Глава 2. Від фізики необхідного до фізики можливого
Час - невід'ємна складова нашого буття. Століттями полонило воно уяву художників, філософів, поетів. Включення часу в галілеївських механіку ознаменувало народження нової науки. Центральне місце нашого посібника - проблема стріли часу (це поняття ввів у 1928 році Артур Еддінгтон). Адже в тому вигляді, в якому час входить в основні закони фізики, воно саме не вносить ніякої відмінності між минулим і майбутнім! Багато нинішніх фізики сприймають заперечення стріли часу як постулат: до тих пір і доки мова йде про фундаментальному рівні опису, її не існує.Тим не менш у всіх явищах макроскопічної фізики, хімії, геології, біології чи гуманітарних наук майбутнє і минуле нерівноправні - в них присутня стріла часу. Яким же чином, де вона виникає, якщо у вихідних фізичних законах її немає? Звідки з'являється асиметрія між минулим і майбутнім? Або, може бути, сприймається нами спрямованість часу - це не більше ніж ілюзія? Так ми приходимо до головного парадоксу часу.
Парадокс часу не був осмислений аж до другої половини XIX століття. У ті роки закони динаміки вже давно сприймалися як виражають ідеал об'єктивного знання. А оскільки з цих законів слідувала еквівалентність минулого і майбутнього, будь-які спроби ввести стрілу часу в фундамент сучасної фізики наштовхувалися на запеклий опір - їх розглядали як замах на цей ідеал і воліли покладати відповідальність за різницю між минулим і майбутнім на спостерігача, привнесення в опис явищ різні наближення , неточності.
Однак зараз розділяти цю точку зору вже неможливо. В останні десятиліття народилася нова наука - фізика нерівноважних процесів, пов'язана з поняттями самоорганізації та дисипативних структур. Якщо раніше стріла часу проникала у фізику через такі прості процеси, як дифузія і в'язкість, які ще можна зрозуміти, виходячи з оборотної у часі динаміки, то нині ситуація інша. Тепер ми знаємо, що незворотність призводить до безлічі нових явищ - утворенню вихорів, коливальним хімічним реакціям або лазерному випромінюванню. У всьому цьому незворотність грає конструктивну, організуючу роль. Неможливо уявити життя у світі, позбавленому взаємозв'язків, які створюються принципово необоротними процесами. Отже, стверджувати, ніби стріла часу - "всього лише феноменологія" і зумовлена способом нашого опису природи, з наукової точки зору абсурдно.
Парадокс часу ставить перед нами проблему змісту і ролі законів природи. Ототожнення науки з пошуком цих законів, мабуть, є характерна риса західного мислення. Прототипом універсального закону природи може слугувати один із законів Ньютона, який коротко формулюють так: прискорення пропорційне силі. Цей закон має дві важливі особливості. Він детерміністічен: якщо початкові умови відомі, ми можемо передбачати рух. І він звернемо у часі: між прогнозом майбутнього і відновленням минулого немає ніякої відмінності; іншими словами, руху від поточного до майбутнього стану і назад - від поточного до початкового - рівноправні.
Закон Ньютона лежить в основі класичної механіки - науки про рух матерії, про траєкторію. З початку XX століття межі фізики значно розширилися, тепер у нас є квантова механіка і теорія відносності, але основні відмітні особливості закону Ньютона - детермінізм і оборотність в часі - збереглися.
Поняття "закон природи" заслуговує більш докладного аналізу. Ми настільки звикли до нього, що воно сприймається як трюїзм, як щось само собою зрозуміле. Однак в інших картинах світу звична нам концепція закону природи відсутня. За Аристотелем, живі істоти не підкоряються ніяким законам; діяльність цих істот обумовлена автономними внутрішніми причинами, кожне з них прагне до досягнення своєї власної істини. А в Китаї панували погляди про початкової гармонії космосу, якомусь статичному рівновазі, що пов'язує воєдино природу, суспільство й небеса. Ідея про те, що у світі можуть діяти закони, визріла в надрах європейської цивілізації. Значний вплив на формування уявлень про закони природи надала Біблія з її всезнаючий і Всемогутнім божеством.
Однак впродовж всієї історії західної думки неодноразово піднімався один і той же питання: що є виникнення нового в світі, керованому детерміністичних законами?
Вперше цим питанням задалися задовго до народження сучасної науки. Платон пов'язував розум і істину з "світом ідей" - вищим буттям, не схильним до змін, плинності реального світу з його постійним "становленням". Становлення - невичерпний потік сприймаються нами явищ - філософ відносив до сфери чистого думки. Однак Платон усвідомлював ущербність такої позиції, оскільки вона принижувала і життя, і думка. У "софіст" він приходить до висновку, що необхідні і буття, і становлення.
З тієї ж труднощами зіткнулися і атомісти. Щоб допустити виникнення нового, Лукрецію довелося ввести "клінамен" - якийсь чинник, що збурює вільне падіння атомів у порожнечі.
Звернення до клінамену часто зазнавало критики за введення в атомістичне опис чужорідного елементу. Але й через два тисячоліття ми зустрічаємо аналогічну спробу в роботі Ейнштейна, присвяченій спонтанного випускання світла порушеними атомом. Паралелізм особливо несподіваний, якщо ми згадаємо, що Лукрецій і Ейнштейн розділені, мабуть, найбільшою революцією в наших відносинах з природою - народженням нової науки.
І клінамен, і спонтанне випущення світла ставляться до подій, іншими словами, до реалізацій певних можливостей, заданих своїми можливостями. Події та ймовірності фігурують в теоріях еволюції, будь то дарвінізм або історія людства (ми побачимо, що події також пов'язані з термодинамічної стрілою часу в області сильно нерівноважних процесів). Чи можна піти далі, ніж Лукрецій і Ейнштейн, "додали" події до детерміністичних законами? Чи можна "видозмінити" саме поняття фізичного закону так, щоб включити в наш опис природи незворотність? Прийняття такої програми спричинило за собою грунтовний перегляд законів природи, який став можливий завдяки чудовим успіхам, пов'язаним з ідеями нестійкості і хаосу.
Почнемо з розгляду класичної динаміки. Видається, що всі системи, які описуються законами Ньютона, в чомусь однакові. Звичайно, кожному відомо, що розрахувати траєкторію системи трьох тіл, наприклад Сонця, Землі і Юпітера, важче, ніж траєкторію падаючого каменю, але ці труднощі вважали непринциповими, пов'язаними тільки з великим об'ємом обчислень. Однак в останні десятиліття з'ясувалося, що подібна думка невірно - не всі динамічні системи однакові. Виявилося, що такі системи поділяються на стійкі і нестійкі. Так, маятник стійкий: слабкі збурювання мало позначаються на його русі, але для більшості динамічних систем малі початкові відхилення поступово зростають. Крайній випадок нестійких систем - так звані хаотичні системи, для яких опис в термінах траєкторій стає недостатнім, оскільки спочатку як завгодно близькі траєкторії з часом експоненціально розходяться.
Отже, хаос з'являється в макроскопічних необоротних процесах, де він, так би мовити, "негативний" - робить неможливими певні передбачення внаслідок швидкого розбіжності сусідніх траєкторій. Цей ефект рівнозначний чутливості рішення рівняння до початкових умов, через яку зазвичай визначають хаос. Однак важливий новий момент полягає в тому, що хаос знаходить тепер і "позитивні" аспекти. Так як окремі траєкторії стають надмірної ідеалізацією, Пригожин змушений звернутися до імовірнісного опису в термінах ансамблю можливих траєкторій. Такий опис саме по собі не нове: воно служило відправним пунктом розвиненого Гіббсом і Ейнштейном підходу до статистичної фізики.
Тут потрібно підкреслити одне дуже суттєва обставина: з імовірнісного опису, що вводиться для хаотичних систем, випливає незворотність, тому що воно застосовується вже не до окремої траєкторії, а до пучка, що розходяться "віялу" можливостей. Це твердження є результат суворого аналізу методами сучасної математики. Значить, в такому імовірнісному зображенні минуле і майбутнє починають грати різні ролі. Інакше кажучи, хаос вводить стрілу часу у фундаментальне динамічний опис.
Хаос дозволяє розв'язати парадокс часу, але він робить і щось більше - привносить ймовірність у класичну динаміку, тобто в область детерміністичних науки. У даному контексті ймовірність виступає вже не як наслідок нашого незнання, а як неминуче вираз хаосу. У свою чергу це дозволяє по-новому визначити хаос. Ми сказали, що хаос призводить до необоротного імовірнісного опису, тепер же ми перевернемо це твердження: всі системи, що допускають необоротне імовірнісний опис, будемо вважати хаотичними. Таким чином, системи, про які йде мова, допускають опис не в термінах окремих траєкторій (або окремих хвильових функцій у квантовій механіці), а тільки в поняттях пучків (або ансамблів) траєкторій.
Сфера проявів хаосу надзвичайно розширилася і включила в себе фактично всі системи, які описуються сучасними теоріями взаємодіючих полів. Настільки широке узагальнення понять хаосу вимагає нової - третьою - формулювання законів фізики: перша була заснована на дослідженні індивідуальних траєкторій або хвильових функцій, друга - на теорії ансамблів Гіббса і Ейнштейна (з динамічною точки зору другого формулювання не вносить новизни, оскільки, будучи застосованою до окремих траєкторіях або хвильовим функціям, зводиться до першої). Тепер ми приходимо до третьої формулюванні, що має зовсім інший статус: вона застосовна тільки до ансамблям і справедлива лише для динамічних систем. Вона приводить до висновків, які не можуть бути отримані ні на основі ньютонівської, ні ортодоксальної квантової механіки. Саме це нове уявлення, що вводить незворотність у фундамент описи природи, дозволяє об'єднати властивості мікро і макросвіту.
Мотивацією концепції І.Р. Пригожина служив парадокс часу, але він існує не сам по собі. З ним тісно пов'язані два інших парадоксу, які, як ми побачимо, мають саме безпосереднє відношення до заперечення стріли часу: квантовий парадокс і космологічний парадокс.
У квантовому світі рух описують хвильовими функціями. Головна відмінність хвильової механіки від ньютонівської полягає в тому, що класичні траєкторії, одержувані з рівняння руху, безпосередньо відповідають спостережуваним, тоді як квантово-механічні хвильові функції, будучи рішеннями рівняння Шредінгера (грає, в принципі, ту ж роль, що рівняння Ньютона), задають тільки амплітуду ймовірності, з якими реалізуються різні можливі траєкторії. І щоб отримати самі ймовірності кожного результату, потрібно провести додаткову операцію - редукцію (колапс) хвильового пакету. Ця операція пов'язана з процедурою виміру, вона лежить поза основного рівняння теорії.
Звідси випливає подвійність квантової механіки - наявність двох різнорідних елементів (хвильової функції та її редукції) призводить до концептуальних труднощів, суперечки навколо яких тривають ось вже шістдесят років - з моменту виникнення цієї теорії. Хоча її цілком обгрунтовано називали найбільш успішною з усіх існуючих фізичних теорій, поки так і не вдалося з'ясувати фізичний зміст редукції хвильової функції. Багато вчених вважають, що відповідальність за неї несе спостерігач і вироблені ним вимірювання.
Між парадоксом часу і квантовим парадоксом є тісний аналогія. Обидва вони відводять нам досить дивну роль: виходить, що людина відповідальна як за стрілу часу, так і за перехід від квантової потенційної можливості до вже відбулося, тобто за всі особливості, пов'язані з переходом від становлення до подій в нашому фізичному розгляді.
Оскільки квантові хаотичні системи описують не в термінах хвильових функцій, а відразу в термінах ймовірностей, відпадає необхідність в колапсі хвильової функції. Тимчасова еволюція хаотичних систем перетворює опис через хвильові функції в опис ансамблю траєкторій. Посередником, що зв'язує нас з природними явищами, виступає вже не акт спостереження, а квантовий хаос.
Ідеї, що охоплюють загальним підходом хаос, стрілу часу і квантовий парадокс, приводять нас до більш "цілісного" розумінню природи, яке включає в себе і становлення, і події (на всіх рівнях опису). Традиційні закони природи відповідали замкнутої детермінованою Всесвіту, минуле і майбутнє якої, по суті, невиразні. Це розглядалося як тріумф людського розуму, що долає обмеженість видимої мінливості природи. Але такий погляд був далеким від інших наук, які припускали стрілу часу. Тепер ми розуміємо, що детерміновані, симетричні у часі закони справедливі тільки для стійких класичних і квантових систем, тобто для дуже обмеженого їх класу. Місце цих законів зайняли нині ймовірнісні уявлення, які відповідають відкритої Всесвіту, де в кожен наступний момент часу виникає нове, де в гру вступають невідомі раніше фактори.
Згаданий і третій парадокс - космологічний. Сучасна космологія приписує нашого Всесвіту якийсь вік: вона народилася з Великим Вибухом близько 15 мільярдів років тому. Ясно, що це Подія. Але подія не входить у звичну систему законів природи: траєкторії там ніде не починаються і ні на чому не закінчуються. Саме тому гіпотеза Великого Вибуху з її проблемою сингулярності (вихідного стану) породила у фізиці найглибша криза. У пошуках виходу з нього Стівен Хокінг і інші вчені припустили, що космологічне час є ілюзія. Якщо чисто математично ввести в теорію уявне час, то відмінність між просторовими координатами і часом, який залишився в загальній теорії відносності, повністю стирається. Сингулярність теж зникає, оскільки тоді і простір, і час уже не мають кордонів, а значить, час не має початку - воно стає чистою "акциденцій", тобто не сутнісним, а побічним властивістю світу. Так формально вирішується проблема Великого Вибуху, а заодно знімається яке розрізнення між буттям і становленням. За висловом Хокінга, Всесвіт "просто є, і все!".
З точки зору І.Р. Пригожина, події - результат нестійкості, хаосу. Це твердження залишається в силі на всіх рівнях, включаючи космологічний. У детерміністичних рамках усе визначено з моменту Великого Вибуху. У рамках цієї концепції закони природи відносяться до потенційних можливостей.