Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Методологический аспект технологии комплексной оценки экологической емкости территорий

Мусихина Е. А,

1.1. Философский аспект проблемы

Тайна времени всегда занимала умы людей, о природе времени и причине его неудержимого бега размышляли и спорили на протяжении веков. Со времен античных мыслителей, на протяжении тысячелетий о происхождении и свойствах времени высказывались самые разнообразные суждения. До сих пор в физике нет особого, самостоятельного раздела, изучающего время, не существует отдельной науки о времени, хотя существует наука о пространстве – геометрия. Более трех тысячелетий назад на берегах Тигра, Нила и Евфрата люди располагали достаточно четкими понятиями о том, что такое линия, плоскость и объем. В античном мире геометрия как наука сформировалась в III веке до нашей эры во времена Евклида. До сих пор физики используют пространственные, геометрические представления в своих попытках проникнуть в тайну времени.

Наука о времени не имеет даже названия, нам даже точно неизвестно, когда в языках человечества впервые появилось специальное слово для обозначения времени. Слово «время» сейчас мы употребляем в двух смыслах: как время вообще и как время данного события. Непосредственный предок нашего слова время – древнерусское веремя. А более далекое – общеславянское вермя или вертмя. Регулярная повторяемость, цикличность изменений природных процессов служит очевидным и наглядным проявлением общего глобального хода времени [192].

Человек живет во времени и способен чувствовать его, поскольку ритмические колебания – общая черта всех живых клеток. Вся живая природа располагает естественными часами, своими внутренними ритмами, живет во времени и постоянно чувствует его ход. Знаменитый математик Норберт Винер, считал, что именно ритмическая активность мозга отвечает за способность чувствовать время. Постоянная смена дня ночью, смена времен года – эти ритмы в окружающем человека мире исключительно важны для его выживания. Хотя повтор природных циклов сам по себе не дает отчетливого ощущения самого времени, но подсказывает чувство промежутков времени, более или менее одинаковых [34].

Мироздание находится в состоянии непрекращающихся изменений, все происходящее в нем происходит во времени и принципиально от времени неотделимо. Сами физические законы не существуют вне времени, сохранение энергии в физических процессах вытекает из определенных свойств времени.

Время – «герой» многих литературных произведений от высказываний древнегреческого философа Гераклита «Время – ребенок, что, играя, двигает пешки» до гетевского «Остановись, мгновение», и до произведений современников, в частности аргентинского прозаика А.Б. Касареса.

Чтобы что-либо изучать, нужно, прежде всего, научиться это измерять. Ведь точная наука начинается с точного измерения. Естественные часы природы – Солнце днем и Луна ночью – отнюдь не всегда удовлетворяют требованиям человека. Следовательно, необходимы более совершенные приборы для измерения времени, которые стали появляться в Европе с XIII-XIV веков. Любопытные часы – астрариум – были изготовлены в середине XIV века мастером Дж. Де Донди из Падуи. Они не только показывали время, но и воспроизводили перемещение Солнца, Луны и планет. По сути это была удачная попытка построить действующую модель Вселенной.

Необходимо помнить, что вращение Земли, регулирующее во времени всю нашу жизнь, совершается с большой равномерностью. Изначально данное явление считали идеально периодическим, пока не заметили признаков замедления или ускорения. Первым, кто усомнился в точности вращения Земли, был Ньютон. Далее Иммануил Кант в 1754 году предположил, что вращение Земли может замедляться из-за морских приливов и отливов. Вращение Земли и движение Луны заставляют приливную волну бежать по океану вслед за Луной, что впоследствии подтвердил академик А.А. Михайлов, астроном Пулковской обсерватории [77-83, 192]. Так, предсказанное Кантом замедление Земли было обнаружено и надежно измерено только в середине прошлого века. Космогонист И. Кант считал, что время (как и пространство) не является свойством самой природы, для него время – свойство человеческой познавательной способности. Время и пространство не присущи миру, это лишь формы, в которых человек воспринимает внешний мир. Близкие взгляды высказывали Р. Декарт и Г. Лейбниц, для которых идея времени была априорным понятием.

Материалистический подход к природе времени совсем иной. В VII-VI веках до нашей эры Фалес из Милета, столетием позднее Гераклит Эфесский нисколько не сомневались в реальном существовании времени, независимо от воли богов или собственного разума. Английские философы Ф. Бэкон, его последователь Т. Гоббс разделяли опытное происхождение всякого знания о мире. Хотя необходимо заметить, что время у Гоббса существует не в природе, «только в мышлении нашего разума».

Философское решение проблемы времени, материалистический ответ на вопрос о его природе заключается в выработке понимания времени и пространства как реально существующих и неотъемлемых черт окружающего нас мира. Время отнюдь не иллюзия человеческого разума. Время существует в природе и вместе с ней, а значит оно доступно познанию. Наши знания о времени должны постоянно развиваться, становиться все глубже и полнее.

«Советский энциклопедический словарь» определяет время с философской точки зрения как форму последовательной смены явлений и состояний материи.

Начало исследованию времени положили мыслители древности, первая физическая концепция времени создана трудами Галилея и Ньютона в классической механике, в которой время характеризовалось как непрерывный и равномерный поток, неограниченный в обоих направлениях, как в прошлое, так и в будущее. Скорость этого потока считалась всюду и везде одинаковой и ни от чего не зависела. Абсолютное время, неподвластное никаким воздействиям, с одинаковым темпом – исходная аксиома классической механики. В начале 20 века Эйнштейн установил, что классическая механика действует в макромире, где скорости исследуемых ею движений должны быть малы по сравнению со скоростью света, кроме того, силы тяготения должны быть слабыми, чтобы не могли разогнать эти тела до скорости света.

Теория относительности открыла новые свойства времени. Время оказалось теснейшим образом связано с пространством. В своей теории относительности Эйнштейн объединил время и пространство в единый четырехмерный континуум, в котором и происходят все физические явления. Время вдруг оказалось неабсолютным и лишилось понятия одновременности. Сам темп времени зависит от движения и становится относительным. Кроме того, время подвержено действию сил тяготения и они влияют на его темп (где имеются силы тяготения, время течет медленнее). В работах Фридмана появилась мера времени, определяющая темп эволюции всей Вселенной.

Классическая механика разработала теорию времени для макромира, теория относительности – для мегамира, для Вселенной, квантовая теория – для микромира. Квантовые эффекты вызывают некую «материализацию» пространства-времени. Если черная дыра – это «тупик» в потоке времени, то квантовые эффекты способны эту преграду разрушить и освободить временной поток. Учитывая, что начало Вселенной было, скорее всего, квантовым, тогда течение времени в самом его истоке также было квантовым, прерывистым, и каждый отрезок времени возникал сразу как целое. Из начальной космологической сингулярности время истекало не сплошным потоком, а как бы отдельными толчками. Речь идет о космическом времени – времени нашей Вселенной, возникшей и существующей вместе с ней. Однако квантовые эффекты не позволяют уместить событие в точку. Любое событие имеет протяженность во времени и пространстве – оно просто не может быть точечным. Таким образом, точка-событие размывается в пятно (а возможно, в четырехмерный объем), размеры которого диктуются квантовой неопределенностью. Связано это с тем, что до сих пор нет строгой количественной формулировки понятия причинности в области квантовых явлений, а с этим в физике связан целый комплекс сложных и глубоких проблем, ждущих своего решения.

Время невозможно рассматривать независимо от тех явлений, которые мы описываем при помощи времени. Именно в свойствах времени отражаются свойства этих явлений. Свободный, без движения и тяготения, темп времени является самым быстрым, движение и тяготение могут его замедлить. Бег времени, безусловно, необратим.

Известно, что пространство трехмерно, о чем говорили еще Платон и Аристотель, ведь если бы число пространственных переменных было не 3, а 4, то не существовало бы замкнутых орбит планет, и Солнечная система не могла бы образоваться. Кроме того, не существовало бы и замкнутых орбит электронов в атомах, а значит, была бы невозможна атомная структура вещества [131, 192]. Следовательно, число пространственных переменных исключительно важно. Несомненно, то же нужно сказать и о размерности времени. Современное состояние проблемы ограничивается одномерностью времени. Хотя даже высказанная Эддингтоном гипотеза, что одномерность времени – лишь свойство близкой к нам области мира, и нельзя исключать наличия у времени другой размерности, противоречит законам классической физики. И в рукописях И. Канта есть фраза: «Пространство и время возможны только как части еще большего количества». Сама природа многообразна, изменчива и неисчерпаема, а вместе с ней неисчерпаемо по своим проявлениям и время.

В философии существуют два основных подхода к трактовке этого понятия: субстанциональный и атрибутивный. Истоки первого подхода следует искать в учении Демокрита о присущей атомам самоподвижности, придающей материи способности к самоорганизации, и полагавшего, что пространство и время – некая емкость, включающая все многообразие бытия. По своему состоянию они абсолютны и неизменны. Наиболее полно субстанциональный подход воплотился в ньютоновских понятиях абсолютного пространства и времени. У Ньютона эти понятия не зависят ни от материальных объектов, ни друг от друга, т.е. время анизотропно, континуально-дискретно и циклически необратимо [131].

Истоки атрибутивного подхода следует искать у Аристотеля, предполагавшего, что пространство и время – это форма упорядочения, организации материи. Без материи они лишены смысла, но имеют объективное содержание. По Аристотелю время и пространство обладают свойством существовать независимо от сознания человека. Мир у Аристотеля имеет в своей основе временную структуру, он – совокупность событий, а не вещей, и, таким образом, время у него является фундаментальным понятием. Основной постулат научного исследования Аристотеля – установление причинной связи между явлениями Природы и изучение их закономерности. Исходным для него является утверждение – «время бесконечно, а Вселенная вечна». По Аристотелю, попеременное чередование морских и континентальных ландшафтов не мешало динамическому равновесию планеты, поскольку происходило без катастрофических разрушений, лишь постепенным суммированием повседневных действий. Фактически, именно у него впервые прозвучали идеи круговорота и сохранения вещества. По Аристотелю, движение выражается не просто механическим перемещением тел, а еще и изменением их качественных характеристик. Время и движение – это разные вещи. Движения могут быть быстрыми и медленными, движение можно прервать или возобновить. Тела могут двигаться или находиться в покое. А время течет всегда, и ни прервать, ни снова запустить его ход нельзя [131].

Утверждение о вечности мира всегда оспаривалось стоиками, в частности, Зенон из Китиона, основываясь на представлениях древнеегипетских астрономов, утверждал, что мир периодически разрушается и обновляется. Причем перерождение Мира происходит периодически, по истечении Великого Года – 36 тысяч лет. Это таинственное число упоминается в сочинениях Платона, великого мыслителя Античности, полагавшего, что все окружающие нас тела иллюзорны и на самом деле не существуют. Что все это лишь «тени», бледные копии неких высших прообразов, оригиналов всех вещей в мире. Вот эти прообразы, называемые им «идеями», существуют, причем всегда в неизменном виде. А время – это заменитель вечности, ее несовершенное воплощение в мире. У Платона время и Вселенная нераздельны, он считал, что само вращение небес вызывает ход времени: Вселенная своим круговращением как бы производит для нас время. Время у Платона бежит всегда по кругу, исходя из движения светил. Астрономические наблюдения дали представление о времени как одной из первооснов всего окружающего нас мира. Платон полагал, что время и движение – это одно и то же [Ellenberger, 1996. P. 24].

Прямо противоположно Аристотелевскому убеждению о бесконечности времени мнение Архимеда, исключающего время из фундаментальных физических представлений и отрицающего временную структуру Мира. Созвучны им предположения Лейбница, согласно которым пространство и время – это определенные типы отношений между объектами, не могущие существовать самостоятельно. Согласно Г.В. Лейбницу, «универсум представляет собой исполнение божественной программы и выражение изначальной прекрасной идеи». Им заимствован у Аристотеля принцип непрерывности (континуальности), преобразованный в принцип аддитивности, – непрерывное накопление незначительных изменений в конечном итоге приводит к грандиозным переменам. Для Лейбница время – только порядок последовательностей, при котором каждому состоянию системы отвечает определенный интервал времени, т.е. время необратимо и анизотропно [131].

Эйнштейн развил концепцию Аристотеля и Лейбница в своей теории относительности, однако он как бы «растворил» время в геометрии многомерного пространства. Специальная теория относительности выявила зависимость пространственных и временных характеристик объектов от скорости их движения относительно определенной системы отсчета. Она же объединила их в единый четырехмерный пространственно-временной континуум. А общая теория относительности выявила зависимость метрических характеристик пространства-времени от распределения масс, приводящих к его искривлению. Хотя из принципа относительности следует, что между покоем и движением – если оно равномерно и прямолинейно – нет никакой принципиальной разницы, разве что в точке зрения. Уместно привести высказывание Галилея: движение и покой всегда относительны [13, 14, 192].

Вообще механику Галилея-Ньютона принято называть классической с тем же правом и основанием, какое имеет геометрия Евклида. По высказыванию Галилея, мир – это книга, написанная математическим языком в виде треугольников, кругов и других геометрических фигур. Исследуя движение разнообразных природных тел, классическая механика выявила существование времени, общее для всех тел и одинаково измеряемое всеми инерциальными часами. Это единое, всеобщее и универсальное время называют абсолютным временем, Абсолютное время отсчитывается для всей Вселенной, и ход его везде и всегда одинаков. Открытие абсолютного времени – важнейший результат классической механики. Именно так определяет время Ньютон в своей знаменитой книге «Математические начала натуральной философии». Под «истинным математическим временем» понимается абсолютное время, служащее идеальной мерой длительности всех механических явлений. Оно так же идеально, как идеально равномерное и прямолинейное движение. И, тем не менее, Ньютон замечает, что «как и все в природе, вращение Земли не идеально» и «возможно, что не существует такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенной точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени изменяться не может».

Итак, физические тела движутся в пространстве и во времени. Именно через их движение проявляются свойства времени и пространства. Выводы классической механики о свойствах времени таковы, что [192]:

• Время существует само по себе и своим существованием не обязано чему бы то ни было в мире.
• Ходу времени подчиняются все тела природы и все физические явления. Но сами эти тела и явления не оказывают никакого воздействия на ход времени.
• Все моменты времени между собой равноправны и одинаковы: время однородно.
• Ход времени всюду и везде в мире одинаков.
• Ход времени одинаково равномерен в прошлом, настоящем и будущем.
• Время простирается от настоящего неограниченно назад в прошлое и неограниченно вперед в будущее.
• Время обладает одним измерением.
• Промежутки времени отмеряются, складываются и вычитаются, как отрезки евклидовой прямой.

И о свойствах пространства:

• Пространство существует само по себе и своим существованием не обязано чему бы то ни было в мире.
• Пространство вмещает все тела природы и дает место всем ее явлениям, но не испытывает на себе никакого их воздействия.
• Пространство всюду и везде одинаково по своим свойствам, все его точки равноправны и одинаковы – оно однородно. Все направления в нем так же равноправны и одинаковы – оно изотропно.
• Во все времена пространство неизменно одно и то же.
• Пространство не имеет границ.
• Пространство простирается неограниченно во всех направлениях и имеет бесконечный объем.
• Пространство обладает тремя измерениями.
• Пространство описывается геометрией Евклида.

Каждое из свойств времени и пространства, утверждаемых классической механикой, может быть и не противоречит тем экспериментам и наблюдением, с которыми эта наука имеет дело, но нельзя сказать, что все эти свойства с одинаковой простотой, очевидностью и однозначностью могут быть получены из непосредственного опыта. А ведь вопрос об объеме пространства и длительности времени – несомненно, важнейший вопрос об окружающем нас физическом мире, и классическая механика его не решает. То же относится и к другим принятым в классической механике свойствам времени и пространства. Рамки классической механики были необычайно расширены новейшей физикой XX века.

Н. Стенон ввел, по сути, представление о едином пространстве-времени. Реальное время в его трактовке обретает свойства неоднородности и необратимости. Выделяя два типа времени – настоящего (динамического) и прошедшего (статического) – он, по сути, обращается к причинно-следственной связи времени, связывая понятие времени с качественными изменениями одной и той же системы и с последовательной сменой качественно различных систем. Движение у Стенона – это развитие системы, изменение ее качеств. Своими выводами он поставил под сомнение обратимость законов физики, вернее, независимость их действия от времени и пространства. Таким образом, Стенон выдвинул концепцию всемирного, циклически-необратимого, континуально-дискретного, иерархически организованного реального времени [168, 170].

Все же, человеческое знание со времен Ньютона, когда в основу классической физики была положена абсолютность пространства и времени, согласно которой ход времени неизменен в любых системах отсчета и не зависит от того, движется система или находится в состоянии покоя, постепенно эволюционировало: от геометрии Евклида – геометрии пространства с нулевой кривизной, до геометрии Лобачевского с отрицательной кривизной и геометрии Римана – с положительной кривизной. И уже, опираясь на геометрии Римана и Лобачевского, Эйнштейн вводит понятие относительного пространства и времени, то есть изменение размеров пространства и хода времени в разных системах отсчета и в зависимости от состояния системы (движется она или находится в состоянии покоя). В таком случае, мы имеем право говорить о существовании как абсолютного, так и относительного времени. В специальной теории рассматриваются явления, для которых силы тяготения в любых их проявлениях слабы или вовсе несущественны. Общая теория – это теория пространства, времени и тяготения. В результате мысленного эксперимента, так любимого Эйнштейном, время оказалось относительным. Открытие относительности времени вызвало настоящий переворот в физической науке и указало пределы применимости классических представлений механики Галилея-Ньютона, ограничив ее применение только относительно медленными движениями. Таким образом, теория относительности произвела принципиальный пересмотр природы времени. Время между двумя событиями, измеренное из разных систем отсчета, различно. В той системе, где эти события произошли, время между событиями меньше, чем в другой, из которой эти события наблюдаются. Собственное время всегда короче всех других времен, которые измеряют по своим часам другие наблюдатели. Относительность времени существует всегда, но при малых скоростях движений совершенно неуловима. Но чем больше скорость, с которой проносятся мимо нас частицы, тем медленнее они распадаются, тем дольше – для нас – живут. Теория относительности гласит, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превосходящей скорость света. И все же, несмотря на объединение времени и пространства в новую «независимую реальность», о которой столь убедительно в своих работах говорил Минковский, ответа на вопрос – откуда у времени столь неудержимый бег с неизменной направленностью – нет. Вопрос этот не решается и теорией относительности, ни общей, ни специальной. Получается, что время, решительно влияя на все природные явления, на все физические тела, само не испытывает в ответ никакого обратного влияния этих явлений и тел. Используя любимый прием Эйнштейна – мысленный эксперимент – представим свободно падающую лабораторию, являющуюся инерциальной системой отсчета. Тогда справедливы законы классической механики и специальной теории относительности. Зато в общей теории относительности налицо замедление времени в поле тяготения. Прямой лабораторный, а не мысленный эксперимент с замедлением времени в поле тяготения провели в 1960 году физики Гарвардского университета, хотя самая первая попытка обнаружить эффект гравитационного замедления времени была сделана еще в 20-е годы – не в лаборатории, а по астрономическим наблюдениям. Тяготение Солнца влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Значит, возможна полная остановка времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи так называемой черной дыры. Черная дыра – физическое тело, создающее столь сильное тяготение, что смещение света, испускаемого вблизи него, способно обратиться в бесконечность. Предполагается, что черные дыры возникают в результате неудержимого сжатия вещества под действием его собственного тяготения. Нейтронные звезды, хорошо известные физикам и астрономам, не так уж далеки от состояния черной дыры. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит эффект Доплера (красное смещение), значительно вблизи нейтронной звезды. Итак, теория относительности показывает, что время можно затормозить и даже совсем остановить. Время на первом этаже дома течет медленнее, чем на двенадцатом. На поверхности Солнца его бег замедляется, на поверхности нейтронной звезды еще замедляется, а у гравитационного радиуса черной дыры вообще останавливается и замирает.

Специальная теория относительности открыла относительность времени и выдвинула идею четырехмерного пространства-времени. Опыты, подтверждающие специальную теорию относительности и ее абсолютное пространство-время, охватывают все явления физики, за исключением тяготения и гравитации. Тяготение искажает идеально правильный каркас пространства-времени, в частности, сильное искривление наблюдается вблизи черной дыры. Это объяснимо сточки зрения общей теории относительности, согласно которой силы тяготения проявляются через искривление пространства-времени, и с помощью этого искривления они управляют движением всех тел. Именно поэтому считается, что тяготение имеет геометрическую природу, исследовать которую можно с помощью неевклидовой геометрии – математического инструмента общей теории относительности. Лобачевский в России, Бояи в Венгрии, Гаусс и Риман в Германии – создатели новой геометрии, важнейшим понятием которой является понятие кривизны. Кривизна дает точную меру всемирного тяготения, а с ней и естественную меру хода времени во всей Вселенной. Тем не менее, современная наука о Вселенной – космология – опирается на общую теорию относительности.

Еще в VI веке до нашей эры великий математик и философ древности Пифагор учил, что Земля шарообразна. Аристотель – другой великий ученый античного мира – считал и всю Вселенную шарообразной, сферической, правда, центром Вселенной он полагал Землю. Такой взгляд на систему мироздания просуществовал до выхода в свет в 1543 году книги Коперника «О вращении небесных сфер», в которой Солнце занимало соответствующее ему место в центре планетной системы. Смелая и неожиданная для того времени мысль Дж. Бруно о том, что Солнце – лишь одна из великого множества звезд, а не центр мира, была подтверждена великим голландским физиком и астрономом Х. Гюйгенсом. И с XVII века важнейшей целью астрономии стало изучение Млечного Пути. Оказалось, что наше Солнце, а с ним Земля и планеты, располагаются далеко не в центре системы, а на ее окраине.

Эйнштейн говорил о статической, вечной и неизменной во времени Вселенной. Реальная Вселенная оказалась, напротив, динамичной и развивающейся – именно такой ее увидели физики и астрономы, и прежде всех советский математик Фридман. Модели, построенные им, на основе решений уравнений Эйнштейна, примененных ко всей Вселенной, описывали движение огромных масс Вселенной и ее структуру, связывали ее состояние с предыдущей историей. Оказалось, что вещество во Вселенной не может находиться в покое, галактики и звездные скопления не стоят на месте, а непрерывно движутся, и расстояния между ними изменяются со временем. Кроме того, систематическое красное смещение (эффект Доплера) свидетельствует о разбегании Галактик – они постепенно удаляются от нас. После таких открытий американского астронома Э. Хаббла теория развивающейся Вселенной, теория космологического расширения получила всеобщее признание.

Авторитет Ньютона настолько велик, что введенное им представление о времени как о внешнем параметре реальности сохраняется и поныне. Он говорил о динамике однородного распределения вещества в 1692 году, что вещество может либо сжиматься все в целом, либо распадаться на отдельные сжимающиеся сгустки. Созвучны выводам Ньютона идеи Дж. Геттона, изложенные в его «Принципах познания». У него реальное время обладает свойствами бесконечности, непрерывности, цикличности, изотропности и впервые прозвучавшей неравномерности течения. Именно Геттон допустил возможность существования неравномерности течения хода времени. Он также связывал бесконечность и непрерывность времени с аналогичными свойствами природных процессов, что не согласовывалось с представлениями Ньютона [Hutton, 1788, P. 215].

Не следует также забывать, что вплоть до середины XVII столетия наука занималась исследованием и описанием в основном пространственной структуры Мироздания. И лишь Р. Декартом была замечена необходимость исторического подхода к изучению Природы, а значит и времени. Интересна космогоническая концепция Декарта, согласно которой все звезды и планеты Вселенной возникли из спиралевидных вихрей, тогда наша планета, по сути, является детищем времени.

Высказывание П.А. Гольбаха, согласно которому в основе всей деятельности Природы лежит вечное, нескончаемое, изначально присущее материи движение, в очередной раз пробудило интерес ко времени. А предположение Ж.Б. Ламарка о происходящих в природе с разной скоростью изменениях, созвучно идеям Геттона о неравномерности времени. Развитие Земли у Ламарка непрерывно, метахронно, анизотропно и циклически-необратимо.

В заключение приведенного анализа различных концепций времени следует заметить, что время выступает в роли фактора исторического развития Земли и в частности ее биосферы как единой недифференцируемой системы. Практически во всех высказываниях звучит идея цикличности времени, кроме того, Геттон и Ламарк высказались о неравномерности течения времени [102, 138].

Современное понимание категорий пространства и времени все же основано на  атрибутивном подходе, то есть пространство и время – форма упорядочения и организации материи. Без материи они лишены смысла, но имеют объективное содержание и существуют независимо от сознания человека.

Космическое время дает нам представление о темпе изменений, происходящих в мире галактик. Мера длительности, присущая Вселенной как огромной физической системе – это время в космическом масштабе, время космологического расширения, составляющее примерно 20 миллиардов лет. Вся Вселенная как бы заполнена телами галактик, образующими своеобразную плотность. Из определений физики известно, что плотность есть масса, приходящаяся на единицу объема. Принимая однородность Вселенной, эта плотность всюду одинакова, лишь меняется со временем, убывая в ходе космологического расширения. Согласно теории Фридмана, история Вселенной не продолжается сколь угодно далеко в прошлое. Существует некая точка – начало, когда космическая плотность принимала неограниченно большое бесконечное значение, т.е. все вещество Вселенной было сжато в точку, из которой и произошло космологическое расширение, продолжающееся до сих пор. Начальное состояние бесконечной плотности называется космологической сингулярностью. Если в математических формулах, описывающих физическое явление, возникает бесконечность, для физика это сигнал тревоги. Значит, теория не в состоянии верно описать данное явление. Космологическая бесконечность указывает нам предел применимости модели Фридмана. Кстати, скорее всего в области сингулярности становится неприменимой и сама общая теория относительности. Возможно, физика квантовых явлений – физика элементарных частиц – поможет математически обосновать подобное явление.

В современной физике под возрастом Вселенной понимается время, истекшее после космологической сингулярности. Точка сингулярности – естественный нуль времени для Вселенной. Сингулярность – событие, происходившее в одной точке, где находилось в тот момент все вещество – одновременно для всей Вселенной. Плотность, с которой размещаются во Вселенной галактики, убывает со временем из-за космологического расширения. Поэтому считать ее повсюду одинаковой можно лишь при условии, что каждый участок Вселенной рассматривается на одном и том же этапе расширения. Иначе один участок выглядел бы более плотным (молодым), а другой – менее плотным (более старым). Очевидно, когда речь идет о больших объемах пространства и больших промежутках времени, само пространство и само время по-разному проявляют себя в разных наблюдениях. Таким образом, приходим к выводу о неоднородности пространства. Но и время в этой системе отсчета иное, отличное от общего космического времени, и, кроме того, в движущейся системе отсчета текущее время медленнее, чем в неподвижной. Прямым свидетельством такого замедления времени служит красное смещение в спектрах галактик, означающее увеличение периода колебаний принятого света. Периоды колебания, как и замедление времени, усиливаются с расстоянием. В неподвижной системе отсчета объем пространства конечен. В движущейся системе отсчета, связанной с общим космологическим расширением, объем трехмерного пространства может быть как конечным, так и бесконечным. Таким образом, конечность объема в одной системе отсчета не исключает бесконечности в другой.

Рассматривая динамику Вселенной и ее будущее, допускается две возможности: либо неограниченное расширение, либо расширение, сменяющееся сжатием. При сжатии плотность космического вещества возрастает со временем и в определенный момент достигает бесконечно большого значения. Возникает новая сингулярность. В таком случае полное время жизни Вселенной конечно и заключено между двумя сингулярностями, начальной и конечной. И все же если остановка расширения и произойдет, то не раньше чем через 5-10 миллиардов лет. Тогда «жизненный цикл» Вселенной составит примерно от 30 до 60 миллиардов лет [7, 10, 11, 21, 35-39].

По гипотезе академика М.А. Маркова, все существование Вселенной – череда циклов расширения и сжатия. Родившись, Вселенная начинает расширяться, пройдя максимум расширения, начинает сжиматься, достигает новой сингулярности, проходит через нее и т.д. Будущее такой осциллирующей, или пульсирующей, Вселенной измеряется неограниченным, бесконечным числом космических жизненных циклов, последовательно сменяющих друг друга. Возможно, каждый новый цикл – это новая жизнь Вселенной с новым ее временем. В такой гипотезе улавливается связь с идеями Платона и других мыслителей Древней Греции. Продолжительность цикла у них, называемая «великим годом», оценивалась в 30 тысяч лет.

Теоретически допускается и другой вариант пульсирующей Вселенной, допускающий последовательное увеличение размаха осцилляций от цикла к циклу (причем циклы отличаются друг от друга). Такая Вселенная «помнит» всю свою историю, сколь бы бесконечно далеко в прошлое она не уходила. Настоящее не теряет своей связи с прошлым; время непрерывно продлевается сквозь сингулярность от цикла к циклу. Интервал от самых малых физических тел до самых больших охватывает 44 порядка, а это значит, что и интервал времени на шкале длительностей столь же велик.

При всем огромном разнообразии явлений, происходящих в очень сильно различающихся между собой масштабах пространства и времени, физический мир представляет собой единое целое. А значит, и изучающая его наука тоже в идеале должна быть единой и универсальной, например, такой, как синергетика.

Абсолютное время классической физики абсолютно однородно, в нем нет никакого выделенного особенного момента, который мог бы претендовать на исключительное право считаться начальным, стартовым моментом. Все моменты времени классической физики одинаковы, что подтверждается всеми опытами. То же можно сказать и о пространственной симметрии. В пространстве классической физики нет ни выделенных точек, ни выделенных направлений. По сути, однородность пространства – это его симметрия относительно возможных сдвигов.

Закон сохранения энергии был выведен в XVII веке из многочисленных экспериментов с различными движущимися телами. Слово «энергия» имеет греческие корни и используется в значении «действие». Энергия служит общей количественной мерой всех видов механических движений и взаимодействий тел в природе. Оказалось, что энергия сохраняется по причине симметрии времени, его однородности. Именно потому закон сохранения энергии обладает такой непререкаемой властью. Однородность пространства влечет за собой закон сохранения импульса или количества движений. А из изотропии пространства вытекает закон сохранения момента импульса или момента количества движений, поскольку время также однородно.

А что произошло бы, если бы в нашей жизни различные моменты времени, сравнимые по длительности с нашим возрастом, стали бы неодинаковыми? Тогда и законы природы были бы разными в разное время. Стал бы невозможен прогноз на будущее (возможно, именно поэтому невозможно предсказать поведение сложных самоорганизующихся систем), а что касается энергии, она вполне могла бы непредсказуемым образом исчезать или неожиданно появляться из ничего.

Само пространство-время имеет энергию, только неизвестно, как ее описать и подсчитать. Это затруднение не удается преодолеть и в общей теории относительности. В этом содержится, очевидно, нечто принципиальное. В общей теории относительности время уже не абсолютно, а значит, ему совсем не обязательно обладать однородностью-симметрией. Если время в этом случае неоднородно, то в данном случае нет и закона сохранения энергии. А время и в самом деле не обязано быть всегда и везде однородным, на его темп влияют физические условия, которые различны и в разных местах пространства, и в разные моменты времени. Это способствует неравномерности, неэквивалентности различных моментов времени. Естественный «нуль времени» – момент сингулярности – неравноправен с другими моментами времени. Но в неоднородном времени  нет сохранения энергии. Следовательно, закон сохранения энергии поколеблен и лишился своей универсальности, так как покоился на концепции абсолютного однородного времени. А законы природы совсем не обязаны быть одинаковыми во все времена. Хотя думается, изменяются они не произвольно: существуют «законы изменения законов природы». Это утверждение хорошо согласовывается с общей теорией относительности.

Физическая теория XX века – квантовая – открыла новую неожиданную грань взаимоотношений между временем и энергией. Квантовая теория помогла увидеть в свете и волны, и потоки частиц, тем самым, разрешив спор Гюйгенса, считавшего свет волной, и Ньютона, рассматривавшего свет, как корпускулы света (частицы). Позже было обнаружено единство волновых и корпускулярных свойств у других частиц микромира и у всех физических полей. Получение типичной дифракционной картины с правильным чередованием светлых и темных колец (или полос), возникших из-за наложения волн, рассеянных каждым атомом кристалла при прохождении через него пучка электронов, предполагает наличие волновых свойств. С другой стороны, каждый отдельный электрон, попадая на фотопластинку, дает почернение только в одном месте, что предполагает наличие свойств частицы. Это означает, что объекты микромира не являются в действительности ни волнами, ни частицами в обычном понимании. В классической механике состояние движения данной частицы полностью описывается и определяется двумя физическими величинами – координатами частицы в пространстве и ее скоростью. Причем для каждого момента времени и координата, и скорость имеют конкретное значение. В микромире, если определена координата, то неопределенна скорость, и наоборот, причем в последнем случае частица уже не может считаться точечной. Такое движение не будет являться ни равномерным, ни прямолинейным, кроме того, частица теряет свою энергию на излучение волн и ее орбита из-за этого скручивается в спираль. В таком случае она должна упасть на ядро и прекратить свое существование. Этого не происходит, а следовательно, частицы микромира подчиняются особым квантовым закономерностям и по своей природе не являются ни волной, ни частицей, а лишь похожи на них в том или ином из своих проявлений. Микрочастицы не имеют точных, строго определенных координаты и импульса, причем, чем точнее определена одна величина, тем больше неопределенности в другой. Такое соотношение определенности и неопределенности выражается количественно с помощью постоянной Планка (по имени немецкого физика Макса Планка), служащей количественной мерой всех физических явлений в макромире. Соотношение неопределенностей для координаты и импульса – только одна из закономерностей микромира. Другое важнейшее соотношение связывает две другие неопределенности: неопределенность во времени и неопределенность в энергии. Поскольку электроны и атомы – квантовые объекты, возникает неустранимая квантовая неопределенность. Взаимодействие между двумя частицами произошло между моментами времени t и t+∆t, при этом энергия изменилась на величину от Е до Е+∆Е. Между неопределенностью во времени и неопределенностью в энергии существует связь: произведение ∆t на ∆Е не меньше постоянной Планка. Соотношение неопределенностей для времени и энергии указывает на характер поведения микрочастиц во времени, на роль времени в макромире, и по новому раскрывает для нас физику времени. Время оказывается тесно «сцепленным» с энергией, и чем точнее определена одна из этих величин, тем больше неопределенности в другой. Даже самый универсальный закон физики – закон сохранения энергии – перестает быть строгим. Если само значение энергии не вполне определенно, то и закон сохранения энергии становится не вполне точным. О сохранении энергии можно судить лишь с неустранимой квантовой неопределенностью, иными словами, закон нарушается лишь в меру этой неопределенности.

Неопределенность в энергии тем больше, чем быстрее происходят какие-либо изменения или взаимодействия. Быстрое изменение означает меньшую неопределенность во времени, за которое произошло данное событие. Напомним, что в физике многие величины выступают связанными парами: «пространство – импульс», «время – энергия».

Квантовые эффекты несохранения энергии ничтожны и бесконечно малы при переходе от объектов микромира к макромиру, но, тем не менее, квантовая теория применима к телам любых размеров – от электронов до Вселенной. Её закономерности имеют всеобщий, универсальный характер.

Эйнштейн предполагал, что гравитационные волны – это волнообразные колебания пространства-времени, для которых средой служит само пространство-время. Гравитационные волны возникают от перемещения тяготеющих масс, поскольку при таких перемещениях изменяется сила тяготения, искривляющая пространство-время. Источниками гравитационных волн могут служить мощные космические взрывы или их могут излучать двойные звездные системы – связанные пары звезд, каждая из которых вращается вокруг общего центра масс системы. При этом на излучение гравитационных волн тратится часть энергии орбитального движения и, как следствие, изменяется сам вид орбит – они скручиваются спиралью. Конечно, такое открытие кажется несколько косвенным, но эксперимент на гравитационных антеннах пока только планируется.

Как поведет себя время, оказавшись в поле гравитационной волны? Возможно, сам ход времени оказался бы при этом волнообразным. Основываясь на двойственной, корпускулярно-волновой природе света физик М.П. Бронштейн применил к описанию гравитационных волн квантовую теорию. Кванты гравитационных волн получили название гравитонов. Они очень похожи на фотоны, различие проявляется лишь во взаимодействии с другими частицами. Известно, что фотон взаимодействует только с электрически заряженными частицами. Гравитон же взаимодействует со всеми без исключения, являясь представителем всемирного тяготения. Гравитон, как и фотон, обладает энергией, которая, согласно теории, равна постоянной Планка, деленной на период волны. И тут связь между периодом и энергией имеет тот же вид, что и соотношение неопределенностей «время-энергия». Получается, время, пространство, энергия и квантовые эффекты тесно связаны. Напрашивается вывод, что волны пространства-времени сами обладают энергией.

Из опытов с гравитационными волнами ясно, что теория относительности неполно описывает не только свойства времени, но и свойства пространства. Существование кванта гравитационных волн означает, что у времени явно существуют такие свойства, которые могут быть изучены и поняты только на основе квантовых понятий. Классическая механика считает время непрерывным и непрерывно делимым во всех своих физических проявлениях. Теория относительности, как специальная, так и общая, заимствует из классической физики понятие непрерывного и беспредельно делимого времени. Квантовая теория предполагает дискретное рождение кванта, однако момент времени, когда это произошло, фиксируется неточно, вмешивается неустранимая неопределенность, оцениваемая по соотношению неопределенностей «время-энергия». Следовательно, мы не можем указать точного начала этого явления во времени. Время, за которое это событие происходит, выступает как нерасчленимый отрезок, мы не можем его разделить на какие-либо отдельные части. Такая неделимость принципиальна – она составляет существо физического проявления времени в квантовых процессах. Данный отрезок времени неделим так же, как неделим квант энергии. Квантовая природа времени та же, что и квантовая природа энергии. Физика XX века учит, что нет времени «самого по себе», без связи с динамикой физического мира. Время в каждом физическом явлении свое и несет в себе важнейшие черты каждого явления, и в свою очередь, само является важнейшей его чертой.

Могут ли принимать отрезки времени бесконечно малые значения? Тогда время будет подобно энергии, и для его отрезков не будет существовать нижнего предела. Или время состоит из отдельных кратких мгновений, не допускающих дальнейшего дробления? Тогда оно будет похоже на электрический заряд, состоящий из целого числа «элементарных мгновений» – атомов времени. Кстати, об атомарности времени спорили еще мудрецы древности. Касаемо атомарности пространства, выдвигались гипотезы о некоторой минимальной (фундаментальной) длине, до которой дробление пространственных величин шло как обычно, а далее либо деление становилось невозможным, либо свойства пространства каким-то образом резко менялись. Фундаментальной длине пространства, если она вообще существует, должен отвечать и соответствующий предельный промежуток времени. А если эта исключительно малая длительность окажется атомом времени, это будет означать, что время течет не плавно и непрерывно, а отдельными одинаковыми всплесками, подобно крови в артерии. Конечно, в условиях микромира такие всплески неразличимы из-за их крайне малой длительности. Изучая Вселенную, не следует забывать, что когда-то она была всего лишь точкой, и все ее вещество было сжато до исключительно высоких плотностей. И в эти начальные моменты развитие Вселенной шло в соответствии с квантовыми законами. Известно, что расстояния, да и другие физические величины в расширяющемся мире, изменяются тем быстрее, чем ближе данный момент времени к сингулярности. Математически, время, характеризующее темп расширения, стремится к нулю при приближении к сингулярности, и вблизи сингулярности счет времени идет не на астрономические единицы, а на краткие мгновения, характерные для макромира. В состоянии сингулярности одна из величин – время – неограниченно убывает (неопределенность в длительности промежутков времени стремиться к нулю). Значит, квантовая неопределенность энергии должна неограниченно расти, стремясь к бесконечности. Подобное рассуждение кажется справедливым и для другой квантовой пары величин: координат и скорости (импульса). В случае стремления размеров мира к нулю, неопределенность в скорости стремится к бесконечности. Очевидно, физические явления во Вселенной, да и само ее расширение, имеют квантовый характер. Возможно, для изучения эволюции Вселенной нужно располагать объединенной теорией, как общей теорией относительности, так и квантовой. Квантовые свойства времени и пространства в данной теории играют ключевую роль.

Но существует и другая идея – представление о физическом вакууме (когда все физические тела погружены в вакуум). При этом под вакуумом понимают такое состояние системы, когда в ней нет ни полей, ни частиц – состояние наименьшей возможной энергии, где постоянно протекают сложнейшие физические превращения. Вакуумные колебания различных физических полей не могут распространяться, но постоянно и нерегулярно колеблют уровень тяготения. Вследствие чего, непрерывные изменения претерпевают и геометрические свойства пространства-времени. Время, испытывая воздействие вакуумных колебаний тяготения, должно непрерывно и хаотично менять темп своего хода. Поток времени будет колебаться, то ускоряя, то замедляя свое течение, и кроме того, оно должно бурлить.

Помимо колебаний полей, в вакууме рождаются и тут же исчезают частицы и античастицы (всегда парами). При столкновении двух протонов достаточно высокой энергии эти вакуумные пары частиц могут освободиться из вакуума. Данные явления имеют квантовую природу. Самопроизвольное рождение и исчезновение пар частиц и античастиц возможно, поскольку закон сохранения энергии выполняется с точность до квантовой неопределенности. Рождаясь, частицы берут у вакуума энергию, и чем больше заимствованная энергия, тем короче жизнь вакуумной пары. Кроме того, рождение в вакууме пары частиц создает дополнительную массу, которая, в свою очередь, вызывает тяготение. А тяготение, в свою очередь, управляет геометрией пространства и темпом хода времени. Рождение частиц замедляет в данном месте ход времени, что и заставляет время бурлить.

Квантовые представления о самопроизвольном рождении частиц наводят на мысль, что и происхождение Вселенной – квантовый процесс. Вселенная не существовала вечно, она возникла в определенный момент времени и вблизи этого момента была объектом микромира с присущими ему квантовыми закономерностями. По догадке П.И. Фомина, Вселенная самопроизвольно зародилась из вакуума, как рождаются обычные элементарные частицы. Для дальнейшей ее проработки требуется разработка квантово-гравитационной теории, однако и сейчас понятно, что квантовый подход к ранней Вселенной вполне оправдан. Тогда и время Вселенной начинается с ее рождения – не было Вселенной, не было и ее времени. «Время – это всегда конкретное физическое свойство данных конкретных физических тел и происходящих с ними изменений» [42, 75, 85, 99, 192].

Количественные (метрические) свойства времени, известные человечеству с давних пор, измеряются с помощью часов. Теория относительности и представляет теорию количественных свойств времени. Но у времени, безусловно, есть и иные свойства – качественные, и важнейшее из них – необратимый бег времени. Недаром еще Лейбницем было замечено, что время есть порядок несовместимых возможностей. Теория относительности предполагает, каков темп хода времени, от чего зависит его замедление, но не отвечает, почему оно вообще течет и чем определяется его неизменное направление. Австрийский физик Л. Больцман более ста лет назад выдвинул предположение, что природа времени связана с особым родом физических явлений, называемых необратимыми. Изолированная физическая система всегда стремиться к состоянию наибольшего возможного выравнивания (температуры, состава, концентрации и т.д.) – состояния термодинамического равновесия. Предположение Больцмана о течении времени в направлении, в котором происходят необратимые физические явления, охватывающие все тела физического мира и всю Вселенную, отнюдь не лишено смысла. Такие необратимые физические явления вносят во Вселенную развитие, создавая само время, задавая его темп и указывая его направление. И в доказательство своего предположения он приводил пример с маятником, который каким-то образом чувствовал движение Вселенной. Кстати, первым на то, что маятник служит хорошим инструментом измерения хода времени, обратил внимание Галилей.

Законы движения, открытые классической механикой, абсолютно безразличны к направлению времени, и тем же качеством обладают они в теории относительности. Законы механики не изменяются при смене направления времени при его обращении, т.е. по законам механики время является симметричным. Симметрию относительно обращения времени в физике называют Т-инвариантностью. Тогда где же здесь необратимость? Возникает парадокс обратимости: прямые и обратные явления в принципе допустимы оба, но различаются частотой. Прямые происходят очень часто (практически всегда), а обратные очень редко (практически никогда). Больцман подсчитал вероятность прямых и обратных явлений и пришел к выводу о том, что если в любой физической системе имеется отклонение от теплового равновесия, то система изменяется в направлении, приближающем ее к равновесию. Известно, что элементарная частица, называемая нейтральным К-мезоном, не обладает Т-инвариантностью. Частица «различает» прошлое и будущее – направления времени для нее не равноценны, не симметричны. Стоит отметить, что К-мезон – очень редкая частица и, соответственно, его распад так же редкое явление. Дерзким могло бы быть предположение о том, что такие частицы управляют временем во всей Вселенной. Хотя это хорошо согласовывается с предположениями астрофизика Н.А. Козырева. Он считал, что известные нам законы движения – лишь некая приближенная форма точных законов, которые еще не открыты. И если в приближенных законах царит Т-инвариантность, то точные законы обладают Т-неинвариантностью, хотя, возможно и очень слабой (отчего она до сих пор и не замечена). Именно такая скрытая, слабая, но всеобщая асимметрия между двумя направлениями времени задает направление времени от прошлого к будущему. К сожалению, когда была предложена данная идея, о К-мезонах еще не знали.

Увлеченный успехами механики французский математик и физик П. Лаплас стремился свести к механическим движениям все многообразие природы. Столь жесткая детерминированность совсем не присуща Мирозданию, природа в действительности гораздо богаче и ее законы отнюдь не сводятся к законам механического движения. И даже если известно абсолютно точно состояние системы в данный момент, дальнейшие вычисления не смогут дать абсолютно точный прогноз. Всегда имеется предельная, конечная точность, с которой можно осуществить прогноз. Кроме существующих погрешностей в начальных состояниях, возможны погрешности вычислений, какие-либо воздействия извне, и реальный результат в итоге будет очень сильно отличаться от предполагаемого. В Т-инвариантном мире Лапласа предшествующее событие в истории физического тела является причиной последующего события. Но вот события поменялись ролями, событие стало причиной, а причина – следствием. Разве в реальном мире возможна такая смена ролей? Возможно, время потому и течет, что причина вызывает следствие. Время течет от причины к следствию, такая мысль была высказана еще классиком естественных наук Г. Лейбницем. Сначала действует причина, затем происходит вызываемое ею следствие. От причинно-следственного порядка к порядку временному – весьма перспективная идея [105, 106, 107, 114, 152, 153, 157, 162, 175, 176, 177, 180, 183, 184, 193-195, 211-213].