А.П.Левич. Чего мы ждем от изучения времени

ЧЕГО МЫ ЖДЕМ ОТ ИЗУЧЕНИЯ ВРЕМЕНИ

А. П. Левич

Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Институт исследований природы времени

Мотивы изучения времени

Темпорология наука будущего. В настоящем такой дисциплины нет в номенклатуре ни академических, ни образовательных, ни прикладных дисциплин. Темпорология, или изучение времени, понимается как междисциплинарный раздел общей теории систем, имеющий дело с причинами, формами и измерением динамической изменчивости Мира.

Время – экзистенциональный фактор. Человеческий интерес ко времени неразрывно связан с неприятием бренности и краткости личного бытия. Интерес к загадке появления в Мире и ухода из него нашего индивидуального сознания возрождается в каждом поколении и сталкивается с отсутствием общепринятых решений в науке.

Время – почти неосвоенный человеком и человечеством ресурс. Желанны, но недостижимы современными технологиями: активное долголетие; способы замедления или ускорения течения индивидуального времени (например, чтобы избежать фрустрацию или достигнуть полноту положительных эмоций, чтобы эффективно действовать в критических ситуациях, чтобы улучшить спортивные достижения и т.п.); изменение видовой продолжительности жизни; ускорение сроков созревания растений и животных, используемых человеком; рассогласование жизненных циклов у паразитных или инфекционных организмов; управление длительностью этапов индивидуального и общественного развития (взросление, образование, смены формаций и т.п.).

Время – ресурс, определяющий тип цивилизации (интенсивность производства, демографические показатели, скорость коммуникаций, стратегии опережения в конкуренции и противоборствах и т.п.).

Время – это инженерная проблема: необходимо понять, существует ли научный запрет на мечту о путешествиях во времени; необходимо уловить и встроить в прикладные технологии взаимосвязь между временем и энергией, существующую в фундаментальных теориях (например, если время Мира неоднородно, то должны существовать источники и/или стоки энергии).

Наконец, постижение времени – это необходимый компонент развития самой науки. Описание динамики Мира – одна из основных функций научного знания. Цель развитой динамической теории – открытие законов изменчивости исследуемого фрагмента реальности. В точных науках этот закон называется "уравнением движения". По существу, уравнение движения есть описание изменчивости исследуемого объекта с помощью эталонной изменчивости – часов. Тем самым, успех в отыскании уравнения движения в большой степени может зависеть от используемых исследователем представлений о времени и от принятого способа его измерения. Знание же адекватных законов изменчивости – залог успеха в научном прогнозировании (если известны "уравнения движения", то говорят уже не о прогнозе, а о "расчете" будущего).

Причины возникновения изменений и порождения нового в Мире ("природа времени") – величайшая загадка науки. Ее решение, возможно, послужит пониманию сущности многих феноменов Мира. Например, по мнению Ж.Кювье (Curvier, 1817): "Жизнь представляет более или менее сложный вихрь, направление которого постоянно и который всегда захватывает молекулы, обладающие определенными свойствами; но в него постоянно проникают и из него постоянно выбывают индивидуальные молекулы так, что форма живого тела для него существеннее, чем вещество. Пока это движение существует, тело, в котором оно имеет место, живо… Когда движение окончательно останавливается, тело умирает", т.е. биологическое время оказывается не пристройкой к зданию жизни, а самым этим зданием.

Нужна конструкция времени

Время – исходное и неопределяемое понятие в современном знании. Его использование опирается на интуицию исследователя, на его неотрефлексованный профессиональный опыт, на элементы вненаучных, часто подсознательных представлений о Мире. Не оправдана надежда и на возможность инструментального введения единых представлений о времени: часы для его измерения могут быть совершенно различными по своей природе и по порождаемым ими свойствам времени (Levich, 1995).

Чтобы время стало предметом содержательного изучения, необходимо вывести его из неопределяемых представлений понятийного базиса науки. Для этого образ времени следует заменить какими-либо иными фундаментальными аксиомами. Тогда свойства времени из "аксиом" превратятся в "теоремы". Другими словами – станет возможным научное обсуждение представлений о времени.

В нынешнем фундаменте знания представления о времени тесно переплетены с другими исходными понятиями, например, с представлениями о пространстве, материи, зарядах, взаимодействиях, энергии, развитии, жизни, сознании и многими другими. Поэтому невозможна замена "кирпичиков времени" изолированно от других элементов понятийного фундамента естествознания: переделыванию подлежит его весьма обширная область. Фактически речь идет о построении новой "картины Мира", на которой будут базироваться новые динамические теории.

По-видимому, чтобы понять природу времени, нам не хватает каких-то новых сущностей, которые могли бы заменить время в понятийном базисе науки. Наши успехи в постижении времени скромны потому, что продвижение к ним затрагивает огромный пласт парадигмальных представлений, скрывающихся за расплывчатой формулировкой "картина Мира". Создание новой картины Мира становится обязательным этапом согласования исходных понятий науки в профессиональной деятельности теоретика естествознания. Но путь от непротиворечивой и непротиворечащей картины Мира через формальную теорию к реальности – это, как правило, путь длиною в жизнь, причем – в жизнь нескольких поколений не подвластных конъюнктуре и не боящихся "криков беотийцев" исследователей.

Метаболический подход

Поскольку основная задача в изучении времени на настоящем этапе – создание явной его модели, приведу один из возможных примеров – конструкцию "метаболического времени" (Levich, 1995; 2003). (Metabolê – согласно Аристотелю (1981), понимается как изменение или движение в самом широком смысле.)

Предлагается гипотеза существования в Мире "генерирующих потоков" – природных процессов, порождающих изменчивость Мира, свойства которых могут быть отождествлены или корреспондированы со свойствами, приписываемыми обычно феномену времени.

Гипотеза генерирующих потоков не нова ни в философии, ни в физике. Созвучие гипотезе при желании можно увидеть в представлениях И.Ньютона, где "время само по себе и по самой своей природе течет…" (Newton, 1687). Совершенно явно эта гипотеза звучит в трудах Н.Козырева (On the Way…,1996), в которых появился термин "поток времени" и время рассматривается как физическое явление.

Приведу постулаты метаболического подхода, развивающие гипотезу существования генерирующих потоков:

Все естественные системы иерархичны.

На каждом уровне иерархического строения системы происходит обязательная замена её элементов — генеральный процесс.

На глубинных уровнях строения систем существуют внешние по отношению к системе потоки, генерирующие генеральный процесс. Все системы открыты по отношению к генерирующим потокам. В частности, открытой системой оказывается и наша Вселенная.

Субстанция генерирующих потоков не является субстратом, представленным частицами-фермионами, атомами, молекулами или другими комплексами частиц, обладающими зарядами и участвующими во взаимодействиях. Заряды, ответственные за взаимодействия объектов, есть источники или стоки генерирующих потоков в нашем Мире. (Наглядный образ зарядов – ключевой источник, фонтан или струя, "бьющие" в субстанциональном "водоеме".) Динамические характеристики генерирующих потоков в источниках и стоках формируют свойства частиц-зарядов и механизм их взаимодействия. Таким образом, субстанция генерирующих потоков не есть "весомая" материя, но порождает эту материю; субстанция не участвует в известных ныне взаимодействиях, но обеспечивает реализацию этих взаимодействий. Другими словами, материальность и способность к взаимодействиям для субстанции генерирующих потоков имеют иной бытийный статус, нежели для "весомой" материи.

Совокупность элементов генерирующих потоков образует пространство, или среду системы.

Движение системы в её пространстве (метаболическое движение) происходит не путем "раздвигания" элементов среды, а путем их замены в системе, а именно, – путем "вхождения" в систему одних "точек" пространства и "выхода" других. (Наглядный образ метаболического движения – движение изображений на экране электронно-лучевой трубки или символов в рекламной "бегущей строке".)

"Вхождение" генерирующих потоков в систему или "выход" из нее могут быть отождествлены с течением времени в системе, т.е. генерирующие потоки представляют собой природные референты течения времени.

Кратко сформулирую некоторые следствия метаболического подхода:

Феномен времени в нашем Мире – следствие открытости Вселенной и всех её подсистем по отношению к субстанциональным генерирующим потокам.

Феномен становления может быть описан и параметризован накапливанием или убылью в системе субстанции генерирующих потоков.

Метаболическое движение есть частный случай течения времени – и то, и другое состоят в замене субстанции среды в рассматриваемой системе.

В понятии генерирующего потока оказываются слитыми воедино следующие представления: о частицах "весомой" материи как о сингулярностях потока; о пространстве как о субстанциональной среде; о времени и движении как о процессах замены элементов субстанции в системах; о взаимодействиях частиц как о проявлении динамических характеристик потоков.

Различные "поколения" элементов субстанции генерирующих потоков образуют систему окрестностей частиц-источников в пространстве, порождая понятие "близости" его точек, топологию и метрику.

Субстанция генерирующих потоков, с одной стороны, вездесуща и всепроникающа в нашем Мире, но, с другой стороны, она не взаимодействует обычным образом с "весомой" материей и поэтому не регистрируется обычными приборами.

Поскольку субстанция генерирующих потоков не участвует в обычных взаимодействиях и, "проникая сквозь" объекты, при движении не вызывает обычных для движения в среде эффектов трения или сопротивления, то она не является эфиром XIX века. В понятийном аппарате естествознания наиболее близкими к субстанции понятиями оказываются поле или физический вакуум.

Генерирующие потоки, принадлежащие различным уровням строения материи, единообразно порождают различные и, возможно, несводимые друг к другу типы зарядов, взаимодействий, пространств и времен. Наряду с зарядами физических взаимодействий в качестве специфических зарядов могут быть рассмотрены и живые организмы, и феномен психики.

Время, порождаемое генерирующими потоками, оказывается обратимым или необратимым в той же степени и в том же смысле, в каком обратимы или необратимы сами потоки.

Параметризация времени

В рамках метаболического подхода изменчивости систем формализуется заменами ее элементов на различных уровнях иерархического строения. Предлагается измерять изменчивость, подсчитывая количество замещенных элементов. Таким образом, вводятся "метаболические часы" – природный объект, замена элементов которого принята за эталон равномерной изменчивости (Levich, 1995).

Воспользоваться метаболической параметризацией изменчивости удается только для систем, описываемых множествами без структуры. Однако, все теоретическое естествознание построено на описании объектов моделирования структурированными множествами. В частности, системы, порождаемые несколькими генерирующими потоками, уже не могут быть представлены как иерархии бесструктурных множеств.

Язык теории категорий и метод функторного сравнения структур (Левич 1982, 2000) позволяют перейти от метаболической к энтропийной параметризации времени систем, предоставляя возможность:

Предложить строгий подход к сравнению состояний систем по "степени их структурированности".

Сформулировать экстремальный принцип, согласно которому естественная динамика системы направлена в сторону увеличения степени ее структурированности (принцип реализации максимальной структуры).

Найти точный способ сопоставить каждому состоянию системы значение некоторой числовой функции, монотонно возрастающей вместе с увеличением степени структурированности состояний.

Показать, что эта числовая функция может быть интерпретирована как обобщенная энтропия системы и отождествлена с традиционными результатами вычисления энтропии для частных случаев описания систем.

Использовать принцип реализации максимальной структуры в качестве обоснования принципа максимальной энтропии.

Измерять энтропийное время через количество допустимых структурой системы преобразований.

В упомянутых экстремальных принципах имеется в виду условный экстремум, определяемый доступными системе "ресурсами" субстанции генерирующий потоков. Именно дополнительные ресурсные условия отличают предложенный экстремальный принцип от Второго начала термодинамики. Требование безусловного максимума энтропии приводит к однородному распределению, интерпретируемому как "тепловая смерть" и хаос. То же требование роста энтропии для открытых систем при ограниченности доступных ресурсов приводит к резкому различию систем, к их развитию и самоорганизации.

Замечу, что энтропийная и метаболическая параметризации времени монотонны друг относительно друга, а принцип максимума энтропии равносилен принципу минимума "потребления" системой ресурса ее генерирующих потоков (см. аналоги теорем Больцмана и Гиббса в работе Левича и Фурсовой, 2002).

Что достижимо?

Как предложенный метаболический подход, подразумевающий существование субстанциональных генерирующих потоков, может помочь в достижении очерченных в начале заметок целей?

Можно выделить два пути социализации субстанциональных идей. Наиболее прямой из них — операциональное предъявление, т. е. воспроизводимое измерение каких-либо характеристик субстанциональных потоков. На этом пути мы находимся скорее в положении "лягушачьего танцмейстера" Гальвани, чем обладателей дошедшей и до наших дней рамки Фарадея. Следует заметить, что экспериментальное обнаружение объектов глубинных уровней строения материи зависит не только от интеллектуальных усилий отдельных исследователей, но в огромной степени — от достигнутой всей цивилизацией "суммы технологий". Другой путь — умозрительный — "измышлять гипотезы": опираясь на введённые новые сущности, проводить последовательное теоретическое построение непротиворечивой картины Мира, объяснять известные эффекты, формулировать в экспериментально достижимых областях предсказания новых эффектов и пытаться с помощью субстанциональных подходов решать назревшие проблемы естествознания. В частности, одним из достижимых результатов могла бы быть демонстрация (с помощью метаболической или энтропийной параметризации времени) вывода (а не постулирования) уже известных фундаментальных уравнений "движения" физики в областях, где эти уравнения существуют (например, уравнений Ньютона, Максвелла, Шредингера, Дирака, Эйнштейна…) и предъявление подобных уравнений в областях естествознания, в которых фундаментальные уравнения еще не угаданы, подтвердив еще раз известный тезис о том, что нет ничего практичнее хорошей теории.

Работа поддержана грантом Российского гуманитарного научного фонда №03-03-00040а.

ЛИТЕРАТУРА

Аристотель. Сочинения в 4т. Т.3. Физика. //М.: Наука.1981. (Комментарий 9 к главе 11 книги 4.)

Левич А.П. Теория множеств, язык теории категорий и их применение в теоретической биологии. //М.: Изд-во Московского ун-та. 1982. 190 с.

Левич А.П. Энтропия как мера структурированности сложных систем // В сб.: Труды Семинара "Время, хаос и математические проблемы". М.: Институт математических исследований сложных систем МГУ. 2000. Вып. 2. С. 163-176.

Левич А.П., Фурсова П.В. Задачи и теоремы вариационного моделирования в экологии сообществ //Фундаментальная и прикладная математика. 2002. №4. С.1035-1045.

Cuvier G. Le regne animal distribue d’apres son organisation. // Paris. 1817. (Pp. 12-13.)

Levich A.P. Time as viriability of natural systems: ways of quantitative description of changes and creation of changes by substantional flows // In: On the Way to Understanding the Time Phenomen: The Constractions of Time in Natural Science. Part 1. Interdisciplinary Time Studies. Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific. 1995. 201p.

Levich A.P. Paradigms of natural science and substantional temporology // In: The Nature on Time: Geometry, Physics and Porception. Boston, Dortrecht, London: Kluwer Academic Publishers. 2003. Pp. 427-435.

Newton J.S. Philosophiae Naturalis Principia Mathematica. London. // 1687.

On the Way to Understanding the Time Phenomenon: the Constractions of Time in Natural Science. Part 2. The “Active” Properties of Time According to N.A. Kozyrev / Ed. A.P. Levich / Singapore, New Jersey, London, Hong Kong: World Scientific. 1996. 220p.