Козырев Н. А. Человек и Природа // Козырев Н.А. Избранные труды. - Л.: Изд-во Ленинградского университета, 1991. - С. 401 - 409.
© Н.А.Козырев
Сейчас весь мир встревожен тем разрушением богатств Природы, которое несут за собой цивилизация и растущий технический прогресс. Собираются специальные совещания по охране Природы, вводятся законы по ограничению ущерба, вызванного деятельностью человека, но все эти меры могут только отсрочить, но не остановить надвигающуюся катастрофу. Это неизбежно даже при самом бережном отношении к Природе. Дело в том, что согласно второму началу термодинамики всякая деятельность ведет к увеличению энтропии, т. е. к увеличению хаоса и беспорядка. Создать для себя комфорт и нужную для этого организацию, т. е. уменьшить энтропию, можно только за счет увеличения энтропии где-нибудь в стороне, и, конечно, это надо делать возможно дальше от нас. Но когда людей становится много, то далекое сейчас от нас оказывается вскорости близким для других и отодвинуть от себя неприятности становится все труднее и труднее.
Сейчас есть еще на Земле прекрасные места, где сохранилась первозданная природа. Но с каждым годом их становится все меньше. Совесть и ответственность перед будущим не позволяют с этим мириться. Ведь не может же человек закрыть глаза на все, что будет, и пользоваться тем, что есть, по принципу: после нас хоть потоп. Становится жаль увядающую по нашей вине Природу и отсюда, вероятно, возникает к ней особая, грустная любовь современного человека и тоска по потерянному раю простой и естественной жизни. Ведь было же время, когда человек жил не в противоречии, а в единстве с Природой! Тогда не было изощренной техники, и человек пользовался ресурсами, которые давала ему Природа. Источники энергии он находил в естественных явлениях Природы или с помощью прирученных им животных. Сейчас для нас таинственным путем он сумел найти с ними общий язык и приручить их. Это была особая, почти забытая нами культура каменного века, когда у человека была несомненная, но непонятная для нас и нашей науки власть над Природой. К этому убеждению приходят этнографы, прожившие много лет среди аборигенов Австралии и среди других примитивных народов. Обряды и другие магические приемы не могли быть простым суеверием. Ведь в трудных условиях простой жизни требуется особо рациональное отношение к действительности, и заблуждения и обман не могли бы сохраняться столетиями. Медицина существовала без знания физиологии и анатомии внутренних органов, но эмпирически была нащупана связь между ними и были найдены воздействующие на них лекарственные растения. Медицина была искусством с творчеством, присущим каждому искусству. Мы часто сожалеем о том, что теперь наша научно обоснованная медицина перестала быть искусством врачевания и от этого потеряла какие-то очень глубокие возможности воздействий на организм человека. О том, что эти возможности действительно существуют, говорит возрастающий интерес к народному врачеванию, в котором еще сохранились древние знания. Ведь известны достоверные случаи, когда простой и неученый знахарь спасал человека, вылечить которого научная медицина считала категорически невозможным. Можно привести еще много примеров утерянных знаний. Сейчас их сущность нам неизвестна, и поэтому мы третируем их как мистику. Скорей всего, это слабые признаки, позволяющие нам подозревать существование могучего потока возможностей еще не открытых свойств Природы. Это поток творческих возможностей - жизненной силы Вселенной. Он должен существовать, чтобы обеспечить гармонию Мира, в котором есть смерть и разрушение, но должны быть и жизнь, и созидание. Этого-то жизненного начала и нет в наших научных знаниях. Физика, химия и другие точные науки могут строго проследить и предсказать путь гибели подхваченного ветром упавшего с дерева листа и даже написать уравнение его движения, но они бессильны объяснять, как он вырос, как он принял свою форму и свойства. Нельзя ссылаться на то, что у растений есть особые свойства, которых кет в неживой природе. Живые организмы не могут создавать то, чего нет в Природе, они могут только собирать и использовать то, что заложено в общих свойствах Мира. Эти свойства должны быть, следовательно, и в неживой природе, и их надо искать именно здесь, где можно опереться на огромный опыт научного познания точных наук. Когда удастся обнаружить и изучить причину жизни Вселенной, тогда, уже не ощупью, как в древности, а со всей силой наших технических возможностей, не снижая того, что достигнуто, можно будет проложить путь иного прогресса, который ведет не к разрушению, а к усилению жизни Природы. Тогда восстановится гармония человека с Природой. Но реальна ли эта перспектива и не стоит ли она в противоречии с системой наших научных знаний?
При построении научной системы неизбежны упрощения: приходится отбрасывать малохарактерные частности и схематизировать явления. Так, законы Кеплера справедливы для движения планет под действием только одного центрального тела без учета возмущений со стороны других планет. Вместе с тем их открытие послужило фундаментом, на котором была основана система небесной механики. Однако при упрощении, необходимом для установления сущности явлений, теряются не только их частности, которые впоследствии будут учтены, но при этом можно потерять и что-то принципиальное. Так, например, в точных науках утеряно различие между причиной и следствием, существование которого подтверждает постоянный опыт нашей жизни и опыт всего естествознания. Если, как сделал Эрнест Мах, без учета этого обстоятельства построить концепцию Мира, то получится его парадоксальная философия, противоречащая действительности и показавшая этим неполноценность принципов точных наук. Это яркий пример того, что схематизация не должна превращаться в догматизм, утверждающий, что все существующее в Мире охвачено известными научными принципами. Поэтому и нельзя настаивать на том, что есть только тот путь технического прогресса, которым наука ведет современную цивилизацию, что второе начало термодинамики доказало неизбежность возрастания энтропии и роста разрушения и что даже звезды в небе могут светить только за счет безвозвратного сжигания простейших элементов, из которых раньше был создан Мир. На самом же деле звезды светятся иным образом - в противоречии с термодинамикой, не только с ее вторым, но и с первым началом. Поэтому наблюдательные данные о звездах являются тем ключом, который может дать нам возможность раскрыть загадку жизнеспособности Мира и дополнить принципы точных наук.
Достижения теоретической и ядерной физики позволили считать, что главнейшим источником звездной энергии является протон-протонная реакция, в результате которой образуются ядра гелия, с превращением в энергию соответствующего дефекта массы. При температурах, допустимых для звездных недр, эти реакции могут дать выход энергии в количестве, достаточном для пополнения расхода через излучение, и поддерживать этим путем длительное существование звезд. Для Солнца, и вообще для звезд умеренной светимости, этот энергетический ресурс может обеспечить их существование на десятки миллиардов лет, т. е. на сроки, находящиеся в соответствии с требованиями геологии и космогонии. Однако для сверхгигантов, т. е. очень массивных звезд высокой светимости, превышающей светимость Солнца в десятки и сотни раз, получаются сроки жизни слишком короткими, порядка десяти и даже одного миллиона лет. Трудно согласиться с тем, что эти огромные тела живут так мало -- меньше, чем Альпы, Кавказ и другие молодые горы нашей земли! Для гипотезы термоядерных реакций сверхгиганты несут затруднения еще и с другой стороны. Если их структуры не сильно отличаются от структуры других звезд, то при их гигантских радиусах внутренняя температура получается порядка сотен тысяч градусов, при которой не может быть и речи о внутриядерных превращениях. Приходится считать, что мы наблюдаем газовые оболочки, в центре которых находится горячая звезда. Однако периоды колебаний яркости этих звезд при их свободной пульсации лучше согласуются с предположением обычной, сравнительно однородной структуры, чем с моделью оболочки и ядра. Решающее же возражение, если не сказать опровержение, идеи ядерных источников звездной энергии принесли опыты Р. Дэвиса, не показавшие ожидаемого потока нейтрино из недр Солнца. В заброшенных шахтах Южной Дакоты на глубине около двух километров были заложены цистерны с четыреххлористым углеродом. Предполагалось регистрировать атомы радиоактивного аргона, которые могли возникнуть из атомов соответствующего изотопа хлора под действием солнечных нейтрино. Можно было надеяться, что этим путем удастся начать непосредственное изучение недр Солнца. и таким образом положить начало "нейтринной астрономии". Даже отрицательный результат опытов в некотором смысле оправдал эти надежды. Действительно, слабый поток нейтрино свидетельствует о том, что температура внутри Солнца ниже предполагавшейся и что интенсивность идущих там ядерных превращений не может обеспечить энергию Солнца.
Причина, по которой гипотеза термоядерной энергии звезд держалась так долго и даже держится до сих пор, заключается в том, что реальные условия внутри звезд не сильно отличаются от тех, которых требует эта гипотеза. Поэтому при расчетах звездных моделей оказалось возможным подобрать структуры и химический состав звезд так, чтобы при данных массах и радиусах получить наблюдаемые светимости. Для отдельных звезд эти вычисления не имеют контроля. Объединяя же результаты вычислений для некоторых групп звезд, можно получить по изменению химического состава и также без контроля ход эволюции звезд. Однако эти спекулятивные расчеты опровергаются чрезвычайно важным обстоятельством, которое следует из рассмотрения всей совокупности звезд: наблюдательные данные показывают, что светимости звезд являются однозначной функцией масс и радиусов. Поэтому рассчитанный химический состав оказывается тоже функцией масс и радиусов, а следовательно, зависит от физического состояния звезды. Такой результат возможен лишь при равновесном превращении элементов, для чего нужны температуры в миллиарды градусов, заведомо не существующие в звездах. Если же без предвзятой идеи об источниках звездной энергии подходить к расчету внутреннего строения звезд, то в первом приближении естественно считать химический состав всех звезд одинаковым. Тогда зависимость светимости от масс и радиусов становится зависимостью от физических условий в некоторой широкой области их изменений. В этой области состояний источники энергии должны всегда подавать энергии столько, сколько может выйти из звезды. Так может быть, если в звезде нет специальных источников энергии, а вещество звезды, как при простом остывании, автоматически подает энергию в нужном количестве из своих запасов. Получается очень ответственный и глубокий по своим последствиям вывод: звезды представляют собой макроскопический механизм, постоянно пополняющий свои запасы энергии и, следовательно, вырабатывающий энергию в силу некоторых весьма общих запасов Природы. Таким образом, свечение звезд является частным, но очень конкретным и ярким примером существования в Природе возможности противодействовать тепловой смерти, т, е. осуществлению равновесных состояний. Естественно думать, что и жизнь космических тел малой массы, какими являются планеты, поддерживается той же возможностью. Ведь монотонный ход распада радиоактивных элементов едва ли может объяснить цикличность орогенеза и других особенностей тектоники нашей Земли. Если твердо встать на эту позицию, тогда придется принять и выводы, которые с неизбежностью из нее вытекают.
Звезды во Вселенной существуют всюду. Поэтому причина их жизнеспособности должна иметь такую общность, которую имеют только пространство и время. Но в свойствах пространства нельзя усмотреть этой возможности потому, что пространство - это пассивная арена, где разыгрываются события Мира. Остается заключить, что время помимо пассивного, геометрического свойства, измеряемого часами, обладает еще и активными, физическими свойствами, благодаря которым время может взаимодействовать с материальными системами и препятствовать переходу их в равновесное состояние. Таким образом, время оказывается явлением Природы, а не просто четвертым измерением, дополняющим трехмерное пространство. Всякое не геометрическое свойство времени обязательно будет активным. Действительно, если оно существует объективно, то оно должно обнаруживаться в действии на материальные системы и, значит, активно воздействовать на вещество. Одним из таких свойств может быть направленный ход времени, т. е. различие будущего от прошедшего.
Ход времени неразрывно связан с причинностью, являющейся важнейшим свойством Мира, по крайней мере в его макроскопическом аспекте. Действительно, причина находится всегда в прошлом по отношению к следствию, а следствие - в будущем по отношению к причине. Возможность отличить причину от следствия является основой научного естествознания. Теоретическая же механика и другие точные науки считают, что нет свойств, по которым причину можно было бы отличить от следствия. Направленность времени появляется лишь в статистической механике, и может казаться, что она перебрасывает мост между естествознанием и точными науками. Хотя статистическая механика и учитывает причинность, все же этот мост является очень хрупким и недостаточным сооружением. Первоначальный толчок, который выводит систему из равновесного состояния, является причиной, которая по свойствам причинности вызывает многочисленные следствия. Начинают реализоваться все возможные состояния, и тем самым осуществляется переход к наиболее вероятному состоянию, т.е. переход к статистическому равновесию. Поэтому возрастание энтропии дает знак времени, согласованный с причинностью: будущее наступает тогда, когда появляются следствия, вызванные первоначальной причиной. Но когда система приходит в равновесие, возможные флюктуации около этого состояния не зависят от знака времени, и кинофильм, заснявший эти флюктуации и пущенный в обратную сторону, не будет отличаться от кинофильма при его прямой демонстрации. Значит, направленность и ход времени статистической механики исчезают в равновесных системах и представляют собой свойства не времени, а состояния системы. Но такое представление похоже на солипсизм, согласно которому реально только наше восприятие Мира. Несравненно более глубоким является представление естествознания, согласно которому течение времени всегда существует, но, чтобы его обнаружить, нужны причинные связи, т. е. соответствующий прибор, которым и являются неравновесные системы.
Если течение времени, т. е. его направленность, существует независимо от нашего восприятия, как некоторая физическая реальность, то, действуя на материальные системы, оно будет препятствовать переходу их в равновесное состояние. Поэтому равновесное состояние является несуществующей в Мире абстракцией. В реальной же системе всегда может быть обнаружено различие будущего от прошедшего. Звезды не охлаждаются до равновесия с окружающим пространством, потому что этому препятствует текущее время. Значит, огромные массы вещества звезд перерабатывают время и превращают его в излучение. Наблюдая звезды в небе, мы видим не проявление разрушительных сил Природы, а проявление творческих сил, приходящих в Мир через время. Поэтому и энергию, которую дают ветер, течение воды или даже внутреннее тепло Земли, через Солнце или Землю приносит нам время. Когда-то этих источников хватало для жизни людей, но теперь их далеко не достаточно, чтобы обеспечить не только рост, но и уровень современной цивилизации. Поэтому, чтобы проложить путь иного прогресса, основанного на жизненных силах Природы, нельзя ограничиться их стихийным проявлением, а надо научиться самим создавать условия, вызывающие их действие. Теперь мы знаем, что такая возможность раскроется перед нами, если мы овладеем активными свойствами времени. Для этого надо начать с научных исследований, которые позволят изучить эти свойства.
Если время представляет собой физическое явление, то изучать его свойства надо в физической лаборатории путем специально поставленных опытов. Такие исследования важно начать, а дальше один опыт будет приводить к следующему, и такой путь не заглохнет, а будет расширяться, если только начало действительно отвечало сущности изучаемого предмета. Итак, перед нами стоит задача, исходя из некоторых самых общих априорных соображений, найти такой легко выполнимый и совершенно конкретный физический опыт. Два основных требования к опытам можно сформулировать сразу:
1. Опыт должен быть простейшим, чтобы показать принципиальную возможность воздействия времени на материальную систему. Значит, в опыте достаточно иметь систему, которую можно рассматривать как систему материальных точек, отвлекаясь от ее частных физических свойств. Поэтому необходимо и достаточно начинать с опытов элементарной механики.
2. Различие будущего от прошедшего проявляет себя в причинных связях. Поэтому, чтобы обнаружить это свойство времени, надо в выбранную для опыта механическую систему ввести причинность, т. е. сообщить одной части системы некоторые свойства, которые бы передавались и поглощались другой ее частью.
Этих двух условий, разумеется, совершенно недостаточно, чтобы начать конкретные опыты. Необходимо еще из известных свойств причинности извлечь возможно более конкретные представления о том, что такое ход времени и чем он может быть измерен.
Ход времени должен измеряться величиной, имеющей определенный знак, отвечающий существующей в Мире его направленности. Меняя знак, мы будем иметь возможность дать определение хода времени при его противоположной направленности, что логически совершенно необходимо. Кроме знака должна существовать еще и мера хода времени, определяющая темп, с которым течет время. Так как ход времени проявляется в причинных связях, то его меру следует искать в свойствах причинности. Следствие всегда наступает с запаздыванием по отношению к причине. Поэтому между ними всегда существует различие во времени. Но есть еще и другое важное обстоятельство: причина всегда приходит со стороны. Следовательно, между причиной и следствием должно существовать и пространственное различие. Поэтому, беря для них отношение разностей пространства и времени, получаем величину, имеющую размерность скорости, которая и может служить мерой хода времени. Действительно, по этому определению ход времени получается бесконечно большим, когда причины мгновенно дают следствия, т. е. когда они при пространственном различии совпадают во времени. Именно таким образом механика Ньютона представляет передачу действия в системе материальных точек. Получается вполне разумное определение хода времени как скорости превращения причины в следствие. Эта скорость может быть абсолютной, универсальной постоянной с направлением по линии действия причины. Но чтобы иметь определенный знак, она не может быть обычной скоростью. Действительно, выбор пространственного направления совершенно произволен, и поэтому нельзя с определенным знаком абсолютное различие во времени привязать к различию в пространстве. Но наше пространство обладает замечательным свойством абсолютного различия правого и левого винта. Поэтому ход времени будет иметь определенный знак, если он измеряется не просто скоростью, а линейной скоростью поворота вокруг оси, совпадающей с направлением действия причины. Тогда с позиции следствия этот поворот, связанный с причиной, может происходить или по, или против часовой стрелки. Если условиться один из этих поворотов считать положительным, а другой отрицательным, то ход времени будет иметь знак, не зависящий уже от нашего произвола.
Чтобы начать опыты, было достаточно этого формального определения хода времени и можно было не раздумывать над тем, что же на самом деле представляет собой поворот времени в причинных связях. Необходимый же опыт напрашивается теперь сам собой. Будем вращать часть механической системы, с которой связано, например, следствие относительно той ее части, с которой связана причина. Если, рассуждая совершенно формально, линейная скорость этого вращения алгебраически сложится с линейной скоростью поворота хода времени, то система окажется выведенной из обычного течения времени. Можно ожидать, что как на реке приостановленный плот испытывает давление воды, так и эта система будет испытывать давление текущего времени. В ней могут возникнуть дополнительные напряжения, направленные по оси вращения и зависящие от линейной скорости вращения и действующих сил. Теперь можно сформулировать третье основное требование к опыту.
3. В механическую систему должен быть введен вращающийся гироскоп так, чтобы причинное воздействие передавалось или от неподвижной части системы к ротору гироскопа, или, наоборот, от его ротора.
Опыты были проведены на двух простейших механических системах: рычажные весы и маятник, в котором на длинной нити был подвешен гироскоп с горизонтальной осью вращения. На рычажных же весах вместо одного из грузов подвешивался гироскоп с вертикальной осью. Причинные воздействия осуществлялись вибрациями опоры коромысла весов или точки подвеса маятника. Вибрации доходили до ротора гироскопа и им поглощались. Уже в первых опытах с вибрациями опоры рычажных весов стали получаться изменения показаний весов, зависящие от скорости и от направления вращения гироскопа, в полном соответствии с предвиденным результатом. Появившиеся в системе силы не могли иметь тривиального объяснения: они меняли знак при изменении направления вращения, и, кроме того, их знак стал обратным, когда в другом варианте опыта вибрации были вызваны колебанием ротора с поглощением их опорой весов. Не вдаваясь в детали этих опытов, перечислим основное из полученных результатов.
Ход времени не может вызвать одиночную силу. Он дает обязательно пару противоположно направленных сил. Значит, время не передает импульса, но может сообщить системе дополнительную энергию и момент вращения. Ход времени нашего Мира оказался равным 700 км/с с поворотом по часовой стрелке, если смотреть из следствия на причину. Эти опыты были осуществлены с точностью до пятого знака от действовавших в системе сил. Отсутствие же у времени импульса было проверено специальным опытом с точностью до седьмого знака. Этот результат имеет очень большое принципиальное значение. Отсутствие импульса, вероятно, и является тем основным свойством, которым время отличается от материи. Выполненные опыты производили удивительное, почти сказочное впечатление, Ведь в лаборатории наблюдался отблеск тех знаний, которые пришли к нам вместе со светом звезд...
(На этом записи прерываются. Это, видимо, вводная глава книги, которую начал писать Н. А. Козырев.)