоит в том, что она не предлагает достаточного объяснения всеобщему ощущению, что существует течение времени от прошлого к будущему (это ощущение приписывается субъективным чувствам и психологическим явлениям).
Существует также концепция сверхглубокого времени - теории «суперреализма», согласно которой далекое общее прошлое (момент рождения Вселенной), до возникновения квантовой запутанности, заранее определяет как ее поведение, так и все скрытые переменные, связанные с ее детектированием (с. 59).
В заключение автор пишет о перспективах более полного понимания природы времени, которые связывает с новыми открытиями в физике. Так как современная физика не способна объяснить субъективной выделенности настоящего момента и течения времени, большинство философов считают ее неполной. Новые открытия в физике связываются прежде всего с гипотетической квантовой гравитацией и, как следствие, созданием теории всего, служащей единым базисом для объяснения всех известных фундаментальных взаимодействий: гравитации, электромагнитного, сильного и слабого (с. 62).
Р. С. Гранин
