Что такое наука о времени
Открытый урок: Хронология – наука о времени
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Хронология – наука о времени
1. Чем занимается хронология. Что такое дата
2. Основы летоисчисления. Линия (лента) времени
Календарь и его виды.
На этом уроке вы научитесь
На этом уроке вы научитесьНа этом уроке вы уроке научитесь
объяснять, что такое хронология и какое значение имеет она для изучения истории;
давать определение терминам «хронология», «дата», «исчисление», «столетие», «эра», «календарь»;
работать с линией времени, помечать на ней даты, соотносить год с веком.
Подумайте, что общего между изображенными объектами?
Почему приспособления для измерения времени были такими разными?
Как вы считаете, почему люди всегда пытались измерять время? Какой, по вашему мнению, наиболее удобный способ измерения времени?
1. Чем занимается хронология. Что такое дата?
Как историки определяют хронологическую последовательность событий?
История, как наука о прошлом человечества тесно связана со временем. Чтобы понять, почему произошли те или иные события и какое значение они имели для людей, нужно определить, что происходило до них, а что – после.
Определять точное календарное время конкретного события, то есть его дату (год, месяц и число), помогает хронология.
Исторический словарь 
Хронология (от греческих слов: хронос — время и логос — слово, учение) – наука, изучающая способы вычисления времени.
Дата – событие, оказавшее влияние на ход истории
Историческая хронология – наука о последовательности исторических событий – изучает, какими календарями пользовались в разное время разные народы, устанавливает время создания исторических памятников, а также даты исторических событий.
Изучать историю без дат невозможно. Любая важная дата имеет цифровое обозначение. От нее ведется счет всех последующих событий. Например, ваш день рождения. С момента появления человека на свет начинается отсчет его жизни.
Чтобы создать целостную историю, исследователи выстраивают цепочку из дат событий, устанавливают их хронологическую последовательность, то есть определяют, что произошло раньше, а что – позже. Не случайно русская пословица гласит: «Время — око истории».
Основными измерителями исторического времени являются год, век, тысячелетие. Они обозначаются цифрами, поэтому любая дата имеет свое цифровое обозначение. От нее ведется счет всех последующих событий.
Исторический словарь
Хронологическая последовательность – последовательное расположение событий по времени (год за годом, век за веком).
2. Основы летоисчисления. Линия (лента) времени
Что такое отсчет времени в истории, и какими промежутками пользуются историки для измерения времени?
В древности народы мира вели счет лет по-разному, поэтому в большинстве стран была установлена своя система летоисчисления.
Исторический словарь
Летоисчисление (эра) – отсчет исторического времени от определенного момента.
Каждый народ начинал отсчет лет от события понятного и важного только для него. Так, например, древние египтяне вели летоисчисление по династиям своих царей – фараонов; японцы – от вступления на престол очередного императора; древние греки – по олимпиадам; древние римляне – от основания Рима. Мусульмане, последователи ислама, ведут начало своей эры с 622 г., когда основатель ислама пророк Мухаммад переселился из города Мекки в Медину. В основу летоисчисления, действовавшего на Руси, был положено описанное в Библии сотворение мира.
В большинстве современных стран, пользуются летоисчислением от условного года рождения (Рождества) Иисуса Христа, родоначальника одной из крупнейших мировых религий – христианства. Это летоисчисление называют наша эра (новая эра) или эра от Рождества Христова.
События, произошедшие от рождения Иисуса до наших дней обозначаются сокращенно – н.э., или от Р. X. Все события до рождения Христа, произошли до нашей эры, или до Рождества Христова, сокращенно до н. э. или до Р. X. Для событий нашей эры можно не указывать сокращение «н.э.» на письме и опускать слова «нашей эры» во время устного ответа.
Существуют и другие измерители времени. Каждые сто лет называют веком (столетием). Тысяча лет или десять веков составляют тысячелетие.
Многие современные ученые считают, что Христос родился примерно в 5 году до н.э.
В древней Руси новый год начинался в марте. В 1492 г. начало года перенесли на сентябрь. С 1700 г. по указу царя Петра I в России было введено христианское летоисчисление, а новый год начинался с 1 января.
Чтобы представить движение времени в истории, используют линию (ленту) времени. Это прямая линия, на которой нанесены временные промежутки (годы, столетия). Поперечной разделительной линией отмечено начало нашей эры.
Многие исторические события произошли до нашей эры, и на линии времени они находятся слева от разделительной линии. Те события, которые относятся к нашей эре, располагают справа от этой линии. Счет лет до нашей эры ведется в обратном порядке, а время движется всегда по направлению к нашим дням.
Важно помнить, что первый век нашей эры начинается в 1-м году и заканчивается в 100-м году. Соответственно второй век начинается в 101-м году, а заканчивается в 200-м году. Следовательно, начальные годы веков – это 101, 201, 301. 1901, а годы с нулями (100, 200, 300, 2000) – это последние годы веков.
Если цифры года заканчиваются на два нуля, то первая или две первые цифры указывают номер века, например: 500 год – V век, 1800 год – XVIII век.
Если же вместо нулей появляется хотя бы одна цифра, тогда эту дату относят к следующему веку, например: 501 год – VI век, 1825 год – XIX век.
Чтобы усвоить, как определять начало и окончание разных веков, воспользуйтесь таблицей:
Теория науки о времени
Наука о времени утверждает, что существует несколько теорий пытающихся обосновать и описать это понятие.
Теория времени классической физики
Люди измеряют время с начала цивилизации во всем мире. В 1878 году канадский инженер Сэнфорд Флеминг предложил систему международных часовых поясов, которую мы используем сегодня. Он рекомендовал, что мир будет разделен на двадцать четыре часовых пояса, каждый интервал имеет 15 градусов долготы. Так как Земля вращается один раз каждые 24 часа и есть 360 градусов долготы, то каждый час Земля поворачивается на одну двадцать четвертую часть круга или 15° по долготе.
Эта наука о времени основана на классическом понимании, когда физик и философ Исаак Ньютон в конце 17 века возглавил научную революцию которая изменила способ, с помощью которого люди рассматривают мир. В своих работах он изложил несколько концепций, которые станут основой для классической физики. Среди важных теорий Ньютона были законы движения, которые регулируют способ перемещения объектов в пространстве, включая закон всемирного тяготения, основа для исчисления. Другими словами, большинство людей считают, что Ньютон гений, и ученые по-прежнему применяют его идеи в повседневной жизни и фундаментальной науке.
Ньютон определил несколько важных принципов, включая идею абсолютного времени. Хотя он понимал, что часы не идеальны и измерения времени подвержены ошибкам человека, Ньютон верил в абсолютное время, что было похоже на универсальный, всемогущий принцип для всех и везде.
Теория изменения времени
Существует также теория науки о времени, что оно зависимо и относительно.
Великий ученый 20 века Альберт Эйнштейн разработал теорию относительности. Идеи специальной теории относительности очень трудно представить, потому что они не о том, что мы испытываем в повседневной жизни, но ученые подтвердили ее справедливость. Эта теория утверждает, что пространство и время действительно являются аспектами одного и того же и зависимы.
Специальная теория относительности утверждает, что удивительное происходит, когда вы двигаетесь сквозь пространство, особенно когда ваша скорость относительно других объектов близка к скорости света. Всё происходит медленнее, чем для людей, которые не двигаются. Двигающийся человек не замечает этот эффект, пока не вернется к относительно неподвижным людям.
Теоретически есть ограничение по скорости 300 000 километров в секунду на все, что движется через пространство и свет всегда распространяется на ограниченной скорости через пустое пространство.
Эйнштейн открыл так называемую общую теорию относительности для объектов в гравитационных полях (как на Земле), чем для объектов далеких от таких полей. Таким образом, наука о времени сейчас располагает информацией, что есть и другие виды искажений пространства и времени вблизи черной дыры, где гравитация может быть очень интенсивной.
На самом деле, ученые и инженеры, которые планируют некоторые программы космических полетов должны учитывать искажения длительности, возникающие вследствие как общей, так и специальной теории относительности. Эти эффекты слишком малы, чтобы учитывать их в большинстве человеческих условий или даже в человеческой жизни. Однако, очень маленькие доли секунды имеют значение для точной работы, чтобы космические корабли летали по всей Солнечной системе стабильно.
Люди уверены, что время как материя есть, но они не могут достать его. У ученых такое ощущение, что они не могут достать его, потому что его не существует вообще.
Исаак Ньютон думал, что время как река течет с той же скоростью везде. Эйнштейн изменил эту картину, объединив пространство и время в единую 4-мерную сущность. Но даже Эйнштейн не смог оспорить понятие времени как меры изменения. По мнению современных ученых вопрос должен быть перевернут с ног на голову. Это изменение, которое создает иллюзию длительности.
Теория пространства и времени
Общая теория относительности была серьезной интеллектуальной революцией, которая изменила то, как мы думаем о Вселенной. Это теория не только объяснила искривление пространства, но и деформировала длительность. Эйнштейн в 1905 году понял, что пространство и время тесно связаны друг с другом. Можно описать место события в трех измерениях: широта, долгота и высота над уровнем моря. В более широком масштабе, могут быть галактические широты и долготы, и расстояние от центра галактики. Четвертое число, пространство и время мероприятия. Таким образом, можно думать о теории пространства и времени вместе, как четырехмерное существо. Каждая точка материи должна обозначаться четырьмя числами, которые определяют ее положение. Объединение пространства и времени довольно банально. Эйнштейн в фундаментальной статье, написанной в 1905 году, когда он был клерком в швейцарском патентном бюро, показал, что теория пространства и времени неразрывно связаны друг с другом.
В статье Эйнштейна 1905 года, он также отметил, что космические путешествия на другие звезды, будет очень медленная и трудоемкая задача. Со скоростью света до ближайшей звезды, потребуется не менее восьми лет, а к центру Галактики, по крайней мере восьмидесяти тысяч лет.
В другой статье в 1915 году Эйнштейн показал, что под влиянием гравитации пространство и время искривлены или искажены к материи и энергии в ней. Мы можем наблюдать это искривление пространства-времени, производимой массой Солнца, в легком изгибе света или радиоволн проходящих вблизи Солнца.
Зависимость времени и гравитации
Наука о времени подтвердила что проходящее время переменно и податливо в зависимости от скорости. Мы можем время ускорить или замедлить. На самом деле, это происходит каждый день, не зная об этом.Но прежде чем рассматривать науку о времени необходимо уяснить понятие времени, и необходимо сначала познакомиться с концепцией гравитации. Мы ощущаем гравитацию в двух направлениях: вверх и вниз. Однако, гравитация не двумерная. Если вы уронили шар с Останкинской башни, он упадет на землю, если уронить шар с башни в Австралии тоже будет падать «вниз», но навстречу друг другу.
Гравитация земли тянет все объекты со всех сторон—к центру планеты. Мы определяем “вверх” и “вниз” основываясь на гравитационном притяжении. Масса не создает гравитационных сил. Таким образом, все объекты подвергаются гравитации. Чем больше масса объекта, тем больше гравитационная сила оказывается.
Теперь давайте сделаем шаг от поверхности этих планет и исследуем то, что происходит в пространстве вокруг них. Наша Луна удерживается на орбите силой притяжения Земли. Земля вокруг Солнца из-за массивных гравитационных сил Солнца. Это все базовые вещи которым учат в школе: гравитация держит пространство.
В своей специальной теории относительности в 1905 году, Эйнштейн утверждал, что пространство и время два самостоятельных явления. Вместо этого, пространство (высота, ширина, длина) и время (вперед? назад?) смешаны вместе в одном континууме—сплетенные вместе в одной ткани. Этот единый континуум получил название “пространство — время” как физическое проявление.
Ученые подтвердили теорию Эйнштейн который выдвинул впервые эту идею. Используя сугубо технические эксперименты и невероятно чувствительные инструменты, люди доказали, что гравитационная сила изменяет скорость времени. Наиболее наглядным примером и доказательством этого явления являются часы на борту спутников GPS или Глонасс.
Есть несколько десятков спутников, парящих высоко над землей. Каждый спутник имеет атомные часы, что, будучи на Земле, совершенно точно и синхронно с Землей. Однако, когда подняли в менее плотные верхние слои атмосферы атомные часы спутников — они ускорились. На поверхности Земли и в нашем плотном гравитационном поле, секунды проходят немного быстрее чем на спутниках.
Вот где это становится действительно интересно. “Гравитация” — это то же, что сила тяготения.
Время при путешествии замедлится из-за гравитационной силы, созданной при движении со скоростью света. И, что самое интересное, на протяжении всего эксперимента, у каждого близнеца будет свое собственное нормальное сердцебиение.
Машина времени существует
Машина времени в будущее существует, но недостижима сейчас для реальных объектов. В последние несколько лет, некоторые ученые в науке о времени использовали искажения в пространстве-времени, чтобы задуматься о возможных путях машины времени в будущее. Однако ученые пока не знают насколько возможны передвижения во времени для реальных объектов. Все идеи основаны на доброй, прочной основе как методология науки.
Ученые уверены, что путешествия во времени в будущее возможны, но мы должны разработать некоторые очень продвинутые технологии, чтобы сделать это. Мы могли путешествовать 10 000 лет в будущее за 1 год в течение этого путешествия. Однако, такая поездка будет потреблять огромное количество энергии. Путешествия во времени в прошлое сложнее. Здесь пока наука о времени не знает даже ориентировочных решений. Пока теория машины времени говорит, что в прошлое возвратиться нельзя, а в будущее можно. Однако наша иллюзия прошлого возникает всегда. Единственное доказательство у нас — это память. Но приходит память от стабильной структуры нейронов в нашем мозге сейчас. Единственное доказательство прошлого Земли это горные породы и окаменелости. Но это всего лишь устойчивые структуры в виде обустройства полезных ископаемых которые мы изучаем в настоящее время.
Научная Россия: Упрямая иллюзия или физическая реальность? Что наука говорит о времени
Что такое время ─ иллюзия или физическая реальность? Существует ли время, если на него никто не смотрит? Абсолютно ли время и пространство и может ли время пойти вспять? Ответы на эти вопросы люди ищут столетиями. Редакция портала Научная Россия тоже решила не оставаться в стороне и обсудила природу времени с кандидатом физико-математических наук, старшим преподавателем кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц Антоном Андреевичем Шейкиным.
Такое понятие, как время, фигурирует в любой науке. А как объясняет время физика?
Это, пожалуй, один из самых сложных вопросов, который в принципе можно задавать в физике. Мы хорошо умеем измерять время, но до сих пор довольно плохо понимаем, что именно мы при этом измеряем.
В Международной системе единиц (СИ) все стандартные единицы сегодня уже привязаны к значениям фундаментальных констант, то есть их значения определены точно и не нуждаются в эксперименте. И только единица измерения времени, секунда, все еще определяется из опыта.
Ответ на вопрос, что такое время, будет сильно зависеть от эпохи. В XX веке, например, этот вопрос много раз вставал с ног на голову.
Вместе с коллегами из СПбГУ Антон Шейкин занимается одной из модифицированных теорий гравитации ─ так называемый подход Редже-Тейтельбойма, или теория вложения, которая, в том числе, строилась с целью решения проблемы времени в теории гравитации.
Если вспомнить, откуда взялось представление о времени, то можно сказать, что первоначально человек вообще воспринимает время чисто психологически. Об этом, кстати, сообщал и Эйнштейн, когда пояснял свою теорию относительности на бытовом примере: он говорил, что час, проведенный в прекрасной компании, покажется короче, чем пять минут, проведенные на раскаленной плите. Но психологическое время, конечно, для физики никуда не годится, потому что оно неоднородно и может идти быстрее и медленнее. Поэтому нужны какие-то более стабильные источники ощущения течения каких-то процессов.
Люди довольно быстро научились измерять время, согласуя его с астрономическими циклами: суточный цикл, лунный цикл, годичный цикл. И долгое время именно астрономия предоставляла человечеству самый надежный источник понимания того, куда мы движемся. Люди видели вокруг себя повторяющиеся, периодические явления и учились сверять собственные ощущения текущих процессов с природными циклами.
Пожалуй, самый популярный ответ на вопрос, что такое время, звучит так: время ─ это то, что мы измеряем часами. А что такое часы? Часы ─ это некая физическая система, в которой происходят периодические процессы: то есть для того, чтобы определить время, нам нужен какой-то цикличный процесс. В древности эти цикличные процессы воспринимались как нечто настолько реальное, что древние греки даже считали, что время замкнуто в кольцо, идет по кругу.
В современной науке считается, что такого понятия, как абсолютное время, не существует?
Совершенно верно. В своих мемуарах Эйнштейн писал, что к началу XX века в Европе все знали, что такое абсолютное время, кроме него.
300 лет назад Ньютон сказал, что время ─ это ось, которая в каждой точке нашего пространства отсчитывает какой-то параметр; время в его концепции ─ это некая величина, которая может быть определена во всей Вселенной сразу, и поэтому можно говорить о том, что существует абсолютное время, которое мы можем определять без привязки к каким-то произвольным договоренностям.
Ньютоновское время ─ это некое Вселенское время, которое абсолютно объективно и не зависит от человеческих восприятий, эдакое идеальное время. Но, как мы знаем, ничего идеального в природе не существует, и ньютоновское время ─ это что-то вроде сферического коня в вакууме. Так что Эйнштейн в 1905 году сделал то, что давно было пора сделать с ньютоновским временем: он показал, что мы не можем его измерять.
Если любого физика спросить, что такое та или иная величина (например, время), то речь сразу зайдет о том, а как эту величину мы измеряем? Альберт Эйнштейн показал, что если мы можем обмениваться информацией только с конечной скоростью, например, скоростью света, то двум людям невозможно синхронизировать свои часы без всяких дополнительных договоренностей.
То есть непонятно, где причина, а где следствие?
Да. Эйнштейн показал, что при определенных условиях причины и следствия для разных людей могут даже меняться местами.
Когда говорят о теории относительности Эйнштейна, далеко не всегда уточняют, теория относительности чего?
Относительность положения провозгласил еще Коперник. Он сказал, мол, а зачем считать центром мира Землю, ведь из-за этого неудобно проводить расчеты; вместо этого можно в центр поставить Солнце или другую область недалеко от него. Относительность движения провозгласил Галилей. Он объяснил, что можно двигаться с постоянной скоростью и даже не замечать этого. Эйнштейн же провозгласил относительность времени, в результате чего ньютоновскому понятию абсолютной одновременности пришел конец.
Эйнштейн предложил мысленный эксперимент, установивший относительность одновременности. Он показал, что два события, одновременные для одного человека, могут быть разделены по времени, если один из этих людей, допустим, сядет в электричку или, наоборот, остановится, если до этого ехал. Эйнштейн доказал, что течение времени в физической системе зависит от того, с какой скоростью движется относительно нее наблюдатель.
Кажется, Эйнштейну принадлежит фраза, что время нужно для того, чтобы все события не произошли одновременно?
Да, можно и так понимать. Если говорить об инструментальном понимании времени, то зачем физикам вообще нужно понятие времени? Затем, что это величина, которая показывает, как эволюционирует физическая система, то есть это параметр эволюции. А если все события произошли в один и тот же момент времени, то, получается, никакой эволюции нет.
А сами физические законы со временем не эволюционируют? Мировые константы после Горячего Большого взрыва и по сей день не изменились?
Это очень интересный вопрос, потому что мы до сих пор до конца не уверены в том, что мировые константы, такие как скорость света, постоянная Планка или гравитационная постоянная, неизменны во времени. Это нужно устанавливать с помощью тончайших экспериментов.
В Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова делали расчеты для выяснения возможной вариации фундаментальных констант в прошлом на основе интересного наблюдения природного ядерного реактора в Окло. Наши ученые пытались выяснить, какова была скорость ядерных реакций, которые проходили там 2 миллиарда лет назад, и рассчитать на основе этих данных возможные изменения фундаментальных констант. Насколько я понимаю, удалось получить только ограничение сверху: если значение констант изменилось, то не более, чем на определенную величину. То есть нам (во всяком случае, мне) хочется верить, что, к примеру, скорость света и постоянная Планка со временем не меняются, но это, в общем, вопрос, который должен решать эксперимент.
Мы говорим, что нет абсолютного времени, а абсолютное пространство существует?
Это тоже довольно интересный вопрос, и поисками ответа на него занимался Эйнштейн под впечатлением от работ Эрнста Маха.
Эйнштейн почерпнул от Маха свою идею относительности пространства. Мах считал, что пространство ─ это не что иное, как вспомогательная величина, которая помогает нам описывать отношения между объектами. И, если мы зададимся вопросом, каковы свойства пространства, то обнаружим, что можем ответить на него лишь посредством наблюдения за движением каких-либо тел в этом пространстве. На основе этого Мах сделал вывод, что пространство ─ это нечто абсолютно вспомогательное, и подлинная физика должна основываться на описании систем отношений.
Эрнст Мах выдвинул довольно расплывчатый философский принцип (Эйнштейн так и назвал его ─ принцип Маха), согласно которому инерция тел определяется наличием всех остальных тел во Вселенной ─ то есть не пространство определяет свойство инерции тел, а наличие всех других тел в этом пространстве. Эйнштейн, создавая общую теорию относительности, думал, что воплощает в жизнь идею Маха. Но потом, когда он построил математическую формулировку общей теории относительности, оказалось, что с принципом Маха она не согласуется. Тем не менее идея о том, что пространство тоже не является абсолютным, была для Эйнштейна путеводной звездой.
Известно, что время и гравитация связаны. Гравитация вызывает замедление времени или наоборот ─ свойства времени порождают гравитацию?
Я бы сказал, что скорее первое, и здесь мы опять же возвращаемся к тому, что с понятием времени произошло в XX веке. Ньютон считал, что время ─ это просто параметр эволюции физической системы, который никак не связан со свойствами пространства и может определяться независимо от них. Общая теория относительности Эйнштейна и даже специальная теория относительности в формулировке Минковского опровергла это утверждение тем, что придала времени еще один смысл, помимо физического, ─ это геометрический смысл.
Минковский писал: «Отныне пространство само по себе и время само по себе низводятся до роли теней и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Имелось в виду, что мы живем в некотором четырехмерном геометрическом пространстве-времени, то есть в некой единой структуре, в которой у времени есть та же самая геометрическая интерпретация, что и у наших координатных осей X, Y, Z. Но довольно скоро здесь возникли некие трудности: оказалось, что время как геометрическая характеристика того мира, в котором мы живем, и время физическое, вообще говоря, не вполне тождественны. Можно привести такой пример. Есть целый класс физических теорий, например, геометрическая оптика, механика частиц в специальной теории относительности или гравитация, в которых нет предпочтительного выбора времени. Если вы, например, занимаетесь вопросом распространения лучей света в рамках геометрической оптики, то можете определить время так, как захотите; важно лишь, чтобы луч света в одной точке был раньше, а в другой позже. Если вы соблюдаете это требование, то можете определять время как угодно. И оказывается, что в таких теориях физическое время как бы пропадает, и не очень понятно, а как вообще строить физическую теорию. Но здесь нам на помощь приходит геометрическое время. Допустим, мы не знаем, как удобнее рассматривать эволюцию этой физической системы, но у нас есть понимание, что вся эта физическая система находится в некотором геометризованном мире. Тогда мы можем просто одно из направлений этого общегеометрического пространства рассматривать как наш параметр эволюции.
Кажется, у Эйнштейна была такая мысль, что всю физику можно свести к геометрии?
Да, но не всегда получается. И здесь кроется как раз одна из главных трудностей, которая препятствует успешному квантованию гравитации. Эйнштейн действительно построил теорию, которая полностью геометризовала гравитацию. Он сказал, что гравитационное взаимодействие тел ─ это не что иное, как движение в искривленном пространстве-времени, а не влияние некой силы. По сути, это и есть влияние геометрии пространства. Но вот когда дело доходит до построения квантовой теории, ученые начинают нуждаться в физическом времени. Нам необходим некий параметр эволюции, который бы определял, грубо говоря, что было раньше, а что потом.
И этот параметр вводится искусственно?
В общей теории относительности не существует, как мы уже говорили, выделенного физического времени, его надо как-то отдельно изобретать.
Да, этот параметр нужно искусственно ввести, потому что в общей теории относительности со временем происходят еще более страшные вещи, чем в специальной. Так, в специальной теории относительности время определяется с учетом выбора системы отсчета, но действуют вполне простые линейные преобразования. Если вы знаете, как выглядит время в одной системе отсчета, вы сразу же пишите формулы в другой системе отсчета, которая движется с постоянной скоростью относительно нее, и формулы очень простые. А вот в общей теории относительности выбор времени гораздо более широк. Эйнштейн сказал, что время в общей теории относительности вообще можно выбирать, как угодно. То есть произвольным образом вы выберете время и можете построить физическую теорию. И это, с одной стороны, вроде как хорошо, а с другой стороны ─ ужасно. Потому что с существованием времени как какого-то физического параметра, который реально куда-то течет, связано существование сохраняющихся величин, например, энергии; ведь энергия ─ это величина, сохраняющаяся в физической системе, если эта система не чувствует сдвигов по времени.
Если я сегодня провел эксперимент, завтра проделал то же самое, и результаты эксперимента совпадают, это может означать, что в той физической системе, в которой я работал, существует сохраняющаяся энергия, и эта энергия ─ главный инструмент для построения квантовой теории чего бы то ни было. То есть если я знаю, как записать энергию любой физической системы, я ее могу попытаться проквантовать. Так вот, произвольность выбора времени в теории гравитации приводит к тому, что энергию там очень сложно определить.
Парадоксально, но полная энергия любой физической системы, в которой действуют гравитационные силы, равна нулю, с некоторыми оговорками. И главная проблема, которая препятствует построению квантовой теории гравитации, заключается в том, что в общей теории относительности невозможно без дополнительных предположений определить, чему равна энергия гравитирующей системы. Таким образом, произвол выбора времени приводит к тому, что ни одно из времен нельзя наделить физическими свойствами.
Можно ли сказать, что время ─ это конструкт наблюдателя? Если убрать из Вселенной всех живых существ, будет ли существовать время?
Это уже вопрос к буддистам. Если дерево упало в лесу, и его шума никто не слышал, то падало оно или нет?
А что физика на этот вопрос отвечает?
Если мы рассматриваем геометрическое время, как одно из направлений нашего общего пространства, пространства Минковского, например (если гравитацией пренебрегаем) или пространства Римана, то время, конечно, существует, даже если удалить всю материю из Вселенной.
Есть очень широкий класс вакуумных решений уравнений Эйнштейна, где, если я удаляю из Вселенной абсолютно всю материю и спрашиваю: «а как же будет выглядеть эта Вселенная, будет ли в ней время?», Эйнштейн говорит, что, конечно же, будет, потому что это просто четырехмерное пространство-время, которое можно вывести на бумаге.
Получается, даже если выключить гравитацию и убрать всю материю, все равно время останется?
Если убрать из Вселенной абсолютно всю материю, то в принципе можно построить модель такой Вселенной, в которой пространство будет все еще искривлено. Такое пространство можно описать, как пространство, по которому бегают гравитационные волны, начинающиеся с одного края Вселенной и заканчивающиеся на другом.
А что искривляет это пространство, если нет материи?
Это очень неоднозначный вопрос. Факт заключается в том, что решение уравнения Эйнштейна для таких ситуаций существует. Имеет ли оно какой-то физический смысл? Зависит от того, у кого спрашивать. Если убрать из Вселенной всю материю и потребовать, чтобы на бесконечности от наблюдателя гравитационного поля не было, то пространство, в общем, будет плоским. Но если не требовать граничных условий на бесконечности, если не требовать, чтобы на произвольно больших расстояниях у вас пространство было статичным и никакие процессы в нем не происходили, то вы можете придумать какие-то вселенные, в которых материи нет совсем, а гравитация все-таки присутствует. Однако с точки зрения физики это, конечно, трудно интерпретировать, потому что принято считать, что любая гравитационная волна порождается каким-то источником. Хотя с точки зрения абстрактного математика это решение ничем не хуже, чем другие. А со стороны физики, конечно, гравитация порождается материей. Если вы убираете материю и накладываете разумные условия на свойства вашего пространства, то гравитация тоже исчезает.
Каков главный вклад гравитации в свойства времени?
Она, собственно, и определяет эти свойства. В плоском пространстве время ─ просто одно из направлений, его свойства заданы глобально. Но если вы гравитацию подключаете, то свойства времени в каждой точке начинают сразу меняться. В общей теории относительности свойства времени меняются локально. В каждой точке вашего пространства находится сколько-нибудь материи. Эта материя в свою очередь вызывает гравитацию, а гравитация определяет, как будет течь время в этой точке. Джон Уилер, знаменитый физик-теоретик, который популяризовал понятие черной дыры, очень поэтично это выражал в двух фразах: «Пространство говорит материи, куда ей двигаться, а материя говорит пространству, как ему искривляться».
Время может двигаться вспять?
Здесь я могу сослаться на Сергея Владиленовича Красникова ─ пожалуй, главного в нашей стране специалиста по путешествиям во времени, он работает в Пулковской обсерватории. Сергей Владиленович, когда я слушал его доклады, утверждал, что машины времени не запрещаются классической общей теорией относительности. В рамках классической теории Эйнштейна может существовать пространство-время с нарушенной причинностью, то есть такое, в котором в принципе возможно движение назад по времени. Один из очень интересных результатов Красникова заключается в том, что машину времени, как оказывается, нельзя построить, то есть нельзя построить такое пространство-время, в котором гарантированно нарушалась бы причинность. Но мы можем на него наткнуться! Нельзя гарантировать, что при соблюдении каких-то действий, при выполнении каких-то действий, вы неизбежно попадете, как говорится, назад в прошлое.
То есть искусственно не создать, но в природе можно встретить?
Именно так. И это один из главных результатов, который, собственно, Красников получил. Но это, разумеется, чисто классическое рассмотрение. В целом, общее мнение таково, что для того, чтобы понять, возможны ли в действительности путешествия во времени и как они могут происходить, нам все-таки нужна квантовая теория гравитации. Квантовые поправки могут очень сильно повлиять на возможность путешествия во времени. Но я оговорюсь, это все пока что вопросы, имеющие исключительно академический интерес, потому что мы еще очень и очень далеки от любых экспериментов в этой области. Ну а конечный судья в физике ─ это, разумеется, эксперимент.