Время в теории относительности.

Новый экспериментальный материал в начале XX века заставил серьезно пересмотреть фундамент физики. Постановка вороса: что такое время позволила глубже проникнуть в суть физических законов. Действительно, откуда следует, что время должно быть одинаковым во всех системах отсчета? Если мы будем рассматривать время как некоторую метафизическую сущность, связанную с реальностью посредством Службы Времени, то ответ на этот вопрос может лежать только в области метафизики. Ну, а если эту проблему сформулировать по-научному? Вопрос сводится к установлению процедуры сличения (синхронизации) часов. Как проводилась синхронизация часов в классической физике? Брали много-много хронометров, ставили по Службе Времени, грузили на парусник и везли в другое место, там снова сверяли со звездами (именно так это происходило в 1841 году, когда перевозили около 40 хронометров из Гринвича в Пулково, правда с целью измерения разности долгот). Но синхронизацию первых, (Гринвичских) часов со вторыми, мы провели не мгновенно, а спустя некоторое время (реально несколько месяцев), за которое ход обоих часов мог произвольно измениться. Kак провести синхронизацию часов мгновенно? Заставив двигаться парусник с бесконечной скоростью. Иначе принципиально невозможно доказать, что ход Гринвичских часов полностью совпадает с ходом часов Пулковских. Впервые это осознал Эйнштейн. Он предложил процедуру синхронизации, названную его именем, основанную на обмене световыми сигналами. Следующий шаг -- объявить временем величину, которая получается при синхронизации по Эйнштейну. Благодаря этому новому подходу утверждение об одинаковости хода часов в разных системах отсчета сформулировано так, что справедливость этого можно проверить на опыте. Впрочем, сразу из конечности скорости распространению любого сигнала следует, что ход движущихся часов будет отличаться от хода часов покоящихся. Учет гравитационного потенциала тел приводит (уже в рамках ОТО) к тому, что ход часов будет разным в разных точках пространства, даже если часы неподвижны. Таким образом время теряет свою вездесущность, теперь уже нет глобального аргумента t, или, точнее, это утверждение опровергается опытом; время может быть только локальным, а связь между локальным временем различных часов определяется уравнениями теории относительности.

Хотелось бы подчеркнуть, что такой решительный поворот стал возможен потому, что мы отказались от толкования времени как отвлеченной сущности. Время -- это то, что мы можем измерять. Если мы сможем измерять время и проводить синхронизацию часов лишь с помощью сигналов, распространяющихся с конечной скоростью, то из этого с неизбежностью следует относительность времени. Другими словами удалось показать, что абсолютное время ненаблюдаемо в принципе, и поэтому должно быть безжалостно изгнано из физики (но не из философии).

Равномерность времени.

Еще Ньютон, как мы видели, указывал, что время, которое он положил в основу своей механики, должно быть равномерным. Но что означает равномерность - это Ньютон не обсуждает. К чему может привести тот факт, что наши часы идут неравномерно? Как ни странно, но об этом воросе не задумывались до тех пор, пока, как говорится, не грянул гром. Вообще движение Луны по орбите мешало спокойно спать (днем, конечно) многим поколениям астрономов, начиная еще со времен древнего Вавилона. Но к концу XIX века, несмотря ни на какие ухищрения, оставалось некое загадочное неравенство. Получаось, что Луна по каким-то причинам ускорялась. Нарушался ни много ни мало как закон сохранения энергии. Потом выяснилось, что аналогичные вариации, пропорциональные суточному движению, имеют и все планеты. Выходило, что между планетами и Луной существовала какая-то загадочная связь. Не сразу удалось понять, что дело не в планетах, а... в Земле, используемой как эталон времени.

В 1918 году Нетер доказала одну фундаментальную теорему, из котрой следовала связь законов сохранения с однородностью времени. Закон сохранения энергии, оказалось, можно трактовать как следствие выбора равномерного (однородного) времени. Другими словами достаточно потребовать независимости физических законов от того, когда происходило событие, то есть, от абсолютной датировки, как в результате мы получим закон сохранения энергии и наоборот. Любой другой характер времени приведет к тому, что энергия перестанет сохраняться, а будет сохраняться другая величина, зависящая от неоднородности нашего времени. Что и произошло при исследовании движения Луны. Таким образом равномерность времени теряет характер некоторой неотъемлемой черты времени самого по себе, а приобретает характер очень удобного соглашения, значительно упрощающего уравнения. Принимая неоднородное время, мы при проведении высокоточных измерений обнаружим между невзаимодействующими процессами связь, как это произошло с Луной и другими планетами, связь, физического содержания не имеющую, и проистекающую единственно из неоднородности принятого времени. Таким образом выбор однородного времени позволяет также избавиться от нежелательной корреляции невзаимодействующих процессов.

Определение времени.

Tак что же понимается под временем в современной физике? В начале статьи я отмечал, что время относится к классу нередуцируемых понятий, и поэтому к попытке дать определение времени следует подходить крайне осторожно. Является ли время таким очевидным понятием как точка, множество, тело, которые понимаются нами настолько одинаково, что можно на их основе строить теории, полностью избегая их неоднозначного понимания? Мне кажется, нет. Я могу определить время, например, следующим образом:

Определение 1. Назовем состоянием тела (системы тел) набор параметров, характеризующих тело (систему тел) в данной задаче.

Из опыта следует, что существуют такие тела, для которых некоторые параметры при выполнении ряда повторных измерений изменяются.

Определение 2. Назовем процессом явление изменения состояния.

Утверждение 1. Существует хотя бы один процесс.

Это утверждение ниоткуда не следует. Мы можем полагать, что это изменение является следствием изменений в наших приборах или в наших органах чувств, а можем считать, что эти изменения происходят в исследуемом теле. Мы утверждаем, что может иметь место вторая альтернатива. Важно еще и то, что существуют такие тела (системы тел), где процессы проходят. В противном случае было бы невозможно ввести время.

Из опыта следует, что существуют разные процессы. Это отличие может быть выражено субъективной оценкой медленное, быстрое. Для отражения этой характеристики введем понятие эталонного времени.

Эталонное время вводится для сравнения процессов. Любой процесс мы можем сравнить с неким выделенным, принятым за эталон с помощью процедуры сравнения. При этом приходится пользоваться двумя неопределяемыми понятиями:

Неопредляемое понятие 1. Примем без определения понятие одновременности двух событий, происшедших в одной и той же точке пространства, где расположен наблюдатель.

Пояснение 1. Естественно, что требование, чтобы два события и, вдобавок, наблюдатель находились в одной точке пространства, нереализуемо. Более физичным следует признать требование, чтобы наблюдаемые события и начало системы отсчета, к которой относит измерения наблюдатель, находились в малой области пространства. Точные критерии малости этой области находятся из решений уравнений теории относительности.

Пояснение 2. Когда мы говорим об " одной и той же точке пространства", то подразумевается, что введена система отсчета, в которой координаты этих событий совпадают, и наблюдатель относит свои измерения именно к этой системе отсчета.

Неопределяемое понятие 2. Примем без определения понятиe позже для двух событий, прошедших в одной и той же точке пространства, что и наблюдатель.

Теперь мы можем определить промежуток времени для двух событий, прошедших в одной и той же точке, что и наблюдатель:

Определение 3. Пусть в данной точке пространства, где расположен наблюдатель, происходят два события, первое и второе, которое произошло позже первого. Проведем одновременно с первым событием измерение выбранного параметра у эталонного процесса, протекающего в той же точке пространства, что и события. Аналогичное измерение выполним и для второго процесса. Разность значений этих параметров для второго и первого событий по определению есть промежуток эталонного времени.

Определение 4. Выберем фиксированное событие. Промежуток эталонного времени между произвольным процессом и фиксированным по определению есть эталонное время.

За эталон мы в принципе можем взять любой процесс. Однако существует некий выделенный равномерный (или однородный) процесс.

Утверждение 2. Существует такой эталонный процесс, что найдется хотя бы одна система отсчета, для котрой верно: если тело свободно, то его скорость, измеренная с помощью этого эталона, есть величина постоянная (1-й закон Ньютона).

Определение 5. Такой процесс назовем однородным, а эталонное время, измеренное с помощью такого эталон, назовем просто -- временем.

Из опыта следует, что утверждение 2 верно, и введенное таким способом время определено корректно.

Таким образом построение определения времени закончено. В заключение я бы хотел привести слова Августина Аврелия:

" Я прекрасно знаю, что такое время, пока не думаю об этом, но стоит задуматься -- и вот я уже не знаю, что такое время."

§

Тайм-менеджмент: простые способы управления временем

Ритм, в котором живет большинство из нас, вряд ли можно назвать спокойным и размеренным. Нехватка времени, аврал и жесткий цейтнот являются испытаниями, справиться с которыми под силу далеко не каждому. Постоянное пребывание в состоянии «не знаю, за что хвататься» вряд ли можно назвать подходящим, когда речь идет о личной эффективности.

Эмоциональное напряжение блокирует производительность, приводит к быстрой утомляемости и апатии. Поэтому, чтобы не стать жертвой стресса или, еще хуже, синдрома хронической усталости, займемся управлением временем или тайм-менеджментом.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: