Леонид Михайлович Мерцалов
Природа и свойства физического времени
8. Квант времени и проблема «тепловой смерти» Вселенной
Вопрос о кванте времени в пределах концепции абсолютного времени в принципе неразрешим. В самом деле, если вы принимаете концепцию, по которой время не зависит от находящейся в мире материи, пронизывает собой все сущее, непрерывно, равномерно и практически бесконечно делимо, то квант времени является в таком случае чужеродным элементом, угрожающим целостности всей концепции, поскольку наполнение этого кванта остается невыясненным. Даже после модификации Эйнштейна и появления квантовой механики в отношении временного кванта ситуация не изменилась. Применяемое по сей день абсолютное время не оставляет места ему даже в самой квантовой механике. Несмотря на то, что энергия квантуется и связанный электрон, например, может менять ее только скачком, величина времени, в течение которого этот скачок происходит, не определяется. Существующие гипотезы на этот счет колеблются от признания мгновенного изменения состояния электрона до существования некоего вполне определенного временного промежутка при переходе электрона из одного состояния в другое.
Если же обратиться к временному интервалу, описанному ранее, все препятствия для определения кванта времени снимаются. Несмотря на то, что временной интервал, определенный ранее предложенным способом, сам по себе не имеет минимального значения, такое минимальное значение может иметь длина, присутствующая в формуле. Масса, которая там фигурирует, также может иметь некое предельное значение, соответствующее уровню материи, на котором ведется исследование. Энергия, как известно, тоже может квантоваться. Отсюда можно вычислить минимальный временной интервал, соответствующий рассматриваемым процессам, короче которого при данных условиях иной длительности быть не может.
Можно поступить и по-другому. Попробуем весьма приблизительно определить минимальный временной интервал, принимая, согласно существующим представлением, за элементарную энергию энергию частицы массой m0:
Подставим ее значение в формулу для временного интервала. Тогда, учитывая, что скорость света можно определить через время прохождения некоторой ограниченной длины,
где l 0 – размер области, занимаемой массой;
t0 – временной интервал, соответствующий времени пересечения светом размера области, занимаемой этой массой,
получим:
Легко убедиться, что даже такой недостаточно строго определенный интервал, тем не менее, будет наименьшим возможным на длине, соответствующей размеру частицы, если считать, что скорость света есть наивысшая скорость распространения изменений, а частица имеет фиксированный размер.
Обобщая ситуацию при принятых допущениях, можно приблизительно принять, что минимальный временной интервал есть время прохождения светом длины, характерной для конкретной физической задачи.
То есть, имея характеристическую длину – L0, соответствующую условиям задачи, независимо для микромира или мегамира, мы можем определить минимальный временной интервал, характеризующий предельно малое время, допустимое для процессов, происходящих на этой характеристической длине.
Вместо кванта времени, что больше соответствует понятию о времени как об особом виде квазиматерии, мы получаем минимальный интервал, характерный именно для этого конкретного единичного процесса. Заметим, что по физическому смыслу минимальный интервал прямо противоположен кванту времени. Если квант времени есть продолжительность, внутри которой время как бы не существует, что абсурдно, так как временная протяженность при этом складывается из безвременных составляющих, то минимальный временной интервал есть, напротив, реальная длительность, меньше которой не может быть промежутка для выбранной области. Любой процесс, происходящий в ней, по длительности будет равен или больше минимального интервала. В то же время процесс в течение этого промежутка развивается, т. е. движение внутри промежутка существует, а значит, существует и длительность процесса в виде минимального временного интервала.
Квантуемость энергии во внутриатомных, внутриядерных и иных подобных процессах имеет, поэтому, свое неизбежное макроскопическое проявление. К нему приводит существование минимальной длительности, характерной для единичного процесса. Минимальная длительность означает, что при имеющихся условиях никакой процесс не может длиться меньше определенного из его параметров минимального интервала. Конечно, если условия меняются от процесса к процессу, минимальный интервал тоже изменяется, но и тогда он имеет величину, вполне определенную для новых условий. Существование минимального интервала есть показатель того, что любой процесс в природе происходит с обязательным запаздыванием, задержкой. Величина этой задержки мала, но вполне определенна. Что именно в нашем мире такую задержку производит, вследствие каких причин она формируется, на нынешнем уровне знаний сказать достаточно определенно невозможно. Но сам факт такой задержки не вызывает сомнения. А поскольку энергия на элементарном уровне также изменяется порциями, и порции эти весьма малы, то количество ступеней в развитии любого процесса оказывается весьма велико. И если часть интервалов накладываются один на другой, то все же множество из них не совпадают. В результате мы получаем некоторую длительность уже в макромире.
Если бы порция энергии могла переходить из одного состояния в другое вовсе без задержки, то все процессы во Вселенной закончились бы одновременно и мгновенно.
Однако каждый элементарный акт требует для себя пусть небольшое (5 × 10-44 сек. на планковской длине в 1,6 × 10-33 см) время, но количество таких актов не поддается подсчету. Поэтому наша Вселенная существует достаточно продолжительный промежуток времени.
Что касается «тепловой смерти» Вселенной, то из-за существования двух противоположно направленных возможностей для возрастания энтропии этот результат ее развития не предоставляется теперь неизбежным и однозначным. Все зависит от степени влияния каждого потока на материальные процессы. Если оба направления абсолютно изолированы один от другого, то наша часть Вселенной может закончить свое существование таким образом, как выводится из воззрений Клаузиуса и Больцмана. Если оба направления существуют одно рядом с другим и полностью влияют на процессы в каждой части Вселенной, то влияние одного будет полностью уравновешивать влияние другого и Вселенная будет существовать теоретически бесконечно. Если воздействие встречного направления процессов проникает в наш мир лишь частично, то результат этого проникновения зависит от соотношения величин взаимодействующих влияний.
В целом, если вывод о существовании минус-времени в виде мозаичной или встречной конструкции Вселенной оправдан, то сама она в виде двух уравновешивающих друг друга частей Вселенной (мир и антимир) предполагает совсем иную концепцию их существования и взаимодействия, коренным образом отличающуюся от современных космогонических построений. В этой концепции гипотеза Большого взрыва вовсе не является обязательным элементом.
Часть шестая. Физический смысл времени
Теперь, когда мы в основном закончили рассмотрение следствий, вытекающих из существования выведенного нами выражения для временного интервала, пришло время, чтобы, подытожив проделанный анализ, сделать окончательный вывод о свойствах времени и его физическом смысле.
Заметим только, что перед настоящим исследованием не ставилась задача обнаружить полученную зависимость для временного интервала во всех конкретных закономерностях физической теории. Нужно было лишь убедиться, что свойства времени, коль скоро оно применяется в зависимостях, описывающих явления физического мира, одинаковы в основных ее разделах.
Как видно из проведенного анализа, задача решена, и на основании этого можно с уверенностью сказать, что первоначально полученная зависимость вида
действительно имеет для физических закономерностей всеобщий характер и исчерпывающим образом характеризует физическое время, фигурирующее в самых разных разделах физической теории.
При этом, естественно, нужно учитывать, что в зависимости от уровня материи, на котором ведется исследование, конкретный вид модуля сопротивления Ĵ и вложенной энергии E, а также степень, в которую возводится их отношение, зависит от вида, физического смысла величин и формы основных законов движения, с помощью которых описываются соответствующие движения материи этого уровня.
Резюмируя, можно теперь дать окончательный ответ на вопрос, что такое время? Но нужно учитывать, что существует несколько уровней в определении свойств времени, что мы уже отмечали, только приступая к нашему исследованию.
В общефилософском смысле время есть свойство движения и представляет собой способность материи к изменению своего состояния, к развитию.
На следующем уровне, в конкретно-физическом смысле, поскольку, как мы подробно выяснили, физическое время соответствует Ньютоновому определению относительного времени и описывает этим определением все возможные случаи его существования, то, согласно этому определению, время есть мера продолжительности и не может быть ничем иным. Как сказал Аристотель: «…время определяет движение, будучи его числом…». То есть сама по себе продолжительность единичного процесса как характеристика, свойство движения, представляет собой безликую длительность и лишь измерив ее в конкретном процессе, мы превращаем эту длительность в то, что мы понимаем под временем.
И наконец, физический смысл меры продолжительности, т. е. физический смысл реального времени как такового можно определить следующим однозначным образом:
реальное (физическое) время есть измеренная продолжительность единичного процесса, определяемая как отношение величины внутренней инерции процесса к величине побуждающей его сторонней энергии.
А это означает, что никакого всеобщего независимого времени в реальности не существует и всякая наблюдаемая продолжительность складывается исключительно из суммы длительностей ансамблей элементарных процессов, объединенных в каком-нибудь явлении. Отсчет этой длительности начинается с длительности процесса, дающего старт всему явлению, а заканчивается с завершением процесса, являющегося для данного явления ключевым. Так, например, срок нашей жизни складывается из суммы продолжительностей всех протекающих в нашем теле процессов, начало которым кладет первичное деление яйцеклетки зарождающегося организма. Заканчивается он, когда заканчивается любой из определяющих эту жизнь процессов. Наиболее наглядно подобное видно на примере биения сердца. Через несколько десятков секунд после его остановки исчезнет сознание, а через несколько десятков минут прекратятся почти все идущие в теле процессы, и начнутся уже другие, ведущие к его распаду. Временной интервал, соответствующий совокупности процессов, поддерживающих жизнь в нашем теле, завершится.
Точно так же, достаточно закончиться ядерному «горючему» в теле массивной звезды, как сила тяготения, которой уже не может противодействовать внутреннее давление, увлечет внутренние слои по направлению к центру и превратит ее в совершенно иное космическое тело – нейтронную звезду со своими, только ей присущими, внутренними процессами, для суммарной продолжительности которых начнется новый временной интервал.
Часть седьмая. Экспериментальные приложения
Сама по себе зависимость для временного интервала, полученная из анализа второго закона Ньютона, очевидна и не требует специальной экспериментальной проверки. Следствия же, вытекающие из ее существования, напротив, требуют тщательного экспериментального подтверждения. В соответствующих разделах об этом заявлялось достаточно определенно.
Тем не менее, любопытно было бы проверить числовые соотношения, составленные для этой зависимости в различных случаях движения. Самый простой прямой эксперимент, который можно себе представить, – это случай движения массивного твердого тела, металлического шара, например, под действием постоянной силы:
Рассчитав энергию, вложенную в движение шара от нулевой скорости до какого-то ее определенного значения, можно найти время, которое необходимо, чтобы шар приобрел эту скорость. К сожалению, эксперимент подобного рода в земных условиях усложняется наличием потерь вложенной энергии на трение различного происхождения. Поэтому, чтобы провести такой эксперимент в чистом виде, необходимо вынести его за пределы земной атмосферы, на околоземную орбиту, например. Там можно получить результаты, максимально приближенные к тому идеальному случаю, который описан вторым законом Ньютона, поскольку трение в вакууме практически отсутствует, а инертные свойства объекта эксперимента (металлического шара), напротив, присутствуют в полной мере. При небольших размерах проходимого шаром пути можно пренебречь посторонними воздействиями (кривизной орбиты, влиянием неоднородностей гравитационного поля в месте эксперимента и т. д.) и считать движение шара в полной мере инерциальным, как и предполагается в начальных условиях.
Экспериментально проверить правильность числовых соотношений зависимости для электрического тока
можно и в земных условиях. Необходимо только, насколько возможно, минимизировать потери электрической энергии, о чем тоже уже говорилось.
Такая экспериментальная проверка позволит окончательно подтвердить физический смысл времени как соотношения между инертностью процесса и вложенной в него энергией.
Кроме того, проверка представленных зависимостей в разные, далеко отстоящие друг от друга моменты времени позволит подтвердить постоянство мировых констант в месте проведения эксперимента. Но кроме подтверждения физического смысла времени с помощью относительно простых экспериментов, существует некоторое число следствий из существования временного интервала, экспериментальная проверка которых требует больших усилий и больших капитальных затрат. Прежде всего, это необходимость обнаружения существования и проявлений минус-времени. К счастью, Большой адронный коллайдер уже существует и на нем уже осуществлен помимо желания коллектива ученых, там работающих, предварительный эксперимент, в ходе которого существование минус-времени и симметричной части Вселенной выявилось достаточно отчетливо.
О теории симметричной Вселенной уже неоднократно упоминалось, но рассмотрим свидетельства ее существования более подробно.
В 1964 г. Г.И. Наан, в то время еще вице-президент АН ЭССР, опираясь на результаты, полученные Дираком, высказал гипотезу о симметричном строении Вселенной. Поскольку эта гипотеза опиралась тогда лишь на «зарядовый парадокс», как тогда называли отсутствие в нашей Вселенной антивещества, то и выглядела она соответственно – как еще одна экзотическая гипотеза наряду со многими другими. Естественно, что гипотеза, объясняющая лишь один тезис из трех, составляющих CРТ-принцип, доказательной силы почти не имеет. Наше исследование, изложенное в настоящей книге, объяснило вторую часть СРТ-принципа, а именно Т-инвариантность физических законов как реальное существование во Вселенной двух встречных направлений времени. Конечно, приведенных в ней соображений было еще недостаточно для полного признания достоверности представлений Наана, но его гипотеза начинала постепенно превращаться в теорию. Окончательное превращение ее произошло с появлением в 2009 году книги С.Э. Шноля «Космофизические факторы в случайных процессах». В ней был подтвержден третий принцип СРТ-теоремы – пространственный. Была экспериментально доказана анизотропность пространства нашей части Вселенной. Тем самым гипотеза Наана приобрела статус теории, подтвержденной экспериментально хотя бы частично. Исследования Шноля подтвердили и наличие предположенного нами эффекта возбуждения вакуума при движении в нем небесных тел. Такие феномены, как эффект от суточного вращения Земли, положения Луны, направления на Солнце, направления на запад и восток и подобные им, могут быть как раз проявлением изменения свойств вакуума при движении в нем различных небесных тел, если считать вакуум материальной субстанцией.
Кроме того, в конце 2010 года появилось ещё одно экспериментальное подтверждение гипотезы Наана – в вакуумной системе Большого адронного коллайдера было замечено дополнительное энерговыделение, которое объясняли некими пылинками, попавшими на траекторию разогнанных частиц. Тот, кто хотя бы приблизительно понимает принципы, по которым строятся вакуумные системы, не мог бы высказать подобную версию происшедшего. Таких «пылинок» в трубе не могло быть уже по определению. Единственное разумное объяснение наблюдаемого феномена могло быть лишь в том, что перегородка между двумя половинами Вселенной была пробита на траектории пучка. От контакта обеих половин Вселенной и возникло дополнительное энерговыделение.
Таким образом, благодаря экспериментам на коллайдере теория Наана обрела уже пусть не бесспорное, но весьма весомое экспериментальное подтверждение и тем самым, как следствие, существование минус-времени было подтверждено столь же весомо. Понятно, что экспериментальную проверку теории Наана, существования минус-времени, свойств пространства и его инверсного аналога необходимо продолжить. Хотелось бы надеяться, что экспериментаторы, работающие на передовом крае физической науки, заинтересуются свойствами симметричной Вселенной Наана.
Дополнительно можно заметить, что последнее время появилось еще одно экспериментальное подтверждение теории Наана: в атмосфере после мощных грозовых разрядов обнаружены античастицы (см. Приложение №3). Этот эффект был нами предсказан в настоящей работе, в разделе «Встречное время», задолго до появления сообщения об этом.
Еще более сложной проблемой является исследование свойств переходной области между двумя симметричными частями Вселенной. Конкретный вид эксперимента, необходимого для изучения этих свойств, можно будет представить себе лишь после отыскания надежного и безопасного способа проникновения в пространство с минус-временем. Тем не менее, определение свойств перегородки между двумя половинами Вселенной, хотя и является задачей отдаленного будущего, может иметь весьма существенное значение для практического использования – разработки способов перемещения на большие расстояния с минимальным расходом энергии.
И, наконец, существует возможность экспериментально проверить теорию гравитации Эйнштейна, проведя эксперимент по взаимодействию вещества с антивеществом. Такой эксперимент, как уже утверждалось, вполне по силам современной технике физического эксперимента, хотя требует еще больших капитальных затрат. Необходимо накопить достаточное количество электрически нейтрального антивещества и провести опыт по взаимодействию его с таким же количеством вещества. Поскольку производить антивещество, хотя и в виде отдельных атомов, экспериментаторы уже умеют, то разработка технологий по накоплению таких атомов вполне возможна, хотя это тоже дело неблизкого будущего. Затраты на подобный эксперимент будут оправданы уже тем, что могут иметь практический выход для понимания сути антигравитации и разработки соответствующих устройств.
Часть восьмая. Время Эйнштейна
1. Теория относительности и природа времени
Когда мы утверждали, что исследование природы времени завершено, то тут мы ничуть не погрешили против истины. И если бы все происходило до 1905 года, можно было бы с чувством исполненного долга закрыть тему, возвращаясь к ней лишь для уточнения положений и шлифовки формулировок. Но то, что сто с лишним лет назад выглядело вполне естественным, сейчас, в наше время, выглядит крайне архаично.
«Великая война» между релятивистами и нерелятивистами, к сожалению, уже больше чем столетие требует на свой алтарь все новых и новых жертв в виде напрасно потраченного времени и загубленных репутаций. Сам Эйнштейн, если бы мог представить последствия смятения, которое он внес в сомкнутые до того ряды исследователей, вряд ли смог бы продолжить свои изыскания с проявленной им настойчивостью.
Эйнштейна вполне можно понять: он для завоевания прочного места среди тогдашних звезд научного мира, таких, как Томсон, Максвелл, Лоренц, Пуанкаре, должен был представить на суд научной общественности нечто выдающееся, выходящее за рамки всех мыслимых тогдашних представлений. И, надо сказать, это ему удалось, правда, с нарушением всех общепринятых в науке того времени этических норм и правил построения теории.
В стремлении к славе нет ничего, что могло бы вызвать осуждение, если ученый озабочен в первую очередь поисками истины и лишь во вторую желает непременно сам явить миру ее свет. Каждый исследователь, занимающийся ключевыми проблемами своей науки, лелеет надежду, что именно его представления о свойствах окружающего мира лягут в ее фундамент и останутся там на вечные времена. Другое дело, каким способом ученый пытается достичь всемирного признания, и насколько добросовестен он в своем стремлении. Но именно честолюбие ученых и является (во всяком случае, являлось) основной побудительной силой, приводившей науку к удивительным успехам. Поэтому понятно, почему Эйнштейн, когда первые шаги в сторону теории относительности дали необычные и весьма интересные результаты, поспешил предъявить их обществу без должного анализа на соответствие реальному положению вещей.
Но в результате получилось, что он предстал первым в мире шоуменом от науки. Никогда дотоле ни один исследователь, каких бы успехов он ни добивался, не выходил за рамки научного сообщества и не представлял широкой публике, вовсе не искушенной в методах научного исследования, результаты своего труда в виде представления, состоящего из шарад, головоломок, парадоксов и прочих нехитрых чудес. Он первым догадался, что выход с сенсационными научными результатами на общественно-политическую арену и привлечение на свою сторону общественного мнения может принести ему реальные дивиденды в повседневной жизни. И хотя Эйнштейн сам не однажды удивлялся тому, что любое его высказывание создает в обществе заметное волнение и изрядный шум, это его удивление вряд ли было искренним, так как он никогда не осуждал шумиху вокруг своих творений, кем бы она ни была поднята. А поскольку за век, прошедший после первой публикации, теория относительности Эйнштейна прочно пустила корни практически во всех разделах фундаментальной теоретической физики, игнорирование ее присутствия выглядит крайне несовременно и может вызвать лишь скептическое отношение со стороны высокоучёных критиков.
Поэтому, чтобы избежать прямых столкновений с той частью научного сообщества, которая считает теорию относительности краеугольным камнем современного знания, в самом начале нашего исследования мы приняли для себя, что ограничиваем его область нерелятивистскими условиями. При этом автоматически наши результаты, сколь интересными они не представлялись бы сами по себе, попали для большей части исследователей в разряд, как изящно выразился один из них, творчества испытателей природы – натурфилософов. И хотя способ познания свойств окружающего нас мира подобного рода ничем не хуже просиживания стульев в научных лабораториях, пренебрежительное отношение к его результатам распространено там повсеместно (справедливости ради нужно заметить, что для него часто бывают веские основания).
Но в подобной ситуации сознательное и окончательное ограничение области наших исследований нерелятивистской физикой без упоминания о теории относительности выглядело бы капитуляцией перед предвзятым мнением о несерьезности такого исследования, широко распространенным в научном мире, в котором релятивизм давно уже стал основой любого физического построения и одновременно пробным камнем на принадлежность его к категории высокой науки.
Следует заметить при этом, что критика релятивистских представлений вовсе не являлась целью данного анализа. Напротив, мы старались, насколько это вообще было возможно, уклониться от такой критики. Но поскольку современная форма научного знания, основанная на применении абсолютного времени, породила релятивизм в виде всеобъемлющего и доминирующего способа описания реальности, постольку она не оставила нам иной возможности для развития взглядов на природу физического времени, иначе как через осмысление природы и свойств самого релятивизма. При этом, для того, чтобы не втягиваться в бесплодные дискуссии по поводу тех или иных особенностей построений Эйнштейна, мы будем рассматривать его теорию, не используя приемов, уже опробованных другими авторами, и опираясь в основном на результаты, полученные при анализе проблемы физического времени. Мало того, вся представленная критика не направлена на то, чтобы создать вместо теории относительности заменяющую ее теорию, но лишь на то, чтобы убрать с пути нашего исследования ее единственное мешающее нам звено – физическое изменение продолжительности временного промежутка в зависимости от относительной скорости системы отсчета при равномерном движении. Остальные эффекты теории относительности вовсе не занимают нашего внимания, и критика их производится исключительно по необходимости.
При этом нужно особо заметить: мы прекрасно понимаем, что выводы Эйнштейна не появились на пустом месте, что они венчают собой целую пирамиду представлений, экспериментальных свидетельств и теоретических заблуждений, принадлежащих целой плеяде блестящих умов предшествующих веков исследований. Мы отдаем должное усилиям Араго, Юнга, Френеля, Стокса, Физо, Майкельсона. И мы учитываем, что начальные теоретические представления электродинамики движущихся тел были сформулированы трудами Максвелла, Герца, Томсона, Лоренца, Пуанкаре еще до появления теории относительности. Но поскольку усилиями популяризаторов все успехи Новой физики были приписаны исключительно прозорливости Эйнштейна, то и критику новейших физических представлений мы будем проводить без оглядки на труды его предшественников, исходя исключительно из результатов его усилий, основанных на использовании этих трудов.
И, кроме того, перелицовывать наше исследование под условия релятивизма, поскольку мы ниже подробно покажем ограниченность всеобщего применения одного из главных компонентов, на котором строится все его здание, – четырехмерия Минковского, с нашей стороны было бы насилием над природой вещей. Поэтому вместо исследования релятивистских свойств временного интервала сначала мы исследуем свойства самой теории относительности.
При этом заметим, что соответствующий раздел написан исключительно для тех, кто действительно хочет разобраться в сути дела, и не адресован тем исследователям, которых заботит лишь собственный престиж и приобретенное общественное положение, поскольку для нас занятия физической теорией ни с какой точки зрения не являются способом построения карьеры и тем самым добывания средств к существованию. Поэтому у нас нет иной цели, кроме выяснения истинного положения вещей в реальности и степени соответствия периодов специальной теории относительности тем свойствам физического времени, которые мы уже определили.
Для успокоения волнений среди сонма релятивистов заранее объявляем, что нашей целью не является ниспровержение теории относительности самой по себе. Независимо от точки зрения, теория, споры о которой не утихают на протяжении свыше ста лет и относительно которой до сих пор не выработано окончательного мнения, не может быть ошибочной полностью. То есть некоторое рациональное зерно в такой теории обязательно должно присутствовать. Наша задача заключается лишь в определении места этой теории в системе всего физического знания. Более точно можно назвать цель исследования как доказательство частного, локального характера упомянутой теории. Ведь именно из-за претензий ее на роль нового и истинного всеобщего описания основ мироздания, в отличие от описания Ньютона, и идет нескончаемая «война» двух противоположных точек зрения в мировой науке.
Конечная же цель нашего исследования свойств теории относительности, как уже отмечалось, заключается в выяснении истинного содержания понятия относительности одновременности, поскольку наше исследование есть исследование природы и свойств физического времени.