10.13. Время и Вселенная

Человечество всегда интересовал вопрос, почему время течет в одну сторону - от прошлого в будущее?

В одних процессах время замедляет свой бег, а в других - ускоряет.

Например, среди частиц космических лучей встречаются протоны высоких энергий, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света на 99,9%.

Время у них идет в 10¹⁰ раз медленнее, чем на Земле.

Если по нашим часам такой протон пересечет нашу Галактику за 100 000 лет, то по собственным часам он ее пересечет за 5 мин.

Еще пример, из двойной звездной системы SS 433 (до нее 10⁴ световых лет) истекают в противоположные стороны две мощные газовые струи нагретого водорода со скоростью 810⁴ км/c каждая.

Из-за вращения системы направление выброса струй все время меняется в пространстве с периодом 164 дня.

Дважды за период выброс струй происходит точно поперек луча зрения на Земле.

В этом случае эффект Доплера не проявляется, но наблюдается покраснение (изменение частоты) спектральных линий водорода, вызванное замедлением времени из-за быстрого истечения газовых струй.

С другой стороны, тяготение изменяет пространство-время. В сильном поле тяготения время замедляет свой бег.

Например, на поверхности нейтронной звезды время течет в 1,5 раза медленнее, а в ее центре - в 2,5 раза по сравнению с нашим временем.

Вблизи черной дыры силы тяготения неограниченно возрастают, изменяя геометрические свойства пространства, и замедляется течение времени.

С точки зрения внешнего наблюдателя при приближении к горизонту событий темп течения времени замедляется и на горизонте событий время растягивается до бесконечности.

Внутри самой черной дыры время распадается на кванты. Радиальная координата пространства заменяется координатой времени и наоборот.

Для наблюдателя, приближающегося к черной дыре со скоростью света, время также замедляет свой бег, как на любом быстро летящем теле. Это замедление компенсирует замирание падения корабля.

Рис. 10.11

По часам падающего наблюдателя до пересечение границы черной дыры, протекло конечное число секунд.

Кроме черных дыр, возможно существование белых дыр. В белую дыру упасть нельзя, из нее можно только вылететь. Белые дыры вероятно проявляют себя в квазарах - компактных звездных образованиях - ядер некоторых галактик, из которых истекает материя мощной энергии.

Широко обсуждается существование горловины между черной и белой дырами (рис. 10.11). Однако белые дыры и горловина неустойчивы и в природе пока не обнаружены.

При путешествии наблюдателя (космонавта) с около световой скоростью в просторах Вселенной лучи света от звезд становятся наклонными в сторону его движения.

Поэтому он увидит звезды, как бы сместившимися на небосводе к точке, куда направлено его движение.

Это связано с аберрацией света. Причем, небо впереди будет усеяно звездами гуще, чем сзади. При этом изменится и цвет звезд.

Впереди будут наблюдаться голубовытые звезды (фиолетовое смещение при сближении) и их яркость увеличена.

В противоположном направлении, на небосводе мало слабосветящихся, красноватых звезд (красное смещении - при удалении объектов).

Свет от звезд мы видим каким он был в прошлом многие миллионы и миллиарды лет назад. Например, луч света от Солнца до Земли движется 8 минут. Мы и вспоминаем в основном прошлые события, и только писатели-фантасты уводят читателей в будущее.

При движении со световой скоростью к центру нашей Галактики "Млечный Путь" и обратно, по земным часам пройдет около 60000 лет.

На Земле за это время сменятся многие поколения людей, а по часам на звездолете пройдет около 40 лет, т.е. космонавты по возвращении окажутся заброшенными в далекое будущее.

Таким образом, время не всегда течет плавно и неизменно из прошлого в будущее: оно может замедлять или ускорять свой бег и даже может распадаться на кванты.

В элементарных процессах время обратимо, а в сложных процессах - необратимо (II закон термодинамики и другие явления, например, диффузия молекул капли чернил в воде).

Почему во всех этих процессах возникает необратимость, если они суммируются из движений частиц, которые явно обратимы во времени?

Все дело в том, что в сложной системе из многих частиц, в силу случайности многих взаимодействий между ними, неизбежно нарастает беспорядок (хаос).

Энтропия и есть мера беспорядка, т.е. вероятностные законы статистики при случайных взаимодействиях определяют направление необратимых процессов.

Течение времени проявляется в любых процессах и в одну сторону.

Существуют три вида явлений в природе, которые характеризуют общую “стрелу времени”.

Первый класс явлений - это термодинамические процессы. Они протекают в направлении увеличения беспорядка и роста энтропии, т.е. они определяют “термодинамическую стрелу времени”.

Второе явление - это продолжающееся расширение Вселенной, которое определяет “космологическую стрелу времени”.

Третий класс явлений - это наши психологические состояния - процессы, вызывающие субъективное ощущение течение времени, т.е. наша память определяет “психологическую стрелу времени”.

Все три стелы времени в нашей Вселенной направлены в одну сторону.

Любая психологическая работа мозга увеличивает энтропию окружающего пространства, поэтому и совпадают по направлению "психологическая и термодинамическая стрелы времени".

Однако в момент рождения Вселенной ее квантовое состояние было максимально упорядочено, а сейчас все виды энергий переходят в тепловую.

Если же Вселенная начнет сжиматься, то "космологическая стрела времени" повернет в обратную сторону, а остальные две сохранят направление. Между тремя стрелами времени наступит рассогласование.

Существование состояния сегодняшней Вселенной и жизни возможно только на стадии расширяющейся Вселенной, когда все три стрелы времени направлены в одну сторону.