«Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю; если бы я захотел объяснить спрашивающему — нет, не знаю». Так еще в XIII веке написал в своей знаменитой «Исповеди» Блаженный Августин.

Многое ли с тех пор изменилось? Написаны пуды книг, проведена масса исследований во всех областях гуманитарных и естественных наук, но для обыденного сознания время остается одной из величайших загадок. И в этом году наша читательница Галина Божко пишет: «Какой смысл мы на сегодняшний день вкладываем в это слово?» Недоумение Г. Божко адресовано физикам; наш автор, ученый-физик, попробует ей ответить. Но время — одно из базовых, ключевых понятий всей картины мира, всей человеческой культуры. Естественно, его по-своему трактуют психологи (с их точкой зрения вы познакомились в прошлом номере), историки, биологи, философы. И с каждым новым исследованием мы все больше понимаем, насколько грандиозен и неуловим сам феномен — границы того, что мы не знаем, простираются все дальше. К вечным вопросам всегда возвращаются, и мы не раз еще будем писать о времени.

Ирина Прусс

 

Времена

Из прошлого в будущее через настоящее — известный всем путь времени. Но совсем не всегда оно двигалось именно так.

Более того, оно — время — и сейчас движется не только вдоль этой линии с четкой направленностью. Есть время расписания поездов — и есть время праздника, которое организовано совершенно иначе. Есть время радости и время печали, и они разные. Есть время страха, и все согласятся, что это совсем особое время, категорически не подчиняющееся часам. Есть время погружения в искусство, где оно вообще совсем другое: кто осмелится утверждать, что, пережив прекрасный фильм, он прожил всего лишь полтора часа? Мы дорожим этой возможностью выпрыгнуть из расписания и вообще из собственной жизни, развернуть в себе какой-то иной вариант, присвоить чужие события, чувства и мысли — для этого мы покупаем книги, билеты в театр, диски с музыкой и фильмами.

Но мы прекрасно знаем, что все это, в конце концов, шутки психики, а настоящее время — в часах.

Время вечности и время посева

А когда-то времен было много, и все они признавались настоящими. Они были не вполне равноправны: одно, которое никуда не двигалось, не знало часов, и было безбрежным, почиталось главным, сакральным. Имя ему было вечность. Его уподобляли небу, океану — бескрайнему и неизменному пространству, через которое двигались все остальные времена.

Времена повседневной жизни двигались, но только не из прошлого через настоящее в будущее, а по кругу. День сменялся ночью и весна летом, а перед приходом зимы хоронили Осириса, прекрасно зная, что весной он вернется, и Нил снова покроет поля плодородным илом, и отступит, и будет время посева, потом время жатвы, а потом снова все будут плакать, провожая Осириса в смерть.

Эти движущиеся времена вовсе не походили на наши. Их длительность определялась циклами природы, и ле-

том день был длиннее, а зимой короче, а месяцы определялись сельскохозяйственными работами, и у германцев, например, они так и назывались: «месяц валежника», «месяц посева», «месяц трав». Скандинавы май именовали «временем сбора яиц», а также «временем, когда овец и телят запирают в загоне»; июнь — «солнечным месяцем», «временем перехода в летние хижины» (то есть выгона скота на луга), октябрь — «месяцем убоя скота» (это название в шведском языке сохранилось до сих пор), декабрь — «месяцем баранов» или «месяцем случки скота».

Время, заполненное разными делами, было в принципе качественно неоднородно, поскольку именно дела и составляли его суть, а само по себе оно не имело смысла. В языках многих народов древности вообще нет обозначения прошлого, настоящего и будущего. И уж во всяком случае, не было ощущения однонаправленной стрелы, стремительно улетающей неизвестно куда, но точно без возврата.

Все шло по кругу, повторяя природные циклы: люди рождались и умирали, потом рождались снова с ребенком, которому давали имя умершего, а с именем — его характер и его судьбу.

Прошлое — это колодец глубины несказанной. Не вернее ли будет назвать его бездонным?.. Чем глубже тут копнешь, чем дальше проберешься, чем ниже спустишься в преисподнюю прошлого, тем больше убеждаешься, что первоосновы рода человеческого, его истории, его цивилизации совершенно недостижимы, что они снова и снова уходят от нашего лота в бездонную даль, в какие бы головокружительные глубины времени мы ни погружали его... То, что не поддается исследованию, словно бы подтрунивает над нашей неуемностью, приманивая нас к мнимым рубежам и вехам, за которыми, как только до них доберешься, сразу же открываются новые дали прошлого.

Т. Манн, «Иосиф и его братья», 1942

Но времена и спутывались, сосуществуя. Умирая, человек уходил в вечность, становился божеством, ему поклонялись и приносили жертвы. При этом в могилу ему клали все самое необходимое для того, чтобы там, за гранью, он мог продолжать привычный образ жизни. Из вечности умерший наблюдал за живыми, но вел себя при этом так, будто был одним из них, только обладал куда большей властью: он обижался, мстил, мог помочь, но мог и препятствовать любому делу. Все это необходимо было постоянно учитывать, как и погоду, нрав зверя, на которого собирались охотиться, сроки созревания трав и ягод.

Человек, обычный смертный, тоже мог переходить из одного времени в другое, относясь к таким путешествиям совершенно серьезно и даже торжественно, без всяких скидок на условность искусства. Он мог разговаривать с предком, получать от того ценные советы и наставления, для чего переходил в особое состояние — с помощью жреца, шамана или молитвы; в этом особом состоянии время, конечно же, было иное.

Излюбленный символ архаики — круг. Замечательный историк Средневековья А. Гуревич в «Категориях средневекового сознания» писал: «По кругу движется сознание многих народов, создавших великие цивилизации древности. В основе систем ценностей, на которых строились древневосточные культуры, лежит идея вечно длящегося настоящего, неразрывно связанного с прошлым. Традиционное древнекитайское восприятие времени — циклическая последовательность эр, династий, царствований, имеющих литургический порядок и подчиненных строгому ритму. Выразительный символ древнеиндийского понимания времени — колесо. Величественными памятниками «остановившегося» времени древневосточных цивилизаций могут служить египетские пирамиды. Время течет в повседневной жизни, но это время кажимости видимого мира, истинное же время — вечность высшей реальности, не подверженной изменению. Мир, в глазах древних египтян, вышел готовым из рук творца, прошлое и будущее присутствуют в настоящем».

Время Книги и время купцов

К моменту, когда христианство распространилось по всей европейской ойкумене и стало официальной религией, римляне успели сделать огромный шаг к так называемому «линейному времени», той однонаправленной стреле, вдоль которой движется современная жизнь. Именно римляне впервые признали идею развития, поставив ее на службу идее своего имперского величия. Древних греков идея развития не интересовала и не соблазняла вовсе: Древняя Греция ощущала себя воплощенным идеалом, во всяком случае, в прошлом, и развиваться ей было не к чему. Древние греки были совершенными людьми, по крайней мере, физически, что признавали и потомки, взявшие греческие статуи за эталон красоты (а внешняя красота, по убеждению греков, вполне соответствовала гармонии их внутреннего мира). У древних жителей римской республики, как и у греков, золотой век был не впереди, а позади, и можно было лишь надеяться на возрождение прежних добродетелей и прежнего благополучия — но надежда эта была весьма слаба.

Механизм, каким образом события переходили из реальности в архаическую коллективную память, описывает А.Гуревич:

От Адама до потопа лет 2242; а от потопа до Оврама лет 1000 и 82, а от Авраама до исхождения Моисеева лет 430; а от исхождения Моисеева до Давида лет 600 и 1; а от Давида и от начала царства Соломоня до плененья Иерусалимля лет 448; а от плененья до Олексанъдра лет 318; от Олексанъдра до рождества Христова лет 333; а от Христова рождества до Коньстянтина лет 318; от Коньстянтина же до Михаила сего лет 542; а от первого лета Михаилова до первого лета Олгова, русского князя, лет 29...

Повесть временных лет, XII век

«Архаическое» сознание антиисторично. Память коллектива о действительно происшедших событиях со временем перерабатывается в миф, лишающий эти события их индивидуальных черт и сохраняющий только то, что соответствует заложенному в мифе образцу; события сводятся к категориям, а индивиды к архетипу. Новое не представляет интереса в этой системе сознания, в нем ищут лишь повторения прежде бывшего, того, что возвращает к началу времен. При подобной установке по отношению к времени приходится признать его «вневременность». Здесь нет ясного различия между прошедшим и настоящим, ибо прошлое вновь и вновь возрождается и возвращается, делаясь реальным содержанием настоящего».

Римская империя нуждалась в идее развития потому, что оно обосновывало власть императора чуть ли не над всем миром. Жить под его властью с каждым годом и с каждым правлением становилось все лучше и все веселее. По мнению культурологов И. Савельевой и А. Полетаева, идея была поначалу в основном политическая.

Фиксируя рост могущества империи (то есть изменение ситуации во времени), философы-политики меняли образ мира. Римские авторы уже отчетливо различают ближнее и далекое прошлое. В работах римских авторов времен гражданских войн и принципата Августа, по-видимому, впервые возникает некая схема движения времени: аналогия истории общества с развитием человека. В истории Рима они выделяют четыре «возраста»: младенчество, или детство; отрочество, или юность; зрелость; старость, или дряхлость.

Но путь стрелы времени надолго выпрямить не удалось: в христианских учениях и преданиях времена вновь спутываются.

Великая Книга христианского мира, устами пророков рассказывая о событиях прошлого (то есть уже состоявшихся некогда вполне реально), одновременно предсказывала будущее, в котором эти события так или иначе повторятся (то есть даже не «так или иначе», а буквально, как написано в Книге). Христос претерпевает смертные страдания, бывает распят и воскресает каждый год заново, и, причащаясь, каждый раз прихожане получают плоть и кровь Христову, как если бы эта кровь пролилась только что.

Это было еще в пророчествах Ветхого Завета. «Известно, — пишут И. Савельева и А. Полетаев, — что часть ветхозаветных Книг Пророков, в момент их написания являвшихся описанием прошлого и настоящего, представлена в виде описаний будущего». Такая «спутанность» времен предполагала определенную позицию автора, который не берет на себя роль прямого получателя Божественного откровения, а выступает как хранитель древних тайных пророческих предсказаний, потому — анонимен. Автору — прежде всего автору древнеиудейских апокрифических апокалипсисов — нужна некая наблюдательная точка вне истории, то есть в самом ее начале, куда, как отмечает Сергей Аверинцев, апокалиптик «помещает своего двойника... Глазами этого своего двойника он видит прошедшее и настоящее как будущее, одновременно притязая на то, чтобы знать будущее с той же непреложностью, с которой знают прошедшее и настоящее».

«В средневековом историзме были совмещены все три модальности времени, тем самым будущее наряду с прошедшим и настоящим превращалось в предмет веры», — писал Марк Барг. А Жан Ле Гофф отмечал, что в средние века «роль настоящего преуменьшалась в связи с тенденцией постоянно актуализировать прошлое, особенно библейское прошлое... Крестоносцы верили, что в Иерусалиме они наказывают реальных мучителей Христа».

Мистическое пространство религии устроено так до сих пор; оно имеет мало общего с пространством и временем, в котором наши современники живут обычно. Наш журнал публиковал не так давно статью А.Тарабукиной, которая писала, как воспринимают мир люди, близкие православной церкви. В числе прочего она рассказывала о 12-летней девочке, которая говорила с ней о чудесах Серафима Саровского как совершенных только что: она ощущала святого своим современником и ничего не знала о том, что святой давно умер. «Девочка не различает прошлого и настоящего, — писала исследовательница, -для нее не существует поступательного движения времени, время — лишь обозримая плоскость, и если она не стала свидетельницей какого-либо события, то потому, что находилась в другом месте, а не потому, что событие произошло за много лет до ее рождения. Разумеется, это особый случай, крайнее, но характерное для прихрамовой среды представление».

Столь же небрежно относились ко времени средневековые хронисты: они знали, например, что древние не были христианами, но могли написать, что древняя римлянка отправилась к мессе, что на похоронах Александра Македонского были монахи с крестами или что Катилина отслужил обедню во Фьезоле. Они знали, что в древние времена жили по-другому, но не придавали этому серьезного значения.

Но обычное время — то, в котором день непременно сменял ночь, и дни эти могли быть сосчитаны — при всем снисходительно-небрежном к нему отношении отвоевывало позиции. В часах еще не было настоятельной нужды: день, как и месяцы, членился делами, длительность отмерялась ими же, а более точно эту длительность измерять никому не приходило в голову. С таким восприятием времени в деревнях можно было столкнуться относительно недавно: в 60-е годы на вопрос социолога, когда женщина выходит на работу, та простодушно отвечала: «Как подою корову, так и выхожу».

Но все чаще возникали ситуации, в которых подсчет дней приобретал значение, и, прежде всего, в хозяйственной и коммерческой деятельности. Деньги надо было вернуть ростовщику вовремя; занявший их купец считал дни пути через пустыню и подгонял караван. Даже если он путешествовал на свои, принцип быстроты оборота как условия умножения богатства, полагаю, был понятен ему уже тогда. Заказ ремесленнику давался на определенный срок; если это был не раб, а свободный человек, он сам был заинтересован сделать работу побыстрее. Если же речь шла о работе древних мастерских с примитивным, но все же явным разделением труда, координация действий многих людей требовала принципиально нового отношения к времени.

И хотя, разумеется, все это были низшие, даже презренные заботы, а подлинно высокое, настоящее время отсчитывалось церковными колоколами, и было в полном распоряжении церкви, все же в толще Средневековья зарождалась и крепла иная идея времени. Правда, ее исповедовали социальные группы, никак не относившиеся к особо уважаемым в средневековом обществе — поэтому идея и не могла укрепиться в самом ядре средневековой культуры.

Длительность предполагает, следовательно, сознание; и уже в силу того, что мы приписываем вещам длящееся время, мы вкладываем в глубину их некоторую долю сознания... Постепенно мы распространяем эту длительность на весь материальный мир. Так рождается идея вселенской длительности, то есть идея безличного сознания.

А. Бергсон, 1923

Время событий и время династий

При всем презрении к быстротекущим дням древние обожали составлять хронологии, то есть так или иначе подсчитывать и выстраивать время в некотором порядке. И сразу перед ними возникала проблема точки отсчета — проблема, которая принципиально не может быть решена ни в рамках отдельной жизни частного человека, ни в рамках жизни целого поколения.

Если равнодушное и равномерное время движется в бескрайнем пространстве вечности, то откуда все мы знаем, что сегодня — 2007 год? А что думали об этом люди, жившие в 427 году до н. э., то есть за 427 лет до Рождества Христова? Равномерные отрезки очень легко считать, но откуда начинать и как уговорить всех своих современников и потомков начинать оттуда же?

Тем не менее надо же поместить себя и свое время в какой-то ряд времен; эта потребность существовала давно, и потому хронологии немногим младше первых природных календарей (которые не могли представить отношение событий друг к другу, расстояние между ними).

Точку отсчета человек мог найти только в истории. Известный психолог Сергей Рубинштейн, занимавшийся среди прочего исследованием индивидуальных психических особенностей восприятия времени, писал об этом: «Время жизни объективно определяется лишь как время истории. Лишь на основе исторически определенной системы исчисления времени можно соотносить временные показания различных наблюдателей, свободно переходя с одной точки зрения на другую, устанавливать однозначное соответствие всех датировок. Все математические формулы, связанные с преобразованием систем координат, представляют собой лишь техническое оформление той фундаментальной интеллектуальной операции, которая заключена в каждом во временном отношении упорядоченном рассказе, требующем перехода от одной отправной точки к другой».

Точка должна была считаться заметной и важной как можно большему количеству людей на возможно большей территории и как можно дольше. Лучше всего — всегда.

И. Савельева и А. Полетаев делят все дошедшие до нас хронологии (а им несть числа) на два типа: выбиравшие точкой отсчета некое современное хронисту событие в уверенности, что оно сохранит свое значение в будущем, и находившие точку начала времен в прошлом, в событии, уже как бы доказавшем свою значительность (или назначенном таковым).

Первый тип ученые назвали политическим, хотя решение назначить начало времен с определенной точки в любом методе и всегда было политическим. Можно было бы назвать этот способ династическим, поскольку чаще всего главным событием провозглашалось в таком случае восшествие на престол или занятие наивысшей должности в иерархии основателя династии. Даже не империи как таковой, не государства, а именно правящей династии. Очевидно, каждая из них собиралась править вечно.

У этого способа было слишком много ограничений. Во-первых, с самого начала действие хронологии было ограничено территорией, управляемой именно этой династией, и таким образом счет времен в принципе не мог стать всеобщим, если государство не собиралось вобрать в себя все и вся. Очевидно, это не слишком смущало древних хронистов, поскольку они подчеркнуто датировали себя и историю исключительно «для своих», а прочие варвары их не интересовали вовсе. Да и какая история могла быть у варваров! Всеобщность и единство истории настолько не интересовали древних, что, завоевав новую страну, победители начинали в ней каждый раз новое летоисчисление, и если правитель правил в нескольких странах, год его правления ставился для каждой страны отдельно. Кстати, города древности, освободившись от завоевателей, тут же вводили свое новое летоисчисление с момента освобождения.

Во-вторых, довольно скоро выяснялось, что вечных правлений ни человека, ни даже его династий не бывает. Почти три столетия продержались Селевкиды, первый известный историкам случай династической хронологии, опрокинутой не назад, а вперед, в будущее — но что такое триста лет с точки зрения человеческой истории! Кстати, эра закрепилась в исторической науке под именем «селевкидской», но в самой Сирии, откуда она и пошла с наместничества Селевка, она называлась «годы греческого правления», а в Иудее — «эра контрактов», поскольку при заключении сделок на документе указывался год селевкидской эры. Кстати, пример как раз нетипичный, поскольку в этих регионах хронология оказалась настоящей долгожительницей: страна была завоевана Римом в 64 году новой эры, а летоисчисление «по Селевкидам» у иудеев сохранялась до XII, у христиан Сирии — до XIX века.

Еще парадоксальнее долгожительство летоисчисления от начала правления римского императора Диоклетиана, известного гонителя христиан: от этой точки продолжали историю и тогда, когда христианство стало официальной религией всей ойкумены, только называть ее стали «эрой мучеников чистых».

Но чаще династическое летоисчисление не переживало династии, а то и всего лишь ее основателя. Да и летоисчислением это было относительным. По правлению императора Августа почему-то начинали считать не с того момента, когда он стал императором, а с его избрания трибуном. «Селевкидская» эра в разных местах исчислялась от разных лет. У иудеев — и не только у них — одновременно было в ходу несколько хронологий: кроме «селевкидской» они ввели хронологию «от Симона Макковея», добившегося политической независимости Иудеи, и от разрушения Иерусалимского Храма римским императором Титом (не говоря уж о естественном отсчете времен «от сотворения мира», который велся по другому методу, от важнейшего события в прошлом).

Не только власть монарха или тирана пыталась себя увековечить в истории таким образом, рассчитывая на благодарную покорность потомков. То же самое пытались уже относительно недавно проделать вожди победивших революций. Начало «эры Республики» провозгласил революционный Конвент; она просуществовала всего 13 лет и была отменена Наполеоном. Большевикам со своей «эрой» от 1917 года не удалось продержаться и столько; но все же они заменили общепринятую эру «от Рождества Христова» (Р.Х.) на «новую» или «нашу» (н.э.).

Все подобные мероприятия во все времена проводились сверху, навязывались подданным и оказывались не слишком долговечными. Хронологии, начинающие отсчет от прошлых, чаще всего очень давних, событий, как правило, были в ходу среди историков и хронистов задолго до того, как их признавала и официально провозглашала очередная верховная власть. Память о давнем событии как бы удостоверяла его значительность. Среди таких хронологий были и династические (эра фараонов Манефона), но чаще они вели отсчет действительно от какого-то исторического события: олимпиады (греческая эра олимпиад), или основания столицы империи (римская — от основания Рима), или — чего мелочиться! — иудейская от основания мира. Пять главных «историографических» (по определению И. Савельевой и А. Полетаева) эр появились практически одновременно, примерно в середине III века до новой эры, и более или менее служили, пока постепенно не были заменены хронологией христианской, возникшей в III веке новой эры. Но собственно христианская хронология, уже не связанная с хронологией Ветхого Завета, начала победное шествие по христианской ойкумене с VI века, а в официальной документации папской канцелярии формулировка «от Рождества Христова» утвердилась вообще только к середине XV века.

Но такое въедливое отношение сначала к протяженности истории, а потом к возможно более точной датировке каждого события, почитаемого хронистами важным, по сути, не меняло отношения ни древнего, ни средневекового общества ко времени вообще. Это очень парадоксально, но это так: те же самые хронисты, как уже было сказано, посылали римскую матрону времен Цезаря к мессе. Ряд чисел они вели от исторического (или почитаемого историческим) факта крайне тщательно, все точнее и точнее. И все же это не создавало образ эпох в их единстве, целостности, в милых или страшных подробностях, составляющих историческую ткань.

Прошлое в первую очередь связано с репрезентацией различения. Производимая историком операция состоит в определении того, что именно в настоящем, в соответствии с современными установлениями, отличается от своего «другого» (прошлого), в предположении наличия дистанции, отделяющей нынешнюю ситуацию от прошлого.

М. де Серто, 1975

Время поезда и время теории относительности

Наше современное время началось на исходе Средневековья с появлением часов на ратушных башнях тех самых средневековых городов, сам воздух которых делает людей свободными. Часы тоже стали символом освобождения от церковного времени. Теперь распорядок дня все меньше определялся звоном церковных колоколов, все больше ритмом машин и конвейеров, началом рабочего дня, расписанием поездов и автобусов.

Равные, безличные отрезки временного потока, который прежде прихотливо изгибался вокруг событий, теперь вытянулся стрелой: это было принципиальное изменение картины мира. Время отделилось от дел, от конкретного своего наполнения, став самостоятельной ценностью. Теперь отрезки можно было сравнивать, казалось, можно управлять ими.

Но, освободив от медлительного времени церковной службы, часы поработили человека куда более жесткими требованиями точности, далекими от природных циклов. Их Время — деньги; кто не успел, тот опоздал...

Наши нынешние отношения со временем трудно назвать гармоничными. Меньше стало вечности, больше расписания поездов и трудового распорядка. Меньше осознаваемых, со вкусом проживаемых времен: часы вытеснили их на обочину отмериваемого часами потока, и они представляются сегодня какими-то ненастоящими, иллюзорными, условными.

Наше время — астрономическое, физическое, равномерное, равнодушное, абсолютное время часов. Американские психологи провели такой опыт: одну группу людей поместили в комнату с часами, которые спешили, другую — где часы отставали (ну и, как водится, контрольная группа с нормальными часами). Первая группа действительно жила в убыстренном темпе, вторая — в замедленном.

У этого времени, помимо всего прочего, есть довольно крупный недостаток: говорят, его не существует. Это время картины мира, созданной великим Исааком Ньютоном: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год». Однонаправленная стрела времени легла в основу идеи прогресса. Равные и легко исчисляемые отрезки времени часов сделали возможной индустриальную эпоху.

А теперь вот, говорят, время относительно. Да мы и сами знаем: одно — в Москве, другое — в Сан-Франциско. То есть время одно, но оно как-то разное. Мы послушно переводим часы в самолете, не слишком задумываясь, что в этот момент происходит. Но это еще относительность простенькая, ее в школе объясняют, а мы потом забываем. Но ученые всерьез говорят о разных временах в физике. И спорят, в самом ли деле нельзя построить машину времени.

Индустриальная эпоха кончается во многих смыслах. Кончается несколько затянувшаяся эпоха мира, устроенного Ньютоном. Мы по инерции продолжаем еще жить по часам уходящего времени — но, кажется, только по инерции.

Мы должны понять, что ни люди, ни их действия не находятся во времени: время, как конкретное свойство истории, созидается людьми на основе их изначального времяполагания.

Ж.- П. Сартр, 1960

Чем отличается в смысле статуса реального существования Бородинское сражение, произошедшее в 1812 г., от битвы за Москву в 1941 году? И то, и другое событие сейчас уже в прошлом, то есть, с точки зрения динамической концепции, нереально, но когда-то оба они были такой же реальностью, как и переживаемый нами сейчас момент настоящего времени... Где у нас доказательство того, что на каких-то интервалах мирового пространственно-временного континуума они не остаются реальностью? Что там не гремят пушки и не льется кровь? Только то, что мы их не воспринимаем? Но это как раз доказывает субъективный характер момента настоящего времени, как на этом настаивает статическая концепция.

Ю. Молчанов, 1990

Анатолий Шабад

 

Относительное время и абсолютная идея

Стивен Хокинг назвал свою книгу об элементарных частицах и космологии «Краткая история времени». Вот те на! Мы то думали, что история — это описание развития событий во времени. А как же само время может развиваться во времени и тем самым иметь свою историю? Разумеется, в этом названии есть парадоксальный вызов. И все же!

Иммануил Кант считал, что идея о времени и пространстве абсолютна, априорна, доопытна. Человек будто бы рождается с уже заложенным в мозгу (априорным) представлением о пространстве и времени как о рамке, в которую он помещает все события и предметы, и этим упорядочивает внешний мир. Вот вам вершина платоновской идеалистической конструкции, отводившей идее первичное место. «В начале было слово, и это слово было...» вечное и неизменное пространство и время. Такая философия означала отказ от материалистических представлений о времени и пространстве, согласно которым ни того, ни другого не существует в пустом мире, не разграниченном на части предметами и событиями. Сегодня мы стоим на такой же материалистической, принятой еще в древнем мире точке зрения. А что касается первичной, всеопределяющей идеи — эта мысль неистребима, но ей отводятся совсем другие роль и место, то утверждающие себя, то опровергаемые жизнью. Об этом еще поговорим.

Тот же Хокинг называет известного христианского философа Блаженного Августина в качестве первого мыслителя, сказавшего, что понятие времени относительно и служит всего лишь количественным выражением промежутков между событиями. По нынешним представлениям, временная координата имеет численное значение и знак, обозначающий направление протекания, стрелу времени.

Время ориентировано так, что при его увеличении необратимо увеличивается беспорядок, мера которого называется энтропией. В системе, предоставленной своему естественному ходу — без вмешательства разумного существа — беспорядок с течением времени увеличивается. Стоит, например, уйти толковому начальнику, заведенный им порядок еще некоторое время продолжает действовать по инерции, все больше постепенно превращаясь в хаос. А разбитое вдребезги зеркало никогда не соберется вспять из своих осколков. Но такое определение направления течения времени возможно, только если мы имеем дело с макроскопическими телами, состоящими из большого количества частиц, когда вступают в игру лежащие в основе термодинамики статистические законы, приводящие к необратимости. Напротив, до 1964 года не было известно никаких микроскопических процессов, которые протекали бы по-другому, если время обратить вспять. Возможно, что открытый тогда процесс распада долгоживущего К-мезона на два «пи»-мезона тоже можно использовать для определения стрелы времени.

Чтобы определить время количественно, необходимо, прежде всего, постулативно объявить тот или иной физический процесс периодическим, то есть повторяющимся через равные промежутки, и принять период за единицу времени. Например, сутки — промежуток между последовательными прохождениями Солнца через зенит. Так и поступили в древней Месопотамии. Сутки тогда разделили на любимое число 12 (поделив окружность, по которой ходит солнечная тень, на 12 одинаковых частей), затем на 5x12=60 и еще раз на 5х 12=60. Получился отрезок времени, который мы называем секундой[* Сейчас вместо астрономического (эфемероидного) принят атомный стандарт времени.], равный, более или менее, периоду сокращений человеческого сердца — по-видимому, еще более древней, антропоморфной единице измерения времени.

Но вот нашлась конкурирующая группа древних ученых. Они сказали: «Нет, мы постулируем в качестве периодического другой процесс — смену времен года». Получилось, что в году не целое (даже иррациональное) число суток. Из-за этого мы до сих пор мучаемся с календарями.

Оказалось: обе группировки были правы (а ведь наверняка между ними происходила жестокая борьба!). Постулируя любой из двух процессов: вращение Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца — как периодический, то есть повторяющийся по определению через равные промежутки времени, мы можем теоретически вывести на основе законов механики, а также установить на опыте, что и другой процесс также периодический и его можно было бы эквивалентным образом постулировать в качестве такового, чем определить другую шкалу времени. Более того, во времени, определенном с помощью любого из двух процессов, периодическим оказывается также колебание маятника — пружинного или гравитационного (попросту, гирьки, подвешенной на нити или стержне) и его тоже можно было бы принять в качестве эталонного для определения времени.

В приведенных примерах относительность (релятивизм) времени выглядит тривиально. Обе шкалы времени всего лишь связаны между собой постоянным множителем, пусть и иррациональным. Но вот иной образец, относящийся к древнегреческим временам, — известный парадокс (апория) Зенона об Ахиллесе, который догоняет и все никак не может догнать Черепаху. Этот парадокс фактически вводит две разные шкалы времени, связанные между собой уже нетривиальным, более того — сингулярным преобразованием. Пусть у Ахиллеса нет наручных часов, мобильного телефона, он не наблюдает за движением Солнца и планет, а измеряет время... по Черепахе. Он постулирует, что все промежутки времени равны между собой, и кладет этот постулат в основу исчисления времени. Тогда, естественно, по его часам время, необходимое ему, чтобы догнать Черепаху, стремится к бесконечности, иными словами, время по шкале Ахиллеса как функция астрономического времени имеет сингулярность (обращается в бесконечность) при том (конечном) значении астрономического времени, когда Ахиллес догонит Черепаху.

Прямо-таки как в черной дыре: наблюдатель, пользующийся обычными часами, через конечное (для себя) время увидит, как его напарник без вести пропал за горизонтом черной дыры. Тот же — по своим часам — скажет, что за конечное время с ним ничего особенного не произошло, и будет падать в нее целую вечность.

Что же получается, Зенон предвосхитил существование черной дыры?! Глядя с высоты веков, можно и не такое примыслить... Важно другое: парадокс Зенона вводит яркий образец относительности (релятивизма) времени, хотя столь же давно известны и другие, правда менее яркие ситуации, когда она проявляется. Почему же тогда термин релятивизм непременно ассоциируется с теорией относительности Эйнштейна?

С точки зрения законов наук, направление движения времени не является существенным. Однако имеются, по крайней мере, три стрелы времени, устанавливающие различие между прошлым и будущим.

Это — термодинамическая стрела, определяющая направление увеличения энтропии; психологическая стрела, задающая такое направление времени, при котором мы помним прошлое, а не будущее; наконец, космологическая стрела, то есть такое направление движения времени, при котором Вселенная расширяется, а не сужается.

С. Хоукинг, 2000

Время? Время дано.

Оно не подлежит обсужденью.

Подлежишь обсуждению ты,

Разместившийся в нем.

Н. Коржавин, ХХ век

Известен старый анекдот, в котором эйнштейновский принцип относительности времени описывается такими словами: если парень целует девушку, то час проходит как минута, а если стоять в очереди за мукой, то минута кажется часом. Разумеется, в анекдоте мы имеем дело тоже с относительностью времени, но времени, измеряемом по биологическим часам. По этим часам, с чем большей частотой происходят значимые события (поцелуи), тем короче единица измерения времени, тем больше их укладывается в отрезок астрономического времени. В пределах данного текста это единственный случай, когда релятивизм времени является субъективным, связан с индивидуальными биологическими часами и определяется качествами наблюдателя. Во всех остальных случаях, как выше, так и ниже, как до Эйнштейна, так и после него, неодинаковость хода часов, принадлежащих разным наблюдателям, является чисто физическим явлением, не зависящим от биологических свойств наблюдателя и его психологических заморочек.

Так что же такое на самом деле эйнштейновский релятивизм? Это — прежде всего отрицание абсолютности понятия одновременности. Если два события А и В, происшедшие в разных точках пространства, представляются одновременными одному наблюдателю, другой посчитает, что событие А произошло раньше, чем В, а третий — наоборот, что событие А произошло позже, чем В. Как это так? Такое положение дел вытекает из старого галилеевского принципа инвариантности, неизменности, который гласит, что физические процессы проистекают одинаково во всех системах отсчета, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью, дополненного новым, не менее дерзким постулатом Эйнштейна о том, что есть такая скорость, которую не может превысить ни один сигнал, способный передать информацию. При этом максимальная скорость — раз уж она максимальная — одна и та же в любой движущейся системе отсчета, иначе они не были бы эквивалентны.

Теоретически такой постулат быть выведен или доказан не может, однако экспериментально не замечено сигналов, распространяющихся быстрее, чем скорость электромагнитного излучения (света, радио, гамма-квантов) в вакууме. Она и принята в качестве предельной скорости. Так вот, если три упомянутых наблюдателя движутся с постоянной скоростью — один в одну, а второй в другую стороны относительно первого наблюдателя, то ввиду того, что сигналы о происшедших событиях приходят к ним не мгновенно, а с обязательным запаздыванием, события А и В и будут восприниматься ими как неодновременные. В специальной теории относительности — а это и есть теория, вытекающая из принципа инвариантности Галилея и постулата об ограниченности скорости передачи информации — получается также результат о замедлении движущихся часов, наблюдаемый при нынешних технических возможностях непосредственно уже при скоростях обитаемых космических аппаратов. Хотя они и сильно меньше скорости света. Выводы специальной теории относительности подтверждаются всем массивом современных экспериментальных данных, и она является надежно установленной истинной физической теорией. Попытки опровергать ее на основе умозрительных построений контрпродуктивны. Они отвергаются научными учреждениями без объяснения причин, и правильно!

Иногда говорят, будто в теории относительности возникает, помимо трех пространственных координат, еще и четвертая — время, — и тем самым мы имеем дело с четырехмерным пространством, в котором и живем. В таком виде это утверждение неверно, потому что оно практически бессодержательно. Любой железнодорожный диспетчер при составлении графика движения поездов пользуется временем как четвертой координатой. Вот вам и четырехмерное пространство без всякой теории относительности!

Дело совсем в другом. В специальной теории относительности четвертая координата оказывается совершенно равноправной с любой из трех пространственных координат. Четырехмерное пространство оказывается наделенным совершенно определенными свойствами и в этом случае называется пространством Минковского, или, более старомодно, псевдоевклидовым пространством. Сказал бы Кант, что такое представление о пространстве-времени является врожденным, априорным, доопытным? Едва ли. Но он мог бы сказать, что оно абсолютно и стал бы защищать этот последний бастион.

Однако Кант давно умер, а Эйнштейн решил, вдохновленный успехом своего детища — специальной теории относительности — пойти в поисках абсолютной идеи о пространстве-времени еще дальше и занялся чем-то, что не было вызвано необходимостью объяснения каких бы то ни было существовавших в то время фактов (в отличие от специальной теории относительности, которая была реакцией на представлявшийся совершенно загадочным опыт Майкельсона, установивший одинаковость скорости распространения света поперек и вдоль направления движения Земли).

Ему очень захотелось, чтобы весь мир управлялся только геометрией пространства-времени. Это ему здорово удалось, но по отношению не ко всему разнообразию явлений, а только к гравитации. Известно еще со времен того же Галилея, что движение тела в поле тяжести (гравитационном поле) не зависит от его массы. Эйнштейн возвел это наблюдение в принцип, назвав его принципом эквивалентности. Он гласит, что сила гравитации эквивалентна силе инерции, которая действует на тело в ускоренной системе отсчета. Например, если кто-то хочет, чтобы жир всплыл на поверхность молока, образовав сливки, он выставит кринку в поле тяжести Земли на подоконнике, а может вместо этого раскрутить ее на центрифуге. Наблюдатель (ускоренный), вращающийся вместе с центрифугой, будет воспринимать действующую на него центробежную силу инерции как гравитационную. Поэтому сливки будут всплывать на поверхность молока, не замечая подмены силы тяжести силой инерции.

Переход к ускоренной системе отсчета, своей в каждой точке пространства, есть локальное преобразование четырех координат, включая время. Оно приводит к искривлению всей геометрии четырехмерного пространства. Такая теория называется общей теорией относительности. Принцип эквивалентности Эйнштейна включает в себя как частный случай принцип инвариантности Галилея и служит его обобщением.

Для величины, отвечающей за кривизну пространства-времени, Эйнштейн предложил уравнение, руководствуясь только тем, чтобы «было хорошо», точнее, соображениями естественности, экономности и изящества. Это — уравнение для структуры пространства-времени, а всю существующую материю[* Материей в контексте общей теории относительности принято называть все поля и частицы помимо гравитационного поля. Этот термин не имеет отношения к философской категории «материя».], включая электромагнитное поле, Эйнштейн поместил в правую часть как источник кривизны и гравитации. Уравнение это выбито в камне на памятнике Эйнштейну в Вашингтоне недалеко от мемориала Линкольна. Не могу только припомнить, вместе с Лямбда-членом (космологической постоянной) или без него. Дело в том, что Эйнштейн колебался, надо ли включать этот член в уравнение — то, было, включал, то отказывался от него. Руководящий принцип красоты ничем не мог ему в этом выборе помочь. Ныне Лямбда-член составляет главную интригу в космологических сценариях.

В сказанном можно усмотреть, что время течет с разной скоростью в зависимости от гравитационного поля. Скажем, характерные частоты, на которых одни и те же атомы излучают электромагнитные волны, изменяются, если эти атомы находятся в сильных гравитационных полях звезд: другое время — другая частота. Выше уже говорилось о двух разных временах в поле черной дыры. Черная дыра в пространстве-времени — это сингулярное решение уравнений Эйнштейна без материи, найденное Шварцшильдом в 1916 году. Еще одно решение — решение Фридмана (1923), отвечающее расширяющейся Вселенной. Оно содержит космологическую сингулярность, ответственную за Большой Взрыв, с которой в модели Фридмана примерно 14 миллиардов лет тому назад начался мир.

В течение полувека, до возникновения в восьмидесятых годах инфляционной космологии, и еще потом по инерции лет двадцать, пока она не получила наблюдательного подтверждения и не овладела умами, считалось, что тем самым у времени есть начало. Более того, в предположении, что полная масса Вселенной меньше некоторого критического значения, время должно было бы иметь и конец, который должен был бы наступить после того, как, согласно решению Фридмана, расширение сменится неудержимым сжатием. Идея о существовании начала времени особенно пришлась ко двору современным христианским философам (точнее, почему-то только католического толка — вот кому советский физик Фридман ненароком угодил)[* Поразительно, с какой готовностью Церковь восприняла идею об эволюции Вселенной, имея в виду ее ожесточенное противостояние идее эволюции человека. А ведь согласно даже библейскому мифу, человек был создан из «праха», то есть из неживого, и, надо думать, этот процесс тоже не был одномоментным.].

В современной инфляционной космологии вопрос о начале и конце мира снимается. Еще до того, как расширяющееся фридмановское решение вступило в силу, — если двигаться назад во времени, то, не доходя (1/1035) — той доли секунды до космологической сингулярности — существовала так называемая фаза раздувания, или инфляции. Эта фаза описывается решением де Ситтера уравнений Эйнштейна с Лямбда-членом, но в пустоте, без материи. Согласно этому решению, наш мир представлял собой четырехмерную поверхность постоянной кривизны, вложенную в пятимерное пространство. В мире де Ситтера все масштабы, а вместе с ними и размер Вселенной, растут с экспоненциальной скоростью. Та часть Вселенной размером 14 миллиардов световых лет, которую мы только в состоянии наблюдать из-за ограниченности скорости света, раздулась из некогда очень маленькой области. Так инфляционная космология отвечает на вопрос, почему видимая часть Вселенной в среднем, если не считать таких «мелочей», как звезды, галактики и их скопления, поразительно однородна в своих глобальных свойствах.

Вот к чему приводит включение Лямбда-члена. Если он просто задан, то отражает свойства пустого пространства, называемого вакуумом, и является источником, порождающим впоследствии всю материю. Так что «в начале было слово и это слово было»... уравнение Эйнштейна с Лямбда-членом. На этой базе строится сценарий рождения мира «из ничего», «from nothing». Как в «Алисе в Зазеркалье». Там есть такой диалог: «I see nobody. — What is he doing?» Можно в том же духе спросить себя, из чего состоит это «ничего», иначе говоря, есть ли материальное воплощение Лямбда-члена?

Так вот Лямбда-член имитирует материю или состояние вещества, в котором давление отрицательно и равно минус плотности энергии. Эта материя, названная, по-видимому, не очень удачно, темной энергией, антигравитирует, то есть состоящие из нее предметы гравитационно расталкиваются, а не притягиваются. Величайшим открытием, увенчавшим триумфальное шествие физики ХХ века, стало обнаружение в 1998 году этой темной энергии, которая и в нашу космологическую эпоху составляет 70% всей массы Вселенной. Антигравитация открыта уже девять лет, а до широкой публики это еще не дошло! Проявляется наличие темной энергии тем, что Вселенная расширяется, то есть галактики разбегаются, преодолевая ее отрицательное давление, быстрее, чем по закону Хаббла — наблюдаемым следствием решения Фридмана.

Быть может, Эйнштейну, доживи он до наших дней, понравилось бы рождение Вселенной «из ничего». Но в его время такого еще не было. Будучи неудовлетворен тем, что только гравитация порождается геометрией, он поставил своей целью найти универсальный принцип — единую идею — который бы позволил получить сразу все разнообразие остальных взаимодействий, и провел в бесплодных усилиях остаток жизни, самоустранившись от происходившего тогда бурного развития теории поля, порожденного его теорией относительности и квантовой механикой. В семидесятых, уже после его смерти, частично эта мечта воплотилась в создании объединенной теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий на основе калибровочных теорий поля.

Полный триумф единой теории поля был, как одно время казалось, достигнут на базе совершенно нового подхода, в котором вместо привычного нуль-мерного объекта — материальной точки, берется за основу двумерное образование, названное струной, описываемое координатами: одной пространственной и одним временем. Древние атомисты не додумывались до того, чтобы строить мир не из атомов-точек, а из струн, живущих собственной внутренней жизнью в своем двумерном мирке. Такая теория оказывается непротиворечивой, если только размерность пространства- времени, в котором живут поля и мы вместе с ними, равна десяти или одиннадцати. А нам-то нужно, чтобы было четыре. Поэтому лишние размерности было решено сворачивать в трубочки, шарики или бублики (торы) — это называется компактификация. Пока радиус трубочки или шарика мал, мы можем продолжать утешать себя мыслью, будто, как и в старое доброе время, продолжаем жить в пространстве-времени четырех измерений, хотя рано или поздно компактифицированные измерения проявят себя.

На струне можно играть, возбуждая колебания разных гармоник. Спектр всевозможных гармоник соответствует разным элементарным частицам, поведение которых получает в этих рамках свое описание. Вот вам и единая теория поля! Теория струн, пожалуй, наиболее математизированная отрасль теоретической физики, развивается уже более тридцати лет, притягивая своей элегантностью лучшие умы человечества, но при этом не имеет на выходе ни одного эксперимента, который бы заставил признать ее истинность. Не игрушка ли она, не зря ли транжирятся усилия лучших?

Новейшее развитие физики позволяет поставить вопрос, который раньше вообще не находился в сфере науки. Почему мир именно такой, какой он есть, а не какой-либо другой? Возможны такие варианты ответа. Первый. Мир подчиняется единому крайне простому принципу — абсолютной идее, и мы должны ее открыть. Реализация этого принципа не оставляет вариантов, устройство мира жестко фиксировано. Второй. Нет такой идеи. Устройство мира многовариантно, но из всех вариантов выбирается наиболее вероятный. Ответ, который не понравился бы Эйнштейну. «Неужели Бог играет в кости!?», — воскликнул бы он, как когда-то по поводу квантовой механики.

Был период ликования, когда уже подумывали, что теория струн приводит к первому варианту ответа. Однако со временем стало ясно, что это, увы, не так. В теории струн оказалось огромное количество (101000) вакуумных состояний и никаких соображений о том, как природа делает выбор между ними. Получается, что тот единственный и неповторимый мир, в котором мы живем и который нам так нравится, есть почти невероятная игра случая, как и жизнь любого человека. Поэтому с большим отвращением физики сейчас все чаще дают третий вариант ответа на поставленный вопрос: создание мира есть акт одноразовый, и понятие вероятности к нему не применимо; мир получился таким, какой он есть, потому что в большинстве других из указанных вариантов не существовало бы ни элементарных частиц, ни атомов, ни звезд и планет и уж тем более не было бы никакой биологической жизни, так что тогда никто бы не задавал вопросов. Эта «вершина мысли» называется антропным принципом. Нечего сказать, дожили! Многие рассматривают сложившуюся ситуацию как кризис.

Двадцатый век приучил нас относиться к понятию времени и пространства совершенно бестрепетно. Не только допускается выход в мир с большим числом измерений, чем четыре. Допускается смешивание пространства-времени с изотопическим пространством переменных свойств частиц и с пространством, где часть переменных является грассмановыми числами, то есть такими, для которых произведение меняет знак при перестановке сомножителей. Такое пространство обслуживает суперсимметричные теории. Используется и мнимое время.

Но это только цветочки. В теории струн эффективное число измерений пространства-времени может зависеть от силы взаимодействия. И эту- то концепцию Кант счел бы врожденной? Ситуация такова, что пространство-время более не представляется первичным понятием. Процитирую Давида Гросса — ученого, известного открытием асимптотической свободы[* Асимптотической свободой называется стремление к нулю силы взаимодействия между элементарными частицами при их неограниченном сближении в случае, если она описывается некоторыми калибровочными теориями.]: «Многие теоретики внутренне согласны с Эдвардом Виттеном, сказавшим, что понятие пространства- времени — это нечто такое, от чего, возможно, придется отказаться». А Эдвард Виттен — главный корифей и законодатель мод в теории струн. Эта революционная позиция создает большой дискомфорт для физиков, привыкших думать, что их наука изучает и описывает развитие явлений во времени и пространстве.

Такая вот история приключилась со временем. Она еще не закончена.

Виктория Скобеева

 

Где тикает?

Вся живая природа устроена ритмично. Перелетные птицы прилетают весной и улетают осенью, цветки одуванчика раскрываются утром, а ночной фиалки — вечером. С давних пор исследователей интересовал вопрос — как же организмы отсчитывают время. Из многих опытов известно, что существуют внутренние, независимые от внешних стимулов биологические часы. Животные, растения, даже люди-добровольцы, помещенные глубоко под землю, где нет колебаний освещенности и температуры, продолжают сохранять дневной ритм. Продолжительность собственных суток у них несколько увеличивается, но сохраняется чередование сна и бодрствования,активности и покоя.

Всю первую половину ХХ века наука о биоритмах занималась поисками фактора Х — предположительной первичной причины биологических процессов. Проблема в том, что организм — это целостная система, и согласованно меняются в зависимости от времени суток очень многие параметры. Сон и бодрствование — совершенно разные физиологические состояния, требующие включения разных систем организма, поэтому периодическим изменениям подвержены концентрации в крови очень многих гормонов. У человека и других дневных животных подготовка к пробуждению начинается заранее, еще до рассвета. Организм «прогревается», сердечно-сосудистая система готовится к режиму бодрствования — повышается концентрация гормона адреналина, а он, в свою очередь, увеличивает кровяное давление и частоту сердечных сокращений. Именно с выбросом адреналина связан утренний — около 6 утра — пик инфарктов и инсультов, поскольку в этот час резко повышается кровяное давление.

Последовательность событий легко принять за причинно-следственную связь. Например, американские ученые обнаружили, что «жаворонки» отличаются от «сов» более ранним подъемом концентрации кортизола в крови. Это «открытие» отражает просто тот факт, что «жаворонки» раньше встают, но ничуть не приближает нас к разгадке причин, побуждающих «жаворонков» вскакивать ни свет ни заря. Точно так же вечером у «жаворонков» раньше начинает выделяться гормон сна — мелатонин, и они раньше засыпают. Значит, за поддержание ритмов сна и бодрствования отвечает мелатонин? Но он не вырабатывается в условиях освещенности, как же тогда жители полярных стран все-таки засыпают? Не говоря уже о том, что солнце светит одинаково и «совам» и «жаворонкам», а мелатонин выделяется у них по-разному.

Фактор Х найти не удалось. Каждое периодическое изменение вызывается своей причиной, а само, в то же время, вызывает множество следствий. Наука о биоритмах занималась накоплением фактов и созданием классификации ритмических процессов. Биологические ритмы разделили на три большие группы — медленные, с периодом больше месяца, средние — с периодом колебаний около 24 часов, и быстрые — с циклом от долей секунды до 30 минут. Механизмы, отвечающие за соблюдение биологических ритмов, оставались загадкой. Разрешения требовали две проблемы: первая — как обеспечивается внутренний ритм, и вторая — как он привязывается к внешнему, задаваемому Солнцем. В обычных механических, не «биологических» часах, есть противовес, возвращающий пружину в исходное положение. Поиски такого «противовеса», механизма, обеспечивающего обратную связь, велись на уровне различных систем организма, и давали парадоксальные результаты. Сама «пружина» нигде не была найдена, а «часы» обнаруживались везде, во всех тканях и даже изолированных клетках. «Везде» означает «нигде» — объяснения требовала синхронизация всех ритмических явлений в организме. Нужна была «Спасская башня», подающая сигналы точного времени.

Искали, как выяснилось, не там. Обратная связь, отсчитывающая время, оказалась свойственна каждой клетке. Любимый объект генетиков, муха-дрозофила, опять пришла на помощь. Несмотря на то, что мухи не спят в нашем понимании этого слова, у них все равно существует суточный ритм активности. В 1971 году у дрозофилы были найдены мутанты с измененной длиной суточного цикла. Рональд Конопка обнаружил мух, сутки которых состояли из 19 часов, он назвал эту мутацию pers, и мух с 29-часовыми сутками — perL1, а также мух с хаотической активностью — per01.

Конопка предположил, что, раз эти мутации изменяют продолжительность собственных суток мухи, они-то и приведут его к разгадке мушиного счетчика времени. И оказался прав. Генетическое картирование мутаций показало, что все они лежат в одном и том же локусе Х-хромосомы, то есть являются мутациями одного и того же гена. Ген этот был назван per, он оказался первым из целой серии clock генов. Раз есть ген, рассуждали молекулярные биологи, значит, есть и белок, выполняющий какую-нибудь функцию.

Нейробиологи раскрыли секрет чувства времени

Группа биологов из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе под руководством Дина Буономано попыталась понять, за счет чего человек ощущает ход времени, когда он лишен любых ориентиров, от настоящих часов до природных - вроде положения Солнца на небосклоне. Давно известно, что мы и в этом случае можем фиксировать ход времени, причем на каком-то его промежутке даже с приличной точностью. Правда, если испытуемых просят сказать, когда пройдут, к примеру, пять минут, люди отмечают разные временные промежутки в ту или иную сторону от реального значения.

Было предложно множество объяснений того, как человек «внутри себя» ощущает ход времени: от ориентира на сердцебиение до некоего встроенного механизма в мозгу, который задает биологические ритмы. Однако встроенных часов в человеке так и не нашли. Буономано и его коллеги объясняют, почему их нет. Согласно полученным результатам, функция ощущения хода времени распределена по всему мозгу. Для нее нет какой-то специфической области. И обеспечивается эта функция весьма своеобразно. Каждый раз, когда мозг обрабатывает сигнал извне, скажем, звук или вспышку света, сенсорное ощущение производит каскад реакций между клетками мозга. Каждая такая реакция оставляет как бы подпись, которая позволяет всей сети клеток закодировать время данного события. Буономано сравнивает этот процесс с бросанием камней в воду: рябь на воде будет подписью, говорящей о времени падения. Чем дальше уходят волны, тем больше времени прошло.

Моделируя на компьютере сеть нейронов, в которых каждая связь менялась в ответ на внешние стимулы, исследователи выяснили, что такая сеть могла дать информацию о том, сколько времени прошло с момента очередного воздействия, просто исходя из общей картины затухающих реакций. Модель также показала, что отметка времени, соответствующая определенному воздействию, кодируется в контексте событий, которые предшествовали ему. То есть, если можно было бы измерить отклик множества нейронов мозга на вспышку света, можно было бы вычислить и другие события, которые непосредственно предшествовали вспышке, и указать, когда они произошли.

Для проверки этой гипотезы Буономано и его коллеги просили добровольцев определить «на глаз» промежуток времени между двумя звуковыми сигналами. Оказалось, что точность такого определения значительно падала, если перед этим испытуемых отвлекали другими звуками.

По мнению ученых, внутреннее измерение времени лежит в основе таких наших способностей, как распознавание речи и музыки. Значит, понимание механизма ощущения времени может оказаться важным для выяснения причин ряда заболеваний типа дислексии.

И действительно, белок PER был обнаружен. Его концентрация в клетке колебалась с 24-часовым ритмом, что делало его вероятным кандидатом на роль белка биологических часов. Мало того, оказалось, что найденный ген экспрессируется, то есть «работает», в глазах дрозофилы. Это увеличивало шансы найти, наконец, биологические часы, ведь мы знаем, что именно свет синхронизирует биологические ритмы. Концентрация белка максимальна в ядре клетки поздно ночью, а концентрация матричной РНК, на основе которой делается белок, отстает от самого белка на 6 часов. Такое запаздывание наводит на мысль о существовании обратной связи между их концентрациями.

Такой механизм регуляции количества веществ в клетке широко распространен и называется отрицательной регуляцией транскрипции. Он устроен по принципу отрицательной обратной связи: накопив белка столько, сколько нужно, клетка прекращает его дальнейший синтез. Сделать это проще всего, просто перестав производить матричную РНК, на основе которой делается ненужный больше белок.

Система с отрицательной обратной связью — просто идеальный кандидат для отсчитывания времени, она сама по себе производит периодические колебания. Оставалось выяснить детали процесса. Через несколько лет был найден другой clock-ген, ген tim, от английского слова timeless. Мухи, мутантные по этому гену, не умели поддерживать циркадный ритм. Концентрация продукта этого гена — белка TIM, также циклически менялась на протяжении суток, и также отставала от концентрации соответствующей матричной РНК. Значит, найден еще один ген с обратной связью, да еще выяснилось, что белок TIM оказался реагирующим на свет! Дальнейшие исследования показали, что для поддержания нормального суточного ритма мухам нужны «работающие» версии обоих генов, и per и tim, а производимые ими белки должны «работать вместе», возможно, образуя димер.

Ну вот, есть все необходимое для часов. Есть механизм колебаний, и есть «выставление нуля» — белок TIM, чувствительный к свету.

Несколько сложнее устроен суточный счетчик времени у млекопитающих. Перейти от его исследований у мышей к человеку удалось в 2002 году при анализе семей, страдающих редкой формой нарушения сна. Оказалось, что синдром смещения фазы вызывается мутацией в одном из генов семейства Per — всего у млекопитающих 3 гена этого семейства. Мутация этого гена заставляет людей быть «экстремальными жаворонками», ложиться спать в 7 часов вечера и вставать задолго до рассвета — в 2 часа ночи. Другой ген того же семейства, наоборот, при поломке заставляет своих носителей ложиться спать не раньше 2 часов ночи. Вполне возможно, что существуют аллели этих генов с разной степенью активности, приводящей к простому предпочтению того или иного времени суток.

Гены биологических часов «работают» во многих тканях — в сердце, печени, почках, яичниках и семенниках, мышцах и соединительной ткани. Даже изолированные клетки соединительной ткани — фибробласты — ритмически изменяют экспрессию clock- генов. Несмотря на наличие во всех этих тканях собственных биологических часов, суточный ритм в организме все-таки один.

Координирует все ритмы организма головной мозг. У рептилий и птиц за синхронизацию суточных ритмов отвечает пинеальный орган, его еще называют эпифиз, эволюционно древний вырост промежуточного мозга. Когда-то он был полноценным глазом; возможно, у первых амфибий и кистеперых рыб, проводивших все время, зарывшись в ил, он выполнял важную функцию — предупреждал об опасности сверху. Постепенно этот «третий глаз» деградировал, его остатки можно видеть у древней ящерицы гаттерии, однако он сохранил способность воспринимать свет. В отсутствии освещения эпифиз выделяет гормон сна — мелатонин. У млекопитающих эпифиз уступил основную регулирующую функцию другому отделу мозга — супрахиазменному ядру.

В 1972 году двум группам американских ученых удалось показать, что оно управляет синхронизацией биологических ритмов в организме грызунов. Супрахиазменное ядро расположено над перекрестом зрительных нервов, под гипофизом. Хирургически разрушив мышам этот участок мозга, Роберт Мур и Виктор Эйхлер обнаружили, что у оперированных животных исчезла суточная цикличность содержания в крови гормонов стресса — адреналина и глюкокортикоидов. Другая научная группа под руководством Фредерика Стефана и Ирвина Цукера изучала двигательную активность грызунов с удаленным супрахиазматическим ядром. Мышки и хомячки переставали соблюдать ночной ритм активности, и бегали в колесе в любое время суток. Они спали и бодрствовали хаотически, как завещала птица Додо, «строго как попало».

Именно супрахиазменное ядро у млекопитающих и исполняет роль «Спасской башни», синхронизирует все биологические часы в организме — с помощью гормонов, температуры тела, и, возможно, не известных нам еще механизмов.

Важность этой структуры трудно переоценить. Суточный ритм поддерживают даже такие животные, которым, казалось бы, он не нужен. Группа израильских ученых исследовала слепышей — животных, утративших глаза в процессе приспособления к подземному образу жизни. Оказалось, что все генетические компоненты циркадного ритма есть и у них. Все гены, отвечающие за циркадный ритм у млекопитающих, у слепышей «рабочие», производят соответствующие белки. Это означает, что естественный отбор не дает системе «испортиться», а значит, счетчик времени слепышам необходим. Несмотря на полное отсутствие зрения, сетчатка слепышей сохранила способность воспринимать свет как регулятор активности — слепыш, попавший на поверхность, должен максимально быстро зарыться обратно. Имеются у слепышей и сезонные ритмы активности, видимо, их также поддерживает сохранная система суточного ритма. По всей видимости, биологический календарь устроен так же, как и настенный — должно смениться много одинаковых дней, прежде чем наступит новый месяц.

Небольшие изменения в генах, отвечающих за суточный ритм, ведут к большим последствиям. Мыши, мутантные по одному из отвечающих за циркадный ритм генов, страдают нарушениями сна — они спят часто, но помалу, все время просыпаясь. Похожая картина наблюдается и при старении — у крыс электрическая активность супрахиазменного ядра становится с возрастом все менее регулярной, и пожилые крысы, как и пожилые люди, в течение дня часто задремывают, а ночью страдают бессонницей. Отсутствие другого гена у мышей приводит к тому, что их клетки легко подвергаются раковому перерождению. Вместо того чтобы погибнуть, не пройдя «контроль качества» при делении, клетки с нарушениями ДНК у таких мышей продолжают делиться и дают начало раковым опухолям. Возможно, рак и суточные ритмы вообще тесно связаны — в опытах на мышах показано, что эффективность противораковых лекарств повышается, если принимать их в определенные часы.

Гены биологических часов встречаются во многих тканях дрозофилы, и влияют на самые разные процессы. Например, в 2004 году показано, что самцы дрозофилы, у которых поврежден ген per или tim, посвящают копуляции на 30-50% времени больше, чем нормальные. На поведение самок мутации этих генов не влияют. А у дынной моли вообще clock-гены принимают участие в регуляции времени развития. Моли с длинными, 31-часовыми сутками развивались медленнее, а моли с короткими, 22часовыми сутками — быстрее. Если учесть еще, что моли спариваются всего раз в сутки, на закате, естественный отбор на более длинный или короткий цикл развития может привести и к суточному сдвигу размножения, а там уже рукой подать до репродуктивной изоляции и видообразования.

Вообще, биологические ритмы и поведение тесно связаны. Такие заболевания, как шизофрения и маниакально-депрессивный психоз имеют сезонные пики — весной и осенью. По всей видимости, нервная система таких больных не может справиться с изменением условий освещения. С нарушением суточных ритмов связан и негативный эффект быстрой смены часовых поясов — прилетев из Нью- Йорка в Москву, вы некоторое время будете вынуждены бодрствовать, хотя на ваших «биологических часах» — ночь. Вы ходите и разговариваете, свет, попавший на супрахиазменное ядро, убеждает ваш организм в том, что сейчас день, а температура вашего тела соответствует 2 часам ночи. Под действием солнечного света за несколько дней нормальный ход внутренних часов восстанавливается, хотя и этот механизм с возрастом портится.

У человека существует большая популяционная изменчивость по устойчивости систем суточного ритма. Большинство людей спокойно переносят смену времен года, но некоторые люди в условиях малой освещенности осенью и зимой страдают сезонной депрессией. Мало кто обращается к врачу при первых признаках этой болезни — постоянной вялости, несмотря на длительный сон, плохом настроении, сниженном аппетите. Однако у каждого десятого легкое падение настроения перерастает в полноценную депрессию, которая может потребовать даже медикаментозного лечения.

Тот факт, что, несмотря на свою осеннюю депрессию, эти люди до сих пор встречаются, говорит о многом. Если в популяции устойчиво существует несколько разных вариантов одного и того же гена или фенотипа — значит, хотя бы некоторые из них полезны, и «жаворонки» ничуть не более ценные особи, чем «совы». Более того, биологическое разнообразие по генам суточного ритма в популяции может иметь большой приспособительный смысл. Компьютерное моделирование, проведенное американскими учеными, показало, что если все особи в одно и то же время испытывают одни и те же потребности, это может приводить к усилению конкуренции за ресурсы. И наоборот, естественное расхождение по времени позволяет более эффективно использовать среду обитания — всякий, кто пытался попасть в туалет с утра в многонаселенной квартире, с этим согласится.

В ФОКУСЕ ОТКРЫТИЙ

Михаил Вартбург