Время всегда сравнивали с рекой. Действительно, ничто так точно не отражает наше ощущение времени, как выражение «время течет». В этот поток времени вовлечены все события. Тысячелетний опыт человечества показал, что поток времени неизменен. Его нельзя ни ускорить, ни замедлить. С развитием физики это интуитивное, основанное на повседневном опыте представление об абсолютной независимости времени от событий, от физических процессов, находило все новые  подтверждения. И в точных опытах в лабораториях, и в наблюдениях за движением небесных тел время выступало как неизменная, ни от чего не зависящая длительность. Можно вообразить, что из Вселенной изъяты все процессы, все события, и все же по интуитивным представлениям время будет по-прежнему течь, как пустая длительность. Так родилось представление об абсолютных неизменных времени и пространстве, в которых происходит движение всех тел и которые составляют основу классической физики И. Ньютона.

        Понятие времени у Ньютона и Эйнштейна.

        И. Ньютон считал, что абсолютное, истинное, математическое время, взятое само по себе без отношения к какому-нибудь телу, протекает единообразно, соответственно своей собственной природе.
        Такая точка зрения на природу времени вытекала из его механики и способствовала ее становлению. Другую точку зрения отражают слова Г. Лейбница о том, что время существует исключительно в порядке расположения вещей. Однако Г. Лейбниц не мог тогда построить конкретной физической теории, отражающей этот тезис, и точка зрения И. Ньютона победила.
        Общая картина мира, нарисованная в трудах И. Ньютона, представлялась ясной и очевидной: в бесконечном абсолютно неизменном пространстве с течением времени происходит движение миров. Движение их может быть весьма сложным, процессы на небесных телах весьма многообразны, но это никак не влияет на бесконечную сцену – пространство, в котором развертывается в неизменном времени драма бытия Вселенной. С такой точки зрения для материалиста абсолютно ясно, что у времени (как и у пространства) не может быть границ; не может быть истоков реки времени. Ибо это означало бы нарушение принципа неизменности времени, означало бы возникновение – «создание» движения материального мира Вселенной. Заметим, что уже философам – материалистам Древней Греции тезис о бесконечности мира представлялся доказанным.
        В ньютоновской теории не возникало вопроса о структуре времени, о его свойствах. Кроме свойства быть всегда одной и той же длительностью, у него не было других свойств.
        Поэтому в ньютоновской картине абсолютно ясными были понятия «сейчас», «раньше» и «позже». Для всех событий во Вселенной можно было использовать единые точные часы, чтобы установить однозначную хронологию.
        Каждому ясно, что имеется ввиду, когда говорим: «Сейчас со станции на другом конце города уходит поезд» или «Я вышел из дома на две минуты позже, чем поезд ушел со станции». Точно так же кажется ясным, когда мы говорим: «Сейчас в галактике Андромеда взорвалась сверхновая звезда». Первый удар по этой кажущейся всеобщей ясности и простоте нанесла специальная теория относительности.
        Эта теория возникла, когда наука стала изучать быстрые движения, которые уже можно было сравнивать со скоростью света. Тут-то впервые начало выясняться, что река времени отнюдь не так проста, как думали раньше.
        Теория относительности установила, что понятия «сейчас», «раньше» и «позже» имеют простой смысл только для событий, происходящих недалеко друг от друга. Если сравниваемые события происходят далеко, то понятия «раньше» и «позже» однозначны, если только сигнал, идущий со скоростью света, успел дойти от одного события до места, где произошло второе событие. Если же сигнал не успел дойти, то соотношение «раньше» – «позже» неоднозначно, зависит от состояния движения наблюдателя. То, что «раньше» для одного наблюдателя, может быть «позже» для другого. Такие события не могут быть причинно связанными, не могут влиять друг на друга. В противоположном случае событие, которое было причиной для другого (и поэтому произошло раньше его), с точки зрения некоторого наблюдателя оказалось бы произошедшим позже своего следствия.
        Подобные свойства теснейшим образом связаны с тем, что скорость света в пустоте всегда постоянна, не зависит от движения наблюдателя и эта скорость предельно большая. Ничто в природе не может двигаться быстрее.
        Еще более удивительным оказалось, что течение времени зависит от скорости движения тела. Теперь уже в средней школе проходят основы теории относительности, и школьникам известно, что время течет тем медленнее, чем быстрее по отношению к наблюдателю движется тело. Факт этот надежно измерен и в опытах с элементарными частицами, и даже в прямых опытах с часами на летящих  самолетах.
        Следовательно, свойства времени только казались неизменными. Это происходило потому, что для обнаружения приведенных выше фактов необходимы были столь быстрые движения, которые раньше были недоступны человеку. Далее, теория относительности установила неразрывную связь времени с пространством. Изменение временных свойств процессов всегда связано с изменением их пространственных свойств. Но мы в этой статье сосредоточимся в основном на свойствах времени. Создание А. Эйнштейном общей теории относительности явилось дальнейшим шагом в познании природы времени.
        Оказалось, что на темп течения времени влияет поле тяготения. Чем сильнее поле, тем медленнее течет время по сравнению с течением времени вдали от тяготеющих тел, где поле тяготения слабо. Этот вывод также был проверен в прямых экспериментах на Земле и с помощью астрофизических наблюдений на Солнце и звездах.
        Постепенно оставалось все меньше и меньше от наивного представления наших предшественников о единой абсолютной реке времени. Время оказалось зависящим от свойств движущейся материи. Река времени скорее представляется текущей не везде одинаково величаво, а то быстро в сужениях, то медленно на плесах, то разбитой на множество рукавов и ручейков с разной скоростью течения в зависимости от условий.
        Развитие общей теории относительности в последние десятилетия привело уже к подлинно революционным изменениям наших представлений о времени. Это в первую очередь связано с изучением свойств черных дыр.

        Черные дыры и время.

        Черные дыры представляют собой подлинный сгусток гравитации. Они возникают при катастрофическом сжатии небесных тел, например массивных звезд, в конце их эволюции. При этом гравитационное поле возрастает настолько, что не выпускает даже свет. Ту область, из которой не может выйти свет, и называют черной дырой. С точки зрения далекого наблюдателя, чем ближе к черной дыре, тем медленнее течет время. На границе черной дыры его бег и вовсе замирает. Можно сравнить ситуацию с течением воды у берега реки, где ток воды замирает.
        Но совсем иная картина представляется наблюдателю, который в космическом корабле отправляется в черную дыру. Огромное поле тяготения на границе черной дыры разгоняет падающий корабль до скорости, равной скорости света. И тем не менее далекому наблюдателю кажется, что падение корабля затормаживается и полностью замирает на границе черной дыры. Ведь здесь, с его точки зрения, замирает само время. С приближением к этой скорости падения время на корабле также замедляет свой бег, как и на любом быстро летящем теле. И вот это замедление побеждает падение корабля. Растягивающаяся до бесконечности картина приближения корабля к границе черной дыры из-за все большего и большего растягивания секунд на падающем корабле измеряется конечным числом этих все удлиняющихся (с точки зрения внешнего наблюдателя) секунд. По часам  падающего наблюдателя, или по его пульсу, до пересечения границы черной дыры протекло вполне конечное число секунд. Бесконечно долгое падение корабля по часам далекого наблюдателя уместилось в очень короткое время падающего наблюдателя! Бесконечное для одного стало конечным для другого! Вот уж поистине фантастическое изменение представлений о течении времени.
        Наблюдатель, упавший в черную дыру, никогда не сможет оттуда выбраться, как бы ни были мощны двигатели его корабля. Он не сможет послать оттуда и никаких сигналов, никаких сообщений. Ведь даже свет – самый быстрый вестник в природе – оттуда не выходит. Для внешнего наблюдателя само падение корабля растягивается по его часам до бесконечности. Значит, то, что будет с падающим наблюдателем и его кораблем внутри черной дыры, протекает уже вне времени внешнего наблюдателя, после его бесконечности по времени. В этом смысле черные дыры представляют собой дыры во времени Вселенной. Конечно, сразу оговоримся, что это вовсе не означает, что внутри черной дыры время не течет. Там время течет, но это «другое» время, текущее иначе, чем время внешнего наблюдателя.
        Что будет с наблюдателем и его кораблем, упавшим в черную дыру? Назад, как мы знаем, они выбраться не смогут. Сила тяготения будет неумолимо тянуть их в глубь черной дыры. Какова их судьба?
        Еще не так давно теоретики предполагали, что, проскочив горловину черной дыры, наблюдатель может появиться из другого отверстия этой горловины в нашем пространстве вдали от черной дыры, в которую он упал. Или он сможет даже «вынырнуть» в пространство «другой Вселенной».
        Если бы это было возможно, то наряду с черными дырами во Вселенной должны были бы существовать и «белые дыры». Это те самые другие отверстия горловины, из которых может «вынырнуть» наблюдатель. В белую дыру нельзя упасть, из нее можно только вылететь. Поистине черные и белые дыры напоминают улицы с односторонним движением транспорта. Но это улицы во времени!
        Однако оказалось, что белые дыры и горловины, ведущие от черных дыр к белым, - крайне неустойчивые объекты и поэтому в природе существовать не могут. А жаль! Если бы они существовали, то наблюдатель, нырнув в черную дыру и вынырнув затем из белой, попал бы в далекое прошлое нашей Вселенной! Это было бы конкретным воплощением «машины времени» Г. Уэллса, движущейся в прошлое. Но еще раз подчеркиваем, что это оказалось невозможным.
        Что произойдет с наблюдателем в действительности, если он отважится отправиться в черную дыру на космическом корабле?
        Силы тяготения будут увлекать его в область, где эти силы все сильнее и сильнее. Если в начале падения в корабле (предположим, его двигатель включен) наблюдатель находился в невесомости и ничего неприятного не испытывал, то в ходе падения ситуация изменится. Чтобы понять, что произойдет, вспомним про приливные силы тяготения. Их действие связано с тем, что точки тела, находящиеся ближе к центру тяготения, притягиваются сильнее, чем расположенные дальше. В результате притягиваемое тело растягивается. Подобное растяжение испытывает водная оболочка Земли – ее океаны, которые притягиваются Луной. Так возникают приливы.
        В начале падения наблюдателя в черную дыру приливное растяжение может быть ничтожным. Но оно неизбежно нарастает в ходе падения. Как показывает теория, любое падающее в черную дыру тело попадает в область, где приливные силы становятся бесконечными. Это так называемая сингулярность внутри черной дыры. Здесь любое тело или частица будут разорваны приливными силами и перестанут существовать. Пройти сквозь сингулярность и не разрушиться не может ничто.

        Время в сингулярности.

        Но если такой исход совершенно неизбежен для любых тел внутри черной дыры, то это означает, что в сингулярности перестает существовать и время. «Как же так? – может спросить читатель. – А что будет потом? Пусть обломки тел, но все же будут существовать после такой катастрофы. А значит, и время будет продолжать свой обычный бег, хотя в этом времени и произошли столь разрушительные явления в сингулярности».
        В том-то и дело, что это не так. Вспомним, что свойства времени зависят от протекающих процессов. Теория утверждает, что в сингулярности свойства времени изменяются настолько сильно, что его непрерывный поток обрывается, оно распадается на кванты. Здесь надо еще раз напомнить, что теория относительности показала необходимость рассматривать время и пространство совместно, как единое многообразие. Поэтому правильнее говорить о распаде в сингулярности на кванты единого пространства-времени.
        Точной теории этого явления пока нет. Мы можем указать лишь самые общие черты того, что должно происходить. Прежде всего возникает вопрос: каковы размеры этих квантов пространства-времени? Оказывается, на этот вопрос можно ответить, даже не имея подробной теории. Мы знаем, что в рассматриваемом явлении должны участвовать одновременно процессы, характеризуемые тремя фундаментальными константами природы: предельно большой скоростью – скоростью света С, постоянной тяготения Ньютона G и постоянной Планка h, связанной с квантовыми явлениями. Существует единственная комбинация этих постоянных, имеющая размерность времени:
        t = (Gh/C^5)^0,5
        Это выражение и определяет временные размеры квантов времени. Они получили название «планкеонов» и чудовищно малы: t = 10^-43 с. Пространственные размеры этих квантов получаются умножением t на скорость света: L = tС = 10^-33 см. Вообразить столь ничтожную длительность, как t или протяженность L, мы не в состоянии. Можно, например, сказать, что t в сто миллиардов миллиардов раз меньше, чем время прохождения светом размеров атомного ядра.
        По-видимому, промежутков времени меньше, чем t, быть не может. Это хотя и необычно, но не столь уж неожиданно. Ведь мы знаем из квантовой физики, что существует, например, квант электрического заряда или минимальная порция световой энергии данной частоты – квант света. Не столь уж удивительно, что может  существовать и квант времени. Двадцатый век приучил нас к научным чудесам.
        Заметим, что такое представление о природе времени связано с принципиальной необходимостью квантовых проявлений буквально всех процессов в сингулярности. Напомним в связи с этим, что ньютоновская механика в тех ситуациях, когда она применима (медленные движения тел, слабые поля тяготения), требует и описания природы времени в понятиях этой теории. В этих ситуациях время действительно течет одинаково и понятие одновременности абсолютно. Когда мы переходим к электродинамике Максвелла, физика показывает, что в этой ситуации надо строить описание природы процессов в согласии с волновой теорией распространения света с абсолютной скоростью. При этом течение времени должно учитывать относительность понятия одновременности. Это показал А. Эйнштейн в специальной теории относительности.
        Далее, так как волновое распространение света зависит от тяготения, то и время должно течь неодинаково, подобно реке с меняющейся глубиной. Этот факт установила общая теория относительности. Наконец, когда мы переходим к условиям, где все определяется квантовостью материи, то и время приобретает квантовые черты (в очень малых масштабах). С этой точки зрения непрерывный поток времени состоит из ненаблюдаемого истинно дискретного процесса, подобно рассматриваемому издали непрерывному потоку песка в песочных часах, хотя этот поток состоит из дискретных песчинок. Если же в дальнейшем окажется, что в изучении движения материи мы должны по этой линии (механические процессы – волновые – квантовые) пойти еще дальше к явлениям более фундаментального вида, то, вероятно, соответственно изменятся в этих условиях и свойства времени.
        Вернемся к черной дыре.
        Итак, в сингулярности внутри черной дыры время распадается на дискретные кванты и, по-видимому, с приближением к сингулярности на промежуток времени t или в пространстве на L = tС не имеет больше смысла спрашивать, что будет, если пройдет еще немного времени по часам падающего наблюдателя. Промежуток t разделить на части уже принципиально нельзя, как нельзя разделить на части фотон. Понятия «раньше» и «позже» полностью теряют смысл, и, возможно, оказывается бессмысленным вопрос: что будет после сингулярности?
        Чтобы как-то пояснить эту мысль, приведем такую аналогию. Вспомним движение электрона в атоме по одной из стационарных орбит с определенным угловым и азимутальным моментами (они описываются соответствующими квантовыми числами). На классическом языке мы говорим «электрон движется». Но на квантовом языке говорить здесь о движении нельзя, правильнее сказать, что электрон находится в определенном состоянии, описываемом неизменной во времени волновой функцией, дающей вероятность пребывания электрона в том или ином месте.
        Наверное, и «течение времени» в квантовой теории сингулярности необходимо описывать чем-то подобным волновой или вероятностной функции, хотя выражение «вероятность протекания такого-то промежутка времени» и кажется совершенно необычным.
        Подведем итог сказанному. В сингулярности свойства времени, вероятно, сильнейшим образом изменяются, приобретая квантовые черты. Река времени дробится здесь на неделимые далее капли... Неправильно сказать, что сингулярность – граница времени, за которой существование материи происходит уже вне времени. Но следует сказать, что пространственно-временные формы существования материи приобретают здесь совсем особенный характер, а многие привычные понятия становятся даже бессмысленными. О характере законов природы в сингулярности мы может пока только догадываться.
        Все сказанное о сингулярности в черных дырах – пока только выводы теоретиков, хотя и опирающиеся на всю современную физику. Это передний край науки, и многое еще будет уточняться.
        Но следует помнить, что черные дыры, в которых обязаны существовать сингулярности, ограничивающие поток обычного непрерывного времени, реально существуют во Вселенной. Несколько таких объектов с большой степенью надежности уже открыты астрофизиками. Открыты своеобразные стоки реки времени – эти омуты, из которых нет возврата.
        Обратимся теперь от черных дыр к картине эволюции всей Вселенной.

        Два вида сингулярности.

        Вселенная расширяется. Около 15 млрд. лет назад начался процесс ее расширения. Теория утверждает, что расширение Вселенной обязано было начаться с сингулярного состояния. Эта сингулярность (ее называют космологической) в начале расширения Вселенной во многом похожа на сингулярность внутри черных дыр. Но имеются и существенные отличия. Во-первых, космологическая сингулярность относится ко всей Вселенной, а не к какой-то части вещества, как в случае черных дыр. Во-вторых, космологическая сингулярность лежит не в конце процесса сжатия (как сингулярность в черных дырах), а в начале процесса расширения. Последнее особенно существенно. Сингулярность в черных дырах мы снаружи, извне черной дыры увидеть не можем, она никак не влияет на события во Вселенной вне черной дыры.
        Это обстоятельство было названо английским физиком-теоретиком Р. Пенроузом «принципом космической цензуры». Космологическая сингулярность, наоборот, явилась истоком всех процессов в расширяющейся Вселенной. Все, что мы видим сегодня, является следствием сингулярности. В этом смысле мы можем изучать космологическую сингулярность по наблюдаемым ее последствиям, можем ее «видеть».
        К этой сингулярности применимо все то, что мы говорили о сингулярности в черных дырах. Что было до сингулярности? Было ли сжатие всего вещества и текло обычное время или нет? Окончательного ответа на эти вопросы пока нет. Но большинство специалистов считают, что никакого сжатия не было и космологическая сингулярность является истоком реки времени в том смысле, как сингулярность в черных дырах является концом «ручейков времени». Это означает, что в космологической сингулярности время тоже распадается на кванты и, возможно, сам вопрос: «Что было до того?» – теряет смысл.
        Здесь у исследователей пока еще очень много неясностей.
        Мы хотим еще раз подчеркнуть, что теории о природе космологической сингулярности, в том числе и о свойствах времени в сингулярности, в принципе проверяются наблюдениями и физическими экспериментами и, таким образом, проблема истоков времени является объектом физического и астрофизического исследования, а не абстрактными рассуждениями и пустыми домыслами.
        Наконец, несколько слов о будущем Вселенной. Если средняя плотность вещества в ней меньше 10^-29 г/см3, то силы тяготения никогда не остановят расширения и Вселенной предстоит расширяться вечно.
        Но если средняя плотность больше критической, то в будущем (очень далеком) расширение сменится сжатием и все вещество вновь сожмется в сингулярность. Это будет конец течения времени нашей Вселенной. Означает ли это конец времени вообще? Как мы уже подчеркивали, так говорить неправильно. Время и пространство приобретают совсем другие свойства. Они могут быть квантовыми, могут иметь сложное топологическое строение, скажем, быть замкнутыми сами на себя, подобно сферам или тороидам, и так далее. Мы не можем здесь пояснять это детальнее не только потому, что это очень сложно (это действительно так), но и потому, что специалисты сами еще не очень хорошо знают, что все это может означать.
        В этой статье мы хотели подчеркнуть, что наглядные интуитивные представления о времени, как о неизменной длительности всего сущего, правильны только в определенных условиях. Когда же мы переходим к быстрым движениям, сильным гравитационным полям, сложным квантовым процессам и т.д., должны быть существенно изменены и сами наши представления о времени. Свойства времени, какими бы фантастическими они ни казались, успешно исследуются наукой. Самые удивительные открытия, несомненно, еще впереди.

Рекомендуемая литература.

Шама Д. Современная космология. М.: Мир, 1973. 254 с.
Марков М.А. О природе материи. М.: Наука, 1976. 216 с.
Вайнберг С. Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.: Энергоиздат, 1981. 209 с.
Силк Дж. Большой взрыв. М.: Мир, 1982. 391 с.
Астрофизика, кванты и теория относительности: Избранные статьи из сборника, посвященного 100-летию со дня рождения А. Эйнштейна. М.: Мир, 1982. 556 с.
Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983. 190 с.
Уилер Дж. Предвидение Эйнштейна. М.: Мир, 1970. 112 с.
Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. М.: Мир, 1978. Т. 3. 510 с.
Дикке Р. Гравитация и Вселенная. М.: Мир, 1972. 103 с.

Справка:

Либшер (Liebscher Dierck-Ekkehard) Д.-Э. (1940 г.р.), ГДР, профессор Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP).
Либшер Д.-Э., «Теория относительности с циркулем и линейкой», М., Мир, 1980.
Новиков Игорь Дмитриевич (1935 г.р.), специалист в области релятивистской астрофизики и космологии. Член-корреспондент по Отделению общей физики и астрономии (астрономия) с 2000 г. Состоит в Отделении общей физики и астрономии РАН.