Времето в науката и Библията – 1 част

Времето е не само основна категория във философията, религията и науката, но е обект на интерес и от страна на поезията, живописта и психологията. Затова е трудно да се даде единно и непротиворечиво определение на понятието „време”, което да удовлетворява всички тези области. Казано най-общо с него се измерва продължителността и последователността на явленията и състоянията. Периодичните събития и движения още от древността служат като стандарт за определяне на времето – въртенето на Земята около Слънцето, фазите на Луната, движението на махалото или биенето на сърцето.

Има две гледни точки по отношение на възгледите за времето:

Привържениците на едното становище смятат, че то не се отнася до някакво реално съществуващо измерение, а е само интелектуална концепция, която позволява на хората да проследяват, сравняват и подреждат събитията. Подобно виждане е характерно за философите-идеалисти (Беркли, Хюм, Мах), а в науката – за Готфрид Лайбниц, който заявява, че физическият свят, пространството и времето са субективни възприятия и не са нищо друго освен несъвършено сетивно изражение на истинския свят на неделимите първоелементи – монадите.[1]

Според другото гледище, изразено най-пълноценно от Нютон, пространството и времето са абсолютни – обективни самостоятелни същности, които са напълно независими както едно от друго, така и от материята, разположена и развиваща се в тях. Пространството е плоско (Евклидово) с три измерения като е безкрайно, неподвижно и еднакво навсякъде – хомогенно и изотропно.[2] В наличност е дори, когато в него няма никакви физически обекти. Всъщност то е само едно празно вместилище, където се извършват движенията на телата (и измененията на полетата), без при това да се променят неговите свойства.

Времето е безкрайно, тече равномерно и еднопосочно – от минало към настояще и бъдеще, – дори и в отсъствието на каквато и да е материя. В цялата безбрежна Вселена то е едно и също, хомогенно е и има постоянен ход във всички точки от света, като не се влияе от никакви физични процеси.

Когато разработва теорията на относителността, Айнщайн стига до извода, че материята, пространството и времето не могат да съществуват самостоятелно – абсолютно, а са само относителни страни на едно съвършено единство. Например протичането на времето, размерите и масите на телата зависят от тяхното движение – при субсветлинни скорости времето се забавя, размерите се скъсяват, а масата нараства. Също структурата (т.е. геометричните свойства) на четиримерния пространствено-времеви континуум[3] се изменя в зависимост от струпването на масите на веществото и поражданото от тях гравитационно поле. Около обекти с голяма маса пространството се изкривява, а времето значително намалява своя ход. Според него до идеята за пространство и време не може да се стигне ако няма материя, ако тя не се развива и възприема от човека. В този смисъл трябва да се каже, че ако няма материя – не съществува пространство и време. Материята е в непрекъснато движение, което се определя само по отношение на различните отправни системи, и затова то е относително.

Теорията предсказва, че времето в неподвижна система и в система, която се движи равномерно спрямо наблюдателя, тече различно. Експериментите, проведени през последните няколко десетилетия, потвърдиха, че нестабилните частици живеят по-дълго, когато се движат с по-висока скорост и при скорости близки до скоростта на светлината, времето им на живот нараства неограничено. Забавянето на времето е било отчетено и с цезиеви атомни часовници, поставени на борда на самолети, които предварително са били синхронизирани със същите такива хронометри, останали в наземна лаборатория. След приключването на полета, учените установили, че разликата в измерването на времето действително е била точно предвидената според изчисленията.

Силата на гравитационното поле причинява изкривяване на време-пространството, което също води до разтегляне на събитията. Оказва се, че часовниците на брега на морето, понеже са разположени по-близо до гравитационния център на Земята, тиктакат по-бавно от тези на някоя висока планина. А в околностите на една черна дупка, изоставането на времето се увеличава твърде значимо. Нека да си представим, че с помощта на мощен телескоп наблюдаваме астронавт, който се намира в орбитална станция, съвсем непосредствено до хоризонта на събитията на черна дупка.[4] На нас ще ни изглежда, че той се движи като на изключително забавен каданс, а на него (астронавтът също ни следи), – че нашите действия са със светкавична бързина, сякаш гледа видео пуснато на бързо превъртане напред. Парадоксалното е, че в космическата станция за астронавта времето ще тече също както и при нас, но той ще вижда звездите и планетите да кръжат с много висока скорост по своите орбити и, като следствие, цялата Вселена ще се състарява главоломно пред очите му. (Ако се запитаме кой от двата часовника – нашият или този на астронавта – отмерва правилното време, отговорът е: „и двата в тяхната собствена рамка на отчитане”. Няма достоверен начин да се каже кое е “точното ниво”, на което върви времето – всичко зависи от това къде се намираме по отношение на гравитационното поле.)

Времето в класическата физика на Нютон е като стрела, носеща се равномерно и еднопосочно – от минало към настояще и бъдеще. Според теорията на Айнщайн времето се превръща в река, която ускорява или забавя своя ход, докато извива меандрите си из изкривеното пространство на всемира. Великият учен обаче се безпокоял, че в нея се спотайват скрити водовъртежи и разклонения, които могат да объркат еднопосочното й течение. Неговият кошмар се оправдал, когато през 1937г. У. Дж. ван Стокъм открил решение на уравненията на общата теория на относителността, което позволява връщане в миналото. По-късно учени като К. Гьодел, К. Торн, Дж. Р. Гот и др. доразвиват идеята за пътуване във времето. Но техните проекти все още са неосъществими – за реализацията им са необходими огромни количества отрицателна материя и енергия, „космически струни“ с колосална маса и скорост близка до светлинната и пр.[5]

От гледна точка на науката „завръщане в бъдещето” е възможно и това е било потвърждавано експериментално хиляди пъти. В своята „Популярна физика” Джей Орир дава релативистичен пример, при който единият от двама двадесетгодишни братя се отправя с космически кораб към недалечна звезда (т. нар. „парадокс на близнаците”). Ако се движи със скорост близка до тази на светлината, той може да отиде до там и да се върне, да речем, само за 10 години собствено време. Когато каца обратно, на Земята обаче са изминали 80 години и неговият брат-близнак е на преклонната възраст от 100 години, докато той е само на тридесет и по такъв начин е пристигнал цели 70 години напред в бъдещето. (Нашите космонавти действително правят кратко пътуване в бъдещето – всеки път когато се завръщат от полет бордовите часовници сочат, че те са с няколко частици от секундата по-млади, отколкото ако бяха си останали вкъщи.)

Нека накратко да споменем до какви парадокси се стига обаче, когато се отправим на пътешествие в миналото и нарушим причинно-следствената връзка в хронологията:

1. „Убийство на дядото”. Връщате се 40-50 години в миналото и блъскате неволно с автомобил момчето, което трябва да стане ваш дядо. Поради неговата смърт, става невъзможно раждането на един от родители ви, оттам и вашето съществуване – абсурдно.

2. „Знание от бъдещето” (информационен парадокс). Оксфордският философ М. Дъмет предлага история за бездарен художник, който вижда свои, още ненарисувани, картини в албум, донесен от познавач на изкуството, пристигнал от бъдещето. Художникът успява да открадне албума с репродукциите и просто ги прекопира, като те се превръщат в шедьоври за поколенията. По такъв начин излиза, че информацията за картините в случая, няма произход.

3. „Парадокс на измамника”. Правите машина на времето, която ви отнася в бъдещето. Там научавате, че ви е „писано“ да се ожените за девойка на име Христина. Като се връщате обаче, понеже сте наясно какво ви очаква с нея, решавате да предпочетете Михаела. Така “измамвате” трагичното бъдеще, което вече няма как да се осъществи.

През 1992г. Ст. Хокинг изказа „хипотеза за защита на хронологията“, според която разходка напред-назад из времето е невъзможна, защото нарушава определени физични принципи. Неговите аргументи обаче бяха отхвърлени от С. Крашников и Л. К. Ли, с антитезата, че „не съществува физичен закон, който да забранява появата на затворени времеподобни криви[6]“. Все пак ние се присъединяваме към такива защитници на хронологията като И. Новиков и М. Висер, които твърдят, че законът ще излезе наяве, когато се разработи „цялостната теория на квантовата гравитация“.[7]

Тук ще споделим още две (или дори – три) възражения относно пътешествията в историята, без да претендираме за оригиналност. Нека си представим, че някой далечен пра-, пра-, правнук на Айнщайн реши да го посети. След смъртта на гениалния учен атомите от неговия организъм са се разпръснали в природата – да речем в почвата, водата, въздуха, живите същества и пр. Но според някакво благоприятно стечение на обстоятелствата, при кръговрата на веществата, след хиляди години точно те са изградили тялото на неговия правнук. При тяхната среща обаче ще трябва едни и същи атоми да бъдат едновременно на две различни места и по такъв начин се оказва, че пътуването в миналото нарушава закона за запазване на масата/енергията.[8]

Когато правнукът заеме своето място в машината на времето и реши да потегли, той ще трябва едновременно да тръгне не само към миналото, но и към бъдещето (понеже всеки момент след старта определено е в бъдещето). Получава се логически абсурд, а едно толкова значимо вътрешно противоречие в теорията не е най-добрият атестат за нейното качество.[9] Ако пък разглеждаме нещата буквално, не трябва ли лентата на неговия живот да се завърти в обратна посока? Тоест пътешественикът да се върне в мига преди да е потеглил, а после – към своето юношество, детство, раждане и т.н. С други думи приключението ще свърши веднага след като е започнало.

Поради ограничената скорост на светлината едно и също събитие може да бъде за един наблюдател в миналото, за друг – в настоящето, а за трети – дори в бъдещето. Нека предположим, че живеем през 2075 г. и нашата цивилизация е успяла да колонизира планетата Марс и Ганимед, най-големия спътник на Юпитер. На Земята се играе интересен футболен мач, който се предава чрез сателит и до жителите на селищата в космоса. Сигналът ще пътува до Марс за около 4 минути, а до Ганимед – за близо половин час.[10] На стадиона тече 15-ата минута от мача, като в 11-ата минута е отбелязан гол. Докато радостта по трибуните вече ще утихва, запалянковците от Марс тепърва ще бъдат „взривени”, а тези от Ганимед ще трябва да почакат още цели 27 минути, за да се насладят на красивото попадение.

Във физиката съществува един феномен, известен като „квантово сплитане”. Две частици могат да обменят помежду си информация, която е възможно да се движи с безкрайно висока скорост. Ако след време успеем да излъчваме събитията с такава бързина, всички зрители, не само на Марс и Ганимед, но където и да се намират във Вселената, ще наблюдават футболните мачове едновременно с публиката на стадиона.[11] Дори и тогава обаче няма да е възможно да се надзърне в бъдещето, т.е. да научим за нещо преди то да се е случило. Едва ли някой би могъл да предвиди например, че в 43-та минута едно от кучетата на полицаите, които охраняват игрището, ще успее да се отвърже и ще хукне по терена да гони топката заедно с футболистите.[12]

Учените заявяват, че виртуалните частици[13] се движат „настрани” във времето, т.е. те могат да променят положението си дори времето да е спряло. Нещо повече, в квантовата механика причинно-следствени връзки не могат да бъдат точно установени, а според някои решения на теорията на относителността следствието може да изпреварва причината. Ричард Файнман обяснява защо свойствата на античастиците са противоположни на тези на частиците като приема, че те пътуват обратно във времето. Например позитронът се разглежда като еквивалентен на електрон, който идва от бъдещето.[14] Стивън Хокинг и Джеймс Хартъл, в една своя разработка, въвеждат т. нар. „имагинерно време”, което се „ражда” от пространствената размерност. По такъв начин в тяхната теория се премахва въпросът за сингулярното начало на всемира. Физичните закони са темпорално симетрични, т.е. не съществува забрана да се върнем от бъдещето към миналото. Затова все още не може да се каже на какво се дължи еднопосочното движение на „стрелата на времето” – като най-силен (но не достатъчно!) претендент за обяснение на проблема се сочи ІІ принцип на термодинамиката и т.н.

Съвременните геолози използват няколко основни метода за определяне на абсолютната възраст на скалите посредством радиоактивно датиране. В зависимост от начина на разпад и получените крайни продукти те са: уран-оловен; рубидий-стронциев; калий-аргонов (в края е даден периода на полуразпад):

уран (U235) → хелий (He) + олово (Pb207) = 700 млн. год.

калий (K40) → аргон (Ar40) = 1, 3 млрд. год.

уран (U238) → хелий (He) + олово (Pb206) = 4, 5 млрд. год.

рубидий (Rb87) → стронций (Sr87) = 48, 8 млрд. год.

Радиоактивният изходен елемент се разпада до стабилен производен продукт, което позволява създаването на математически израз за пресмятане на геологичното време. По последни данни се изчислява, че Земята съществува от поне 4, 54 милиарда години.

Съвременното съотношение на двата дългоживеещи изотопа на урана (U235 и U238) и измерванията на отношенията на продуктите от разпада им позволяват да се определи възрастта на Слънчевата система на близо 5 милиарда години. Сравнявайки масата и яркостта на Слънцето с тези на останалите звезди също може да се заключи, че Слънчевата система наистина е толкова древна. Богатите на калций и алуминий включения – най-старите познати съставки на метеоритите, образувани заедно с нея, – са на около 4, 56 милиарда години. Това се приема за действителната възраст на Слънчевата система и същевременно горна граница за възрастта на Земята.

Въз основа на данните за ускорено разширение на Вселената чрез свръхнови от тип Ia и измерванията на спектъра и анизотропията на реликтовото излъчване, направени от спътника WMAP (Сонда за Микровълнова Анизотропия “Уилкинсън”), възрастта на Вселената е определена на 13,7 ± 0,2 милиарда години.[15]

[1] Според Лайбниц светът се състои от атоми (най-малките частици на веществото), които той нарича монади. Във всяка монада (единица) потенциално е заложено развитието на цялата Вселена. Животът възниква, когато монадите се пробуждат, а по-нататък те могат да стигнат до нивото на самосъзнанието (аперцепцията). Затова разумът на човека също е монада.

Въпреки своя атомизъм Лайбниц счита, че монадите се излъчват и поглъщат от Бога, чиято функция е да поддържа предварително заложената хармония между тях. (Религиозно-философските разбирания на този учен, освен от християнството, изглежда са силно повлияни от Демокрит, Платон и Кант.)

[2] Хомогенност – еднородност; изотропност – еднаквост на свойствата във всички посоки.

[3] Всъщност идеята, че пространството и времето трябва да се разглеждат заедно като едно цяло, е на чудесния математик Херман Минковски. Той предлага „четиримерния пространствено-времеви континуум” като оригинален допълнителен елемент, който спомага да бъде разбрана по-добре специалната теория на относителността. По време на една прочута лекция, изнесена в Гьотингенския университет през 1908 г., Минковски заявява:

[4] Хоризонт на събитията (радиус на Шварцшилд) – термин от астрофизиката, характеризиращ околностите на черната дупка. Дефинира се като сферична граница, след преминаването на която нищо, дори и светлината, не може да напусне такъв свръхплътен обект поради извънредно силната гравитация. (Ст. Хокинг сполучливо оприличава нещата с надписа над входа на Дантевия ад: „О, вий, кои пристъпяте тоз праг, надежда всяка тука оставете.”) Точката в началото на радиуса се нарича сингулярност (от англ. „singularity” – странност, необичайност) – място, където всички познати физични закони вече не са валидни.

Виж: http://bg.wikipedia.org/wiki/Черна_дупка

(Читателят може да научи повече относно феномените, които описваме от литературата, свързана с физиката, астрономията и космологията, както и от специализираните научни сайтове в тези области. Тук сме пропуснали много от детайлите, понеже нямат нищо общо с темата и само утежняват изложението.)

[5] За повече подробности относно пътуването във времето виж:

http://review.sagabg.net/item_3969.html

[6] Затворени времеподобни криви – технически термин за пътищата, които позволяват посещения в миналото. Когато ги следваме обаче, би трябвало да се завърнем в момента, преди да сме потеглили на пътешествие.

[7] Квантова гравитация – теория, която се стреми да свърже квантовата механика и общата теория на относителността. Обикновено при квантирането на гравитацията се оказва, че нейните квантови флуктуации са безкрайни и това прави изчисленията безсмислени. Понастоящем теориите на „суперструните“ и „примковата (цикличната) квантова гравитация“ са единствените кандидати, способни да премахнат тези безкрайности:

[8] В квантовата механика е валиден принципът на линейната суперпозиция, съгласно който е възможно една частица да бъде едновременно на две (и дори на много повече) места. Известният експерт по математическа физика Р. Пенроуз обаче ни уверява, че този принцип (все още незнайно защо) не може да бъде приложен към макроскопични обекти, изградени от множество частици, като например топки за крикет, а още по-малко за хора. Предложеният за Нобелова награда ирландски физик Р. Гилмор, определено смята, че принципът се отнася най-вече за електроните в атомните орбитали.

(Не е съвсем сигурно, че частиците се намират едновременно на много места. Този извод правим косвено, понеже техните амплитуди ни насочват към подобно предположение.)

[9] Редица съвременни историци на науката твърдят, че Галилей вероятно никога не е пускал тежести от наклонената кула в Пиза, а е успял да опровергае Аристотел единствено по дедуктивен път. Неговите разсъждения били следните: щом леките тела падат по-бавно от тежките, в такъв случай, ако закрепим едно по-леко тяло към по-тежко, то ще го забавя и ще удължи времето на падането му. Но в действителност ще се получи обратното – общата маса на двете тела ще бъде по-голяма и те би трябвало да се приземят по-бързо. От този пример става ясно, че логическата противоречивост понякога е достатъчна да свали от сцената всяка „авторитетна” теория.

[10] Приемаме, че към посочения момент Марс се намира на около 80 млн. км., а Ганимед – на 560 млн. км. от Земята. Затова електромагнитните вълни, движейки се със скоростта на светлината (близо 300 хил. км./сек.), ще достигнат до тях за посоченото в текста време.

[11] През 1935 г. Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Натан Розен предлагат мисловен експеримент, чиято първоначална цел е да покаже, че квантово-механичното описание на света е непълно и че след време би трябвало да се създаде по-всеобхватна (детерминистична) теория. Парадоксът на Айнщайн-Подолски-Розен (АПР) е следствие на някои свойства на сплетените състояния на системите в микросвета. След измерване на състоянието на една частица настъпва колапс на нейната вълновата функция като „новината” за измерването се разпространява, сякаш мигновено, до друга частица „сплетена” с първата например по отношение на спина. Джон Бел успява да изведе теорема (1964 г.), съгласно която квантовата механика предвижда по-голяма корелация между измерванията на двете частици, отколкото би могла да се нагласи чрез каквато и да било предварителна информация. Ален Аспект през 80-те години на ХХ век провежда серия от експерименти в Центъра по оптика към Парижкия университет в Орсе, с помощта на които доказва, че т. нар. нелокално вплитане е реално явление.

(На читателите, които желаят да научат повече относно този толкова невероятен и смайващ феномен, препоръчваме книгите: „Вплитането”, „Елегантната вселена”, „Тъканта на космоса”, „Новият разум на царя” и др. – погледни библиографията.

Виж още: http://bg.wikipedia.org/wiki/Парадокс_на_Айнщайн-Подолски-Розен

http://old.inrne.bas.bg/wop/ARCHIVE/wop_2_2004/05%20Quantum%20mechanics.htm

С помощта на парадокса АПР вероятно ще ни се удаде да изследваме дори сингулярността. Ако в ускорителите на елементарни частици успеем да създадем миниатюрна черна дупка, бихме могли да изстрелваме към нейната вътрешност едната от двете сплетени частици. По поведението на партньора, който остава да се движи навън, ще сме в състояние да определим какво се случва отвъд хоризонта на събитията на тези екзотични обекти.)

За сега няма как да изпращаме съобщения по този начин, понеже резултата от измерването на суперпозицията от квантови състояния е напълно случаен и никаква допълнителна информация не може да бъде вкарана насила в него. Известният американски физик (от японски произход) Мичио Каку в своята книга „Физика на невъзможното” обаче твърди, че множество от неразрешимите днес проблеми ще бъдат преодолени от бъдещите научни технологии.

[12] Ако наистина при парадокса АПР информацията се разпространява с безкрайна скорост, това позволява съществуването на абсолютно време. От друга страна ускорението на телата е абсолютно даже и от гледна точка на теорията на относителността, поради което би трябвало да се въведе и абсолютна отправна система. По такъв начин пространствено-времевия континуум на Айнщайн е възможно да съществува едновременно с абсолютните време и пространство на Нютон (като последните се намират на някакво субравнище, което все още не можем да регистрираме с нашата измервателна апаратура). (Тук не казваме, че нещата са точно такива, каквито ги описва Нютон – например абсолютното време не е задължително да е вечно, то може да е започнало при стартирането на Вселената, а ролята на абсолютно пространство да се изпълнява от някакво поле на Питър Хигс, спрямо което се отчита движението и пр.)

[13] Виртуални частици – появяват се от вакуума и бързо изчезват по силата на принципа на неопределеността, като нарушават законите за запазване (което е позволено за съвсем кратко време). Понякога виртуалните частици могат да станат реални, ако към вакуума се добави достатъчно енергия. В Квантовата теория на полето взаимодействията между реалните частици се описват като обмен на виртуални частици. С тях се обясняват и редица други явления във физиката – тунелния преход, силите на ван дер Ваалс, лъчението на Хокинг и пр.

Виж: http://bg.wikipedia.org/wiki/Виртуална_частица

[14] Античастиците са един вид противоположни на частиците спрямо електричния заряд. Например антипротонът има отрицателен заряд, а антиелектронът (позитронът) – положителен. Срещата на частица и античастица води до анихилация, при която цялата им маса в покой се превръща в енергия.

Виж: http://bg.wikipedia.org/wiki/Антиматерия

Р. Файнман всъщност има предвид, че ако електронът се движи нормално във времето, той ще носи своя отрицателен заряд от миналото към бъдещето. Но ако се движи обратно – от бъдещето към миналото, това е все едно частица с положителен заряд (позитрон) да отива от миналото към бъдещето. По такъв начин общия заряд в бъдещето става по-положителен.

Повече подробности, свързани с научните възгледи за времето, ще намерите в книгата на Пол Дейвис „Относно времето”. Виж извадки от нея тук:

[15] Възраст на Земята:

Как учените са определили възрастта на Вселената: