Что касается стихотворения, то на первый вопрос следует ответить, что в определенных границах мы действительно знаем, сколько звезд на небе. Оставляя в стороне мелкие спорные детали, касающиеся некоторых двойных и переменных звезд, можно сказать, что звезда - вполне определенный объект, весьма удобный для [c.82] счета и каталогизации; и если человеческий перебор звезд, как мы можем назвать эти каталоги, останавливается на звездах не слишком слабой величины, то мысль о том, что некий божественный перебор может пойти в этом направлении значительно дальше, не кажется нам слишком нелепой.
Напротив, если вы попросите метеоролога дать аналогичный перебор облаков, то он рассмеется вам в лицо или, быть может, терпеливо объяснит, что в метеорологии нет понятия облака как определенного объекта, остающегося всегда более или менее тождественным самому себе, и что если бы таковое и существовало, то у него, у метеоролога, нет средств сосчитать облака, да, по существу, счет облаков его и не интересует. Метеоролог со склонностью к топологии, пожалуй, мог бы определить облако как связную область пространства, в которой плотность воды, имеющейся в твердом или жидком состоянии, превосходит некоторое значение. Но это определение не имело бы ни для кого ни малейшей ценности и описывало бы в лучшем случае весьма преходящее состояние. Метеоролога интересуют в действительности лишь статистические утверждения, например: "Бостон, 17 января 1950 г., облачность 38%, перисто-кучевые облака".
Правда, есть раздел астрономии, имеющий дело, так сказать, с космической метеорологией - исследованием галактик, туманностей, звездных скоплений и их статистики, чем занимается, например, Чандрасекар. Но это очень молодой раздел астрономии, моложе метеорологии, и он лежит несколько в стороне от основного направления классической астрономии, которая, вне рамок чистой классификации и перебора, первоначально занималась больше Солнечной системой, чем миром неподвижных звезд. Именно астрономия Солнечной системы тесно связана с именами Коперника, Кеплера, Галилея и Ньютона и явилась кормилицей современной физики.
Это действительно идеально простая наука. Даже до появления какой-либо динамической теории еще в Вавилоне понимали, что затмения происходят через правильные, предсказуемые периоды и что можно [c.83] узнать их наступление в прошлом и в будущем. Люди поняли, что и само время лучше всего измерять перемещением звезд по их путям. Моделью всех событий в Солнечной системе считалось вращение колеса или ряда колес, как в птолемеевской теории эпициклов или в коперниковской теории орбит; и в любой такой теории будущее в некоторой степени повторяло прошедшее. Музыка сфер - палиндром - и книга астрономии читаются одинаково в прямом и обратном направлениях. Прямое и обратное движения планетария различаются лишь начальными положениями и направлениями перемещения светил. Наконец, когда Ньютон свел все это к формальной системе постулатов и к замкнутой механике, было установлено, что основные законы не изменяются при замене переменной времени t на -t.
Таким образом, если снять кинофильм движения планет, ускоренного так, чтобы изменения их положения были заметны, и затем пустить этот фильм в обратном направлении, то картина движения планет была бы все же возможной и согласной с механикой Ньютона. Напротив, если бы мы сняли кинофильм турбулентного движения облаков в области фронта грозы и пустили бы этот фильм в обратном направлении, то получилась бы совершенно неверная картина. Мы увидели бы нисходящие токи там, где должны быть восходящие; размеры турбулентных образований увеличивались бы; молния предшествовала бы тем изменениям строения тучи, за которыми она обычно следует, и т. д. до бесконечности.
В чем же различие природы астрономических и метеорологических явлений, вызывающее все эти особенности, и в частности то, что в астрономии время столь очевидно обратимо, а в метеорологии оно столь очевидно необратимо? Дело прежде всего в том, что метеорологическая система всегда содержит большое число приблизительно одинаковых частиц, причем некоторые из них очень тесно связаны между собой. Напротив, астрономическая, а именно Солнечная система содержит лишь сравнительно небольшое число частиц, притом [c.84] весьма различного размера и связанных между собой настолько слабо, что связи второго порядка не меняют общего характера наблюдаемой нами картины, а связи высших порядков можно совершенно не учитывать. Планеты движутся при условиях, более благоприятных обособлению некоторой ограниченной системы сил, чем условия любого физического опыта, который мы можем поставить в лаборатории. Планеты и даже Солнце по сравнению с расстояниями между ними являются настоящими точками. Упругие и пластические деформации планет настолько малы, что планеты можно считать абсолютно твердыми телами; а если даже это и не так, то во всяком случае внутренние силы планет имеют сравнительно малое значение при рассмотрении относительного движения их центров. Пространство, в котором движутся планеты, почти совершенно свободно от вещества, препятствующего их движению, а при рассмотрении взаимного притяжения планет вполне можно считать, что их массы сосредоточены в центрах и постоянны. Отклонения силы тяготения от закона обратной пропорциональности квадрату расстояния совершенно ничтожны. Положения, скорости и массы тел Солнечной системы в любой момент известны с исключительной точностью, а их будущие и прошлые положения вычисляются легко и точно - хотя бы в принципе, если и не всегда на практике. Напротив, в метеорологии число рассматриваемых частиц так велико, что точная запись их начальных положений и скоростей совершенно невозможна, а если даже и составить такую запись и вычислить будущие положения и скорости всех частиц, то мы получим лишь необозримое множество цифр, которые нужно было бы коренным образом переосмыслить, прежде чем мы смогли бы их использовать. Термины "облако", "температура", "турбулентность" и т. д. относятся не к отдельному физическому состоянию, а к распределению возможных состояний, из которых реализуется лишь одно. Если собрать все одновременные наблюдения всех метеостанций мира, то эти наблюдения не составят и одной миллиардной доли данных, необходимых для описания мгновенного состояния атмосферы в ньютонианском смысле. Они дадут лишь некоторые константы, совместимые с бесконечным числом различных атмосфер и в лучшем случае способные - при некоторых [c.85] априорных допущениях - определить в виде распределения вероятностей лишь некоторую меру на множестве возможных атмосфер. При помощи законов Ньютона или любой другой системы причинных законов мы можем предсказать на будущий момент лишь распределение вероятностей для констант метеорологической системы, причем надежность даже и этого предсказания уменьшается с увеличением времени.
Но и в ньютоновой системе, в которой время вполне обратимо, в задачах на вероятность и предсказание получаются асимметрические ответы для прошлого и будущего, потому что сами эти задачи асимметричны. Если я ставлю физический опыт, я перевожу рассматриваемую мной систему из прошлого в настоящее, фиксируя некоторые величины и считая себя вправе предполагать, что некоторые другие величины имеют известные статистические распределения. Затем я наблюдаю статистическое распределение результатов после данного промежутка времени. Этот процесс я не могу обратить. Для этого нужно было бы подобрать благоприятное распределение систем, которые без нашего вмешательства заканчивали бы свои процессы в определенных статистических пределах, и найти, каковы были условия в данный момент прежде. Но событие, при котором система, начавшая свой процесс с неизвестного состояния, заканчивает его в строго определенном статистическом диапазоне, бывает настолько редко, что мы можем считать это чудом. Очевидно, мы не можем основывать наши экспериментальные методы на ожидании и счете чудес. Говоря коротко, наше время направлено и наше отношение к будущему отлично от отношения к прошлому. Все вопросы, которые мы ставим, содержат эту асимметрию, и ответы на них также асимметричны.
Очень интересный астрономический вопрос относительно направления времени возникает в связи с астрофизическим временем. Ведь в астрофизике, при однократном наблюдении отдаленных небесных тел, опыт по своей сущности как будто не является однонаправленным. Почему же однонаправленная термодинамика, основанная на экспериментальных земных наблюдениях, оказывается столь полезной в астрофизике? Ответ на этот вопрос довольно интересный и не такой простой. Мы наблюдаем звезды через посредство лучей или [c.86] частиц света, исходящих от наблюдаемого объекта и воспринимаемых нами. Мы можем воспринимать приходящий свет, но не можем воспринимать уходящий свет. По крайней мере, восприятия уходящего света нельзя добиться таким же простым и непосредственным экспериментом, как восприятия приходящего света. Мы воспринимаем приходящий свет при помощи глаза или фотографической пластинки. Мы подготавливаем их для восприятия образов, изолируя их от прошлого в течение некоторого времени: мы смотрим предварительно в темноту, чтобы устранить следы предшествующих образов, и завертываем пластинки в черную бумагу во избежание засвечивания. Очевидно, только такие глаза и такие пластинки могут быть пригодны; сохранять предыдущие образы - все равно, что быть слепым, и если бы нам нужно было завертывать пластинки в черную бумагу после их применения и проявлять их до применения, то фотография была бы очень трудным делом. Поэтому мы можем видеть звезды, испускающие свет для нас и для всей Вселенной, а если существуют звезды, развивающиеся в обратном направлении, они будут притягивать излучения от всех небесных светил. Но притяжение света, даже исходящего от нас, никак нельзя будет заметить, потому что мы знаем свое прошлое, но не будущее. Итак, видимая нами часть Вселенной должна иметь соотношения между прошлым и будущим, согласные с существующими на Земле, поскольку дело касается светового излучения. Сам факт, что мы видим звезду, означает, что ее термодинамика подобна нашей термодинамике.
Очень интересный мысленный опыт - вообразить разумное существо, время которого течет в обратном направлении по отношению к нашему времени. Для такого существа никакая связь с нами не была бы возможна. Сигнал, который оно послало бы нам, дошел бы к нам в логическом потоке следствий - с его точки зрения - и причин - с нашей точки зрения. Эти причины уже содержались в нашем опыте и служили бы нам естественным объяснением его сигнала без предположения о том, что разумное существо послало сигнал. Если бы оно нарисовало нам квадрат, остатки квадрата представились бы нам предвестниками последнего, и квадрат казался бы нам любопытной кристаллизацией этих [c.87] остатков, всегда вполне объяснимой. Его значение казалось бы нам столь же случайным, как те лица, которые представляются нам при созерцании гор и утесов. Рисование квадрата показалось бы нам катастрофической гибелью квадрата - внезапной, но объяснимой естественными законами. У этого существа были бы такие же представления о нас. Мы можем сообщаться только с мирами, имеющими такое же направление времени.
Вернемся к различию между ньютоновой астрономией и метеорологией. Большинство наук занимает промежуточное положение между ними, но ближе к метеорологии, чем к астрономии. Да и астрономия, как мы видели, включает в себя космическую метеорологию. Она включает также чрезвычайно интересную область, которую изучал сэр Джордж Дарвин, известную под наименованием теории приливной эволюции. Мы сказали, что можно рассматривать относительные движения Солнца и планет как движения твердых тел, но это не совсем так. Земля, например, большей частью покрыта океанами. Вода, расположенная ближе к Луне, чем центр Земли, притягивается Луной сильнее, чем твердая часть Земли, а вода, расположенная на другой стороне, - слабее. Вследствие этого, сравнительно небольшого воздействия вода образует два возвышения: одно - под Луной, другое - в противоположном пункте. На совершенно жидкой сфере эти возвышения следовали бы за движением Луны вокруг сферы, не рассеивая значительной энергии, и поэтому оставались бы все время почти точно под Луной и в противоположном пункте. Вследствие этого они задерживали бы Луну лишь весьма незначительно и не оказывали бы большого влияния на ее угловое положение на небосводе. Но приливная волна, образуемая ими на Земле, задерживается на берегах и в мелких морях, таких, например, как Берингово море и Ирландское море. Поэтому приливная волна отстает от Луны, причем силы, вызывающие отставание, в основном суть турбулентные, диссипативные силы, весьма сходные с силами, наблюдаемыми в метеорологии, и они требуют статистического подхода. По существу океанографию можно назвать метеорологией - но не атмосферы, а гидросферы.
Эти силы трения задерживают Луну в ее движении вокруг Земли и ускоряют вращение Земли. Они стремятся [c.88] приблизить друг к другу продолжительности месяца и дня. Действительно, день Луны - месяц, и Луна всегда повернута к Земле почти одной и той же стороной. Высказывалось предположение, что это произошло вследствие давней приливной эволюции, когда на Луне имелась или жидкость, или газ, или пластическое вещество, которые подвергались притяжению Земли и при этом рассеивали большое количество энергии. Явление приливной эволюции не ограничивается Луной и Землей, его можно наблюдать в некоторой степени во всех гравитационных системах. В прошедшие эпохи приливы значительно изменили облик Солнечной системы, хотя за время, сравнимое с историческим периодом, это изменение было незначительным по сравнению с движением планет Солнечной системы как твердых тел.
Итак, даже гравитационная астрономия связана с задерживающими процессами трения. Нет ни одной науки, которая полностью подчинялась бы концепции Ньютона. В биологических науках, бесспорно, однонаправленные явления господствуют. Рождение не есть процесс, в точности противоположный смерти. Анаболизм - образование тканей - не является точной противоположностью катаболизму - их разрушению. Деление клеток, так же как соединение зародышевых клеток при оплодотворении яйца, происходит по схеме, которая не симметрична во времени. Индивидуум - стрела, устремленная во времени в одном направлении, и раса точно так же направлена из прошлого в будущее. Палеонтологическая летопись указывает для большого промежутка времени на определенную тенденцию развития, часто прерываемую и запутанную, но идущую от простого к сложному. К середине прошлого столетия эта тенденция стала очевидной для всех честных, непредубежденных ученых, и не случайно задача открытия ее механизма была решена благодаря одной и той же великой догадке почти одновременно двух ученых: Чарлза Дарвина и Альфреда Уоллеса. Эта догадка состояла в том, что простое случайное изменение особей вида может вылиться в развитие, идущее более или менее по одной или немногим направлениям для каждой линии, благодаря различным степеням жизнеспособности разных изменений с точки зрения особи или вида. Собака, вследствие мутации оказавшаяся без ног, конечно, [c.89] погибнет, а длинная, тонкая ящерица, развившая у себя механизм ползания на ребрах, может выжить, если ее тело гладко и не имеет выступающих членов. Водное животное - рыба, ящерица или млекопитающее - будет плавать лучше при веретенообразной форме тела и наличии сильных мышц и захватывающего воду заднего придатка. Если оно добывает пищу погоней за быстрыми животными, то шансы его выживания, возможно, будут определяться тем, что его тело получит такое строение.
Дарвиновская эволюция, таким образом, представляет собой некоторый механизм, при помощи которого более или менее случайные изменения комбинируются в весьма определенную структуру. Принцип Дарвина остается справедливым и в настоящее время, хотя мы знаем гораздо лучше механизм, лежащий в его основе. Работа Менделя дала нам значительно более точное и последовательное представление о наследственности, чем то, которое было у Дарвина, а идея мутации со времени Де Фриза совершенно изменила наше понимание статистической основы мутации. Мы изучили тонкую анатомию хромосомы и локализовали в ней ген. Список современных генетиков большой и включает выдающихся ученых. Некоторые из них, например Холдэйн, сделали статистические законы менделизма эффективным орудием исследования эволюции.
Мы уже говорили о теории приливной эволюции сэра Джорджа Дарвина, сына Чарлза Дарвина. Связь идей сына с идеями отца, как и выбор названия "эволюция", не случайны. В приливной эволюции, как и в происхождении видов, мы встречаемся с механизмом, который преобразует динамическим путем случайные изменения, а именно случайные движения волн и молекул воды при приливе, в однонаправленное развитие. Теория приливной эволюции есть не что иное, как теория Дарвина-старшего в применении к астрономии.