Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Если трудно сформулировать понятие времени, то еще труднее выделить понятие всеобщего, объективного времени, протекающего одинаково для всех физических систем, независимо от наблюдателя. Первое научное изучение движения мы приписываем Галилею, умершему в 1642 году, в том самом году, когда родился Ньютон, его истинный последователь. Изучив, в частности, два вида движений, о которых мы будем говорить позднее, Галилей попытался связать их с изохронностью движений маятника, открытой им же.
Не идёт ли время по-разному для того, кто звонит по телефону своей любимой, и для того,- кто ждет вызова на переговорной станции? Для того, кто говорит, и для того, кто слушает? Для хирурга, выполняющего сложную операцию, и для родственников оперируемого, ожидающих исхода операции? Для молодых и для пожилых? Для терпеливого 'и нетерпеливого человека? И если иногда нам кажется, что время течет то быстрее, то медленнее, разве, изучая окружающий нас мир, мы не обнаруживаем регулярных и периодических движений, над которыми человек не властен, например движений небесных тел, смены времен года и физиологических периодов?
25
Идею о времени, которое является и объективным и равномерно текущим, дала науке астрономия. Триумф этого понятия в конечном итоге стал триумфом классической механики.
Для измерения длинных и коротких промежутков" времени человек использовал два метода. Самое удивительное, как это хорошо показывает Жан-Луи Кан в первой статье, то, что уже первые экспериментальные исследования предвосхищают результаты и выводы современной науки.
Первый метод предполагает существование не только непрерывных, но и равномерных движений: если изучается тело, частица или более сложная система, скорость которой постоянна, то, чтобы установить зависимость между временем и пройденным путем, достаточно определить их положение. Так понятия времени сводятся к пространственным понятиям. Однако, как только техника измерения позволила выполнять опыты достаточно точно, возникла очередная трудность: различные используемые часы — Земля, Луна, Солнце, звезды — показывают различную продолжительность для одного и того же отрезка времени. Необходимо отказаться либо от понятия всеобщего времени — каждые часы показывают собственное время,— либо от возможности существования равномерных движений.
Существуют ли вообще равномерные движения? На этот вопрос классическая механика отвечает отрицательно, так как на тело всегда действуют силы, например сила всемирного тяготения. Но механика позволяет — исходя только из уравнений Ньютона — рассчитать пространственное поведение любой системы, если известны ее форма и начальное состояние. Положение частицы является функцией от параметра так что можно определить время по тому положению, которое занимает частица в данный момент. Если она не описывает точно рассчитанной траектории, значит, анализ движения был проведен неправильно. Триумф такого взгляда нашел выражение в утверждении Лапласа: «Разум, который в данный момент познал бы все силы природы и взаимное расположение составляющих ее тел, если бы далее он был способен анализировать эти данные, если бы он объединил в одной системе уравнений движения самых больших тел пространства и движение самого' легкого атома, — то для
26
такого разума ничто не было бы неизвестным и будущее, как и прошлое, ясно предстало бы перед его взором».
Определение траекторий, а следовательно, и определение времени прохождения — задачи огромной трудности. Предсказание движения четырех-пяти частиц, на которые действует только сила ньютоновского взаимного притяжения,— уже проблема, недоступная для существующих в настоящее время способов вычислений. Наблюдатель должен с бесконечной точностью знать бесконечное число параметров, а это невозможно.
Подобные трудности можно обойти двояким путем: с одной стороны, статистическая механика анализирует наиболее вероятное (среднее) поведение множества частиц. Если число участвующих объектов достаточно велико, то анализ, который был малоэффективен и невозможен из-за трудностей вычислений, снова становится возможным, так как вступает в силу закон больших чисел. Однако при этом понятие времени искажается и приобретает статистический оттенок. В дальнейшем это соображение будет проиллюстрировано двумя примерами.
С другой стороны, существуют тела, которые в такой степени изолированы, что учесть действующие на них силы относительно легко. В принципе это относится к планетам и звездам. Жан Делейе в своей статье подробно анализирует такой вид движений, показывает все возрастающую степень точности измерения времени в небесной механике и выявляет трудности расчета любой траектории из-за того, что бесконечно быстрых сигналов не существует. Критические-размышления по поводу первого метода измерения времени приводят к серьезным проблемам, которыми занимается современная физика. Решение этих проблем достигается ценой радикального изменения точки зрения, что в свою очередь приводит к другим методологическим трудностям.
Второй метод заключается в использовании периодических явлений и явлений, предполагаемых периодическими. Промежутки времени, которые %можно определить подобным путем, кратны элементарному промежутку, соответствующему одной пульсации. В этом и состоит первая трудность, присущая каждому опыту, в котором приходится сталкиваться с квантованием (впрочем, квантование имеет место при любом опыте и любом измерении).
