|
|
Количество статьи: 297
Статьи за 24 часа: 0
[ Все статьи | Поиск | Top 10 | Категории ]
Физика: поиск времени
Закончив писать о математике, нельзя не поговорить о физике. Эта лекция отталкивается от того, что сказано в "Фракталомании".
Древнегреческие математики избегали время после того как Зенон из Элеи напугал их своими апориями. Он утверждал, что быстрый Ахиллес никогда не догонит медлительную черепаху, потому, что они оба должны пройти до цели бесконечное количество бесконечно малых отрезков пути. А суммировать бесконечно малые
величины греки не умели и поэтому возразить Зенону никто не смог. Таким образом динамика и движение стали закрытыми темами для греческой физики: величайший физик древности Архимед открыл все законы статики, но не рассматривал проблемы движения, хотя он уже тогда умел интегрировать (путем геометрических построений), а значит мог открыть аппарат для описания движения, который создали в 17м веке Ньютон и Лейбниц.
Аристотель был скорее натуралистом, чем физиком, и поэтому подметив в природе два типа процессов, в которых мы набдюдаем два типа времени - обратимое время-кинезис и необратимое время-метаболе, он не пытался создать средство описания этих процессов.
Динамичный 17й век поставил вопрос описания движения в центр внимания физиков и математиков. Ньютон и Лебниц создали интегрирование и дифференцирование, которые позволили описывать движение тел. Причем уравнения этого движения были безразличны к знаку времени, т.е. при замене направления течения времени на обратное решение уравнений не изменялось. Это значит, что в уранениях механики используется время-кинезис Аристотеля. Легко понять это свойство механических систем на примере биллиарда: если заснять на пленку сталкивающиеся и разлетающиеся шары, а потом пустить эту пленку задом наперед, то для зрителя оба сюжета будут выглядеть одинаково достоверными. Конечно, кроме начальной стадии игры, когда происходит разбивание пирамиды: если просмотреть это в обратной последовательности, то слетающиеся отовсюду шары выстраивающиеся в пирамиду вызовут законное недоверие. Как и упавшая со стола и разбившаяся чашка - если просмотреть этот процесс в обратном направлении, то он будет выглядеть неправдоподобно. Это говорит, что в последних двух случаях мы имеем дело с каким-то другим временем. Это время необратимых процессов было осознано в физике с возникновением термодинамики. В ней впервые появилась функция - ее назвали энтропия - которая монотонно изменяется только в одном направлении при протекании процесса. Эту функцию связали с представлением о времени-необратимости или времени-метаболе Аристотеля.
Очень тяжело и драматически решался в физике вопрос о том, как соотносятся между собой обратимое время механики и необратимое время термодинамики. В конце 19го века Людвиг Больцман пытался найти эту связь, но в итоге был вынужден искусственно ввести гипотезу и так называемом "молекулярном хаосе", который разупорядочивает обратимое механическое движение молекул, превращая его в необратимое. Больцман покончил с собой в 1906 году, не сумев найти решение этой проблемы. За ним последовал Павел Эренфест в 1933 году, так же не сумевший отвнтить на этот вопрос. И только в 1948 году русский физик Николай Крылов
сформулировал ответ: обратимое механическое движение становится необратимым, когда попадает в условия неустойчивости. Представте себе траекторию механического движения в виде реки в долине горного ландшафта. Со всех сторон эту траекторию толкают различные случайные флуктуации, но они не могут изменить русла этой реки, ибо оно устойчиво - оно течет по дну долины. Теперь представте такую же реку, текущую вдоль горного хребта: здесь любая флуктуация станет причиной того, что поток свернет в одну или в другую долину, которые разделяет хребет, и поворот этот будет необратимым, ибо для того чтобы вернуться
обратно надо затратить слишком много энергии ( подобно тому как в примере с биллиардом в начальной стадии игры для того чтобы шары вновь уложить в пираимду, надо затратить энергии несравнимо больше, чем было затрачено ее на разбивание пирамиды).
Русский биофизик Д.С.Чернавский очень четко сформулировал этот принцип неустойчивости в 70е годы: обратимые и необратимые прцессы связаны друг с другом принципом взаимной неустойчивости - неустойчивость одного означает устойчивость другого. Тогда же белгийский физик Илья Пригожин, используя аппарат операторов квантовой механики, сформулировал тот же принцип как несоизмеримость - одновременную неопределимость - оператора обратимого времени ( эквивалентного обыкновенному дифференцированию, введенному еще Ньютоном) и оператора необратимого времени, введенного Пригожиным. Этот последний оператор по сравнению с первым представляет собой конструкцию
полионтическую ( многореальную) (термин Н.А.Носова), ибо имеет множество так называемых собственных функций (пространств, в которых он действует), в каждой из которых он представим обыкновенным числом (собственным значением). Т.е. на собственной функции оператор времени выглядит как обыкновенное моноонтическое (одного уровня реальности) время-дление, задаваемое определенным числом, последовательность чисел-значений, принадлежащих одной собственной функции оператора времени, составят обыкновенное время дление механики. Можно сказать, что время-дление механики является вырожденным случаем времени-необратимости Пригожина. Физически это вырождение означает температуру абсолютного нуля, при котором энтропия равно нулю, флуктуаций нет и движение становится чисто механическим и для его описания достаточно использовать только одну собственную функцию оператора времени Пригожина. Наличие температуры отличной от нуля означает наличие какого-то распределения
энергии процесса по собственным функциям оператора времени, т.е включение времени-необратимости и неустойчивость времени-дления механики. Фактически об этой дополнительности двух типов времени знал Нильс Бор еще в 20е годы, когда разъяснял физикам дополнительность температуры и энергии - первое понятие имеет смысл только в многоуровневом времени Пригожина, а второе - только во моноонтическом времени механики.
Но вот вопрос: многоуровневое время Пригожина и время-необратимость термодинамики - это одно и то же время или все-таки разные типы времени? Разве время распускающегося побега растения и время растворяющегося в чае куска сахара это одно и то же время? Хотя оба эти времени небратимы и несоизмеримы с временем-длением механики (временем шара, катящегося по биллиардному столу). Может быть надо рассматривать три времени. Тогда какова связь между двумя необратимыми временами?
В начале 20го века Анри Бергсон провозгласил понимание времени как сотворения нового - это время эволюции. Поль Валери еще более четко сформулировал это понимание, сказав, что время - это конструкция. Но конкретным содержанием это понимание наполнил Габриэль Крон, который в 30е годы создал аппарат для
описания этого времени-конструкции, которое наделялось сложной топологией, преобразующейся при протекании в этом времени процесса, динамика которого задавалась очень постым уранением типа уравнения Ома для электрической цепи. Т.е время наделялось переменной топологией. Можно сказать, что различные его
уровни обладали различной размерностью, образуя полионтическую конструкцию, напоминающую время Пригожина, обладающего множеством собственных функций. Как же такое время-конструкция соотностся с необратимым временем термодинамики, которое задает обыкновенный поток от источника с низким значением энтропии к стоку с максимальным в данных условиях значением энтропии? Это необратимое время потока и есть время уравнения Ома для цепи, а вся многоуровневая пирамида времени-конструкции надстраивается над ним путем самоорганизации.
Как может происходить эта самоорганизация, если все в мире подчиняется, как казалось в середине века, всеобщему принципу возрастания энтропии, т.е уменьшению порядка? В 1943 году Эрвин Шредингер, один из создателей квантовой механики, сформулировал принцип существования сложных упорядоченных систем,
таких как организмы, в мире термодинамического времени: организмы питаются отрицательной энтропией. Что означает эта загадочная фраза стало понятно только в 70у годы, когда Пригожин ввел в физику понятие "диссипативная структура". Диссипативная структура - это структура, существующая за счет некоторого потока
вещества и энергии - она поглощает вещества с низкой энтропией и выделяет в среду вещества с высокой энтропией - в этом смысле она питается отрицптельной энтропией. Но правильнее рассматривать эту структуру неотделимо от потока, на котором она существует, - это структурированный поток. Подобно тому, как электрические машины Крона представляли собой в его формализме структурированный электрический ток, задаваемый уравнением Ома. Эта структурированность или самоорганизация задаются в уравнении потока его нелинейностью: нелинейность - это наличие петли обратной связи в потоке, это вихрь или водоворот в потоке, который мы и называем "диссипативной структурой". Итак, мы можем уже сказать, каково же отношение между необратимым временем термодинамики и временем-конструкцией синергетики (так стала называться область физики, изучающая самоорганизацию в 80е годы): время-конструкция - это задержка, остановка времени термодинамики за счет системы топологических (геометрических) сопряжений его. Всилу этого на этой топологической конструкции, которую называют диссипативной структурой, термодинамическое время исчезает и возникают условия для локального существования механического обратимого
времени-дления. Т.е время-конструкция представляет собой суперпозицию времени-дления механики и времени-необратимости термодинамики, и суперпозицию эту осуществляет сложная многоуровневая топологическая конструкция, называемая диссипативной структурой. Если мы говорили выше, что между временем механики и временем термодинамики существует взаимная неустойчивость, то время-конструкция представляет собой устойчивое существование времени механики во времени термодинамики. Это так же пардоксально, как река, устойчиво текущая вдоль горного хребта, однако мы сами и есть такие реки. В 80е годы физика смирилась с такой реальностью - время, в котором существуют диссипативные структуры (все живые отранизмы) - время-конструкция синергетики - вошло в физику наряду со временем-длением механики и временем-необратимостью термодинамики.
Но в 90е годы интерес физиков сместился к области вневременности - это было связано с попытками понять сингулярность в центре черной дыры или точку, откуда начала разлетаться Вселенная. Но и вакуум, объект физики 21го века, требовал осознать вневременность, ибо виртуальные частицы, составляющие вакуум как раз
и существуют вне времени, потому что не имеют достаточной энергии для этого. Кстати, тесную связь между энергией и временем понял еще в 20е годы Вернер Гейзенберг и выразил ее в соотношении неопределенностей между временем и энергией. Но и на менее экзотические явления можно смотреть как на происходящие в безвременье - например, фазовые переходы. Фазовый переход - это область существования системы, где прежнее время уже кончилось, а новое еще не началось. Именно взгляд на фазовый переход как на область безвременья (область критического замедления времени) позволил в синергетике в 80е годы найти способ его описания. На диссипативную структуру тоже можно смотреть с точки зрения термодинамического времени потока, на котором она существует, как на границу между областью, где время притока веществ уже кончилось, а время оттока продуктов еще не началось. Т.е. диссипативная структура с этой точки зрения представляет собой стабилизированный фазовый переход в потоке, на котором она существует. Как показали Пайтген и Рихтер в 80е годы область фазовогоперехода имеет строение фрактала, а именно множества Жулиа. Именно на таких фрактальных конструкциях происходит слипание преобразующихся одна в другую динамик в ходе фазового перехода. Но именно фрактальные формы присущи всем диссипативным структурам в природе - от строения живого организма до строения турбулентного потока жидкости. Можно сказать, что фракталы представляют собой следы усторойства времени-конструкции отдельных существ, а можно сказать, что фракталы - это области термодинамического безвременья в потоке термодинамического времени-необратимости излучения Солнца, радиоактивного распада, эволюции звезд и расширения Вселенной.
Так физика на пороге нового века твердо встала на территорию безвременья, где до сих пор паслись только маги, шаманы и пророки.
 |
Дата: 24.12.2004, Просмотров: 3574
|
|
|
