32. Проблема незворотності часу в класичній, некласичній, постнекласичній фізиці. Специфіка біологічного часу як внутрішнього часу живих систем.

Ілля Пригожин вважав, що найважливіші зміни сучасної наукової революції пов”язані зі зняттям попередніх обмежень в науковому розумінні часу. Це відбулось завдяки зверненню точного природознавства, фізики і хімії, до теми становлення. Нелінійний світ включає у себе становлення і тому набуває рис темпоральності, тобто рис незворотності та минущості процесів і явищ. Самоорганізація при цьому розглядається як спонтанний процес становлення цілісних складних систем.

Саме завдяки неоднозначності вибору в точках біфуркації час в теоріях самоорганізації набуває справжньої незворотністі. На відміну від лінійних динамічних теорій — класичних, релятивістських, квантових (де час зворотній), в термодинаміці дисипативних структур час припиняє бути простим параметром, а стає поняттям, що виражає темп і напрямок подій.

Спрямованість часу передбачалась вже класичною термодинамікою. Напрямок “стріли часу” задавався там зростанням ентропії. Ця так звана “термодинамічна стріла часу” не була єдиною в класичній науці. “Електродинамічна стріла часу” була пов”язана з вибором серед розв”язків рівнянь Максвела в класичній електродинаміці тільки тих, що описують спостережувані явища: розповсюдження з певною швидкістю електромагнітних хвиль, що запізнюються, тобто, наприклад, розходяться від лампи як джерела світла після її включення, а не сходяться до неї. Ті інші хвилі, що звуться випереджуючими, в природі не помічені, отже відповідний розв”язок теоретичних рівнянь виключається з розгляду. Таким чином феноменологічно (тобто виходячи з наявних феноменів) розрізняється минуле і майбутнє, а отже встановлюється напрямок стріли часу.

Може здатися, що термодинамічна стріла часу на відміну від електродинамічної, не феноменологічна, а теоретична. Та це не так. Справа в тому, що сама термодинаміка є феноменологічною теорією. Її принципи про збереження енергії і зростання ентропії в закритих системах, близьких до рівноваги, формулюються як висновок з виявленої на практиці неможливості створення вічних двигунів першого і другого роду. Пізніше Больцман запропонував статистичну фізику, що створювала підгрунтя термодинаміки на основі атомно-кінетичної теорії. В ній напрямок стріли часу, пов”язаний зі збільшенням ентропії при наближенні до рівноваги розглядався як найбільш ймовірний, а не необхідний. Тут і виникнув парадокс часу, на який посилається Пригожин у вищенаведеній цитаті.

Справа в тому, що динамічні закони руху атомів або молекул, які утворюють середовище, зворотні, тобто зберігають свій вигляд при зміні знаку часового параметру (відповідно, напрямку часу). На їх основі минуле і майбутнє нерозрізненні. Однак в ймовірнісних рівняннях для середніх значень, що відповідають законам термодинаміки, присутня незворотність.

До останнього наукової революції суперечність між динамічним і термодинамічним способами опису дійсності і розумінням часу розв”язувалось в методології фізики, так би мовити, на користь динаміки. Тобто динамічний опис вважався фундаментальним, а друге начало термодинаміки — результатом наближених процедур, пов”язаних з макроскопічним розглядом. Такий погляд підтримувався і тією обставиною, що динамічний опис в системах, розглядуваних термодинамікою, здійснювався на мікроскопічному рівні. Стандартна ж пояснювальна схема пов”язувала пошуки сутності зі зверненням до більш низького рівня структурної организації матерії. Динамічний опис розглядався як фундаментальніший ще й через його мікроскопічність.

Більш сучасний погляд на співвідшення динамічних і статистичних закономірностей обговорюється в цій книжці в підрозділі “Філософські засади сучасної наукової картини світу: причинність і детермінізм”. В зв”язку з проблемою незворотності зауважимо, що дійсний розгляд історичної послідовності утворення скупчень елементів середовища показав би незворотність цієї послідовності, незважвючи на линамічні закони зіткнень цих елементів, що призводить до відповідних скупчень. Статистична інтерпретація працює з середніми значеннями, використовуючи правило Гібса, за яким передбачається рівна ймовірність всіх мікроскопічних станів, що відповідають певному макроскопічному стані. Тобто, якщо, згідно з розподілом, що описує стан системи при певних значеннях температури, тиску і об”єму, певна кількість молекул повинна мати таку швидкість, а інша іншу, то які саме молекули будуть мати такі швидкості абсолютно неважливо. Таким чином, статистична інтерпретація пов”язана з мікроскрпічною динамікою не напряму, а через правило Гібса. Уявлення про те, що зворотність динамічних законів означає зворотність описуваних ними мікроскопічних процесів, не є коректним.

І. Пригожин, поділяючи думку про фундаментальність мікроскопічного підходу, проводив важливу роботу по встановленню відповідності між термодинамікою і динамікою (в її класичному і квантовому варіантах). З цією метою він займався проблемою точного виводу основного кінетичного рівняння з динаміки. Сама можливість такого виводу обумовлюється введенням операторів, які явним чином порушують симетрію щодо обернення часу, тобто незворотність, спостережувана на макрорівні, з самого початку передбачається і при мікроскопічному розгляді. Введення операторів ентропії і часу призводить до виділення “внутрішнього часу системи” [9, 234]. При цьому друге начало термодинаміки розглядається як фундаментальний динамічний принцип. Пригожин писав: “Застосування другого начала дозволяє нам визначити новий внутрішній час, якмй, в свою чергу, дає можливість сформулювати порушення симметрії, що лежить в основі другого начала. Як було показано, введений нами внутрішній час існує тілько для нестійких динамічних систем. Його середнє узгоджується з динамічним часом (у відповідних ситуаціях)” [9, 246]. Однак І. Пригожин підкреслював: “По своєму наручному годиннику ми можемо виміряти свій середній внутрішній час, але поняття зовнішнього і внутрішнього часу зовсім різні” [9, 246]. Цікаво, що введення внутрішнього часу пов”язано з нелокальним описом системи і в просторі, і в часі. В ситуаціях динамічної нестійкості, коли можна ввести внутрішній час, поняття траєкторії в фазовому просторі стає незастосовним, а теперішнє перестає бути моментом, воно отримує тривалість, визначену характерним часом [9, 236, 241—243].

Розвиваючи уявлення про внутрішній і зовнішній час, можна скористатись їх розрізненням для розгляду свіввідношення між стійкими и нестійкими структурами. [4, 65-87] При цьому найбільш фундаментальні стійкі структури нашого світу — молекули, атоми, ядра —треба розглядати як результат попередньої самоорганізації. (Про це докладніше йде мова в підрозділі “Філософські засади сучасної наукової картини світу: системність, цілісність, складність як способи розуміння єдності багатоманітного у світі”).

Хоча структура нижчого рівня може брати участь в якості елемента в нерівноважному процесі утворення структури вищого рівня, тобто брати участь в процесі, характеризованому внутрішнім часом самоорганізації структури вищого рівня, для елемента цей час виступає як зовнішній. Внутрішні ж процеси в структурі, що відіграє роль елемента, є періодичними і тому не асоціюються з часом, зрозумілим як вираз темпу і спрямованості подій

Для характеристики внутрішнього и зовнішнього часу Пригожин користується поняттями Арістотеля, розрізнявшого рух як перетворення (метаболє) і переміщення (кінезіс), і асоціює з першим типом руху внутрішній час системи, а з другим — зовнішній.Якщо врахувати, що внутрішній час системи є дійсним, тобто незворотнім, лише для процесів її становлення, то можна вважати, що при періодичному відтворенні системою себе як ставшого цілого її внутрішній час набуває фіктивного, уявного характеру. Це означає, що для більш повного і точного розуміння процесів саморозвитку матерії можна використовувати поняття комплексного часу [1, 11]. Тоді ми можемо описувати події, що відбуваються в світі, як такі, що розгортаються не на лінії дійсного часу, а в площині комплексного часу.

Розглянемо конкретний приклад. Нехай сформувалось ядро заліза, і температура знизилась до характерних атомних величин. Потока енергії через ядерну систему, тобто взаємодії з середовищем на рівні ядерних величин, немає. Ядро застигло в своєму развитку, це стійка форма. Хоча рух складових ядра (нуклонів) існує, в силу своєї періодичності він відбувається в уявному часі. Заповнюються атомні оболонки — виникає структурування матерії на новому, атомному рівні. Поки відбувається обмін речовиною і енергією з зовнішнім світом, самоорганизація матерії на цьому рівні — направлений процес. Це означає, що існує дійсний внутрішній час як тривалість процесу фазового переходу, який описується принципами самоорганізації. Ця тривалість “моменту” трансформації задає і масштаб часу, характерний для цього рівня і процесу. З завершенням формувания атомних оболонок знову ж таки залишається тільки періодичність руху субатомних структур. Стріла часу встановлюється впродовж уявної осі. Таким чином, періодичність руху, математично виражена періодичністю хвильової функції, є ознакою того, що, коли система стає цілим, її внутрішній час стає уявним, що й відображає високу стійкість цієї цілісності.

Розгляд внутрішнього часу самоорганізованої системи як комплексної величини дає можливість віднайти границі застосовності ідеалізованих уявлень щодо зворотності часу лінійної науки з точки зору нелінійної науки. Ці уявлення працюють, допоки відповідні внутрішні процеси самовідтворення динамічно стійкої системи можна розглядати як періодичні. Процеси самоорганізації, зрозумілі як становлення нового цілого, характеризуються розрізненням минулого і майбутнього, а отже, неінваріантністю відповідних нелінійних рівняь при зміні знаку часлвого параметру. Так фізичною мовою виражається незворотність часу.

Важливо, що ця незворотність присутня в теорії, а не є феноменологічно введеною, як це було зі стрілою часу і в класичній, і навіть в некласичній фізиці. Дійсно, і космологічна, і квантово-механічна стріли часу в некласичній фізиці також вводяться на рівні явнш, а не є укоріненими в теорії, що є зрозумілим, зважаючи на лінійність квантової і релятивістської механік. Квантово-механічна стріла часу пов”язана з тим, що при вимірюванні відбувається незворотня редукція хвильвого пакету, який описує потенційні можливості мікрочастинки. Мається на увазі та обставина, що коли при вимірюванні ми виявляємо частинку, скажімо, в якійсь точці простору, то інші її можливості перебування в просторі, задані хвильовою функцією, незворотньо зникають. Космологічна стріла часу фіксує незворотність розширення простору Всесвіту (або розбігання Галактик в просторі), про яке свідчить зсув в спектрах випромінення далеких зірок в червоний бік спектру, тобто в бік зниження частот. Цей феномен трактується як ефект Доплера (зменшення частоти хвиль, джерелом яких є об”єкт, що віддаляється від спостерігача). Отже і ці стріли часу, виявлені некласичною фізикою, є феноменологічними.

В нелінійній науці розрізнення минулого і майбутнього можливі на рівні теорії. Нелінійні рівняння, на відміну від лінійних, мають більше, ніж один розв”язок. Графік розв”язку цих рівнянь розгалужується (в найпростішому випадку роздвоюється), коли відповідні параметри набувають певного критичного значення. Точки цього розгалуження в фазовому просторі називають особливими точками (якщо розгалуження є роздвоєнням, це точки біфуркації). Стрибкоподібна зміна однієї з пов”язаних нелінійною залежністю величин при плавній зміні іншої називають математичною катастрофою.

В особливих точках, де відбуваються математичні катастрофи, спонтанно порушуються вихідні симетрії. В першому підрозділі йшла мова про порушення внутрішніх симетрій в нелінійних єдиних теоріях фундаментальних фізичних взаємодій. Але більш наочними є порушення часових і просторових симетрій в процесі самоорганізації. Можливість теоретично розрізнити минуле і майбутнє в особливих точках, тобто порушення симетрії між ними, виражає незворотність часу. На емпіричному рівні це виражається в самоорганізації структур в середовищі, яке до цього було просторово однорідним. Ці новоутворення можуть мати власні просторові і часові симетрії, але вихідна однорідність простору і часу порушується. Отже темпоральність як спрямованість часу є неодмінною рисою процесів, описуваних теоріями самоорганізації.