Одновременность относительная и абсолютная

Понятие одновременности не допускало различных толкований в классической физике: если отсчет времени не зависит от выбора пространственной системы координат, то события, совершающиеся в один и тот же момент времени в какой-либо координатной системе, являются одновременными и во всякой другой системе. Одновременность, таким образом, выступала в качестве абсолютной характеристики событий, не зависящей от выбора системы координат.

В теории относительности понятие одновременности перестает быть однозначным, и модель мира Минковского дает этому простое объяснение. Инерциальным системам координат ОХ и О'Х' в одномерном чувственно воспринимаемом пространстве, движущимся относительно друг друга, соответствуют в псевдоевклидовой плоскости мирового пространства ортонормированные системы координат OXY и О'Х'У' с различными направлениями осей OY и O'Y'. Удобно рассматривать системы, имеющие общее начало координат О. В каждой ортонормированной системе координат на псевдоевклидовой плоскости линия одновременности (прямая, на которой все точки имеют одинаковое значение ординаты у = ct) перпендикулярна к оси ординат. На рис. 3 изображены три такие системы: OXY, OX'Y', OX «Y». На осях ординат этих систем выберем три точки А, В, С, имеющие одно и то же значение ординаты  в системе OXY, т.е. одновременные в нештрихованной координатной системе. Эти же точки имеют уже не одинаковые, а различные значения ординаты в штрихованной координатной системе OX'Y'.

 

Рис. 3.

 

Проведем через точки А, В, С линии одновременности системы OX'Y': у' = у'_В, АА', СС'. Пересечения их с осью OY' указывают значения ординаты у' событий А, В, С в штрихованной координатной системе и последовательность событий во времени с точки зрения этой системы: В → А → С. В дважды штрихованной системе координат OX «Y» линии одновременности у» = y «_C, АА», ВВ» показывают, что события А, В, С сменяют друг друга в иной последовательности, а именно: С → А → В.

Для наблюдателя, связанного с мировой прямой OY', цепочка событий В → А → С обозначает переход от прошлого к будущему (возрастание ординаты y'), а для наблюдателя, связанного с мировой прямой OY», та же последовательность событий В → А → С обозначает переход от будущего к прошлому (убывание ординаты у»). Нельзя пройти мимо этого явления, но следует тут же оговориться, что оно не столь парадоксально, как кажется на первый взгляд. И нет достаточных оснований для того вывода, что изменение системы координат способно обратить ход времени вспять.

Теория относительности не отрицает абсолютного различия между прошлым и будущим, а напротив, формулирует четкие условия возможности такого различения, которые просто и наглядно интерпретируются в модели мира Минковского. Для того чтобы две мировые точки А и В могли быть одновременными в какой-либо ортонормированной системе координат OXY псевдоевклидовой плоскости, они должны лежать на перпендикуляре к оси ординат этой системы. И поскольку ось OY принадлежит мнимым секторам, прямая, соединяющая точки А и В, должна принадлежать вещественным секторам. Любая ось OY может быть повернута как в положительную, так и в отрицательную сторону, поскольку угол между любым неизотропным вектором верхнего сектора и каждой изотропной прямой, ограничивающей сектор, бесконечно велик. Поэтому всегда найдутся такие координатные системы OX'Y' и OX «Y», у которых оси ОY' и OY» расположены по разные стороны от оси OY. Если вектор  имеет отрицательную проекцию на ось OY' (как на рис. 3), то мировая точка В является более ранней в системе OX'Y', чем точка А. При этом проекция вектора  на ось OY», отклоненную в другую сторону от OY, окажется положительной, и мировая точка В будет более поздней в системе OX «Y», чем точка А. Зависимость порядка следования событий от выбора координатной системы возможна лишь для таких мировых точек А и В, расстояние между которыми выражается вещественным числом (вектор  принадлежит вещественному сектору).

Если же мировые точки Р и F таковы, что расстояние между ними выражается мнимым числом (вектор  принадлежит мнимому сектору) или равно нулю (точки лежат на одной изотропной прямой), то вектор  не может быть перпендикулярным к какой-либо прямой мнимого сектора. Следовательно, не существует такой системы координат OXY, в которой мировые точки Р и F могли бы быть одновременными. Пусть в какой-нибудь координатной системе точка Р является более ранней, чем точка F (вектор  принадлежит верхнему сектору или одной из ограничивающих его изотропных прямых). Тогда проекция вектора  на любое неизотропное направление верхнего сектора будет положительной и, значит, в любой координатной системе событие F будет более поздним, чем событие Р. Другими словами, для мировых точек Р и F, определяющих вектор мнимого сектора или изотропный вектор, инверсия времени (обращение вспять последовательности событий) невозможна ни при каком изменении системы координат, так что событие F является абсолютно будущим по отношению к событию Р.

На рис. 3 все точки верхнего сектора, исходящего из точки О, включая ограничивающие его изотропные прямые у = х и у = – х, находятся в области абсолютного будущего по отношению к точке О, а все точки нижнего сектора вместе с ограничивающими его изотропными прямыми – в области абсолютного прошлого. Из каждой точки псевдоевклидовой плоскости исходят два сектора: сектор абсолютного прошлого и сектор абсолютного будущего. Как отмечено выше, вектор, касательный к любой мировой линии в любой ее точке и направленный в сторону роста мировой линии, принадлежит верхнему сектору. Поэтому какую бы точку на мировой линии мы ни выбрали, вся мировая линия не выйдет за пределы мнимых секторов, имеющих вершину в выбранной точке. А это значит, что на любой мировой линии различие между прошедшим и будущим не может зависеть от выбора координатной системы и в этом смысле абсолютно. Для точек любой изотропной прямой различие между прошедшим и будущим тоже абсолютно.

Если в мире Минковского совершается процесс проявления, то существуют два типа отношений одновременности и разновременности, основанные на двух разных критериях. Согласно одному критерию порядок следования событий во времени определяется проекциями соответствующих мировых точек на ось ординат. Этот критерий можно назвать координатно-геометрическим. Им мы и пользовались до сих пор. Согласно другому критерию порядок следования событий во времени определяется очередностью проявления соответствующих мировых точек. Оба критерия приводят к одинаковому результату, когда речь идет о мировых точках одной и той же мировой линии. Вывод об инвариантности различия между прошедшим и будущим на одной мировой линии, полученный на основе координатно-геометрического критерия, прекрасно согласуется с понятием мирового проявляющего процесса. Если прошлые участки мировой линии представляют уже сформировавшийся, проявленный материальный объект, а в будущем такого объекта нет, поскольку процесс проявления туда еще не дошел, то это физическое различие между прошлым и будущим тоже не зависит от выбора координатной системы.

Согласие обоих критериев может нарушиться, когда речь идет о точках, не лежащих на одной мировой линии. На рис. 3 точки Р и F лежат на изотропных прямых у = – х и у = х, пересекающихся в точке О. Поэтому точка Р и все точки, расположенные ниже нее на прямой PF, являются абсолютно прошлыми по отношению к точке О. Точка F и все точки, расположенные выше нее на прямой PF, являются абсолютно будущими по отношению к точке О. Но любая внутренняя точка отрезка PF удалена от мировой точки О на расстояние, выражаемое вещественным числом. Поэтому для каждой внутренней точки отрезка PF найдется такая система координат, в которой эта точка одновременна точке О, и найдутся такие системы координат, в которых эта точка является либо более ранней, либо более поздней, чем точка О. Например, в координатной системе OXY мировой точке О одновременна точка N на прямой PF. В координатной системе OX'Y' точке О одновременна точка Т на прямой PF, а точка N является будущей. В координатной системе OX» Y» точке О одновременна точка S на прямой PF, а точка N является прошлой. Это знакомая нам относительность одновременности, базирующаяся на координатно-геометрическом критерии. Другой же критерий, основанный на представлении о проявляющем процессе, не допускает такой многозначности временных отношений. По этому критерию независимо от выбора координатной системы возможно лишь одно из трех отношений: 1) мировая точка N проявляется вместе с точкой О; 2) точка N проявлена прежде точки О; 3) точка N проявится после точки О.

Каждый наблюдатель, несомненно, ощущает реальность границы между своим проявленным прошлым и непроявленным будущим. В любое мгновение своей жизни он переживает акт проявления и справедливо убежден, что в таком же положении находятся все другие наблюдатели и неодушевленные предметы. Какая же точка мировой линии PF проходит акт проявления вместе с точкой О? Здесь мы заменяем словом «вместе» слово «одновременно», поскольку стало уже привычным понимать одновременность в смысле координатного критерия. Если есть такие состояния мира, в которых существуют (проявлены) обе мировые точки О и N, и есть такие состояния мира, в которых не существует ни одна из них, но нет таких состояний, в которых одна из этих точек существовала бы, а другая не существовала, то мы скажем, что точки О и N проходят акт проявления вместе. Точки, проявляющиеся вместе, заслуживают названия абсолютно одновременных.

Координатно-геометрический критерий не допускает абсолютной одновременности. Поскольку все инерциальные системы координат в чувственно воспринимаемом пространстве равноправны и равноправны соответствующие им ортонормированные системы координат в псевдоевклидовом мировом пространстве, суждение об одновременности и разновременности мировых точек с позиций одной координатной системы столь же справедливо, как суждение с позиций любой другой системы, хотя бы эти суждения и противоречили друг другу. Раз не существует привилегированной (абсолютной) системы координат, то не может быть и абсолютной одновременности.

Но мы основываем понятие абсолютной одновременности не на координатно-геометрическом критерии и потому не вступаем в логическое противоречие с ним. Больше того, это понятие не вступает в противоречие и с экспериментальными основаниями теории относительности, поскольку экспериментирование с механическими и электромагнитными явлениями не позволяет обнаружить абсолютную одновременность. Предположим, что состояние наблюдателя, связанного с мировой прямой OF на рис. 3, изображается мировой точкой А. Наблюдатель знает, что он находится на границе между проявленным и непроявленным и переживает в свой настоящий момент времени акт проявления. Но восприятию наблюдателя в этот момент недоступна мировая точка В на прямой OF', и потому он не может знать, проявляется ли она вместе с А, была ли проявлена раньше или будет проявлена позже. Мировая точка В окажется доступной восприятию наблюдателя, когда он будет перенесен ходом проявляющего процесса вдоль своей прямой в точку М, лежащую на одной изотропной прямой с точкой В. Но это уже не поможет решению интересующего его вопроса. Факт наблюдаемости точки В из точки М будет говорить лишь о том, что точка В проявлена раньше точки М, и ничего не скажет о соотношении моментов проявления точек В и А. Между тем вполне возможны физические эксперименты, позволяющие наблюдателю, связанному с мировой прямой OF, измерить координаты точки В в его координатной системе OXY. Предположим, что в мировой точке О, где встречаются мировые прямые OY и OF', наблюдатель из OF произвел установку некоторого отражающего устройства на материальной точке, соответствующей мировой прямой OY'. В последующие моменты времени наблюдатель организует излучение фотонов из мировых точек своей прямой OF таким образом, чтобы в каждом фотоне (серии фотонов) содержалась информация о том, в какой момент времени по часам наблюдателя произошло излучение. Спустя некоторое время наблюдатель на прямой OF начнет принимать отражения своих сигналов с прямой OF' и отмечать моменты приема сигналов. Располагая такими экспериментальными данными, наблюдатель будет рассуждать следующим образом. Если в его мировой точке М принято отражение сигнала, который был испущен t секунд тому назад, то это значит, что сигнал был послан из мировой точки L, отделенной от точки М отрезком длиной . Отсюда можно найти ординату точки L.

.

За время t световой сигнал прошел вдоль оси ОХ туда и назад расстояние

определяющее абсциссу мировой точки В, отразившей сигнал. Ордината точки В равна

На мировой прямой OY такую же ординату имеет точка А:

.

Откуда наблюдатель делает справедливое заключение, что его координатной системе мировая точка В одновременна точке А. Однако, как показано выше, ото ничего не говорит о том, проявлена ли точка В раньше, позже или одновременно с точкой А. Может возникнуть вопрос: а стоит ли вообще говорить об абсолютной одновременности, если она экспериментально не обнаруживается? Не следует ли отбросить это понятие как излишнее и признать, что никакой иной одновременности, кроме относительной, в природе нет? В действительности такая точка зрения не столь безупречна, как кажется с первого взгляда. Уже выяснена несостоятельность того представления, что прошлое и будущее в равной мере не существуют, а существует лишь настоящее. Его придерживалась классическая физика, но оно противоречит относительности одновременности. Признание же прошлого и будущего существующими наряду с настоящим было бы еще худшей крайностью.

События, совершающиеся в настоящий момент времени, не вносят изменений в прошлое, не влияют на уже реализованные состояния мира, но будущие события формируются под влиянием прошлых и настоящих. Конечно, в известном смысле можно сказать, что будущее влияет на настоящее, поскольку, стремясь реализовать свои планы на будущее, мы подчиняем им свои действия в настоящем. Но, апеллируя к умственным способностям и творческим возможностям человека, мы выходим за рамки того круга явлений, в котором определяющую роль играют законы механики и электродинамики. Да и сам факт, что человек или иное живое существо может посредством целенаправленной деятельности (хотя бы и неосознанной) повлиять на ход будущих событий, направить их в то или иное русло, свидетельствует о том, что будущие события еще не реализованы, не проявлены, не существуют. Если бы будущие мировые точки были проявлены, как и прошлые, то жесткая предопределенность управляла бы развитием событий, и наше участие в жизни ограничивалось бы только пассивным просмотром существующих состояний мира в определенной последовательности. Лишилась бы почвы и смысла творческая активность, люди не имели бы возможности даже в малейшей степени быть творцами своего будущего.

Реальность различия между прошедшим и будущим служит необходимой предпосылкой определенной направленности процесса течения времени. Термодинамика характеризует положительное направление времени как такое спонтанное развертывание событий, при котором возрастает энтропия. Вот пара наглядных примеров процессов, протекающих с возрастанием энтропии. Перед началом биллиардной партии шары собраны в правильный треугольник, а после первого удара они беспорядочно рассеиваются по столу. Обратный ход времени применительно к этой ситуации выразился бы в том, что разбросанные шары должны собраться в исходный треугольник, что означало бы уменьшение энтропии системы. Другой пример. Вещество горящей сигареты рассыпается пеплом и рассеивается в окружающем воздухе в виде частиц дыма и газообразных продуктов горения (возрастание энтропии). Обратный ход времени выразился бы в обратной последовательности событий: не только рассеянные частицы собираются в целую сигарету, но и химические реакции протекают в обратном направлении, синтезируя из продуктов окисления крошки табака и вещество бумаги (уменьшение энтропии).

Признать, что прошлое физически отличается от будущего как существующее от несуществующего, – значит признать реальность перехода от непроявленного к проявленному, т.е. реальность проявляющего процесса. Принимая его для каждой мировой линии в отдельности, мы вынуждены ставить и решать вопрос о связи между процессами проявления различных мировых линий. Вряд ли возможно представить течение времени в мире так, будто проявление каждой мировой линии совершается в полной изолированности, вне всякой связи с другими мировыми линиями. Естественнее полагать, что процесс проявления характеризуется определенными пространственными формами в псевдоевклидовом мире Минковского, что совокупность точек, отделяющих на каждой мировой линии проявленную часть от непроявленной, обрисовывает определенную границу между проявленной и непроявленной областями мирового пространства. Назовем эту границу проявляющим фронтом. Каждое фиксированное положение проявляющего фронта включает в себя мировые точки, которые вместе переходят от несуществования к существованию, т.е. являются абсолютно одновременными. Поскольку в науке не рассматривался проявляющий процесс в мире Минковского, не возникала мысль и о проявляющем фронте. Но понятие проявляющего фронта с логической необходимостью сопутствует представлению о проявляющем процессе, без него это представление не может обрести достаточной четкости.

До сих пор мы рассуждали только о процессе проявления мировых линий, молчаливо допуская, что в промежутках между ними нет материальных объектов и проявляться нечему. Однако, как показано выше, вектор массы может характеризовать не только мировую линию, но и изотропную. Конечно, вектор массы характеризует не саму «пустую» линию как геометрический объект, а физический процесс, связанный с линией. Изотропные прямые проходят через каждую точку псевдоевклидовой плоскости, но, возможно, не каждая изотропная служит проводником электромагнитного воздействия. И, по-видимому, подобно тому, как имеются проявленные и непроявленные части мировых линий, должны существовать проявленные и непроявленные части изотропных линий. Вспомним, что изотропным свойственна двоякая мера длины. В метрическом отношении длина любого отрезка изотропной равна нулю, и может показаться лишенным смысла представление о процессе, совершающемся на пути нулевой длины. Однако в линейном отношении отрезки одной и той же изотропной различаются своими длинами, что позволяет говорить о распространении процесса вдоль изотропной. Та точка изотропной, до которой дошел процесс проявления, приобретает физическое свойство, характеризуемое изотропным вектором массы, благодаря чему в этой точке может быть осуществлена передача энергии и импульса от изотропной к мировой линии, если таковая встретится. В тех же точках, до которых процесс проявления еще не дошел, во-первых, нечего передавать, во-вторых, нечему передавать, поскольку там нет и проявленных точек мировой линии. Изотропные линии в качестве проявляемых объектов заполняют пространство между мировыми линиями, и благодаря этому можно (на макроскопическом уровне) представлять проявляющий фронт в псевдоевклидовой плоскости не в виде множества изолированных точек на мировых линиях, а в виде некоторой сплошной линии, прямой или кривой.

Хотя доступные нам эксперименты не позволяют определить направление проявляющего фронта, можно высказать некоторые теоретические соображения на этот счет. Линия, представляющая проявляющий фронт в псевдоевклидовой плоскости, должна пересекать все без исключения мировые линии, находящиеся в этой плоскости. Таким свойством обладает всякая прямая, принадлежащая вещественным секторам. Им обладает и кривая линия, у которой касательная в любой точке принадлежит вещественным секторам, или, иначе говоря, положительная нормаль к кривой в любой ее точке принадлежит верхнему сектору. Прямолинейный фронт будет характеризоваться единственным направлением проявляющего движения, перпендикулярным к фронту. Криволинейному фронту отвечает множество перпендикулярных к нему направлений, по которым распространяется проявляющий процесс.

Такое представление о проявляющем фронте не противоречит координатно-геометрическим различиям между абсолютно прошедшим и абсолютно будущим. Для наблюдателя, состояние которого изображается на рис. 3 мировой точкой О, абсолютно будущими являются не только точки его собственной мировой линии, но и точки других мировых линий, находящиеся в верхнем секторе. Например, точка F и все более поздние точки на прямой PF являются абсолютно будущими по отношению к точке О. Но именно такие точки и не могут быть проявлены в тот момент, когда проявляющий фронт проходит через точку О, ибо он не выходит за пределы вещественного сектора. Вместе с тем в этот момент неизбежно оказываются уже проявленными все точки нижнего сектора, исходящего из точки О, в частности точка Р и все более ранние точки на прямой PF. При любом допустимом расположении проявляющего фронта, проходящего через точку О, фронт необходимо пересечет отрезок PF в одной из его внутренних точек, которая и будет абсолютно одновременной точке О. Выше показано, что для любой внутренней точки отрезка PF найдется ортонормированная система координат, в которой эта точка одновременна точке О. Таким образом, абсолютная одновременность неизбежно примет форму относительной одновременности в какой-нибудь координатной системе, хотя мы и не можем узнать, в какой именно.

Все релятивистские эффекты, в том числе и относительность одновременности, обусловлены наклоном мировых линий друг к другу. Наш обыденный опыт и опыт классической механики ограничен мировыми линиями, имеющими близкие направления («почти параллельными»). В таких условиях проявляющий процесс воспринимается с акцентом на абсолютном характере течения времени, и этим объясняется, почему сначала наука считала одновременность инвариантной. Классическое представление о существовании абсолютной одновременности правильно отражало фундаментальное свойство мира, но страдало узостью, поскольку не учитывало богатого разнообразия форм абсолютного процесса проявления. Для, теории относительности, столкнувшейся с таким разнообразием, была бы грехом односторонности противоположная крайность – отрицание абсолютной одновременности. Не имея возможности экспериментально определить направление фронта (абсолютно одновременные точки), мы не знаем и направления нормали к нему. Практическому измерению доступны только длины проявленных участков отдельных мировых линий. Хотя не наложено никаких ограничений на численную величину угла между нормалями, направления их ограничены изотропными прямыми, так что всякая положительная нормаль к проявляющему фронту в псевдоевклидовой плоскости принадлежит одному и тому же мнимому сектору (который мы изображаем на рисунках в виде верхнего сектора). Только в этом смысле мы и можем говорить об определенности положительного направления проявляющего процесса.

Если есть какой-либо реальный физический смысл в представлении об обратном направлении течения времени, то это должно быть не что иное, как возвращение проявляющего процесса вспять по всем мировым линиям. Тогда надо представлять мир пульсирующим. Прямое движение проявляющего фронта, в результате которого вырастает космическое «дерево» мировых линий, дойдя до некоторого предела, сменится возвратным движением. Эта отрицательная фаза мирового цикла должна быть фазой «свертывания» проявленного мира. Проявляющий фронт превратится в «стирающий» фронт, который покатится назад, оставляя за собой (там, где в положительной фазе цикла находилась непроявленная область будущего) наступающую область непроявленности. Все процессы, протекавшие в прямом цикле с возрастанием энтропии, потекут в обратном направлении с уменьшением энтропии. Для того чтобы из рассеявшихся газов, дыма и пепла сгоревшей сигареты могла восстановиться целая сигарета, процесс ее «сборки» должен быть целенаправленным и управляемым информацией о структуре и путях рассеяния исходного объекта. Но вся эта информация естественным образом заключена в проявленных мировых линиях, а целенаправленность обеспечивается тем, что процесс «стирания» идет по проложенным ранее путям и не может привести ни к чему иному, как к тем пунктам, которые были исходными в процессе проявления.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: