Что такое время физика
Время (физика)
Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание.
В диалектическом материализме время — это объективно реальная форма существования движущейся материи, характеризующая последовательность развёртывания материальных процессов, отделённость друг от друга разных стадий этих процессов, их длительность, их развитие.
В количественном (метрологическом) смысле понятие время имеет два аспекта:
Содержание
Свойства времени
В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе.
В релятивистской физике ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой, правда, в отличие от пространственных координат, она обладает противоположной сигнатурой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.
Физическая интерпретация вышеназванных теорий требует нового определения времени, как числа процессов в системе отсчёта, произошедших одновременно с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения Земли вокруг Солнца) или равномерная. Эталон секунды — период излучения, соответствующий переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.
Отсчёт времени
Как в классической, так и в релятивистской физике для отсчёта времени используется временна́я координата пространства-времени, причём (традиционно) принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временно́й координаты в классическом и релятивистском случае различен (см. Ось времени).
Зависимость от времени
Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются сохраняющимися величинами, или интегралами движения. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются интегралами движения.
Различные физические явления можно разделить на три группы
Направленность времени
Большинство современных учёных полагают, что различие между прошлым и будущим является принципиальным. Согласно современному уровню развития науки, информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии.
Что такое время и можно ли изменить его скорость?
Время — оно как воздух. Мы живем в нем и даже не задумываемся над тем, что это такое и как им пользоваться. Тем не менее, это очень сложная вещь, которая лежит в основе всего. Не зря же есть словосочетание ”пространство и время”. С пространством все понятно — вот оно. До работы 10 километров на машине, а до магазина 300 метров пешком. Вот только время в этом пути будет очень относительным. Но что это вообще такое и справедливо ли говорить о том, что время бесконечно и оно было всегда? Можно ли потрогать время? Может быть его можно остановить или повернуть вспять? Все эти вопросы люди часто задают друг другу и сами себе. Давайте попробуем ответить хоть на какие-то из них.
Время есть у всех. Но только что такое время?
Что такое время?
Обычно под временем мы понимаем то, что отсчитывается стрелками часов и чего нам всегда не хватает. При этом, считается, что время делится на прошлое, настоящее и будущее. С первым и последним понятно, но существует ли настоящее?
Любая микроскопическая доля времени, про которую мы постараемся сказать, как про настоящее, уже будет прошлым. Получается, что настоящего, как такового, не существует. Оно является только тем, что мы привыкли так называть, то есть очень широкое понятие в духе ”наши дни”. Оно может включать периоды от нескольких месяцев до нескольких лет и даже тысяч лет, если мы говорим, к примеру, о существовании Вселенной или формировании нашей планеты.
Одно из определений времени гласит, что это то, заставляет все события происходить неодновременно.
При этом многие ученые все же воспринимают время, как прогрессию, в которой будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым, и этот процесс непрерывен. Даже если взорвется наше Солнце, время все равно не остановится и продолжит существовать. Просто уже не для нас.
Почему во время карантина время идет быстрее?
Что дает понимание времени
А еще время является основной для понимания того, что такое динамика. Только имея представления о времени, можно говорить о событиях, которые развиваются с определенной скоростью. Ведь совершенно нормальным считается спросить, когда что-то произошло и сколько продлилось то или иное явление. Получается, что время похоже на пространство — это координаты, но не точки на карте того, когда это было. Отличие только одно. По карте можно ходить куда угодно, а по времени — только в одну сторону. Именно это свойство времени является главной загадкой, над которой бьются ученые и строят свои гипотезы фантасты.
Фантасты часто поднимают тему времени, так как полет фантазии в этом направлении невозможно остановить.
Люди воспринимают время более менее одинаково, так как привычные нам часы тикают с одной скорость. Однако, это справедливо только для классической физики. Квантовая же физика утверждает обратное и говорит о том, что система становится активной только в тот момент, когда за ней наблюдают. То есть, в некотором роде именно квантовая физика не исключает возможности движения времени вспять.
Немного юмора от физики, который кое-что объясняет.
Теория относительности Альберта Эйнштейна
В свое время Альберт Эйнштейн явил миру теорию относительности, о которой вы наверняка слышали. Она полностью меняет типичное представление о времени и взгляд на него. Согласно этой теории, прогрессия времени не универсальна. Если говорить совсем просто, то по этой теории часы идут с разной скоростью в зависимости от того, на чьей руке они надеты.
Если обладатель часов окажется в непривычной для него ситуации, например, будет перемещаться со скоростью света или окажется рядом с сильным источником гравитационных волн — например, рядом с черной дырой — время для него пойдет иначе. В некоторых ситуациях оно может даже остановиться или и вовсе повернутся вспять.
Теория относительности предполагает, что любые события могут влиять только на те события, которые происходят после них. Но это не противоречит движению времени, как вектора физической величины, в обратном направлении. В этом случае уже события будущего будут находится в прошлом относительно ”того, кто носит часы”.
Проще говоря, в такой ситуации восприятие привычных физических процессов меняется и человек оказавшийся в таком месте может не только наблюдать время, но и двигаться по нему как в обычном пространстве — влево, вправо, вперед, назад и так далее. То есть, относительность уравнивает время и пространство, наделяя их одними и теми же свойствами.
Величайшие умы мира бьются над разгадкой тайны времени, но они ничего пока так и не добились.
Возможно ли путешествие во времени
Есть еще понятие T-симметрии, когда явления и величины, коими они представлены, не зависят от шкалы координат, и при изменении положительного значения на отрицательное кривая на графике становится зеркальной. В теории относительности, несмотря на такие отличие от привычного мира, это правило тоже сохраняется.
Интересно, что в споры о возможности путешествия во времени в обратном направлении вмешивается термодинамика, которая говорит, что все процессы в мире стремятся из упорядоченной системы к хаосу, то есть увеличению энтропии. Этот процесс нельзя повернуться вспять. То есть, взорвавшиеся звезды нельзя ”склеить” обратно, а сгнивший лист железа превратить в новый. Проще говоря, ”фарш невозможно провернуть назад и мяса из него не восстановишь”.
Если они смогли, может и мы когда-то сможем?
В итоге, грубо можно сказать, что время для нас это то время, которое есть на Земле. Если мы начнем путешествовать в пространстве дальше ближайших планет, нам придется понимать, что такое время и как оно меняется. Хотя, формально, на незначительные доли секунд отклонения есть и на Земле. Это даже учитывается при создании некоторых сверхточных систем и атомных часов.
Понимаем ли мы время
Вообще, человечество пока плохо понимает, что такое время на самом деле и все сказанное является только теориями и гипотезами. Мы пока так и не смогли достичь источников гравитационных волн, хотя смогли зафиксировать их.
Как только люди научатся путешествовать во времени, очень не хотелось бы это пропустить. Поверьте, прежде чем бежать покупать билеты, мы напишем об этом в нашем новостном канале в Telegram. Присоединяйтесь, чтобы ничего не пропустить.
Пока о времени мы знам только то, что это геометрический параметр, характеризующий длительность процессов. Он является частью пространственно-временного континуума и четвертой осью привычного нам трехмерного мира. Ах да… Еще то, что это чертовски интересная и непонятная штука. Как у нас говорят — ничего непонятно, но очень интересно.
Физика для чайников: что такое время
Попробуйте сходу дать точное определение: что такое время? Мысль вертится вокруг этого понятия, пытается ухватиться, но вот сформулировать однозначное определение сложно. Есть разные концепции и трактовки времени в философии, физике, метрологии.
В классической механике и теории относительности используются совершенно разные концепции времени. В первом случае время характеризует последовательность событий, происходящих в трехмерном пространстве. Во втором рассматривается еще и как четвертая координата.
Что такое время?
Течение времени – совершенно естественное явление. Время идет, все вокруг меняется, происходят разные события. Именно поэтому о времени с точки зрения физики, в первую очередь, стоит говорить в контексте событий.
Если бы вокруг ничего не происходило, понятие времени не имело бы традиционного смысла. Другими словами, без событий времени не существует. Итак:
Время – мера того, как меняется окружающий мир. Время определяет длительность существования объектов, изменение их состояний и процессы, протекающие в них.
В системе СИ время измеряется в секундах и обозначается буквой t.
Как люди измеряли время?
Синодический месяц – время от одного новолуния до другого. За синодический месяц Луна совершает оборот вокруг Земли.
Древним людям ничего не оставалось, как привязать отсчет времени к движению небесных тел и событиям, связанным с ним. А именно – к смене дней, ночей и сезонов года.
В году 4 сезона и 12 месяцев. Именно столько раз за весну, лето, осень и зиму Луна меняет свои фазы.
По мере развития прогресса методы измерения времени совершенствовались, появились солнечные, водяные, песочные, огненные, механические, электронные и, наконец, молекулярные часы.
Часы FOCS 1 Часы FOCS 1 в Швейцарии измеряют время с погрешностью хода около одной секунды за 30 миллионов лет. Это очень точные часы, но через 30 миллионов лет их все же придется «подвести».
Почему в часе 60 минут, в минуте – 60 секунд, а в сутках – 24 часа?
Сразу оговоримся, что изложенное ниже во многом является личными предположениями автора, сделанными на основе исторических сведений. Если у наших читателей появятся уточнения или вопросы, мы будем рады видеть их в обсуждениях.
Древним народам нужна была какая-то основа, чтобы строить свои системы счисления. В Вавилоне за такую основу было взято число 60.
Именно благодаря шестидесятеричной системе счисления, придуманной шумерами и позже распространившейся в Древнем Вавилоне, окружность содержит 360 градусов, градус – 60 минут, а минута – 60 секунд.
Год можно представить в виде окружности, содержащей 360 градусов. Возможно, число 360 в данном контексте взялось оттого, что в году 365 дней, и эту цифру просто округлили до 360.
Когда-то самой короткой единицей измерения времени был час. Древние вавилоняне были сильными математиками и решили ввести меньшие единицы времени, используя свое любимое число 60. Поэтому, в часе 60 минут, а в минуте 60 секунд.
Но почему день делится на 12 часов? За это нужно сказать спасибо древним египтянам и их двенадцатиричной системе. День и ночь делились на 12 раных частей, считаясь разными царствами бытия. Скорее всего, первоначально использование числа 12 связано с количеством оборотов Луны вокруг Земли за год.
Самая большая единица измерения времени
Самая большая единица измерения времени – кальпа. Кальпа является понятием из индуизма и буддизма. Она равняется примерно 4,32 миллиардам лет, что совпадает с возрастом Земли с точностью до 5%.
Как в голову древним индуистам пришли такие цифры? Ответа на этот вопрос мы не знаем, но вся система как будто говорит нам, что тогда люди знали о Вселенной немного больше, чем мы.
Представление о времени
Кальпу в индуизме еще называют «днем Брахмы». День сменяется ночью, равной ему по продолжительности. 30 дней и ночей составляют месяц, а год состоит из 12 месяцев. Вся жизнь Брахмы – 100 лет, по прошествии которых мир погибает вместе с ним.
Если перевести сто лет Брахмы в наши традиционные годы, получится 311 триллионов и 40 миллиардов лет! Нынешнему Брахме 51 год.
Кальпа – самая большая единица измерения времени согласно книге рекордов Гиннеса.
Первые часы
Сначала было достаточно палочки, на которой каменным топором можно делать зарубки и тем самым отсчитывать прошедшие дни. Но это скорее был календарь, а не часы.
Первые и самые древние часы – солнечные. Их действие основано на изменении длины тени предметов по мере того, как солнце движется по небосводу. Такие часы представляли собой гномон – длинный шест, воткнутый в землю. Солнечные часы применялись в Древнем Египте и Китае. О них было доподлинно известно уже в 1200 году до нашей эры.
Солнечные часы в Китае
Затем появились водяные, песочные и огненные часы. Работа этих механизмов не была привязана к движению небесных светил. Долгое время водяные часы были главным инструментом для измерения времени.
Первые механические часы были изготовлены китайскими мастерами в 725 году нашей эры. Однако широкое распространение они получили относительно недавно.
В средневековой Европе механические часы устанавливались в башнях соборов и имели только одну стрелку – часовую. Карманные часы появились только в 1675 году (изобретение запатентовал Гюйгенс), а наручные – намного позже.
Первые наручные часы были исключительно женским аксессуаром. Они представляли собой богато украшенные изделия, точность хода которых отличалась огромными погрешностями. У уважающего себя мужчины не могло быть и мысли о том, чтобы носить наручные часы.
Современные часы
Сейчас механические или электронные часы есть у каждого. Они измеряют время с относительно небольшими погрешностями. Однако самыми точными часами в мире являются атомные часы. Их еще называют молекулярными или квантовыми.
Как мы помним, для определения единицы времени необходим какой-то периодический процесс. Когда-то самой короткой единицей был день. То есть единица измерения время была привязана к периодичности восхода и заката солнца. Потом минимальной единицей стал час, и так далее.
С 1967 года, согласно международной системе СИ, определение одной секунды привязано к периоду электромагнитного излучения, возникающего при переходе между сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133. А именно: одна секунда равна 9 192 631 770 таким периодам.
Время в физике
На данный момент не существует определенной и единой концепции определения времени в физике.
В классической механике время считается непрерывной, априорной и ничем не определяемой характеристикой мира.
Для измерения времени используется какая-либо периодическая последовательность событий. В классической физике время инвариантно относительно любой системы отсчета. То есть во всех системах события происходят одновременно.
Как найти время в физике? Простейшая формула, определяющая связь между пройденным путем, скоростью и временем, известна каждому школьнику и имеет вид:
Более подробно об основах классической механики читайте в нашей отдельной статье.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Термодинамика говорит, что время необратимо. Необратимо по причине возрастания энтропии замкнутой системы. Кстати, в нашем тематическом материале читайте о том, что такое энтропия.
Но самое интересное начинается в релятивистской физике. Приведем цитату Стивена Хокинга, физика, написавшего краткую историю времени.
Нам приходится принять, что время не отделено полностью от пространства и не независимо от него, но вместе с ним образует единый объект, который называется пространством-временем
Также в релятивистской физике время перестает быть инвариантом и можно говорить об относительности времени. Другими словами, ход времени зависит от движения системы отсчета.
Это так называемое релятивистское замедление времени. Если часы находятся в неподвижной системе отсчета, то в движущемся теле все процессы происходят медленнее, чем в неподвижном. Именно поэтому космонавт, путешествующий в космосе на супер скоростном корабле, практически не постареет по сравнению со своим братом близнецом, оставшимся на Земле.
Релятивистское замедление времени
Помимо релятивистского существует гравитационное замедление времени. Что это такое? Гравитационное замедление времени – изменение хода часов в гравитационном поле. Чем сильнее поле гравитации, тем сильнее замедление.
Вспомним о том, что секунда – это время, за которое атом изотопа цезия совершает 9 192 631 770 квантовых переходов. В зависимости от того, где находится атом (на земле, в космосе, вдали от любого объекта или у черной дыры) секунда будет иметь разные значения.
Поэтому и время процессов, связанных с данной системой отсчета, будет отличаться. Так, для наблюдателя у горизонта событий Шварцшильдовской черной дыры время практически остановится, а для наблюдателя на Земле все произойдет почти мгновенно.
Людей всегда волновала тема путешествий во времени. Предлагаем вам посмотреть научно-популярный фильм на эту тему и напоминаем, что если у вас совершенно нет времени на учебные дела, наш студенческий сервис всегда поможет справится с актуальными задачами и проблемами.
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.
Упрямая иллюзия или физическая реальность? Что наука говорит о Времени: интервью с кандидатом физико-математических наук А.А. Шейкиным
Я изучаю время. Ту самую штуку, из-за которой не всё происходит разом.
Из к/ф «Господин Никто», 2009 г.
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. Мы тоже решили не оставаться в стороне и обсудили природу времени с кандидатом физико-математических наук, старшим преподавателем кафедры физики высоких энергий и элементарных частиц Санкт-Петербургского государственного университета 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.
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.
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. Фото: Николай Мохначев, «Научная Россия».
─ 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.
Эрнст Мах (1838-1916 гг.) ─ австрийский физик, философ-позитивист, один из основателей эмпириокритицизма («критическое исследование опыта»), главным предметом которого являются научное мышление и механизмы образования знания.
─ 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.
Замедление времени близ планеты Земля. Источник иллюстрации: Физика от Побединского.
Замедление времени, Земля, на большем масштабе. Иллюстрация: Физика от Побединского
─ 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.
Многие считают, что одна из самых известных картин Сальвадора Дали ─ «Постоянство памяти» ─ была написана под влиянием работ Эйнштейна. Сам же художник утверждал, что вдохновлялся мягким французским сыром камамбер. Фото: https://ru.wikipedia.org/
─ 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.
ЛИТЕРАТУРА ПО ТЕМЕ:
1. Дж. Уитроу, «Естественная философия времени».
2. Г. ’т Хоофт, С. Вандорен, «Время. Явления природы на шкале времени».
3. Ш. Кэрролл, «Вечность. В поисках окончательной теории времени».
4. А.Д. Чернин, «Физика времени».
5. С.В. Красников, «Машины времени и сверхсветовые перемещения в ОТО».