|
Амиран Хускивадзе
1. Краткая история становления современных представлений о времени по С. Хокингу
Ниже изложена краткая история становления понятия «Время». Точнее, она представляет собой набор цитат, заимствованных из замечательной книги С. Хокинга «Кратная история времени» [1].
Великих мыслителей издавна беспокоили вопросы: Откуда взялась Вселенная? Было ли у Вселенной начало, и если было, то, что происходило до этого? Как вообще Вселенная устроена?
Найти ответы на эти вопросы старался греческий философ Аристотель еще в 4-м веке до нашей эры.
Аристотель полагал, что центром Вселенной является Земля, которая, со своей стороны, представляет собой круглый неподвижный шар. Солнце, Луна, планеты и звезды обращаются вокруг нее по круговым орбитам.
Птолемей во II веке нашей эры развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Он, как и Аристотель, считал, что Земля стоит в центре Вселенной. Но, в отличие от Аристотеля, он полагал, что Земля окружена восемью сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который, как мы видим, совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь, в одном и том же положении относительно друг друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но, во всяком случае, это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.
Модель Птолемей просуществовал до начала 16 века нашей Эры. В 1514 году польский священник Николай Коперник предложил новую модель строения Вселенной. В отличие от Аристотеля и Птолемея Коперник полагал, что центром Вселенной является Солнце, которое стоит неподвижно , а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Теория Коперника нашла признание, когда в 1609 г. итальянец Галилео Галилей начал наблюдать ночное небо с помощью только что изобретенного телескопа. Направив телескоп на планету Юпитер, Галилей обнаружил несколько маленьких спутников, или лун, которые обращаются вокруг Юпитера. Это означало, что не все небесные тела должны обязательно обращаться непосредственно вокруг Земли, как считали Аристотель и Птолемей.
Идею Коперника поддержал и немецкий астроном Иоганн Кеплер. Правда, Кеплер модифицировал теорию Коперника. Он предположил, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам. Это совпадало с результатами наблюдений. Но Кеплер, обнаружив почти случайно, что эллиптические орбиты хорошо согласуются с наблюдениями, так и не сумел примирить этот факт со своей идеей о том, что планеты обращаются вокруг Солнца под действием магнитных сил. Объяснение пришло лишь позднее, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал свою книгу «Математические начала натуральной философии». В этой книге Ньютон выдвинул теорию движения материальных тел во времени и пространстве. Он разработал сложные математические методы, необходимые для анализа движения небесных тел и постулировал закон всемирного тяготения. Согласно этому закону всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это то самая сила, которая заставляет тела падать на землю. Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Закон Ньютона позволил с большой точностью предсказать орбиты Земли, Луны и планет. Если бы закон всемирного тяготения был иным, и сила гравитационного притяжения уменьшалась быстрее, чем по закону Ньютона, то орбиты планет были бы не эллипсами, а спиралями, сходящимися к Солнцу. Если же гравитационное притяжение убывало бы с расстоянием медленнее, то притяжение удаленных звезд оказалось бы сильнее притяжения Земли. Позже, чрезвычайно точные наблюдения за планетой Меркурий выявили небольшие расхождения между ее движением и предсказаниями теории тяготения. Общая теория относительности Эйнштейна подтвердила, что «Меркурий должен двигаться немного иначе, чем получается в теории Ньютона». Этот факт, стал одним из решающих подтверждений Общей теории относительности Эйнштейна. Однако, в утверждении этой теории еще большую роль сыграло следующее. Из законов Ньютона следует, что «единого эталона покоя не существует. Вы можете на равных основаниях утверждать, что тело А находится в покое, а тело В движется относительно тела А с постоянной скоростью или же что тело В, наоборот, покоится, а тело А движется. Предположим , например, что мы забыли о том, что наша планета вращается вокруг своей оси и вокруг Солнца. Тогда, сидя в поезде, можно сказать, что земля покоится, а поезд несется на север со скоростью девяносто километров в час или же что поезд стоит на месте, а земля под ним убегает на юг со скоростью 90 километров в час. Если бы в этом поезде кто-нибудь экспериментировал с движущимися телами, то оказалось бы, что все законы Ньютона выполняются. Например, играя в поезде в настольный теннис, вы обнаружили бы, что траектория шарика подчиняется законам Ньютона, как если бы вы играли на неподвижном столе, и вы не могли бы сказать, что именно движется – поезд или земля.
Отсутствие абсолютного эталона покоя означает, что невозможно определить, произошли ли некие два события в одной и той же точке пространства, если известно, что они имели место в разные моменты времени. Пусть, например, наш теннисный шарик в движущемся поезде отскакивает от стола вертикально вверх и, падая вниз, ударяется через секунду о стол в той же точке. Тому, кто стоит у железнодорожного полотна, показалось бы, что точки соприкосновения шарика со столом разделены расстоянием в столько метров, сколько прошел поезд за время между подскоками. Следовательно, отсутствие абсолютного состояния покоя означает, что никакому событию нельзя приписать абсолютного положения в пространстве, как это полагал Аристотель. Положение событий в пространстве и расстояния между ними должны быть разными для наблюдателя, едущего в поезде, и для наблюдателя, который стоит рядом с проходящим поездом, и нет никаких оснований считать, что положения, фиксируемые одним из этих наблюдателей, более предпочтительны, чем положения, фиксируемые другим.
Таким образом, законы Ньютона указывали на отсутствие абсолютного положения в пространстве или, как его называли, абсолютного пространства. Но Ньютон, как и Аристотель, верили в абсолютное время. Иными словами, Аристотель и Ньютон считали, что временной интервал между двумя событиями можно однозначно измерить и что результат будет одинаков независимо от того, кто производит измерения, лишь бы у измеряющего были правильные часы. Время было полностью отделено от пространства и считалось не зависящим от него. В действительности, как выяснилось позже, такое представление о времени, основанное на «здравом смысле», не всегда справедливо. Точнее, оно относятся к сравнительно малым скоростям , но оно оказывается совершенно неуместно, когда скорости становятся близкими к скорости света.
То, что свет распространяется с конечной, хотя и очень большой скоростью, было установлено в 1676 г. датским астрономом Оле Христенсеном Рёмером. Однако настоящей теории распространения света не существовало до 1865 г., когда английский физик Джеймс Кларк Максвелл сумел объединить две частные теории, с помощью которых тогда описывали электрические и магнитные силы. Теория Максвелла предсказывала, что радиоволны и свет должны распространяться с некоторой фиксированной скоростью. Но поскольку теория Ньютона покончила с представлением об абсолютном покое, теперь, говоря о фиксированной скорости света, нужно было указать, относительно чего измеряется эта фиксированная скорость. В связи с этим было постулировано существование некой субстанции, названной «эфиром», которым наполнено все, даже «пустое» пространство. Световые волны распространяются в эфире так же, как звуковые в воздухе, и, следовательно, их скорость – это скорость относительно эфира. Наблюдатели, с разными скоростями движущиеся относительно эфира, должны видеть, что свет идет к ним с разной скоростью, но скорость света относительно эфира должна оставаться при этом неизменной. В частности, коль скоро Земля движется в эфире по своей орбите вокруг Солнца, скорость света, измеренная в направлении движения Земли (при движении в сторону источника света), должна превышать скорость света, измеренную под прямым углом к направлению движения (т. е. когда мы не движемся к источнику). В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили в Кливлендской школе прикладных наук очень точный эксперимент. Майкельсон и Морли сравнивали значение скорости света, измеренной в направлении движения Земли, с ее значением, измеренным в перпендикулярном направлении. К своему огромному удивлению, они обнаружили, что оба значения совершенно одинаковы!.
С 1887 по 1905 г. был сделан ряд попыток (наиболее известная из которых принадлежит датскому физику Хендрику Лоренцу) объяснить результат эксперимента Майкельсона и Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращаются в размерах, а все часы замедляют свой ход. Но в 1905 г. Альберт Эйнштейн и вслед за ним один из ведущих французских математиков Анри Пуанкаре показали, что «никакого эфира не нужно, если отказаться от понятия абсолютного времени. Аргументы, выдвинутые Эйнштейном, были ближе к физике, чем аргументы Пуанкаре, который подошел к этой задаче как математической. Об Эйнштейне обычно говорят как о создателе новой теории, но и имя Пуанкаре связывают с разработкой важной ее части.
Фундаментальный постулат Специальной теории относительности, как стали называть новую теорию, состоял в том, что законы науки должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от скорости их движения. Этот постулат был справедлив для законов движения Ньютона, но теперь он был распространен на теорию Максвелла и на скорость света; скорость света, измеренная любыми наблюдателями, должна быть одинакова независимо от того, с какой скоростью движутся сами наблюдатели. Из этого простого принципа вытекает ряд замечательных следствий. Самые известные из них – это, наверное, эквивалентность массы и энергии, нашедшая свое выражение в знаменитом уравнении Эйнштейна Е = mc2 (где Е – энергия, m – масса, а с – скорость света), и закон, согласно которому ничто не может двигаться быстрее света. В силу эквивалентности массы и энергии, энергия, которой обладает движущийся объект, должна теперь добавляться к его массе. Другими словами, чем больше энергия, тем труднее увеличить скорость. Правда, этот эффект существенен лишь при скоростях, близких к скорости света. Если, например, скорость какого-нибудь объекта составляет 10% скорости света, то его масса - лишь на 0, 5% больше нормальной, тогда как при скорости, равной 90% скорости света, масса уже в 2 раза превышает нормальную. По мере того как скорость объекта приближается к скорости света, масса растет все быстрее, так что для дальнейшего ускорения требуется все больше и больше энергии. На самом деле скорость объекта никогда не может достичь скорости света, так как тогда его масса стала бы бесконечно большой, а поскольку масса эквивалентна энергии, для достижения такой скорости потребовалась бы бесконечно большая энергия. Таким образом, любой нормальный объект в силу принципа относительности навсегда обречен двигаться со скоростью, не превышающей скорости света. Только свет и другие волны, не обладающие «собственной» массой, могут двигаться со скоростью света.
Другое замечательное следствие из постулата относительности – революция в наших представлениях о пространстве и времени. По теории Ньютона, если световой импульс послан из одной точки в другую, то время его прохождения, измеренное разными наблюдателями, будет одинаковым (поскольку время абсолютно), но пройденный им путь может оказаться разным у разных наблюдателей (так как пространство не является абсолютным). И поскольку скорость света есть пройденное светом расстояние, деленное на время, разные наблюдатели будут получать разные скорости света. В теории относительности же все наблюдатели должны быть согласны в том, с какой скоростью распространяется свет. И коль скоро у них нет согласия в вопросе о расстоянии, пройденном светом, у них не должно быть согласия и в том, сколько времени шел свет. (Время прохождения – это пройденное светом расстояние, относительно которого нет согласия у наблюдателей, деленное на скорость света, относительно которой все согласны). Иными словами, теория относительности покончила с понятием абсолютного времени! Оказалось, что у каждого наблюдателя должен быть свой масштаб времени, измеряемого с помощью имеющихся у него часов, и что показания одинаковых часов, находящихся у разных наблюдателей, не обязательно согласуются.
Всякий наблюдатель может определить, где и когда произошло какое-нибудь событие, методом радиолокации, послав световой импульс или импульс радиоизлучения. Часть посланного сигнала в конце пути отразится назад, и наблюдатель измерит время возврата эхо-сигнала. Временем события будет середина интервала между посылкой сигнала и его возвращением: расстояние до события равно половине времени, затраченного на прохождение туда и обратно, умноженной на скорость света. (Под событием здесь понимается нечто, происходящее в определенной точке пространства в определенный момент времени).
При изложенном методе наблюдатели, перемещающиеся относительно друг друга, припишут одному и тому же событию разное время и положение в пространстве. Ни одно из измерений, произведенных разными наблюдателями, не будет правильнее других, но все они будут связаны между собой. Каждый наблюдатель может точно вычислить, какое время, и какое положение в пространстве припишет событию любой другой наблюдатель, если известна скорость второго наблюдателя относительно первого.
Для точного определения расстояний сейчас пользуются именно таким методом, потому что время мы умеем измерять точнее, чем длину. Теперь не нужно вводить эфир, присутствие которого, кстати, как показал опыт Майкельсона - Морли, и невозможно обнаружить. Однако теория относительности вынуждает нас к фундаментальной смене представлений о пространстве и 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.
В теории относительности нет реального различия между пространственными и временными координатами, как нет различия между двумя любыми пространственными координатами. Можно перейти к новой системе координат, в которой, скажем, первая пространственная координата будет комбинацией первой и второй старых пространственных координат. Например, вместо того чтобы задавать положение точки на поверхности Земли, измеряя в километрах расстояние до нее к северу и к западу от какой-то площади A, можно было бы откладывать расстояние от той же площади A, но к северо-востоку и к северо-западу. Аналогичным образом в теории относительности можно ввести новую временную координату, которая была бы равна сумме старого времени (измеренного в секундах) и расстояния (в световых секундах) к северу от Площади A. Четыре координаты какого-либо события можно рассматривать как координаты, определяющие положение этого события в четырехмерном пространстве, которое называется пространством-временем.
Специальная теория относительности позволила объяснить постоянство скорости света для всех наблюдателей (установленное в опыте Майкельсона и Морли) и правильно описывала, что происходит при движении со скоростями, близкими к скорости света. Однако новая теория противоречила теории гравитации Ньютона, согласно которой объекты притягиваются друг к другу с силой, зависящей от расстояния между ними. Последнее означает, что, если сдвинуть один из объектов, сила, действующая на другой, изменится мгновенно. Иначе говоря, скорость распространения гравитационных эффектов должна быть бесконечной, а не равной (или меньшей) скорости света, как того требовала теория относительности. С 1908 по 1914 г. Эйнштейн предпринял ряд безуспешных попыток построить такую модель гравитации, которая согласовалась бы со Специальной теорией относительности. Наконец в 1915 г. он опубликовал теорию, которая сейчас называется Общей теорией относительности. Эйнштейн высказал предположение революционного характера: гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как считалось раньше; оно искривлено распределенными в нем массой и энергией. Такие тела, как Земля, вовсе не принуждаются двигаться по искривленным орбитам гравитационной силой; они движутся по линиям, которые в искривленном пространстве более всего соответствуют прямым в обычном пространстве и называются геодезическими. Геодезическая линия – это самый короткий (или самый длинный) путь между двумя соседними точками. Например, поверхность Земли есть искривленное двумерное пространство. Геодезическим на Земле называется большой круг, который и является самым коротким путем между двумя точками. Поскольку самый короткий путь между двумя аэропортами – по геодезический, диспетчеры всегда задают пилотам именно такой маршрут. Согласно общей теории относительности, тела всегда перемещаются по прямым в четырехмерном пространстве-времени, но мы видим, что в нашем трехмерном пространстве они движутся по искривленным траекториям. В этом можно убедиться, например, понаблюдав за самолетом над холмистой местностью. Сам он летит прямо в трехмерном пространстве, а его тень перемещается по кривой на двумерной поверхности Земли. Масса Солнца так искривляет пространство-время, что, хотя Земля движется прямо в четырехмерном пространстве, мы видим, что в нашем трехмерном пространстве она движется по круговой орбите. Орбиты планет, предсказываемые Общей теорией относительности, почти совпадают с предсказаниями Теории тяготения Ньютона. Однако в случае Меркурия, который, будучи ближайшей к Солнцу планетой, испытывает самое сильное действие гравитации и имеет довольно вытянутую орбиту, Общая теория относительности предсказывает, что большая ось эллипса должна поворачиваться вокруг Солнца примерно на один градус в десять тысяч лет. Несмотря на его малость, этот эффект был замечен еще до 1915 г. и рассматривался как одно из подтверждений теории Эйнштейна. В последние годы радиолокационным методом были измерены еще меньшие отклонения орбит других планет от предсказаний Ньютона, и они согласуются с предсказаниями Общей теории относительности.
Лучи света тоже должны следовать геодезическим линиям в пространстве-времени. Искривленность пространства означает, что свет уже не распространяется прямолинейно. Таким образом, согласно обшей теории относительности, луч света должен изгибаться в гравитационных полях, и, например, световые конусы точек, находящихся вблизи Солнца, должны быть немного деформированы под действием массы Солнца. Это значит, что луч света от далекой звезды, проходящий рядом с Солнцем, должен отклониться на небольшой угол, и наблюдатель, находящийся на Земле, увидит эту звезду в другой точке. Конечно, если бы свет от данной звезды всегда проходил рядом с Солнцем, мы не могли бы сказать, отклоняется ли луч света или же звезда действительно находится там, где мы ее видим. Но вследствие обращения Земли все новые звезды заходят за солнечный диск, и их свет отклоняется. В результате их видимое положение относительно остальных звезд меняется. В нормальных условиях этот эффект очень труден для наблюдения, так как яркий солнечный свет не позволяет видеть звезды, находящиеся на небе рядом с Солнцем. Но такая возможность появляется во время солнечного затмения, когда Луна перекрывает солнечный свет. В 1915 г. английская экспедиция в Западной Африке, наблюдавшая там солнечное затмение, показала, что свет действительно отклоняется Солнцем так, как и предсказывала теория. Впоследствии отклонение света Солнцем было точно подтверждено целым рядом наблюдений. Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что вблизи массивного тела типа Земли время должно течь медленнее. Это следует из того, что должно выполняться определенное соотношение между энергией света и его частотой (т. с. числом световых волн в секунду): чем больше энергия, тем выше частота. Если свет распространяется вверх в гравитационном поле Земли, то он теряет энергию, а потому его частота уменьшается. (Это означает, что увеличивается интервал времени между гребнями двух соседних волн). Наблюдателю, расположенному на большой высоте, должно казаться, что внизу все происходит медленнее. Это предсказание было проверено в 1962 г. с помощью двух очень точных часов, расположенных: одни на самом верху водонапорной башни, а вторые – у ее подножья. Оказалось, что нижние часы, которые были ближе к Земле, в точном соответствии с общей теорией относительности шли медленнее. Разница в ходе часов на разной высоте над поверхностью Земли приобрела сейчас огромное практическое значение в связи с появлением очень точных навигационных систем, работающих на сигналах со спутников. Если не принимать во внимание предсказаний общей теории относительности, то координаты будут рассчитаны с ошибкой в несколько километров!
Законы движения Ньютона покончили с абсолютным положением в пространстве. Теория относительности привела нас к необходимости введения понятия «Собственное время наблюдателя».
Современное состояние проблемы времени
Время «самое распространенное свойство окружающего нас мира. Трудно найти объект или понятие, не имеющие отношения ко времени» [2]. Вместе с тем вряд ли «имеется другое такое понятие, в отношении которого сосуществовали бы столь различные и даже взаимоисключающие представления. Вот некоторые из распространенных представлений о времени.
Время не существует; оно есть только субъективное ощущение.
Время - объективная реальность, являющаяся, как и пространство, формой бытия материи.
Время - лишь удобный способ описания движения тел и происходящих в мире процессов.
Время - причина движения тел и протекающих процессов.
Время абсолютно, оно ни от чего не зависит и одинаково для всех систем.
Время относительно, оно свое для каждой системы.
Время - мера строго повторяемых (циклических) процессов, которые реализуются только в неизменяющихся системах.
Время - мера изменчивости систем; в неизменяющихся системах время не течет.
Время обратимо, поскольку базисные уравнения физики не меняются при изменении знака времени).
Время существенно необратимо, ибо весь человеческий опыт свидетельствует, что будущее отличается от прошлого, и что кинофильм, пущенный в обратную сторону, во многом не реалистичен.
Время может быть математически описано как скалярная переменная величина, одинаковым образом меняющаяся во всех точках трехмерного физического пространства.
Время может быть описано как одно из направлений в четырехмерном многообразии, именуемом пространством-временем, причем это направление, вообще говоря, свое для каждой физической системы.
В общем, ситуация вокруг проблемы времени ныне остается такой же, какой она была еще несколько веков назад» [3]
Большинство известных представлений о времени укладываются в две принципиально разные концепции времени - реляционную и субстанциональную [4, 5, 6]. Различаются эти концепции трактовкой взаимоотношения времени и физической материи ( к последней относятся вещество и физические поля). Согласно реляционной концепции в природе нет никакого времени самого по себе, а время - это всего лишь отношение или система отношений между физическими событиями, иначе говоря, время есть специфическое проявление свойств физических тел и происходящих с ними изменений. Другая концепция - субстанциональная - наоборот, предполагает, что время представляет собой самостоятельное явление природы, как бы особого рода субстанцию, существующую наряду с пространством, веществом и физическими полями. Реляционная концепция времени обычно связывается с именами Аристотеля, Г.В.Лейбница, А.Эйнштейна. Наиболее яркими выразителями субстанциональной концепции времени являются Демокрит и Ньютон. А из современных ученых - Н.А.Козырев» [3]. Обе эти концепций времени подробно проанализированы в работах[4, 5]. Авторы обеих работ приходят к одним и тем же выводам:
1. Ни одна из рассмотренных двух концепций не имеет преимущества перед другой.
2. Обе концепция времени нуждаются в дальнейшей проработке.
Сложность построения физической теории времени на основе реляционной концепции состоит в следующем.
Реляционная концепция предполагает, что время полностью определяется физической материей. Ввиду этого в рамках такой теории время должно выражаться через какие-то характеристики процессов, происходящих в физических системах. «Но тогда само понятие процесса должно быть определено до введения представления о времени и независимо от него. Однако, трудно представить себе, как можно сформулировать определение процесса без обращения к понятию времени, в частности, без использования таких характеристик процесса, как его продолжительность или скорость его протекания. Заметим, что аналогичная ситуация возникла бы и при разработке реляционной концепции пространства. Тут потребовалось бы сформулировать определение физической системы до введения представления о пространстве, то есть без упоминания даже такой простейшей характеристики системы, как ее пространственный размер. Совершенно не ясно, как это можно сделать.
Существенное затруднение при построении физической теории времени на базе субстанциональной концепции заключается в необходимости ответить на вопрос: "Каким образом временная субстанция передает свои свойства физической материи?" [3].
В работе А.М. Заславского - «Загадочное и бессмысленное. О моделях времени в естествознании» - анализируются некоторые современные модели времени. «Когда мы хотим исследовать какие – то сущности или процессы, - пишет А.М. Заславский - то начинаем с построения соответствующей модели. Это может быть как вполне осязаемая, так и чисто умозрительная конструкция. Но в том или ином виде модель присутствует всегда, заменяя собой сложный и часто недоступный для восприятия объект исследовании [7].
Всю совокупность известных физических теорий А.М. Заславский рассматривает как систему отношений, описывающих геометрическую модель реальности. Он считает, что эта модель «оказалось чрезвычайно эффективной при выводе физических законов и установлении связей между ними. Однако попытки использовать ее для установления связи между физическими законами и феноменологическими свойствами времени нельзя назвать успешными» [7].
Геометрической моделью времени, согласно ему, продолжительность во времени отождествляется «с протяжённостью в пространстве. Она базируется на предположении о существовании объектов, чьё состояние в пространстве отображает ход времени так, что равным промежуткам времени соответствуют равные отрезки траекторий этих объектов или их элементов. Такими объектами для Галилея и Ньютона были абстрактные тела, движущиеся по инерции при абсолютном отсутствии взаимодействий с другими телами. В теории относительности в качестве такого объекта рассматривается квант света – фотон…
Законы движения классической, релятивистской и квантовой физики инвариантны к изменению направления времени. Но это не отвечает нашей интуиции и поэтому вызывает чувство незавершённости физических теорий. Действительно, интуиция отвергает, как немыслимый, эксперимент, в котором разбившаяся тарелка чудесным образом возникает из впрыгнувших на стол и соединившихся осколков. Интуиция настаивает на том, что время это необратимый поток событий, а геометрическая модель лишь отображает интенсивность этого потока в пространстве…
Характерным для геометрической модели является такое представление о природе реальности, при котором физические законы рассматриваются как следствия законов геометрии и опыта, устанавливающих взаимные отношения координат различных объектов и их производных в один и тот же момент времени. Казалось бы, совершенно естественной в этой системе взглядов выглядит гипотеза о том, что этими же законами объясняется та необратимая всеобщая упорядоченность событий, которую Эддингтон назвал стрелой времени» [7].
Далее А.М. Заславский рассматривает ряд современных моделей времени:
Модель С. Хокинга
Стивен Хокинг исследует противоречие между инвариантностью к направлению времени законов науки и огромным психологическим различием между прошлым и будущим в нашем сознании. С. Хокинг, как указывалось в параграфе 1, рассматривает три стрелы времени: термодинамическую, проявляющуюся в увеличении энтропии, космологическую, проявляющуюся в том, что вселенная расширяется, а не сжимается и психологическую, вследствие которой мы помним прошлое, а не будущее…
Теория, разработанная Хокингом, предсказывает неизменное направление термодинамической стрелы, как в фазе расширения, так и в фазе сжатия. Но расширение характеризуется «сильной стрелой». Напротив, в фазе сжатия беспорядок увеличивается очень мало.
Модель Р. Пенроуза
Роджер Пенроуз считает, что необратимость времени объясняется временной асимметрией процедуры редукции волновой функции… С точки зрения Р. Пенроуза редукция волновой функции происходит по объективным причинам, не зависящим от сознания наблюдателя.
Модель Пенроуза … базируется на трёх основных положениях. 1. Редукция волновой функции применима только в направлении от прошлого к будущему. Эта процедура пригодна только для расчёта вероятностей будущих событий исходя из прошлых событий.
2. Процедура редукции не зависит от присутствия наблюдателя и его сознания.
3. Редукция волновой функции происходит вследствие такого искривления пространства-времени, при котором неизбежно нарушаются правила квантовой линейной суперпозиции…
Пенроуз считает, что для описания квантовых процессов в искривлённом пространстве-времени не годится математический аппарат линейной квантовой механики.
Модель Пенроуза, также как и модель Хокинга, по мнению А.М. Заславского, «обходит стороной вопрос о причинной связи законов движения с упорядоченностью моментов времени. Главной задачей этих моделей является анализ референтов времени» [7]. Референт времени, согласно А.П. Левичу, представляет собой «природный процесс, явление, «носитель», свойства которого могут быть отождествлены или корреспондированы со свойствами, приписываемыми феномену времени» [8].
Модель И. Пригожина
Решение парадокса времени Илья Пригожин видит в существовании динамического хаоса, как на макро, так и на микроскопическом уровне. Все динамические системы, согласно его представлениям, делятся на два больших класса – обратимые, которые могут быть описаны в терминах траекторий, и необратимые (хаотические), которым соответствует несводимое описание. Несводимость описания хаотических систем означает невозможность перехода от вероятностного описания их поведения к детерминированному описанию в терминах траекторий.
И.Пригожин предложил феноменологическая модель времени, «содержание которой очень образно передаёт аналогия с переохлаждённой жидкостью на пороге перехода в кристаллическое состояние. В этой жидкости неопределённо долго можно наблюдать флуктуации, приводящие к образованию крохотных кристаллов, которые, то появляются, то снова растворяются. Но вот образуется крупный кристалл, система теряет устойчивость и происходит необратимое событие: кристаллизация всей жидкости. В состоянии равновесия макроскопического эффекта - стрелы времени – не существует. Она проявляется с процессом, который приводит к необратимому образованию кристалла. «Аналогично, очень малая вероятность критической флуктуации в вакууме Минковского указывает на то, что стрела времени уже существует в нём в латентной, потенциальной форме, но проявляется, только когда неустойчивость приводит к рождению новой Вселенной. В этом смысле время предшествует существованию Вселенной» [7].
Обратимый динамический процесс не может претендовать на роль референта времени из-за отсутствия в нём требуемой асимметрии. Однако неустойчивый необратимый процесс, хотя и обладает требуемой асимметрией, не может быть использован для измерения времени. Его состояния не могут быть использованы в качестве численных значений моментов времени вследствие экспоненциального расхождения любых, сколь угодно близких вначале, траекторий и их бесконечного перепутывания, как это имеет место в странных аттракторах. «Чтобы вопросы, задаваемые нами системе, имели физический смысл, они должны допускать устойчивые, т.е. грубые, ответы. Именно поэтому в подобных ситуациях мы вынуждены обращаться к статистическому описанию, остающемуся в силе при произвольных временах». Но для получения статистического описания требуются эксперименты и устойчивые измерения во времени. Не существует статистического описания чего-либо вне времени или в один единственный момент времени. Иными словами, несводимое описание неустойчивого динамического процесса уже подчинено временному определению статистического метода. Во всех случаях это временное определение достигается с помощью устойчивых обратимых периодических процессов, которые сами по себе требуют изначального определения во времени.
Таким образом, динамические процессы не могут быть определены вне времени. Поэтому стрела времени не может быть следствием физических законов, описывающих динамику классических, релятивистских или квантовых систем» [7].
В работе А.М. Заславского рассматриваются и другие модели времени. Однако, вышеизложенное дает нам достаточно полное представление о современном состоянии проблемы времени.
Списоклитературы
1.Stephen W. Howking A brief history of time. – London. – 1988 . 74 Хокинг С. Краткая история времени: От большого взрыва до черных дыр. / Пер. с англ. Н. Смородинской. — СПб.: Амфора, 2001. – 201 с.
2. Коганов А.В. Время как объект науки.// «Мир измерений».- № 2-3. – М.: – 2002.- С. 18-22. – НИИСИ РАН.
3. Шихобалов Л.С. Время – загадка мироздания. // New Energy Technologies. - № 3. - 2001.- P . 3 – 5.
4. Молчанов Ю.Б. Проблема времени в современной науке. – М.: - Наука, - 1990. – 136 с.
5. Шихобалов Л.С. Время: субстанция или реляция? // Вестник Санкт-Петербургского отделения Российской Академии естественных наук. – 1997 . - № 1. – С. 369 – 377
6. Левич А.П. Время как изменчивость естественных систем: способы количественного описания изменений и порождение изменений субстанциональными потоками // Конструкция времени в естествознании: на пути пониманию феномена времени. Часть 1. Междисциплинарные исследования.- М: - Изд-во МГУ. – 1996, - С. 235-288.
7.Заславский А.М. Загадочное и бессмысленное. О моделях времени в естествознании. www.chronos.msu.ru/RREPORTS/zaslavsky_zagadoch.html
8. Левич А.П.. Природные референты «течения» времени: становление как изменение количества субстанции. // Философия науки. - Вып. 6.- М.: - Изд-во ИФ РАН. – С. 48-53.
|
