Комментарий автора сайта: Предлагаю вашему вниманию одну из лекций Ричарда Фейнмана "Различие прошлого и будущего", входящую в знаменитый сборник лекций "Характер физических законов". Ричард Фейнман - выдающийся физик-теоретик, многое сделавший для развития физики. Он увлекательно рассказывает о том, как развивается процесс познания, как совершаются открытия. Эти лекции были прочитаны довольно давно, в 1964 г., в Корнеллском университете в США, университете, который окончил сам Фейнман. Лекции имели успех и даже передавались по радио и телевидению. И хотя с тех пор прошло много времени, в них почти ничего не устарело. Во время моей учёбы в университете на физфаке (1987-1992гг.), например, лекции и монографии Ричарда Фейнмана продолжали быть бестселлером и пользовались большой популярностью. И потом, как можно изучать физику, не познакомившись с Фейнманом? Сегодня мы частично восполним этот пробел.

Каждому ясно, что события, происходящие в нашем мире, явно необратимы. Другими словами, всё происходит так, а не наоборот. Роняешь чашку, она разбивается, и сколько ни жди, черепки не соберутся снова и чашка не прыгнет обратно тебе в руки. А на берегу моря, где разбиваются волны, можно долго стоять и напрасно ждать того великого момента, когда пена соберется в волну, встанет над морем и покатится все дальше и дальше от берега — вот было бы зрелище!

На лекциях такие штуки обычно показывают при помощи кино, показывая его в обратном направлении, заранее рассчитывая на взрыв смеха. Этот смех свидетельствует о том, что в реальной жизни такого не бывает. Впрочем, на самом деле это довольно примитивный способ выражения столь очевидного и столь глубокого факта, как различие прошлого и будущего. Мы помним прошлое, но не помним будущего. Наша осведомленность о том, что может произойти, совсем другого рода, чем о том, что, вероятно, уже произошло. Прошлое и настоящее совсем по-разному воспринимаются психологически: для прошлого у нас есть такое реальное понятие, как память, а для будущего — понятие кажущейся свободы воли. Мы уверены, что каким-то образом можем влиять на будущее, но никто из нас, за исключением, быть может, одиночек, не думает, что можно изменить прошлое. Раскаяние, сожаление и надежда — это все слова, которые совершенно очевидным образом проводят грань между прошлым и будущим.

Но если всё в этом мире сделано из атомов и мы тоже состоим из атомов и подчиняемся физическим законам, то наиболее естественно это очевидное различие между прошлым и будущим, эта необратимость всех явлений объяснялась бы тем, что у некоторых законов движения атомов только одно направление — что атомные законы не одинаковы по отношению к прошлому и будущему. Где-то должен существовать принцип вроде: «Из ёлки можно сделать палку, а из палки не сделаешь ёлки», в связи с чем наш мир постоянно меняет свой характер с ёлочного на палочный,— и эта необратимость взаимодействий должна быть причиной необратимости всех явлений нашей жизни.

Однако такой принцип пока ещё не найден. То есть во всех законах физики, обнаруженных до сих пор, не наблюдается никакого различия между прошлым и настоящим. Кинолента должна показывать одно и то же в обе стороны, и физик, который увидит её, не имеет никаких оснований для смеха.

Обратимся ещё раз к закону всемирного тяготения. Рассмотрим Солнце и планету, которая вращается вокруг Солнца в некотором направлении. Заснимем это движение на кинопленку, а затем покажем отснятый фильм задом наперед. Что же произойдет? Мы увидим, что планета вращается вокруг Солнца, правда, в обратном направлении, и траектория её движения образует эллипс. Скорость движения планеты оказывается такой, что за равные промежутки времени радиус, соединяющий Солнце и планету, описывает всегда равные площади. В действительности всё будет точно таким, каким это должно быть. Нам не удастся решить, в каком направлении нам показывают фильм — в прямом или обратном. Так что для закона всемирного тяготения безразлично направление времени; если вам показывают задом наперед любой фильм о событиях, связанных лишь с законами тяготения, то всё, что вы увидите на экране, будет выглядеть совершенно естественным. Эту мысль можно выразить ещё более точно. Если в какой-то сложной системе скорости всех частиц вдруг мгновенно изменят свои значения на обратные, то система вернется в исходное положение, пройдя в обратном порядке все те стадии, которые она уже прошла до внезапного изменения скоростей. Так что если имеется множество частиц, выполняющих какую-то работу, и мы мгновенно изменим их скорости на обратные, то частицы эти полностью исправят все то, что они успели к этому моменту сделать.

Это свойство заложено в самой формулировке закона всемирного тяготения, утверждающего, что под действием силы изменяется скорость. Если изменить направление времени, то силы не изменятся и, следовательно, на соответствующих промежутках времени не изменятся и приращения скорости. Поэтому каждая скорость претерпит точно такие же изменения, как и раньше, только в обратной последовательности. Так что доказать обратимость во времени закона всемирного тяготения совсем не трудно.

Ну, а законы электричества и магнетизма? Они тоже обратимы во времени. Законы ядерной физики? Насколько мы знаем, обратимы. Законы бета-распада, о которых мы уже говорили раньше, также обратимы? Наши трудности с экспериментами, проводившимися несколько месяцев тому назад и показавшими, что здесь не все так гладко, что какие-то законы нам ещё не известны, заставляют думать, что на самом деле бета-распад, может быть, и необратим во времени, и для того, чтобы окончательно убедиться в этом, нам понадобятся новые опыты *). Но так или иначе никто не сомневается в следующем: бета-распад (обратим он во времени или нет) представляет собой явление третьестепенной важности для большинства повседневных ситуаций. То, что я могу говорить с вами, не зависит от бета-распада, но зависит от химических взаимодействий, от наличия электрических сил, немного (пока что) от ядерных реакций, а также и от гравитационных явлений. Тем не менее всё, что я делаю, определенно необратимо во времени: я говорю, и воздух разносит мой голос, а не засасывается обратно в рот, когда я его открываю, и эту необратимость невозможно оправдать одной необратимостью бета-распада. Другими словами, можно считать, что почти все наиболее часто встречающиеся явления этого мира, возникающие в результате перемещений атомов, подчиняются законам, полностью обратимым во времени. Так что нам придется поискать какое-нибудь другое объяснение этой необратимости.

Если мы станем наблюдать за движением наших планет более пристально, мы вскоре заметим, что здесь не все так, как это нам казалось поначалу. Например, вращение Земли вокруг её оси мало-помалу замедляется. Это происходит из-за приливного трения, а всякое трение, очевидно, необратимо. Если толкнуть какой-нибудь тяжелый предмет, лежащий на полу, он сдвинется с места и снова остановится. И сколько бы вы ни стояли и ни ждали, он не сорвется с места и не вернется к вам. Так что все эффекты, связанные с трением, кажутся необратимыми. Но трение, как мы выяснили раньше, это результат необыкновенно сложного взаимодействия предмета и поверхности, результат колебаний атомов в месте контакта. Организованное движение тела преобразуется в неорганизованную беспорядочную суматоху атомов поверхности, по которой движется тело. Вот почему нам стоит получше разобраться в этих процессах.

Именно здесь-то мы и найдём разгадку наблюдаемой необратимости явлений. Рассмотрим один простой пример. Пусть у нас есть вода, подсиненная чернилами, и обычная вода, без чернил, и пусть они налиты в банку из двух половин, разделенных очень тонкой перегородкой. Осторожно вытащим перегородку. В самом начале вода разделена: синяя справа, чистая слева. Но погодите. Мало-помалу синяя вода начинает перемешиваться с обычной, и через некоторое время вся вода оказывается голубой, причем интенсивность синего цвета уменьшится наполовину. Это значит, что чернила равномерно распределились по всему объёму. Теперь, сколько бы мы ни ждали, наблюдая воду, мы не дождёмся, чтобы она разделилась на синюю и обычную. (Конечно, вы можете заставить её разделиться. Можно, например, выпарить воду и сконденсировать пары где-то в другом месте, собрать синюю краску, растворить её в половине собранной воды, закрыть заслонку и налить воду обратно в банку, разделённую на две половины. Но когда вы будете делать всё это, вы непременно вызовете другие необратимые процессы.) Сама по себе вода не вернется в начальное состояние.

Это даёт нам определённый ключ к решению задачи. Давайте посмотрим на поведение молекул. Предположим, что мы сняли фильм о перемешивании чистой воды с синей. Теперь если показать его в обратном направлении, то это будет выглядеть очень странно. Сначала будет равномерно окрашенная вода, а потом постепенно начнется разделение — совершенно очевидно, что такое кино выглядит не слишком правдоподобно. Увеличим теперь наши снимки таким образом, чтобы физики смогли наблюдать за каждым атомом и попытаться найти, что же там происходит необратимым образом, где нарушаются законы равновесия между движением в будущее и движением в прошлое. Включаем киноаппарат и смотрим на экран. Мы видим атомы двух различных сортов (конечно, это нелепо, но будем называть их синими и белыми), постоянно мечущиеся из стороны в сторону из-за теплового движения. Если мы начнем наши наблюдения с самого начала, то окажется, что большинство атомов одного типа расположились по одну сторону, а большинство атомов другого типа — по другую. Но эти атомы непрерывно мечутся из стороны в сторону, и их миллиарды и миллиарды, и даже если вначале все синие атомы были с одной стороны, а все белые — с другой, мы увидим, что во время своих бесконечных хаотических метаний они начнут перемешиваться, и этим-то и объясняется, почему в конце концов вода оказывается более или менее равномерно голубой.

Давайте понаблюдаем за любым из столкновений, происходящих в нашем кинофильме. Мы увидим, что атомы сначала сталкиваются, а затем разлетаются в обратном направлении. Покажем затем соответствующий отрывок кинофильма задом наперед. Мы увидим, как пара молекул сходится по траекториям, по которым они на самом деле разлетались, а затем, столкнувшись, разлетаются по траекториям, по которым они сходились. Физик, пристально наблюдавший за всем происходящим, заверит вас: «Здесь всё правильно, всё согласуется с законами физики. Если молекулы сходились по этим траекториям, то они должны разлетаться так, как они разлетелись». Так что это явление обратимо. Законы молекулярных столкновений обратимы во времени.

Итак, если мы станем наблюдать слишком пристально, мы снова ничего не сможем понять. Ведь каждое из столкновений полностью обратимо, а всё же наш кинофильм, прокрученный в обратном направлении, показывает нечто совершенно абсурдное: как молекулы, поначалу смешанные (синие, белые, синие, белые), с течением времени после множества столкновений разделились на белые, сосредоточенные в одном месте, и синие, расположенные в другом. Но ведь этого не может быть, это неестественно, чтобы синее само по себе случайно отделялось от белого. И в то же время, если наблюдать нашу прокручиваемую задом наперёд картину, каждое столкновение абсолютно законно.

Единственный вывод, к которому здесь можно прийти, заключается в том, что данная необратимость как раз и вызвана всеми этими случайностями. Если вы начнете с состояния, в котором всё разделено, и станете производить всякие случайные изменения, то распределение будет всё более и более равномерным. Но если начать с равномерного распределения и снова заняться случайными изменениями, то мы не придем к разделению. В принципе, разделение может наступить. Законам физики не будет противоречить такое движение и такие отражения молекул, при которых они разделятся. Просто это очень маловероятно. Так может произойти раз в миллион лет. В этом и заключается ответ на наш вопрос. События нашего мира необратимы в том смысле, что их развитие в одну сторону весьма вероятно, а в другую — хотя и возможно, хотя и не противоречит законам физики, но случается один раз в миллион лет. Поэтому просто нелепо сидеть и ждать, что когда-то хаотическое движение атомов приведёт к разделению равномерной смеси чернил и воды на чернила по одну сторону резервуара и воду — по другую.

Теперь выделим из нашего эксперимента очень маленький объём, так что в новый резервуар попадет всего по четыре-пять молекул каждого типа, и станем наблюдать за тем, как они перемешиваются. Мне кажется, нетрудно поверить в то, что когда-то, и совсем необязательно через миллион лет, может быть, и в течение года, в процессе бесконечных хаотических столкновений этих молекул окажется, что они вернулись в состояние, более или менее похожее на исходное. По крайней мере, если в этот момент захлопнуть заслонку, все белые молекулы окажутся в правой половине резервуара, а все синие — в левой. В этом нет ничего невозможного. Но реальные объекты, с которыми мы имеем дело, состоят не из четырёх или пяти белых и синих молекул. В них четыре или пять миллионов миллионов миллионов миллионов молекул, и нужно, чтобы все они разделились таким образом. Поэтому кажущаяся необратимость природы не следует из необратимости основных законов физики. Она связана с тем, что если вы начинаете с некоторой упорядоченной системы и подвергаете её случайностям, происходящим в природе, столкновению молекул например, то всё происходит необратимым образом, только в одну сторону.

В связи с этим возникает следующий вопрос: а чем объяснить существование исходного порядка? Другими словами, почему удается начать с упорядоченной системы? Трудность здесь заключается в том, что мы начинаем всегда с упорядоченного состояния, но никогда не приходим к такому же состоянию. Один из законов природы состоит в том, что всё меняется от порядка к беспорядочности. В этом случае слово «порядок», так же как слово «беспорядок», является ещё одним примером того, как повседневные слова меняют свой обыденный смысл, когда ими начинают пользоваться физики. Порядок в физическом смысле вовсе не должен быть полезным для нас, людей; это слово просто указывает на существование какой-то определенности. Все атомы одного типа расположены с одной стороны, а все атомы другого типа — с другой, или все они перемешаны,— вот и вся разница между порядком и беспорядком в физике.

Таким образом, вопрос состоит в том, как же достигается первоначальный порядок и почему, когда мы смотрим на любую обычную ситуацию, которая упорядочена только частично, мы можем заключить, что, вероятнее всего, она возникла из другой, ещё более упорядоченной. Если я смотрю на резервуар с водой, которая с одной стороны темно-синяя, с другой — бледно-голубая, а посредине — промежуточного синего цвета, и я знаю, что в течение последних 20 или 30 мин к этому резервуару никто не прикасался, я легко догадаюсь — такая расцветка возникла потому, что раньше разделение было гораздо более полным. Если подождать ещё, то прозрачная и синяя вода перемешаются ещё больше, и если я знаю, что в течение достаточно долгого времени с ней ничего не делали, то смогу сделать некоторые заключения о её первоначальном состоянии. Тот факт, что по краям цвет воды «ровный», указывает на то, что в прошлом эти цвета были разделены гораздо резче. В противном случае за прошедшее время они перемешались бы в гораздо большей степени. Таким образом, наблюдая настоящее, мы можем узнать кое-что о прошлом.

На самом деле физиков это обычно не очень интересует. Физики склонны считать важными и серьёзными задачи только такого типа: сейчас условия таковы; что будет дальше? Остальные родственные нам науки занимаются совсем другими задачами. Да и вообще все другие области знания — история, геология, астрономия — решают задачи совсем другого рода. Оказывается, они умеют делать предсказания совсем другого типа, чем те, к которым привыкли физики. Физик обычно говорит: «При таких-то условиях я могу сказать вам, что сейчас произойдёт». А геолог скажет вам что-нибудь в таком роде: «Я выкопал из земли кости определенного типа. Поэтому я предсказываю, что если покопать ещё, то можно будет найти и другие кости того же типа». Историк, хотя и говорит о прошлом, может при этом говорить о будущем. Когда он утверждает, что Французская революция произошла в 1789 г., он хочет сказать, что, если вы заглянете в другую книгу о Французской революции, вы найдете в ней ту же дату. В действительности он делает предсказание особого рода о чём-то, чего он ещё никогда не видел, о документах, которые ещё нужно найти. Он утверждает, что в этих документах, если речь в них идёт о Наполеоне, окажется то же, что написано в других документах. Возникает вопрос, почему это возможно, и единственный выход — предположить, что в этом смысле прошлое нашего мира более организовано, чем его настоящее.

Некоторые полагают, что наш мир стал упорядоченным следующим образом. Сначала вся наша Вселенная находилась в состоянии абсолютно неупорядоченного движения, совсем как полностью перемешанная вода. Но мы видим, что если ждать достаточно долго и если число атомов очень невелико, то чисто случайным образом в один из моментов времени вода оказывается разделенной. Некоторые физики (в прошлом веке) высказали предположение, что с нашей Вселенной случилось лишь вот что: в нашем мире, где беспорядочное движение всё шло и шло своим чередом, произошла флуктуация. (Именно этим термином пользуются каждый раз, когда наблюдается некоторое отклонение от обычной равномерности.) Итак, произошла флуктуация, а теперь мы наблюдаем, как всё потихоньку возвращается к хаосу. Вы можете возразить мне: «Послушайте, сколько же времени надо ждать, чтобы дождаться такой флуктуации». Знаю, знаю, но если бы флуктуация не была достаточно сильной для того, чтобы начались процессы эволюции, чтобы возникли разумные существа, никто бы её и не заметил. Так что нам ничего и не оставалось, как ждать и ждать до тех пор, пока мы не появимся на свет и не заметим её,— на это понадобилась флуктуация хотя бы такой силы. Правда, лично мне такая теория кажется неверной. Она мне кажется нелепой, и вот по каким причинам.

Предположим, что наш мир очень большой, что в первоначальном состоянии атомы были хаотически разбросаны по всему миру и что я могу наблюдать за любой его частью, выбирая её совершенно случайным образом. Тогда если вдруг окажется, что атомы, наблюдаемой мною части каким-то образом упорядочены, у меня не будет никаких оснований предполагать аналогичную упорядоченность атомов в других участках нашего мира. В самом деле, если здесь, у нас, произошла флуктуация и мы видим здесь что-то необычное, то, вероятнее всего, она появилась здесь за счёт того, что в другом месте не стало ничего необычного. Другими словами, для того чтобы добиться отклонения от нормы в одном месте, необходимо, так сказать, призанять со стороны, но занимать нужно не очень много. В нашем опыте с подкрашенной и чистой водой в тот момент, когда наши несколько молекул вдруг разделятся, вся остальная вода, вероятнее всего, будет перемешана. А поэтому, хотя каждый раз, когда мы смотрим на звёзды и на мир в целом, мы замечаем, что всё упорядочено, мы должны были бы считать, что коль скоро это — флуктуация, то дальше, куда мы ещё не заглядывали, всё должно быть в беспорядке и состоянии полного хаоса. Хотя разделение материи на горячие звёзды и холодный космос, которое мы наблюдаем, и может быть результатом некоторой флуктуации, в других местах, которые мы не можем наблюдать сегодня, мы не имели бы никаких оснований ожидать разделения на звёзды и космос. Тем не менее мы всегда предсказываем, что вне пределов нашей досягаемости находятся звёзды такого же типа, или что там можно найти те же самые утверждения о Наполеоне, или заметить кости, которые мы уже видели раньше. Успех всех таких научных предсказаний свидетельствует о том, что наш мир не появился на свет в результате флуктуации, а, наоборот, развился из другого, более организованного. Поэтому мне кажется необходимым добавить к известным физическим законам гипотезу о том, что в прошлом Вселенная была более упорядоченной (в физическом смысле этого слова), чем сегодня. Я думаю, именно этого дополнительного утверждения нам не хватает для того, чтобы поставить всё на свои места, чтобы до конца разобраться в явлениях необратимости.

Конечно, это утверждение несимметрично относительно времени само по себе: ведь из него следует, что прошлое чем-то отличается от будущего. Но оно выходит за рамки того, что принято обычно считать физическими законами, так как мы сегодня стараемся проводить резкую грань между законами физики, управляющими развитием Вселенной, и высказываниями о том, в каком состоянии находился наш мир в прошлом. Последние относят к астрономической истории, хотя вполне может быть, что в один прекрасный день она и станет разделом физики.

О необратимости можно рассказать ещё много интересного, и я обращусь к конкретному примеру. Любопытно, например, посмотреть, как на самом деле работает какой-нибудь необратимый механизм.