Понятие «время» в своем развитии

Время, как и пространство, имеет объективный характер. Они неотделимы от материи, связаны с ее движением и друг с другом. По выражению И. Пригожина, «для большинства основателей классической науки (и даже А. Эйнштейна) наука была попыткой выйти за рамки мира наблюдаемого, достичь вневременного мира высшей рациональности — мира Спинозы». Фактически все картины мира, рожденные точной наукой, освобождены от развития, «отрицают время».

Понимание времени, увлекающего мир в непрерывное движение, наиболее ярко выразил Гераклит (ок. 530 — 470 до н.э.): «В одну реку нельзя войти дважды», «Все течет, все изменяется», «Мир является совокупностью событий, а не вещей». Законы природы неизменны, они сохраняются в любом месте и в любое время. У Прокла (ок. 412 — 485) для большей строгости к понятию времени применены геометрические рассуждения: «Время не подобно прямой линии, безгранично продолжающейся в обоих направлениях. Оно ограничено и описывает окружность. Движение времени соединяет конец с началом, и это происходит бесчисленное число раз. Благодаря этому время бесконечно». Платон (ок. 428 — 347 до н. э.) писал: «Поскольку день и ночь, круговороты месяцев и лет, равноденствия и солнцестояния зримы, глаза открыли нам число, дали понятие о времени и побудили исследовать природу Вселенной». Архимед в трактате «О спирали» показывал, что спираль соединяет цикличность с поступательным движением. Может быть, спираль подойдет для наглядного образа времени, соединив поток и окружность?! Узор из спирали с солнцами был найден на остатках кувшинов неолита и на древнем календаре — жезле из бивня мамонта, обнаруженном недавно в Восточной Сибири. Археологи истолковывают эти узоры как отображение идеи Времени.

Первую физическую теорию времени дал Ньютон: «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». Абсолютное время — идеальная мера длительности всех механических процессов. Как не наблюдаемо истинно равномерное движение, так и измерить время можно, только приближаясь к истинному, математическому, входящему в уравнения. Абсолютное время однородно, это означает симметрию относительно

56

сдвигов. Значит, и точка отсчета времени не имеет значения, она не меняет длительность. То же можно сказать и о пространственных симметриях классической механики. В пространстве нет выделенных ни точек, ни направлений, т. е. оно однородно и изотропно. Ньютон не только исключил время из своей картины Вселенной, но и утвердил его в сознании как внешний параметр. Стало возможным рассматривать непрерывные периодические процессы равной длительности для построения модели, легко вводить метрику времени. Это позволило построить всю систему мира, подтвердить впечатляющие предсказания теории Ньютона для Вселенной.

Непрерывность времени означает, что между двумя моментами времени, как близко бы они не располагались, всегда можно выделить третий. (Сегодня нет достаточных оснований, чтобы говорить о дискретности времени.) Особым свойством времени является его однонаправленность или необратимость. Это свойство времени рассматривают как следствие второго Начала термодинамики, или Закона возрастания энтропии. В классической физике существует абсолютное, «вселенское время». Г.Лейбниц считал время относительным, «порядком последовательностей». Но в современной физике не существует единого «всемирного» хода времени. В биологии и геологии время рассматривали иначе. Так, основоположник геологии датчанин Н.Стенсен строил пространственные отношения не на основе движения или перемещения тел в нем, а с точки зрения временной последовательности «раньше — позже». Этот подход естествен для геолога, рассматривающего историю планеты через наслоения в камне.

Пространственно-временной континуум — новое средство характеристики физических явлений, используя которое для описания событий в природе нужно применять не два, а четыре числа, дала СТО. С точки зрения Эйнштейна, физическое пространство, постигаемое через объекты и их движения, имеет три измерения и положение объектов характеризуется тремя числами. Момент события — четвертое число. Потому мир событий есть четырехмерный континуум. У Эйнштейна не имеет смысла деление этого мира на время и пространство, поскольку описание мира событий «посредством статической картины на фоне четырехмерного пространственно-временного континуума» более удобно и объективно. Измеренное значение времени оказалось зависимым от движения наблюдателей.

Время для движущегося наблюдателя течет медленнее, чем

для неподвижного: Этот эффект замедления

может быть заметен лишь для скоростей, сравнимых со скоростью света в вакууме с. По выражению Вернадского, СТО «отрицала только независимое от пространства, абсолютное время,

57

но не придавала ему никаких новых свойств — принимала его тем же изотропным, аморфным временем, каким понимал его Ньютон». Таким образом, традиция классической физики сохранена.

Обсудим явление, известное как «парадокс близнецов». Пусть, например, А. и В. — близнецы. В. улетает с большой скоростью в далекое космическое путешествие, А. остается на Земле. Через какое-то время В. возвращается и оказывается моложе А. Если v — скорость, с которой путешествовал В., а τ— время, которое прошло на Земле за время его путешествия, то время, которое прошло на борту его корабля

, где с = 3 • 10⁸ м/с — скорость света в вакууме. И чем больше скорость v, тем значительнее будет разница. Причем тот, кто почувствовал ускорение, тот и окажется моложе. Например, собственное время жизни π⁺-мезона составляет 2,5 • 10^-8 с. Если бы не было релятивистского замедления времени, то до распада такая частица проходила бы в среднем расстояние (2,5 10″⁸ с) • (3 • 10⁸ м/с) ≈ 7 м. Но, как показывает опыт, проведенный на ускорителях, эти частицы способны проходить значительно большие расстояния, если их скорость сравнима со скоростью света. Поэтому всегда необходимо уточнять, относительно какого тела и связанной с ним системы координат оно рассматривается.

Задержка времени, предсказанная СТО, подтверждается μ-мезонами, распадающимися во время полета к Земле от места возникновения в верхних слоях атмосферы. Это показывают детекторы, установленные на воздушных шарах, на поверхности Земли и в шахтах (рис. 2.3, а). Согласно СТО, с увеличением относительной скорости, кроме замедления времени, уменьшаются линейные размеры тел вдоль направления движения и увеличивается масса (L и М— линейные размеры и масса тела в состоянии

покоя):

Свойства пространства-времени в ОТО зависят от распределения тяготеющих масс, и движение тел определяется кривизной пространства-времени (рис. 2.3, б, в). Но влияние масс сказывается только на метрических свойствах часов, так как меняется лишь частота при переходе между точками с разными гравитационными потенциалами. Иллюстрацией относительного хода времени, по мнению Эйнштейна, могло бы стать обнаружение процессов вблизи предсказанных им черных дыр.

А. Эйнштейн в фундаментальных законах физики не допускал необратимости, его беспокоила направленность времени, связанная со вторым началом термодинамики. Хотя решение, соответствующее нестационарной Вселенной, полученное А.А.Фридманом из его космологических уравнений, позднее было подтверждено наличием красного смещения в спектрах далеких галактик, установленного Э. Хабблом, Эйнштейн считал гипотезу взрывающейся Вселенной временной и относился к ней с недоверием. В 60—80-е гг. XX в. отношение к эволюционным процессам

58

стало меняться, мир предстал существенно нелинейным с необратимыми процессами в своей основе. Поэтому и времени в новой эволюционной картине мира уготована иная роль.

Для определения момента произошедшего события обычно достаточно одного измерения, указания только одного числа. Такое восприятие времени настолько привычно, что большее число измерений для времени трудно вообразить. Но наблюдаемые события происходят от прошлого к будущему. И это качественно отличает временное измерение от пространственного, причем для любого наблюдателя в данной точке пространства последователь-

59

ность событий сохраняется. Можно сказать, что понятия «прошлое» и «будущее» в данной точке пространства есть понятия абсолютные. Для пространственных осей нет такого выделения направлений, и поворот на 180° вокруг оси, перпендикулярной линии, которая соединяет два одновременных события, переводит происходящее слева от наблюдателя событие в правое. То есть понятия «правое» и «левое» относительны для одновременных событий. Направленность времени тесно связана с пониманием причинности: причина должна предшествовать следствию. Это свойство времени относится к классу нерешенных проблем в физике и во всем естествознании, в дальнейшем мы убедимся, что по этой причине в науке существует ряд парадоксальных ситуаций.