полная версия

Леонид Михайлович Мерцалов
Природа и свойства физического времени

Полная версия

Времени, существующего самостоятельно, отдельно от единичного процесса, в реальности не бывает. Время всегда конкретно, т. е. всегда принадлежит конкретному процессу. И это правило не знает исключений.

А это означает, что время есть только там, где есть процесс, есть движение материи. Если такого движения не наблюдается, то никакого времени в этом случае нет. Его не существует. Соответственно, всегда, когда мы имеем счет времени, он производится неким процессом, либо уже существующим, либо специально организованным. Поэтому время вообще, существующее самостоятельно, а именно «единое всеобщее независимое время», есть абстракция, присутствующая только в нашем сознании.

Как ни странно, Ньютон, вводя свое абсолютное время в обиход научного исследования, хорошо это понимал. Он не интересовался свойствами относительного времени и не рассматривал возможности его применения в законах движения, считая его изменчивым, а потому и недостоверным, но, тем не менее, признавал его существование. Его оговорка по поводу того, что «относительное время есть мера продолжительности, совершаемая при посредстве какого-либо движения», прекрасно это демонстрирует. И когда, в соответствии с ранее заданным вопросом, мы переходим от его абсолютного времени к его же относительному, то обнаруживаем, что материальным, ощутимым и здесь является только наблюдаемый нами процесс, то есть движение, о котором говорил Ньютон. Наблюдаемое же в реальности время служит лишь характеристикой этого движения, то есть само по себе ни в коем случае не является материальной сущностью. Этим заявлением полностью устраняется та противоречивость, которая присуща абсолютному времени Ньютона. Отсюда, в свою очередь, следует заключение, что единое всеобщее время, которое мы себе представляем и в которое, как нам кажется, мы «погружены», на самом деле есть результат сложения длительностей бесчисленных отдельных процессов в единое существование Вселенной, Земли и человечества. «Река времени» как поэтический образ также существует только в нашем сознании и лишь отражает в нем совместное существование этого бесконечного числа отдельных процессов.

Оставляя пока в стороне вопрос о мнимом времени, которое в классической механике не рассматривается, заметим, что, поскольку подкоренное выражение в зависимости для временного интервала сугубо положительно, значения временного интервала действительны во всей области их существования. Что это именно так, можно убедиться непосредственно. Масса в классической механике не может быть отрицательной. Длина пройденного телом пути входит в выражение для обобщенного момента инерции во второй степени, поэтому направление движения в первом приближении не играет роли при определении длительности. И хотя энергия в равной степени может вкладываться в процесс (при разгоне тела, например) и извлекаться из него (при торможении), сама по себе она, в границах применимости второго закона, всегда имеет действительное, также сугубо положительное, значение. Но при положительном подкоренном выражении временной интервал представляет собой, как уже указывалось, действительное число или функцию действительного переменного. Эта функция имеет в общем случае двузначный вид, так как квадратный корень в нашей зависимости мы вынуждены принимать и со знаком плюс, и со знаком минус, поскольку не существует никаких специальных соображений, которые запрещали бы нам использовать оба знака в полученном выражении. Кроме того, двойной знак в выведенной формуле появляется исключительно из-за того, что время входит во второй закон Ньютона в составе второй производной. А это обусловлено только свойствами нашего физического мира, и ничем иным. Если бы время в этом законе входило в состав первой производной, то двойной знак перед отношением обобщенного момента инерции к энергии отсутствовал бы, что легко проверить. Поэтому мы не можем из соображений здравого физического смысла, как это обычно бывает, проигнорировать знак минус перед корнем в формуле для величины временного интервала. А необходимость использования обоих знаков приводит нас еще к одному выводу.

Четвертым, неожиданным и важнейшим выводом, имеющим далекоидущие последствия для физической теории, является утверждение, что в нашей Вселенной, понимаемой как объективная реальность в самом широком смысле, при известном наборе мировых констант, совместно существуют два равноправных встречных направления протекания механических процессов во времени. Эти процессы могут быть полностью идентичны, их временные интервалы могут иметь равное значение, но последовательности смены этапов у них будут направлены навстречу друг другу. Или по-другому в нашей Вселенной существуют два равноправных, но встречно-направленных способа возрастания энтропии.

Заметим по этому поводу, что исходное выражение для временного интервала, как мы уже отмечали, адекватно описывает реальную физическую действительность. Поэтому оба знака времени не являются следствием особенностей математических операций при выведении зависимости, а соответствуют реальному положению вещей в окружающем нас материальном мире. Иными словами, причиной появления многозначности у выражения для временного интервала являются особенности строения Вселенной, а сама многозначность есть лишь следствие описания этих особенностей, а не наоборот.

Возвращаясь к предпосылкам нашего вывода, можно сказать, что второй закон Ньютона сформулирован таким образом, что не является Т – инвариантным в строгом смысле слова, а объединяет в абстракции две идентичные, но противоположно направленные во времени независимые ветви процессов, существующие в реальности.

Иными словами, в природе совместно существуют два направления времени: из нашего прошлого в наше будущее и из нашего будущего в наше прошлое.

Если распространить понятие временного интервала в нашем понимании (как отношение сил сопротивления изменениям к вложенной энергии) на все возможные процессы, то получится, что именно потому и многие другие законы, использующиеся в физике, выглядят Т-инвариантными, поскольку большинство из них сформулированы таким образом, что в своей формулировке описывают все явление, состоящее из одномоментно существующих, противоположно направленных временных ветвей, а поэтому не различают противоположных временных направлений. Этим же утверждением разрешается также проблема «запаздывающих» и «опережающих» потенциалов, соответствующие уравнения которых описывают разные направления времени в нашем мире. То есть опережающие потенциалы описывают процессы в минус-времени, которые наблюдались бы в нашем мире, если бы происходили на наших глазах. При этом запаздывающие потенциалы описывают реально существующие процессы, которые принадлежат нашему плюс-времени.

Удивительно, что Ньютон, формулируя свое определение абсолютного времени, однозначно указывал на его движение («протекает»), но никоим образом не определял направление или направления этого «протекания», в противоположность позднейшим исследователям, что свидетельствует не только о его научной добросовестности, но и о его безошибочной интуиции.

Итак, непосредственный и предварительный анализ зависимости для временного интервала позволяет сделать следующие исходные и неоспоримые заключения:

1. Время в классической механике является параметром, принципиально не выделяющимся среди других общепринятых параметров, таких как, например, сила, масса, скорость, ускорение и т. д.

2. Время представляет собой свойство движения материи, а не ее форму.

3. Время не является самостоятельной материальной сущностью.

4. Единого всеобщего времени, «пронизывающего» все процессы Вселенной, не существует.

5. Временной интервал строго локален. Любая реальная длительность (длительность реального процесса) слагается из бесчисленного количества длительностей элементарных актов движения, составляющих этот процесс.

6. Во Вселенной, при известном наборе мировых констант, совместно существуют два равноправных встречных направления протекания механических процессов во времени.

3. Темп времени

Для абсолютного времени, представляемого как течение реки, совершенно естественным выглядит существование некоего «хода» времени – равномерного и непрерывного одностороннего движения из нашего прошлого в наше будущее. Именно это движение, по существующим представлениям, «несет» все процессы и все тела в одну сторону. На него мы, по представлениям Ньютона, повлиять не в силах, и нам остается только наблюдать, какие изменения в окружающем мире, «уносимом» в неизвестное будущее, происходят на наших глазах. Главная особенность такого движения, введенная аксиоматически, – это неизменность скорости. Абсолютное время всегда и во всех случаях «движется» с постоянной скоростью, не изменяющейся ни при каких условиях.

Если мы переходим к использованию временного интервала, то подобное свойство уже не может приниматься нами в качестве основного для времени, как мы и покажем в дальнейшем. Однако, рассматривая выражение для временного интервала и подчеркивая, что время есть число, мы, таким образом, фиксируем продолжительность завершившейся части процесса. Но временной интервал есть результат движения процесса от начала к концу и, следовательно, результат его динамических свойств. Когда мы фиксируем результат, свойства временного интервала в промежутке между началом и концом движения остаются в тени. Между тем в зависимости от конкретного значения выведенного ранее соотношения: сопротивление развитию процесса – вложенная в процесс энергия; скорость его развития может меняться не только для разных процессов, но даже и внутри одного и того же временного интервала.

И для того чтобы было возможно сравнивать между собой процессы одного и того же вида, но происходящие при разных условиях, необходимо ввести скорость изменения величины временного интервала по отношению к одной из величин, входящих в выражение для него и являющихся по отношению к нему аргументом. Наиболее универсальной в этом смысле является величина вложенной в процесс энергии. Поэтому для характеристики процесса введем производную от времени по величине вложенной энергии и назовем ее темпом времени:

Темп времени – достаточно устоявшееся в темпорологии понятие. Оно определяет частоту событий в течение некоего определенного промежутка времени, что в элементарном виде представляет собой расстояние во времени от одного события до другого, т. е. внешний по отношению к процессу счет. Введенный же нами темп, напротив, характеризует процесс с точки зрения внутренних свойств временного интервала. Внешний счет времени, который также может здесь использоваться, относится в рассматриваемом случае исключительно к изменениям в процессе, происходящим внутри временного интервала, и не распространяется на события, происходящие за пределами этого интервала. Темп времени в нашей интерпретации – это характеристика движения в интервале от где t_кон есть момент окончания движения.

Введение темпа времени позволяет, во-первых, сравнивать между собой процессы одного вида по скорости их протекания и, во-вторых, различать между собой этапы процесса, протекающие в изменившихся по отношению к энергии условиях.

Если то, сравнивая величину темпа для разных частей интервала, можно понять, насколько прохождение одной части интервала происходит быстрее, чем прохождение другой. Таким образом, кроме величины временного интервала, которая является числом и характеризует продолжительность процесса или его части, у нас появляется еще и скорость, с какой процесс развивается. Но тут необходимо сделать специальную оговорку.

Темп времени, введенный подобным образом, не является еще одним его (времени) измерением, так же как скорость движения не является дополнительным измерением пространства. Хотя это утверждение само по себе является физической банальностью, забвение смысла этого обстоятельства встречается не так редко, как хотелось бы. Попытки сконструировать многомерное время, приспосабливая в виде дополнительных измерений его искусственные характеристики, существуют, и игнорировать их существование было бы безответственно.

Если же на протяжении всего временного интервала, то сравнение может проходить в интегральной форме, и, сравнивая интервалы T₁ и T₂ подобных процессов по величине, можно понять соотносительную скорость прохождения интервала и в том и в другом случае.

Кроме всего изложенного, отсутствие изменений в величине темпа для подобных процессов в различные, далеко отстоящие друг от друга, внешние по отношению к процессам моменты времени, однозначно характеризует постоянство мировых констант в месте, где находятся сами исследуемые процессы. То есть если, например, некий процесс в данный момент времени требует на каждую секунду своей протяженности 20 кДж энергии и эта величина, измеренная в другой момент времени, значительно отстоящий от первого, для аналогичного процесса, не меняется, то мы можем быть уверены в постоянстве мировых констант в месте развития процессов.

Стоит еще раз напомнить, что, когда в последующем мы будем анализировать и сравнивать свойства абсолютного времени и временного интервала, в этом случае речь будет идти исключительно о единичном процессе либо о нескольких единичных процессах, скорость развития которых и характеризует темп времени. Точно так же рассуждения относительно равномерности и непрерывности «хода» времени внутри временного интервала имеют свое основание в использовании для подтверждения того или иного состояния процесса введенного здесь темпа времени.

4. Временной интервал и реальное время

Как мы уже рассматривали, Ньютон различал абсолютное время, употребляемое им в теоретических исследованиях, и относительное время, применяемое в обычной бытовой практике. И, несмотря на то, что к относительному времени он подходил несколько скептически, считая его недостоверным, изменчивым и зависящим от случайного произвола, именно оно было для него, как, впрочем, и для нас, единственно существующей реальностью.

И остальных, населяющих Землю людей, прежде всего, интересует, что представляет собой именно это бытовое повседневное время, в котором они живут? И хотя некоторые из них, несомненно, интересуются временем, употребляющимся в научных исследованиях, подавляющее большинство, если и задумываются о свойствах времени как такового, имеют в виду в этом случае именно свое частное бытовое время. Существующее представление о нем, сформированное в сознании обычного человека, недалеко ушло от Ньютонового определения абсолютного времени. В соответствии с общепринятым представлением существует независимая, неощутимая, ненаблюдаемая «река времени», единственное назначение которой – увлекать в таинственное будущее людей, окружающий их мир, иные миры и всю Вселенную. «Ход» этой реки равномерен и неостановим. Человеку остается только наблюдать этот «ход» и пытаться догадаться, откуда взялось это неостановимое, неудержимое и неощутимое время и до каких пор оно будет продолжать свой «бег».

Но, как показало наше исследование, у времени, помимо и в противоположность свойствам, которые постулировал Ньютон, обнаружились и другие, первоначально скрытые от нас свойства, исследованием которых мы впоследствии займемся. Однако предварительно нужно заметить следующее. Временной интервал, выражение для которого мы получили из анализа второго закона Ньютона, описывает время, которое можно применять в научных исследованиях, используя его, как и абсолютное время, также и для тех закономерностей, которые не вытекают прямо из второго закона Ньютона. То есть это время есть точно такая же абстракция, как и все иные абстракции, употребляемые вместе с ним в физических зависимостях. Но мы недаром заметили, что законы Ньютона в абстрагированной форме описывают реальные движения в реальном мире и объективно отражают события, в нем происходящие, хотя и в некоторых ограниченных пределах. И те следствия из этих законов, которые мы получили, точно так же, как и их исходные предпосылки, объективно отражают реальные процессы, которые мы можем наблюдать в действительности. Поэтому выражение для временного интервала, полученное из анализа реального движения, хотя и в абстрагированной идеальной форме, во-первых, есть не только чистая абстракция, применяемая для идеального описания этого движения, но и, во-вторых, может представлять собой также и форму описания любого другого реального движения, каким может быть, например, движение реального поезда, если включить в это описание сумму сил реального сопротивления его движению и сумму реально вкладываемой в это движение энергии. Чтобы перейти от абстрактного представления к конкретному бытовому времени, достаточно применить зависимость для временного интервала к решению конкретной бытовой задачи о движении. Таким образом, анализируя далее свойства временного интервала, мы тем самым выявляем свойства реального времени в реальных процессах, происходящих вокруг нас. И, выясняя различные стороны проявления временного интервала при исследовании движения, мы одновременно выясняем свойства реального промежутка времени применительно к реально существующим событиям, происходящим у нас на глазах. Именно поэтому свойства временного интервала, которые мы анализируем, можно перенести на описание времени вообще, так как иного времени, кроме продолжительности единичного процесса, в реальности не бывает.

5. Сравнение свойств абсолютного времени и временного интервала

Прежде чем продолжить анализ и перейти к свойствам абсолютного времени в сравнении со свойствами временного интервала, сделаем необходимые замечания относительно используемой терминологии.

Ситуация во временной механике напоминает ситуацию, существовавшую два с лишним века назад в термодинамике, когда господствующей гипотезой была гипотеза теплорода. Поскольку тепло представляли, как некую особую жидкость, вся терминология была приспособлена к описанию свойств этой жидкости. Достаточно вспомнить «теплоемкость», «теплопередачу», «теплообмен» и т. д.

Набор терминов, используемых в темпоральных рассуждениях, сложился под воздействием гипотезы о времени как о псевдоматериальной субстанции, пронизывающей собой всю Вселенную и приводящей в движение все без исключения вселенские процессы. Когда мы произносим термины «время», «во времени», «настоящее», «прошедшее», «будущее», «временной интервал», «промежуток времени» и прочие, подразумевается именно такая гипотеза.

В нашем случае нет смысла изобретать новую терминологию. Нагромождение новых терминов может лишь затруднить практическое применение зависимости для временного интервала. Нужно только помнить, что, используя сложившуюся терминологию, мы на самом деле имеем в виду совсем другое представление о времени. Как уже было сказано, согласно этому представлению носителем времени (временного интервала) является исключительно единичный процесс, длительность которого, выраженная числом, и есть время, о котором мы говорим.

Исходя из такого представления, мы и будем там, где это необходимо, пользоваться ранее употреблявшимися терминами.

Как уже выяснено, время есть свойство движения материи. Поскольку понятие движения есть абстрактное обобщение совокупности процессов, постольку понятие процесса есть конкретное выражение движения. Этот термин, употребляющийся повсеместно, в нашем случае пока означает единичный акт движения механического. А так как механическое движение представляет собой основу, на которой развиваются более сложные процессы, то всеобщность полученной зависимости для временного интервала нисколько не умаляется узостью этого термина. Впоследствии будет показано, что и для более сложных процессов время выражается сходной зависимостью. И термин «процесс» приобретет тогда иное, широкое или даже всеобщее, значение.

Термин «единичный» в простых случаях понятен интуитивно, но, тем не менее, нужно определить ту грань, за которой процесс можно считать единичным, даже если он представляет собой незначительный элемент бесконечной совокупности процессов либо выглядит для наблюдателя как конечный результат их совместного действия. В нашем случае таким процессом можно назвать лишь тот, у которого можно выделить момент начала в собственном времени процесса хотя бы теоретически и для которого среди параметров, его характеризующих, найдется хотя бы один, не совпадающий с параметрами находящихся в непосредственной близости аналогичных процессов. Кроме того, само понятие единичного процесса является относительным и зависит от точки зрения и параметров решаемой задачи. Так, например, тот же полет космической ракеты можно в некоторых случаях считать единичным процессом, а в других – их совокупностью.

Точно также, когда мы говорим о времени развития процесса в отдельной части или же во Вселенной в целом, мы считаем эту часть или всю Вселенную развивающейся как единичный процесс и соответственно этому производим подсчёт вложенной энергии и сопротивления рассматриваемому процессу развития.

Единичный процесс есть процесс физический, реальный, независимо от того, выступает ли он как движение материального тела, горение свечи или вращение Земли вокруг Солнца. Его длительность может находиться в пределах от условно нулевой до условно бесконечной. У такого процесса можно наблюдать его стадии, или ступени, которые могут быть естественно выделенными, как, например, разделение ступеней космической ракеты, если рассматривать ее полет как единичный процесс, или существовать лишь в нашем воображении, как при инерциальном движении тела. В любом случае движение процесса от его начала к концу происходит таким образом, что уже пройденные стадии, если процесс необратим, как, например, горение свечи, становятся несуществующими, оставляя после себя некие изменения в окружающей среде, а еще не пройденные стадии являются ненаблюдаемыми, потенциально существующими, так как процесс еще не вызвал их к жизни. Наблюдаемым является лишь текущий момент развития процесса. Конечно, абстрактно мы вполне можем себе представить свечу сгоревшей до конца, хотя она не сгорела еще и наполовину. На практике же мы, хотя и наблюдаем весь ход процесса, при необходимости оперируем обычно его длительностью, то есть отмечаем начало процесса и его завершение. Но если говорить о длительности как о динамической характеристике, то можно заметить ее особенность, соответствующую ходу процесса и заключающуюся в том, что как прошлое, так и будущее существуют лишь в сознании наблюдателя. Прошлое в памяти сохраняется как воспоминание о реально произошедшем, будущее – как прогноз. В реальности существует лишь настоящее, которое в отсутствии наблюдателя не фиксирует момента своего движения относительно начала и окончания процесса. Как писал Т. Гоббс: «…только настоящее имеет бытие в природе, прошедшее имеет бытие лишь в памяти, а будущее не имеет никакого бытия». Настоящее длится для этого процесса, пока он существует. Процессы начинаются, заканчиваются, переходят из одной формы движения в другую, но всегда в существовании материи есть одно только настоящее. И это настоящее вечно в пределах наивысшей длительности, которая может существовать в природе, – длительности существования Вселенной. Лишь наблюдатель вносит в наблюдаемое движение различение прошлого, настоящего и будущего. Только в сознании наблюдателя сохраняются уже прошедшие стадии процесса, и только в нем конструируются в виде предсказаний или нового знания моменты процесса, которым еще только предстоит осуществиться. То, что на практике рядом существует начало одного процесса, середина второго и окончание третьего, ничего не добавляет к положению, что существует лишь настоящее, которое складывается из начала первого процесса, середины второго и окончания третьего. Объективно существует лишь движение материи, которое всегда происходит сейчас – в настоящем. И это настоящее длится до тех пор, пока существует Вселенная. Образно выражаясь, можно сказать, что настоящее есть миг перехода из прошлого в будущее, но этот миг для Вселенной длится вечно.

То, что настоящее есть реально существующее и всеобъемлющее состояние для любого процесса, для их совокупности или для всей Вселенной, отнюдь не означает, что оно неподвижно и статично. Так как материя обладает свойством непрерывного развития, структура процесса, его наблюдаемое состояние непрерывно изменяется по мере этого развития и расходования вложенной энергии. Иногда оно развивается едва заметно, иногда, как бы «несется вскачь», но никогда не застывает навсегда. И в отсутствии наблюдателя ситуация эволюционирует тем же самым образом, каким она эволюционирует в его присутствии, когда в настоящем через некоторое время оказывается середина первого процесса, окончание второго и начало четвертого.

Заметим еще раз в скобках, что обратимые процессы, которые обычно принимают за один процесс, на самом деле слагаются из разных единичных составляющих, идущих во временном отношении в одну сторону, одни из которых дают протяженность прямого развития процесса, а другие, являющиеся продолжением первых, но не сводящиеся к ним, генерируют его обратный ход.

К сказанному необходимо добавить ещё одно замечание. Следует различать единичные и элементарные процессы. Если понятие единичного процесса весьма относительно и охватывает весь набор изменений от простейшего движения изолированного материального тела, до развития всей Вселенной в целом, то понятие элементарного процесса есть движение, для которого невозможно выделить составные части этого движения, независимо от его длительности или от того, относится ли оно к макромиру или микромиру. Такое движение, даже если оно впоследствии неоднократно повторяется, всегда происходит в виде элементарного одноразового акта и не имеет внутри себя стадий или ступеней. Но классифицируя процесс, необходимо также учитывать уровень материи, на котором ведётся исследование. Процесс на уровне материальных тел, например, отнесённый к элементарным, на атомном уровне может представляться как состоящий из огромного числа ступеней, то есть единичный.

Для термина «независимый» необходимо сделать специальное замечание. Этот термин, конечно же, в действительности является чистой абстракцией. В природе нет независимых процессов. Всякий из них обусловлен многочисленными внешними и внутренними обстоятельствами. Но при теоретическом исследовании мы вынуждены рассматривать какую-то часть движения, отвлекаясь от второстепенных связей ее с остальной природой. Поэтому условная «независимость» процесса получает тем самым право на существование.

Кроме этого, в нашем исследовании часто употребляется термин «инерциальный». Здесь он имеет два отличающихся значения, разграничение которых, мы надеемся, не вызовет больших затруднений. В первом случае речь идет о движении по инерции, то есть в соответствии с первым законом Ньютона. Во втором случае этот термин употребляется для обозначения движения, хотя и под действием силы, но таким образом, что сторонняя энергия, вкладываемая в процесс, впоследствии может быть полностью из него извлечена, в отличие от случая реального расходования ее в процессе.

И нужно отчетливо представлять, что мы фактически имеем два разных представления о времени. Ньютоново абсолютное время, не имеющее никаких свойств, кроме длительности, успешно применяется в научном исследовании и по сей день. Мало того, оно специально «сконструировано» для употребления именно в научных исследованиях. Все впечатляющие результаты, полученные земной наукой за века ее существования, получены именно при применении абсолютного времени с его равномерностью, непрерывностью и однородностью.

Другое же представление о времени, которое мы рассматриваем, характеризует его реальную физическую природу и позволяет, кроме всего прочего, объяснить некоторые феномены, которые с помощью концепции абсолютного времени объяснить принципиально невозможно.

Рассмотрим теперь последовательно девять свойств из четырнадцати, присущих Ньютоновой концепции, с тем чтобы, во-первых, выяснить природу каждого свойства и, во-вторых, определить, каким набором их обладает выведенная нами зависимость для временного интервала.