Время в природе и науке

Поиски совершенства и гармонии небесных сфер, когда-то начатые пифагорейцами, продолжал даже во времена Галилея Кеплер, открывший в стремлении к ним законы планетных орбит. И когда Галилей с помощью созданного им телескопа обнаружил на Луне горы и долины (темные равнины, названные вскоре Гевелием морями) и показал эту картину церковным иерархам, те были возмущены и долго считали ее оптическим обманом. Не должна была Луна быть похожей на Землю, не должно быть на ней земных рельефов, не должна она состоять из того же материала! Борьба и обструкция сопровождали открытие им солнечных пятен, спутников Юпитера и фаз Венеры, не говоря уж о злосчастном главном вопросе: рядовом положении Земли среди светил и планет.

С точки зрения людей, не придававших большого значения вере, людей образованных, эта идея окрашивалась в материалистические краски. Но тут таился, пожалуй, еще больший порок мышления, чем простительный и даже закономерно-временный изъян, содержавшийся в религиозной идее раздвоенного мира. На место допустимого противопоставления идеального и тленного, духовного и материального заступало извращенное деление мира на две части, но обе материальные. Перейдя в науку, эта идея породила разнообразные теории об отличии законов, которые управляют совершенными небесными явлениями, от частных и незначительных закономерностей случайного в общем строе природы земного локального мира. Есть огромная материальная Вселенная с ее стройными правильными законами и необязательно, случайно возникшая временная флуктуация материи Земли с ее живым населением и всеми ее незначительными и странными на общем фоне небесного спокойствия проблемами. В общем сознании ученого мира, в том, которое впитывается с первых лет обучения в школе, идея о противоположности земного и небесного миров продолжает тлеть до сегодняшнего дня. Иногда она дает яркие вспышки в виде, например, идеи Большого взрыва, когда не существовало якобы ничего, что открыто ныне на Земле. Ни материи в ее геологическом, физическом или химическом виде, ни атомов, ни времени, ни пространства. Значит, не действовали законы, управляющие материальными процессами. Да и кроме этой теории возникает немало других, в которых на тех самых ненаблюдаемых «субстанциях и скрытых свойствах», с осуждения коих суровый Ньютон начинает свои «Начала», безоглядно основывают объяснение непонятных явлений, которых, конечно, вокруг великое множество.

В те века и годы, о которых идет речь, т. е. во времена становления механики, в идее сравнения разных систем отсчета, как сказали бы сейчас, заключался настоящий камень преткновения. Какое движение из всего нами видимого вокруг считать истинным, или абсолютным, а какое только кажущимся? До теории Коперника так остро вопрос не стоял, поскольку Земля естественным образом помещалась в центр мира и все движения отсчитывались относительно нее. Но положение кардинально изменилось после принятия теории Коперника: любое движение предметов по здравом рассуждении уже стало представляться как сложное, составное, потому что входило в не замечаемое нами вращение Земли и обращение ее вокруг Солнца, и в еще какое-то более общее движение всего мироздания. Нужно иметь некую точку опоры и отсчета, чтобы разлагать сложносоставное перемещение тел на более элементарное. От решения этого вопроса зависит точность измерений и, следовательно, весь авторитет опыта. Галилей его не решал, а предложил своими правилами движения считать каждое движение местным, проходящим только сейчас. Он ввел принцип относительности, иллюстрировав его знаменитым примером с кораблем: в каюте идущего прямолинейно и равномерно корабля все тела совершают движения, ничем не отличимые от тех, которые они совершали бы, если бы корабль стоял неподвижно.

Так же поступал и другой непосредственный предшественник Ньютона, Гюйгенс, помещая своего наблюдателя в точку касания прямой и окружности при решении проблем центробежного движения. Он считал любое движение относительным, зависящим от положения наблюдателя. Но каждый раз, перемещая его, затруднительно вывести общее правило, отделить истинное движение от мнимого и случайного. На этом фоне противопоставление относительного земного и абсолютного небесного казалось самым простым и напрашивающимся решением.

В предисловии уже говорилось о тех немногих, кто мог противостоять этой могущественной нивелировке умов, кто имел мужество мысли не соглашаться с общим мнением и кто открывал на этом пути закономерности целостности и устойчивости мира, его инварианты, независимые от местных условий и случайных изменений. К ним принадлежал и Ньютон, о значении которого в становлении механики говорить не приходится. Открытие им законов, одинаково управляющих и движением падающего с горы камня, и движением кометы по ночному небу, невозможно переоценить. Как никто другой, он сделал много для утверждения материального единства мира. Но чтобы этот подход утвердить, он ввел в сакраментальную проблему различения абсолютного и относительного новый фактор – время, придал этому явлению фундаментальный всеобщий смысл. Ньютон доказал одинаковость земного и небесного благодаря новому пониманию пространства и времени. По сути дела, ему принадлежит единственное в современной науке определение времени и пространства, определение, данное раз и навсегда. О нем сейчас у нас и пойдет речь.

Может показаться, что в общем строе «Начал» определение времени совсем необязательно. Без определения, что такое масса или количество движения, обойтись решительно невозможно. Но зачем давать определение времени? Разве недостаточно того определения, что дал Галилей: время – явление общепонятное, т. е. нечто всем общее, измеряемое часами? И, кстати, поначалу Ньютон напоминает читателям об этом общем мнении. «Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные», – говорит он в самом начале своей книги[46]. Время и пространство, не имея никакого определения, напротив, сами собой определяют все остальные материальные процессы, если их выразить в формулах движения.

Да, есть то, что показывают нам часы, это верно. Но Ньютону нужно не просто единственное время. Ему требуется развести абсолютное и относительное движения, чтобы отличить истинное движение и случайное. Решение Галилея уже не удовлетворяет мыслителя в решении такой задачи, оно не вселяет уверенности в истинности механики, лишает ориентиров. Время нужно специально исследовать. И, по видимости, нарушая требование правила Оккама не умножать число сущностей, Ньютон тем не менее эту «лишнюю» сущность вводит.

Вероятное объяснение его нетривиального хода мысли кроется все же, думается, в самом характере, складе ума Ньютона, в его стремлении к единству знания о мире, более решительном соединении земного с небесным, чем у Галилея, такого соединения, которое потребовала его идея всемирного тяготения, основанная на универсальности законов движения. Если алгоритмы равномерного и равноускоренного движения, сформулированные Галилеем, не претендуют на такую всеобщность, если их универсализм относится только к двум видам движения предметов относительно других предметов – линейного равномерного и ускоренного, то законы движения Ньютона имеют именно всеобщность вселенскую. Они относятся к круговому движению самой Земли и других планет относительно Солнца. Следовательно, если Галилею требуется только каждый раз местное время и пространство, их крохотный участок, то Ньютон испытывает потребность в более широких горизонтах, так сказать.

Галилей ввел относительность движения тел. Время идет равномерно конкретно в данном месте. В наличии там всегда и пространство, относительно которого, считаем мы, движется любое тело на поверхности Земли. Когда нам нужно сравнить движение двух тел в пространстве, например, если в каюте движущегося корабля летает муха, тогда надо принять корабль за неподвижный и относительно него рассчитывать траекторию ее полета. Все просто.

Ньютона такая простота не устраивает. Он создает более сложный мир и ощущает другую степень ответственности за него, поскольку открывает законы всеобщего сложного, составного движения. Он поглощен главной своей идеей об одинаковом характере движения на Земле и вне ее. Одна и та же сила тяготения управляет падением камня на Земле и движением Луны вокруг Земли. Но все упирается в новую послекоперниковскую ситуацию в науке, в неодинаковый и непростой характер движения самой Земли, в ее нецентральное, подчиненное положение в Солнечной системе. Пример Галилея усложняется. Вот идет моряк по палубе корабля, ветер несется относительно парусов корабля, корабль движется относительно Земли, Земля вращается вокруг оси и вместе с тем движется по своей орбите, причем разно по отношению к разным планетам и кометам. Где же истинное движение? Или истинный покой? Все находится в движении относительно всего, никакой точки отсчета как бы и нет. Но если в обыденной жизни, для потребностей житейских достаточно всяких видимостей, достаточно здравого смысла, подсказывающего, что можно каждый раз, как в примере Галилея, принимать одно тело покоящимся, другое движущимся, т. е. достаточно приблизительного знания о течении времени и состоянии пространства, то в натуральной философии (это синоним физики) требуется знание точное. Следовательно, вместо того чтобы раз навсегда решить центральную проблему динамики – различать абсолютное и относительное движение, необходимо построить их правильную мировую иерархию. А для этого время и пространство надо сделать «более первыми», определяющими понятиями. Следовательно, в них, внутри них есть понятие истинного математически точного, т. е. абсолютного времени и абсолютного пространства. К ним принадлежит абсолютное движение, а уже от него следует вести отсчет движения относительного, и тогда мир обретет устойчивость и порядок относительно некоего центра. Причем теперь, после Коперника, таким центром не может быть сама Земля.

Чтобы лучше различить абсолютное и относительное движения, надо видеть, говорит Ньютон, что если сами движения разделяются на абсолютное и относительное, так и время с пространством еще ранее разделяются сами по себе на них же. Относительные познаются человеческими чувствами, которые, конечно, ненадежны, отсюда возникает множество неправильных суждений, говорит Ньютон. Для устранения их Ньютон и ввел фактически еще один и главный фактор в наши рассуждения об этих принятых фундаментальными вещами – причину, некую природу времени и пространства. Он тем самым попытался продвинуться на один шаг глубже в познании действительности и понять, что стоит за этими явлениями, которые мы отсчитываем по часам и линейкам, выяснить его причину.

Вот отсюда, из проникновения в природу времени возникло его знаменитое, сотни раз цитировавшееся, изученное вдоль и поперек определение. Точнее сказать, Ньютон не относит его к строгим определениям (как масса или количество движения), поскольку считает, вслед за Галилеем, время понятием общеизвестным и рассуждает о нем в разделе «Схолия», толковании, или разъяснении. Но, продолжает автор, он хочет, чтобы не возникало весьма распространенных предрассудков, разделить движение, покой, место, время и пространство на понятия абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные. Таким образом, можно квалифицировать данное понятие как исходное, или как утверждение (постулат). Можно также говорить: истолкование, разъяснение, описание, обобщение, или все-таки, как принято в последующей литературе, определение времени и пространства.

Прочтем его еще раз:

«I. Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно и иначе называется длительностью.

Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя (неважно, точная или неточная – исключены переводчиком слова Ньютона в скобках. – Г. А.), совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год.

II. Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которая в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное: так, например, протяжение пространства подземного, воздуха или надземного определяется по их положению относительно земли»[47].

Первое, что бросается в глаза, – вот эта необычная, никем ранее не употреблявшаяся двойственность явлений, дихотомия. Никогда до него и никогда после него никто не делил время и пространство на два, одни совершенные и истинные, вторые – недоразвитые, несовершенные. Как будто действительно одно принадлежит некоему небесному недостижимому миру совершенных сущностей и математически гармоничному движению, а второе как будто является прерогативой земных бурных, хаотических, неправильных движений.

Надо здесь сделать только одно непостороннее замечание. «Начала» написаны на латыни, но, кроме сугубых специалистов, все их читают до сего дня (если читают) в основном на своих языках. Решающее место определения, латинское in se & natura sua[48], в английском каноническом переводе передается как of itself, and from its own nature[49]. Мне кажется, английский вариант проще и ближе к первоисточнику, чем цитированный выше русский текст академика А.Н. Крылова: «Само по себе и по самой своей сущности». «Природу» можно понять как место порождения, условие происхождения. Ее легче ассоциировать с понятием «причина», чем с ненаучной непостижимой «сущностью». Ньютон впервые в науке и в резком отличии от Галилея с его местным пространством и временем вводит если не конкретную, то все же некоторую обозначаемую природу времени, или источник длительности. О ней немного ниже. Слово сущность часто употребляется в научных текстах, но только до определенного уровня сложности. Когда исследуется и измеряется процесс или объект, о сущностях забывают, исследуют конкретные вещи, т. е. явления, а сущность в основном уходит в философские сферы. Так что слово природа, возможно, впервые употребленное в отношении времени и пространства именно Ньютоном, решительно более точное понятие.

Оно объясняет дихотомию, которая означает, что Ньютон отделяет источник времени от реферирования времени, природу времени от процедуры ее измерения и эти два понятия впервые получили совсем разное освещение. Правильное разделение понятия на две составляющие позволили ему сохранить единство мира. Вот почему из раздвоения его не следует вовсе, будто Ньютон решает, что в небесном мире заключена причина абсолютных времени и пространства. Такое мнение было бы поспешным. Из всего его рассуждения следует совершенно определенно, что Ньютон не жалует, так сказать, и небесные тела и не считает их движения такими уж совершенными. Он тут же опровергает возможные обвинения в разделении вещественного мира на два опять же вещественных. Нет, материальная Вселенная всегда, везде и во всем остается единой:

Абсолютное время различается в астрономии от обыденного солнечного времени уравнением времени. Ибо естественные солнечные сутки, принимаемые обычно за равные для измерения времени, на самом деле между собою не равны. Это неравенство и исправляется астрономами, чтобы при измерениях движений небесных светил применять более правильное время. Возможно, что не существует [в природе] (вставка переводчика. – Г. А.) такого равномерного движения, которым время могло бы измеряться с совершенною точностью. Все движения могут ускоряться или замедляться, течение же абсолютного времени измениться не может. Длительность, или продолжительность, существования вещей одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли или их совсем нет, поэтому она надлежащим образом и отличается от своей доступным чувствам меры, будучи из нее выводимой при помощи астрономического уравнения. Необходимость этого уравнения обнаруживается как опытами с часами, снабженными маятниками, так и по затмениям спутников Юпитера[50].

Иначе говоря, в самых точных фактах исчисления движения материальных объектов, в особенности тех, которые кладутся в основу счета и измерения времени, нет ни равномерности, ни пропорциональности. Ни период обращения Земли вокруг Солнца, ни период ее собственного суточного вращения, ни одна из принятых и точно измеренных единиц не делится на другую без остатка. Поэтому нет и истинного времени, и той совершенной точности соотношения величин и фигур, которые достигаются в теоретических геометрических пропорциях.

С тех пор, как определение Ньютона появилось, от него отталкиваются для собственных исследований времени, его обсуждают, с ним борются. Но, как правило, и принимая, и не принимая его, чаще всего определяемое им время (и пространство) называют так: абсолютное, ньютоновское, субстанциальное. Стало общим местом мнение, что Ньютон ввел субстанциальное, сущностное, материально обоснованное время. Так проявляются трудности перевода, когда под природой подразумевают не имеющие научного смысла понятия сущность или субстанция. Так, например, Эйнштейн называет его выделенным, привилегированным и на борьбе с ним строит всю идеологию своей теории, ее обоснование[51]. Но почему выделенное и почему привилегированное? Почему-то и Эйнштейн, и другие авторы не хотят замечать, что время не одно, их два. Одно идеальное, другое – не очень. Одно – недостижимо точное в соответствие со своей какой-то особенной природой, другое – приблизительное, хотя и практически измеряемое. Правильно это, неправильно, согласны они с определением, не согласны, но следует начинать хотя бы с обсуждения этой дихотомии, а не с единственности, которая является предметом критики и отрицания.

Удивительно, но зародыш разделения времени на абсолютное и относительное есть и у Аристотеля в его утверждении, что время не есть движение: «Изменение и движение каждого [тела] происходит только в нем самом или там, где случится быть самому движущемуся и изменяющемуся; время же равномерно везде и во всем. Далее, изменение может идти быстрее или медленнее, время же не может, так как медленное и быстрое определяются временем: быстрое есть далеко продвигающееся в течение малого времени, медленное же – мало [продвигающееся] в течение большого [времени]; время же не определяется временем ни в отношении количества, ни в отношении качества.

Что оно, таким образом, не есть движение – это ясно»[52], – заключает Аристотель.

Из факта невозможности по видимым движениям тел с их необозримым разнообразием вывести совершенное уравнение времени и Ньютон вслед за Аристотелем делает свой самый важный и, кажется, не постигнутый наукой до сего дня, невероятный вывод о независимости времени от движения тел. Еще раз вдумаемся в его определение, и мы увидим: течение времени и характер пространства не зависят от материального мира, от вещей, от предметов, от тел и их движений. Также и от их взаимного расположения. «Безотносительно к чему-либо внешнему» – в этих словах заключено самое главное, здесь сердцевина определения. Что они означают? Как их надо понимать?

По-моему, нужно читать так, как написано и как следует из всего дальнейшего его изложения. «Все внешнее» – все за пределами самого человека, т. е. весь объективный материальный мир. Время и пространство не имеют отношения, т. е. не порождаются, не производятся, не имеют своим источником материальные тела и их движения и перемещения, не определяются ими. По своей собственной природе, читаем мы. И тут в самом важном пункте не должно быть разночтений: у времени и пространства есть собственная природа, внешними явлениями не определяемая. Таков введенный Ньютоном смысл понятия абсолютного времени. Он очень близок к аристотелевскому пониманию. Форма его отрицательная, но и в отрицании, к чему не следует относить время и пространство, заложено достаточно много информации. Главные законы природы всегда запретительные, они проводят границу в мире, следовательно, усиливают науку. Проведенная Ньютоном граница свидетельствует: то, с чем имеет дело натуральная философия, или физика (по сегодняшней терминологии), т. е. вещный мир и все изменения, с ним происходящие, не обладают таким свойством – производить время и пространство, они не присущи материальным телам мира. Мы их там не обнаруживаем. По одну сторону есть материальные образования, которые не обладают этими качествами, и если они длятся и распространяются, то из этого не следует принимать, будто длится время и распространяется пространство, потому что источник этого дления и этого распространения находится по другую сторону, таится совсем не в материальных механических процессах. Вот в чем смысл запрета. Таким образом, неправы те, кто думает, будто природа времени заключена во внешних по отношению к человеку физических объектах, их движениях или свойствах.

И запрет этот очень хорошо обоснован тут же, в самом поучении, которое посвящено сравнению абсолютного движения и относительного. Он сводится к очень простой, но не примитивной мысли, которая никому, кроме Аристотеля и Ньютона, не приходила в голову. Абсолютное время, абсолютное пространство и, соответственно, абсолютное движение и покой принадлежат только таким телам, которые обладают собственным поведением, т. е. таким телам, источник движения которых заключен в них самих, присущ им, находится у них внутри, относится к их собственной природе. Как пытался высказать, намекнул в вышеприведенном отрывке Аристотель, важны и имеют значение для тела только «изменения, происходящие в нем самом».

А теперь от отрицания природы времени в бренных вещах Ньютон переходит к положительной части. «Как различить абсолютное движение и относительное?» – спрашивает он. Разделить абсолютное и относительное движение или абсолютный и относительный покой можно по следующим критериям:

• их свойствам;

• причине их происхождения;

• их проявлениям.

Свойства. От того, что мы примем условно некое тело за покоящееся, будем рассматривать его как неподвижное, никакого истинного абсолютного покоя в нем не возникнет, оно останется неопределенным. Галилеевский корабль (система отсчета) есть условность, нужная для описания местного движения, договоренность. Однако мы ведь никогда не можем быть уверены, не движется ли он вместе со всеми окружающими его телами относительно чего-то, что мы непосредственно не наблюдаем. Стало быть, сказали бы мы сегодня, истинные, или абсолютные, покой или движение должны быть качественно иными, не наведенными, не побуждаемыми внешними по отношению к телу силами.

Эти тела должны быть действительно в покое, а не только приниматься (выделено мною. – Г. А.) за покоящиеся. В противном случае все содержащиеся тела участвовали бы в истинном движении тел, их окружающих, и если бы это последнее движение прекратить, то они оказались бы на самом деле не в покое, а лишь представлялись бы до тех пор находящимися в таковом[53].

Только относительно мест истинно неподвижных можно говорит об абсолютном покое.

Места же неподвижны не иначе, как если бы они из вечности в вечность сохраняют постоянные взаимные положения, следовательно, остаются всегда неподвижными и образуют то, что я называю неподвижным пространством[54].

Иллюзия абсолютного покоя или истинной точки отсчета возникает потому, говорит он, что мы не знаем, не приложена ли к тому телу, от которого мы ведем отсчет, ровно такая же сила, как и к нашему испытуемому телу, и тогда во взаимном положении их, покоящихся ли, движущихся ли, ничего не изменится. Мы только будем полагать по видимости, нам будет казаться, что изменилось. И эта сила будет по-разному вести себя в зависимости от свойств, телам присущим. Взаимодействуя с телами, она в одних сталкивается со свойствами, которые дают собственные, т. е. абсолютные, ни от чего другого не зависимые время и пространство, а в других – с такими свойствами, которые никаких времен и пространств не дают.

Причины происхождения. Вот то действительно новое, что предстало перед Ньютоном в этой идее раздвоения:

Причины происхождения, которыми различаются истинное и кажущееся движение суть те силы, которые надо к телам приложить, чтобы произвести эти движения. Истинное абсолютное движение не может ни произойти, ни измениться иначе, как от действия сил, приложенных непосредственно к самому движущемуся телу, тогда как относительное движение тела может быть произведено и изменено без приложения сил к этому телу, достаточно, чтобы силы были приложены к тем телам, по отношению к которым это движение определяется[55].