Страница 22 из 36
Далее выделяется несколько классов (типов) времени:
абстрактное (представляемое);
физическое (измеряемое с помощью тех или иных механизмов или за счет наблюдения периодических явлений природы);
метрическое (отвлеченное) математическое время, матрица для пересчетов между физическим и релятивистским временем;
релятивистское время (время теории относительности);
биологическое время (время живых организмов).
Детальное изучение времени началось тогда, когда были сконструированы приборы точного измерения его отрезков. Их создали на основе развития астрономических знаний о Земле как небесном теле, о Солнечной системе, Галактике и на основе успехов физики.
Человечество научилось очень точно мерить время течения процессов как в самом человеке, так и вне его, во всей Вселенной, поскольку часы, употребляемые астрономами, суть не что иное, как совокупность всей Солнечной системы.
В нашу задачу не входит изложение техники этих измерений, достаточно только напомнить, что новым эталоном времени стали атомные часы[34], что созданы различного типа электронные секундомеры, разрешающие измерять малые промежутки времени. Это позволило изучать атомные и ядерные процессы, протекающие за миллионные, миллиардные и биллионные доли секунды. Наконец, люди научились в некоторых случаях как бы изменять временные масштабы. Сверхскоростная киносъемка с последующим медленным воспроизведением всего происшедшего разрешает рассмотреть ход сверхбыстрых процессов (включая взрывы), а съемка замедленная с последующим ускоренным воспроизведением— процессов медленных (включая рост и развитие).
Эти технические возможности обеспечили измерение скорости самых различных процессов и сравнение этих скоростей между собой.
Что касается астрономии, то ее успехи в изучении двойных звезд разрешили многое узнать о природе гравитационных волн, то есть излучений, которые па земном шаре проявляются в виде силы тяжести. Согласно общей теории относительности, гравитационные волны представляют собой поперечные волны кривизны пространства— времени, которые могут существовать вдали от гравитирующих масс и распространяться со скоростью света. Под их воздействием тела испытывают деформации так называемого приливного типа — растяжение и сжатие. Силы гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю вызывают как вынужденные колебания оси вращения Земли, так и приливные деформации земного шара. Луна находится ближе к Земле, чем Солнце, и приливы от нее вдвое больше. Не говоря о морских приливах, которые хорошо известны, Луна вызывает явления приливов и суши. На широте Москвы изменения радиуса Земли в результате этого достигают 40 сантиметров. Сила тяжести изменяется на Земле от экватора к полюсам, с увеличением высоты над поверхностью Земли и со временем. Последнее происходит периодически в связи с изменением положения Земли относительно Луны и Солнца и не периодически — в связи с процессами, происходящими в недрах Земли.
Знания о природе гравитационных волн позволили развить релятивистскую теорию гравитации, и в частности показать зависимость хода собственного времени системы от характера поля гравитации. Наконец, значительные успехи, достигнутые в развитии целого ряда областей науки (биологии, биогеохимии, гистологии, эмбриологии, физиологии и т. п.), когда была использована точная аппаратура, разрешающая измерять время биологических процессов, позволили совершить большой скачок в деле познания особенностей времени живых организмов — биологического времени, выделенного академиком В. И. Вернадским в 30-х годах нашего века.
Время с точки зрения физика
До 1905 года, когда А. Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности, общепринятой являлась ньютоновская концепция времени как некая абсолютная длительность, не зависящая от материи. Пространство и время рассматривались как некий ящик, в который вложена материя и свойства которого не зависят от наличия вещества. Кроме того, время считалось однородным, одинаковым во всех точках пространства и от пространства не зависящим.
Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна — Минковского[35]), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событий в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся π-мезон живет 10-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью — 300000 километров в секунду — он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.
Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.
Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.
Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некоей величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно и изотропно или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (т. е. в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.
Эйнштейн получил цилиндрическую Вселенную, то есть мир, в котором пространство обладает положительной кривизной и замкнуто, а время незамкнуто. У де Ситера получился сферический мир, в котором и время замкнуто.
Современные космологические представления основываются на решениях, найденных советским исследователем А. А. Фридманом в 1924 году. Он описывает полностью однородный и изотропный мир. Основным свойством этих решений является их нестационарность Возникающие отсюда представления о расширяющейся Вселенной полностью подтверждаются астрономическими данными. Первым подтверждением этого факта было открытие Хабблом в 1929 году красного смещения в спектрах удаленных галактик. Если считать, что это следствие так называемого эффекта Доплера, то красное смещение доказывает удаление галактик. Таким образом, в настоящее время можно считать, что изотропная модель дает, в общем, правильное описание Вселенной. Другим важным свойством изотропной модели является наличие в ней особой точки пространственно-временной метрики по отношению ко времени. Присутствие такой точки означает, другими словами, конечность времени. Вопрос о конечности времени продолжает дискутироваться и пока остается открытым. Общая теория относительности допускает в принципе не только бесконечные, но и конечные решения. Существуют модели, допускающие замкнутость линий времени, но если замкнутое пространство еще можно трактовать как конечное, то переход от замкнутости времени к заключению о его конечности наталкивается на значительные трудности. Дело в том, что замкнутое время означает повторение циклов событий. При этом для описания последовательности циклов событий возникает необходимость ввести некое промежуточное мета-время. Попытки же его введения наталкиваются на неизбежность пересмотра самого понятия времени, характерного для общей теории относительности. Поэтому представляется наиболее вероятным, что в рамках этой теории логическая конструкция замкнутого времени как раз и есть форма замкнутого времени.
34
В 1967 г. дано новое определение секунды — она равна 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
35
Герман Минковский (1864–1907) — немецкий математик и физик, дал геометрическую интерпретацию теории относительности.