Время и законы физики

Представьте себе, что на вашем лице - разбитое яйцо, и это не фигура речи. Попытка жонглирования яйцами обернулась тем, что одно из них упало и разбилось о вашу голову, и теперь вам нужно идти в душ и менять одежду. Но не было бы проще вернуть время на минуту назад? Ведь яйцо разбилось всего за пару секунд - почему нельзя проделать все то же самое, только наоборот? Просто соединить обратно скорлупу, забросить туда белок и желток - и все. У вас было бы чистое лицо, чистая одежда и никакого желтка в волосах.

Это звучит смешно - но почему? Почему нельзя отменить это действие? На самом деле в этом нет ничего невозможного. Не существует какого-либо природного закона, который бы запрещал проделывать подобное.

Более того, ученые-физики сообщают, что любой момент, который происходит в повседневной жизни, может случиться и в обратном порядке в любой момент времени. Так почему же нельзя "обратно разбить" яйца, "обратно сжечь" спичку или даже "обратно вывихнуть" ногу?

Почему эти вещи не происходят каждый день? Почему вообще будущее отличается от прошлого? Этот вопрос выглядит довольно простым, но чтобы на него ответить, нужно вернуться к рождению Вселенной, обратиться к атомному миру и достичь границ физики.

Как и многие истории в мире физики, эта берет свое начало с великого физика Исаака Ньютона. Бубонная чума поглотила Британию в 1666 г., и именно она заставила Ньютона уйти из Кембриджского университета и отправиться домой к своей матери, которая жила в сельской местности в Линкольншире. Там Ньютон заскучал и, будучи изолированным от внешнего мира, занялся физикой.

Он обнаружил три закона движения, включая и известную максиму о том, что каждое действие имеет свое противодействие. Кроме того, он придумал объяснение тому, почему работает гравитация.

Закон Ньютона являются невероятно эффективными при описании окружающего мира. С их помощью можно объяснить многие явления, начиная с того, почему яблоки падают с деревьев, и заканчивая тем, почему Земля вращается вокруг Солнца.

Но у них есть странное свойство - они точно так же работают и наоборот. Если яйцо разбивается, то законы Ньютона говорят, что оно может и вернуться в изначальное состояние. Очевидно, что это неправильно, но практически каждая теория, которая была разработана учеными со времен Ньютона, имеет точно такую же проблему.

Законы физики просто не принимают во внимание то, как течет время - вперед или назад. Их это заботит настолько же, насколько информация о том, пишете вы правой рукой или левой. Но вас это определенно заботит!

Насколько вы знаете, у времени есть стрелка, которая указывает его направление, и она всегда обращена в будущее. Вы можете перепутать восток и запад, но вы никогда не перепутаете вчерашний день и завтрашний. Однако фундаментальные законы физики не различают прошлое и будущее.

Первый человек, который всерьез столкнулся с этой проблемой, - австрийский физик Людвиг Больцман, живший во второй половине XIX в. В те времена все идеи, которые сейчас принимаются за аксиому, были спорными.

В частности, ученые-физики не были так убеждены, как они убеждены сегодня, в том, что все в мире создано из частиц, называемых атомами. По мнению большинства физиков, идею про атомы нельзя было доказать, ее невозможно было проверить практическими методами.

Больцман же был уверен, что атомы на самом деле существуют, поэтому он использовал данную идею, чтобы объяснить все повседневные вещи, такие как пламя огня, работа легких, а также то, почему чай остывает, если на него подуть. Он думал, что сможет понять все эти вещи, используя ту концепцию, которая ему была так близка, - теорию атомов.

Некоторые физики были впечатлены работой Больцмана, но большинство отклоняли ее. Вскоре он был подвержен остракизму со стороны научного сообщества за его идеи.

Однако именно он показал, как атомы связаны с природой времени. В те времена появилась теория термодинамики, которая описывает, как себя ведет тепло. Оппоненты Больцмана настаивали на том, что природу тепла невозможно описать; они говорили, что тепло - это просто тепло.

Больцман же решил доказать, что они неправы, и тепло вызывается хаотическим движением атомов. Он был прав, но ему пришлось провести остаток жизни, отстаивая свою точку зрения.

Больцман начал с попыток объяснить кое-что странное - "энтропию". Согласно законам термодинамики, у всего в мире имеется определенное количество энтропии, и когда что- то случается с этим объектом, энтропия возрастает.

Например, если вы положите кубики льда в стакан с водой, они растают, а энтропия в стакане вырастет. И рост энтропии отличается от всего в физике - процесс движется в одном направлении. Физики долгое время думали о том, определяется ли то, как течет время, увеличением энтропии.

Как нетрудно догадаться, первым этот вопрос затронул Больцман, но затем многие другие ученые принялись изучать этот вопрос. И в итоге стало ясно, что время потенциально может течь в обратном направлении - но только в том случае, если энтропия будет уменьшаться, что попросту невозможно.

Однако если время может течь в обратную сторону, возможно построить машину времени. В 2009 г. Британский физик С.Хокинг провел вечеринку для путешественников во времени - уловка состояла в том, что приглашения на вечеринку он разослал годом позднее (никто из гостей не появился).

Так что путешествие в прошлое, вероятнее всего, невозможно. Даже если бы эта возможность существовала, Хокинг и другие утверждают, что вы никогда не сможете попасть в точку времени до того момента, когда была построена ваша машина времени.

Но путешествие в будущее? Это другая история. Конечно, все мы, путешественники во времени, мчимся по течению времени от прошлого к будущему со скоростью одного часа в час. Но, как и река, поток времени течет с разной скоростью в разных местах. Современная наука предлагает несколько способов приблизить будущее. Вот краткое изложение их сути.

Самый простой и наиболее практичный способ добраться до далекого будущего - двигаться очень быстро. Согласно теории относительности Эйнштейна, когда вы путешествуете со скоростью, близкой к скорости света, время замедляется для вас по отношению к внешнему миру.

Речь не просто о гипотезе или мысленном эксперименте - это результат измерений. С помощью двух одинаковых атомных часов (одни летели в реактивном самолете, другие оставались неподвижными на Земле) физики доказали, что летающие часы тикают медленнее из-за скорости.

В случае с воздушным судном эффект минимален. Но если бы вы находились на борту космического корабля, движущегося со скоростью 90% от скорости света, время для вас проходило бы в 2,6 раза медленнее, чем на Земле. И чем ближе ваша скорость приближается к скорости света, тем более экстремальным становится путешествие во времени.

Самой высокой скоростью, достигнутой благодаря человеческим технологиям, можно назвать скорость, с которой проносятся протоны вокруг Большого адронного коллайдера - 99,9999991% от скорости света. С помощью теории относительности можно высчитать, что одна секунда для протона эквивалентна 27 777 778 секундам или, практически, 11 месяцам для нас.

Удивительно, но физики, изучающие элементарные частицы, принимают во внимание замедление, когда имеют дело с распадающимися частицами. В лаборатории частицы мюона, как правило, распадаются за 2,2 микросекунды. Но быстро движущиеся мюоны, возникающие, когда космические лучи достигают верхних слоев атмосферы, распадаются в 10 раз дольше.

Следующий метод также вдохновлен работами Эйнштейна. Согласно его общей теории относительности, чем сильнее вы ощущаете гравитацию, тем медленнее движется время. Например, по мере приближения к центру Земли сила тяжести возрастает. Время течет медленнее для ваших ног, чем для головы.

Опять же, этот эффект был измерен. В 2010 г. физики из Национального института стандартов и технологий США разместили двое атомных часов на полках, одна из которых на 33 см выше другой, и измерили разницу в скорости их тиканья. Часы, находившиеся на полке ниже, тикали медленнее, потому что они немного сильнее были подвержены гравитации.

Чтобы оказаться в далеком будущем, все, что нам нужно, это место с чрезвычайно сильной гравитацией, например, черная дыра. Чем ближе вы к границе, тем медленнее движется время - но это рискованно, поскольку пересекая черту, можно уже никогда не вернуться. В любом случае, эффект не настолько сильный, так что путешествие, вероятнее всего, не стоит этого.

Допустим, вы владеете технологией преодолевать большие расстояния, чтобы добраться к черной дыре (ближайшая находится на расстоянии около 3000 световых лет от нас). Во время самого путешествия время замедлится гораздо сильнее, чем во время движения по самой черной дыре.

(Ситуация, описанная в фильме "Интерстеллар", где один час пребывания на планете вблизи черной дыры является эквивалентом семи годам на Земле - слишком экстремальна и совершенно невозможна для нашей Вселенной, - утверждает Кип Торн, научный консультант фильма.)

Самая потрясающая вещь, пожалуй, это то, что в своей работе системы GPS должны учитывать эффекты замедления времени (как за счет скорости спутников, так и гравитации, которая на них действует). Без этих поправок GPS на телефоне не сможет определить ваше местоположение на Земле даже в радиусе нескольких километров.

Еще одним вариантом путешествия в будущее можно назвать замедление восприятия времени путем замедления или остановки жизненных процессов вашего организма, а затем перезапуском их.

Бактериальные споры могут жить в течение миллионов лет в состоянии анабиоза, пока подходящие условия температуры, влажности и пищи не запустят их метаболизм снова. Некоторые млекопитающие, например, медведи и белки, могут замедлять свой метаболизм во время спячки, что значительно сокращает потребность их клеток в кислороде и пище. Смогут ли люди когда-нибудь сделать также?

Хотя полная остановка метаболизма организма пока неподвластна современной науке, некоторые ученые работают в направлении достижения эффекта кратковременной "спячки" продолжительностью несколько часов. Этого времени может хватить, чтобы помочь человеку продержаться, например, во время остановки сердца, прежде чем его смогут доставить в больницу.

Другой метод, который погружает организм в гипотермическую "спячку" - замена крови холодным солевым раствором - сработал на свиньях и в настоящее время проходит клинические испытания на людях в Питтсбурге.

Общая теория относительности также допускает возможность быстрого перемещения через пространственно-временные туннели, которые могли бы помочь преодолевать расстояния в миллиарды световых лет или просто различные моменты времени.

Многие физики, в том числе и С.Хокинг, считают, что пространственно-временные туннели, постоянно появляющиеся в разных местах квантовой оболочки, по размеру гораздо меньше, чем атомы.

Весь фокус в том, чтобы захватить один и увеличить его до человеческих масштабов - подвиг, который потребует огромного количества энергии, но может быть возможен только в теории.

Попытки доказать подобный метод не удались, в конечном счете, из-за несовместимости между общей теорией относительности и квантовой механикой.