Характер Физических Законов - Pичард Фейнман

На лекциях такие штуки обычно показывают при помощи кино: вырезают кусок кинопленки, на котором снята какая-то последовательность событий, и показывают 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 все 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 елки можно сделать палку, а из палки не сделаешь елки", в связи с чем наш мир постоянно меняет свой характер с елочного на палочный, - и эта необратимость взаимодействий должна быть причиной необратимости всех явлений нашей жизни.

Однако такой принцип пока еще 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 ее, не имеет никаких оснований для смеха.

Обратимся еще 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 ее движения образует эллипс. Скорость движения планеты оказывается такой, что за равные промежутки времени радиус, соединяющий Солнце и планету, описывает всегда равные площади. В действительности все 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 все, что вы увидите на экране, будет выглядеть совершенно естественным.

Эту мысль можно выразить еще 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 β-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 еще не известны, заставляют думать, что на самом деле р-распад, может быть, и необратим во времени, и для того, чтобы окончательно убедиться в этом, нам понадобятся новые опыты{8}.

Но так или иначе никто не сомневается в следующем: β-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 β-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 все, 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 β-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 ее 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 найдем 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 объему. Теперь, сколько бы мы ни ждали, наблюдая воду, мы не дождемся, чтобы она разделилась на синюю и обычную. (Конечно, вы можете заставить ее разделиться. Можно, например, выпарить воду и сконденсировать пары где-то в другом месте, собрать синюю краску, растворить ее в половине собранной воды, закрыть заслонку и налить воду обратно в банку, разделенную на две половины. Но когда вы будете делать все это, вы непременно вызовете другие необратимые процессы.) Сама по себе вода не вернется в начальное состояние.

Это дает нам определенный 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 все правильно, все 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.