полная версия

Леонид Михайлович Мерцалов
Природа и свойства физического времени

Полная версия

Таковы материальные предпосылки иллюзии всеобщего независимого времени, сформированной в нашем сознании.

То, что эта иллюзия не только широко распространена, но и подавляюще абсолютна, как раз и свидетельствуют многочисленные исследования природы времени, как в общем смысле, так и в частных его проявлениях, когда за основу, подлежащую исследованию, берут не достоверный физический факт, каким является реальный физический процесс, а, как уже было подробно разобрано, все ту же иллюзию всеобщего, независимого псевдоматериального времени, пронизывающего Вселенную и неостановимо увлекающего ее в будущее с некоей постоянной скоростью, или, что еще печальнее, направляют свои усилия на исследование природы абсолютного времени Ньютона в модификации Эйнштейна, постулируя это идеально-псевдоматериальное время как единственно существующую реальность.

Нужно ли специально пояснять, что результатом исследования подобного тотального заблуждения может быть только разноголосица мнений, противоречащих друг другу, заблуждений, приводящих к абсурду, и прямых спекуляций, выстраиваемых под влиянием конъюнктуры?

10. Безвременье

В рассуждениях о кванте времени, к которым мы позже обязательно обратимся, неизбежно тем или иным образом трактуется вопрос: а что внутри этого кванта? Какой вид приобретает время внутри элементарного временного интервала? И если представлять время неким видом материи, то подобный вопрос не только допустим, но даже обязателен. Но поскольку мы уже подробно исследовали свойства временного интервала и выяснили, что время есть свойство, присущее движению материи, и ни при каких обстоятельствах не может иметь материального воплощения, то наполнение кванта времени в том виде, в котором оно интересует современных исследователей, вовсе не привлекает нашего внимания.

Но взамен возникает вопрос другого порядка. Что означает часто используемое в литературе, преимущественно художественной, выражение «безвременье»? То есть, во-первых, может ли наблюдаться такое состояние материи, неважно – макро-или микроуровня, когда времени вообще не существует, а, во-вторых, если наблюдается, то при каких сопутствующих обстоятельствах?

Ответ зависит от степени обобщения ситуации. Как непосредственно видно, если брать материю и ее движение вообще, то ситуация отсутствия времени как свойства ее движения по современным воззрениям невозможна. В общем случае движение материи никогда не прекращается, какую бы гипотезу развития ситуации во Вселенной мы ни принимали. Соответственно, не прекращается генерация этим движением временных интервалов. Следовательно, пока существует материя, время есть обязательный атрибут ее движения. С подобной точки зрения попытка представить себе состояние Вселенной до Большого взрыва, не привлекая к нему некую иную реальность, в которой и происходит этот взрыв, просто не имеет смысла.

Если же рассматривать ситуацию локально, то тут она оказывается не столь проста. Вполне можно представить себе такие условия, при которых движение материи либо отсутствует вообще, либо она пребывает неизменной бесконечно долгое время.

Вполне можно представить себе, например, некий изолированный объем пространства, вещество и поля в котором отсутствуют, и для наблюдателя нет возможности фиксировать какое-либо движение, поскольку само пространство и происходящие непосредственно в нем процессы в обычных условиях не наблюдаемы. В подобных условиях в этом объеме не обнаруживается никакой процесс и, следовательно, сопутствующий ему временной интервал. Реальным временем в этом случае остается лишь совместная продолжительность процессов, одновременно протекающих в теле наблюдателя и дающих ему возможность выносить суждение относительно безвременности наблюдаемого объема. Абстрактно можно совокупность процессов, протекающих в теле наблюдателя, полностью исключить из общей картины. И так же абстрактно представить себе ситуацию, когда вся картина представляет собой объем, лишенный всякого движения, т. е. ситуацию безвременья.

Если же брать реальную ситуацию, т. е. реальное наблюдение реальным наблюдателем окружающей его действительности, то суждение, выносимое им относительно существования времени в его окружении или отсутствия такового, зависит от соотношения среднего темпа времени во внешних по отношению к нему, наблюдаемых им процессах и такого же темпа процессов, протекающих в теле этого наблюдателя, в частности от темпа процессов в его органах чувств и в его нервной системе. При время, генерируемое развитием процессов, для наблюдателя будет ясно различимым, а при ситуация для него представится застывшей и лишенной времени. Единственное время, которое он будет фиксировать, – это продолжительность процессов, протекающих в его организме.

Сюда же можно отнести и другой случай. Предположим, что процесс существует, но существует для наблюдателя как бы неизменным бесконечно долгое время. При этом начало процесса осталось далеко за пределами наблюдения и окончание его также лежит за этими пределами. Например, наблюдение некоторого объема стабильного вещества в стабильных условиях. Тогда такое наблюдение, если опять мысленно исключить процессы в теле наблюдателя, может дать иллюстрацию второго случая безвременья, его динамической формы. То есть какие-то процессы внутри вещества, несомненно, идут. Но при наблюдении, тем более при абстрактном представлении этих ненаблюдаемых процессов, поскольку они происходят условно бесконечно долго и поэтому представляются как бы застывшими, картина равносильна отсутствию всякого движения, т. е. ситуации без времени.

Мы уже упоминали о безвременном промежутке между разнесенными временными интервалами и показали, чем он заполняется. И когда мы начинаем рассматривать события вместо процессов, то фактически имеем дело исключительно с набором таких безвременных промежутков, так как мы уже доказали, что единственным источником времени может служить лишь единичный процесс.

И если мы фиксируем временные промежутки по завершению одного процесса и до начала второго – а именно эту операцию мы проделываем, когда рассматриваем события, – то, чтобы она имела смысл, должны заполнить эти промежутки каким-то внешним счетом. А так как никакого времени вообще, в «течении» которого мы можем отмечать эти события, не существует, то мы вынуждены создавать его сами, каждый раз с помощью специального процесса, т. е. специально созданных часов, механических, электронных, световых и т. д., либо воспользоваться уже имеющимся «ходом» всемирных эталонных часов, что чаще всего и происходит на практике.

Часть вторая. Закон Ома

1. Временной интервал в электромагнитных явлениях

Если в первой части нашего анализа мы исходили из понятий классической механики, то следующим этапом в познании свойств временного интервала является, несомненно, электричество. Имеет ли зависимость, которую мы нашли из задач динамики, применение в задачах, связанных с движением электрических зарядов? То есть найденная нами закономерность может иметь всеобщее употребление или область ее использования ограничена лишь классической механикой?

Для выяснения природы временного интервала мы использовали экспериментально установленный и теоретически оформленный (символьно сформулированный) фундаментальный закон, описывающий движение материальной точки под действием силы. Логично и для движения электрических зарядов использовать такие же экспериментально установленные и теоретически выраженные фундаментальные законы. Поэтому среди множества закономерностей, относящихся к движению заряженных частиц, мы для начала выберем самые простые, но не менее фундаментальные зависимости. Заметим также, что, как и ранее, мы не делаем никаких дополнительных предположений относительно свойств электромагнитных явлений и исходим только из тех законов, беря их в каноническом виде, которые многократно подтверждены экспериментально.

Элементарным в электродинамике является стационарное в количественном отношении движение заряженных частиц через поперечное сечение однородного проводника. Фундаментальных законов применительно к такому случаю известно два: закон Ома и закон Джоуля – Ленца. Исследуем оба этих закона.

Для большей простоты возьмем закон Ома в интегральной форме. То, что здесь и в дальнейшем фактически используются средние величины, содержания полученных результатов не меняет.

где I – ток;

U – напряжение;

R – тепловое сопротивление прохождению тока.

Так как

то, следовательно,

отсюда

умножим числитель и знаменатель на q и учтем, что

где А – работа сил электрического поля, перемещающего заряды, равная изменению энергии заряженных частиц, носителей тока.

В результате получим:

Рассмотрим составляющие данного выражения. Здесь R – тепловое сопротивление протеканию электрического тока, q – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в течение временного интервала, Е – энергия электрического поля, перемещающая заряды (вкладываемая в процесс сторонняя энергия).

Таким образом, мы видим, что выражение, полученное нами для временного интервала при прохождении постоянного тока, напоминает выражение для временного интервала при движении материального тела. В обоих случаях есть модуль сопротивления протеканию процесса, который соотносится с вложенной в процесс энергией, что хорошо видно по присутствию в этом модуле теплового сопротивления протеканию тока.

Чтобы проверить правильность полученного результата, рассмотрим закон Джоуля – Ленца:

где Q – выделяемое тепло;

R – тепловое сопротивление;

I – проходящий по сопротивлению ток.

Умножим обе части уравнения на dt и проинтегрируем, а поскольку значение I в данном случае одно и то же для любого сечения проводника, то вынесем его за знак интеграла:

Пусть при тогда Учтем, что

Тогда:

Отсюда

Учитывая, что выделившаяся теплота в точности равна работе электрического поля, перемещающего заряды, запишем полученное выражение в виде

помня, что работа равна изменению энергии.

Мы получили такое же выражение, что и для закона Ома. Значит, для всех остальных задач, в которых рассматривается протекание постоянного тока, выражение для величины временного интервала будет определяться полученной зависимостью. Отметив это, произведем анализ временного интервала для постоянного тока, сравнивая его с выражением для подобного же интервала, полученного из второго закона Ньютона. При всем подобии налицо существенные отличия:

для закона Ньютона,

для закона Ома.

Первое отличие заключается в том, что в законе Ома время входит в его состав в первой степени. Поэтому в нашем выражении отсутствует корень квадратный и двойной знак перед корнем. Второе отличие заключается в том, что процесс прохождения постоянного тока происходит с реальным расходованием энергии, тогда как при истинно инерциальном движении с ускорением энергия, вложенная в процесс, может быть впоследствии полностью из него извлечена. То есть второй закон Ньютона, описывающий такое движение, описывает его как движение без внешних сил сопротивления. Поэтому хотя в обоих случаях в зависимости и есть модуль сопротивления, но он инерциальный для механического движения – и реальный для прохождения электрического тока –

Еще одна существенная особенность найденной зависимости заключается в том, что в выражение для временного интервала, характеризующее прохождение постоянного тока, не входит в явном виде величина инертной массы заряженных частиц, составляющих ток, как можно было бы предположить. То есть инерциальные свойства масс этих частиц не определяют полностью характер временного интервала, а, стало быть, и характер их движения. Более того, роль расстояния, проходимого материальной точкой под действием силы, в случае постоянного тока можно условно сопоставить с совокупным зарядом частиц, прошедших через поперечное сечение проводника в течение временного интервала. Но, заметим, тепловое сопротивление в данном случае выполняет ту же роль, что и масса в случае движения материальной точки, а именно определяет степень противодействия внутренних сил процесса (прохождения электрического тока) работе сил электрического поля (вложенной в процесс энергии).

Отсюда можно сделать однозначный вывод: несмотря на то, что движение электрически нейтральных частиц под действием внешней силы и движение заряженных частиц под действием сил электрического поля формально похожи, оба этих движения по своей внутренней природе отличаются одно от другого, что видно из выражения для временного интервала непосредственно.

Зададимся вопросом: что физически означает при одинаковом строении выражения для момента инерции присутствие в его составе, в одном случае, проходимой телом длины, а в другом – величины заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение временного интервала? Можно поставить вопрос и по-другому: почему заряд, как это уже давно выяснено в электродинамике, можно условно принять за некую обобщенную координату? Или, взглянув еще с одной стороны, что общего в применении физических величин длины и заряда позволяет использовать на первый взгляд разнородные величины практически одинаковым образом? Чтобы это понять, сравним давно известные выражения из механики и электродинамики:

Рассмотрим соответствие кинетической энергии в механике и энергии магнитного поля. Здесь наглядно видно, что длина соответствует заряду т.к. сила тока есть заряд в единицу времени, а скорость есть длина в ту же единицу. Тогда сила тока будет представлять собой некую условную «скорость», что соответствует механическому понятию скорости. Однако в таком объяснении содержится та натяжка, что элементарные заряды не выстраиваются в ряд при прохождении тока, а длина, проходимая телом, есть лишь математическое определение изменения его координат. И, тем не менее, в движении заряженных частиц и движении тела есть нечто общее, что связывает эти два движения. Его легко обнаружить, если не придавать понятию «движение» абсолютного смысла. И движение заряженных частиц в проводнике, и движение материального тела в пространстве есть изменение.

А для определения изменения энергии некоей системы важен не конкретный вид движения, а лишь способ изменения состояния системы со временем. С этой точки зрения совершенно ясно, почему заряды эквивалентны координатам. Потому что и заряды, и координаты в соответствующих для энергии системы выражениях служат счетной величиной для определения изменения ее состояния. Неважно, какой вид движения мы описываем, важно, чтобы величина, описывающая изменение состояния системы, была адекватна свойствам системы. В механической системе это – координаты, в электрической и магнитной – заряды.

Отсюда становится понятным и вид обобщенного момента инерции, и вид обобщенного момента электромагнитной инерции. Длина в одном случае и заряд – в другом вкупе с выражением для массы или соответствующей ей иной физической величины есть адекватный системе способ исчисления сопротивления изменениям в ней. Естественно, что для механической системы принято изменение координат, а для электромагнитной – изменение зарядов.

В случае реальной заряженной частицы, движущейся в электрическом или магнитном поле и имеющей инертную массу, отличную от нуля, так как заряды независимо от их материального носителя не встречаются, оба движения присутствуют одновременно. Здесь ведущим является движение заряда под действием поля, но из-за того, что носителем заряда служит масса частицы, понимаемая как количество вещества, одновременно происходит движение материальной частицы в вакууме, поскольку поле размещено в пространстве и материальная частица тоже. В итоге получается, что через инертную массу частицы поле все же взаимодействует с вакуумом, но при этом непосредственного их взаимодействия по-прежнему не происходит.

Возвращаясь к сравниваемым зависимостям, можно заключить, что выражение для временного интервала, полученное из движения незаряженной материальной точки в вакууме под действием силы потому во многом не совпадает с выражением, полученным из закона Ома, что последний описывает движение зарядов вместе с их механическим носителем в среде с реальным сопротивлением.

Однако формально можно получить такой же результат и для движения материальной точки под действием силы, если во втором законе заменить ускорение скоростью. Тем самым мы опишем движение материального тела в среде с сопротивлением. Пусть (условно)

Тогда

или, если умножить обе стороны на x,

То есть получили выражение для временного интервала, аналогичное выражению для постоянного тока. Если рассмотреть картину реального движения электронов в проводнике с омическим сопротивлением, можно увидеть, что хаотическое тепловое движение электронов, их взаимодействие с окружающими атомами и есть механическое движение материальной точки, имеющей кинетическую энергию, которой она обладала и до воздействия электрического поля. Его роль в случае постоянного тока сводится к созданию в проводнике дрейфа зарядов от одного электрода к другому и к компенсации из электрического поля потерь кинетической энергии в результате столкновений электронов с ионами кристаллической решетки. Но кинетической энергией обладает частица, имеющая массу покоя, поэтому тепловое сопротивление все же есть показатель степени участия механической массы в формировании временного интервала.

Итак, движение зарядов под действием сил электрического поля в случае постоянного тока является полным аналогом движения незаряженной материальной точки в среде с сопротивлением. И если это сопротивление, как и побуждающая сила, по какой-либо причине исчезнет, движение точки будет осуществляться по инерции, то есть в соответствии с первым законом Ньютона. Соответственно, если исчезнет воздействие электрического поля на заряд, движущийся без сопротивления, то его движение также будет осуществляться по инерции. Доказательством тому является экспериментально наблюдаемое явление сверхпроводимости. При исчезновении сопротивления, то есть когда участие механической массы частиц, составляющих ток, более не проявляется, внешняя энергия, движущая процесс, также более не является необходимой, и движение заряженных частиц происходит, как уже было сказано, по инерции. Но поскольку какое-то, пусть весьма малое, сопротивление току в реальных условиях все же сохраняется, то ток при сверхпроводимости течет не бесконечно долго, хотя, тем не менее, весьма длительное время.

В обычных условиях дополнительная кинетическая энергия, приобретенная заряженной частицей из электрического поля при движении в проводнике, полностью передается, если принять модель Друде, ионам кристаллической решетки. Именно поэтому интегрально может существовать определенная величина тока, зависящая от величины энергии, приобретаемой от столкновения до столкновения. И в соответствии с этой величиной выражение для временного интервала приобретает вид, полученный из закона Ома.

Тут следовало бы добавить следующее. Вид временного интервала для движения тока совпадает с видом временного интервала для движения материальной частицы – это видно непосредственно. Но степень, в которую возводится все выражение, существенно различается для инерциального движения тела под действием силы и движения с реальным расходованием энергии. Происходит это потому, что временной интервал, в котором описывается инерциальное движение тела под действием силы, описывает его движение во Вселенной вообще. Поэтому в одном и том же выражении присутствуют оба направления времени. Когда же мы рассматриваем реальное конкретное движение, принадлежащее нашему плюс-времени, характеризующее реальное прохождение тока, то многозначность выражения с необходимостью должна отсутствовать, так как из-за присутствия в описании реальных сил сопротивления и реальных потерь такое выражение принципиально описывает движение только в одну временную сторону и принадлежит лишь одному направлению времени.

До сих пор мы рассматривали реальное движение электрических зарядов и их носителей. Но если бы заряженная частица вовсе не обладала механической массой и двигалась в среде без сопротивления и действующих на нее сил, например, в пространстве, где градиент потенциала в любой точке был бы равен нулю, то ее движение происходило бы с формальной точки зрения точно так же, как происходит инерциальное движение материальной точки в соответствии с первым законом Ньютона.

То есть в движении зарядов мы можем отыскать полную аналогию первому закону. А если это так, то, несомненно, должна существовать и полная аналогия второму закону. И в самом деле. Рассмотрим закон электромагнитной индукции.

где Ф – магнитный поток;

U – ЭДС индукции.

В соответствии с правилом Ленца направление индукционного тока всегда препятствует его изменению. Мало того, правило Ленца, кроме того, показывает, что скорость изменения тока прямо зависит от параметров окружающей ток электромагнитной среды. То есть электромагнитная инерция, хотя и обусловлена принципиально иными причинами, чем инерция механическая, проявляется похожим образом, поскольку изменить величину тока в цепи с индуктивностью так же трудно, как разогнать или остановить движущееся материальное тело. Однако во втором законе Ньютона направление сил инерции специально не отмечается, хотя и подразумевается. И выражение для временного интервала было выведено без учета этого направления. Поэтому и при анализе электромагнитной инерции с точки зрения величины временного интервала мы можем опустить знак минус в выражении для ЭДС индукции, тем более что при любом направлении тока, как мы чуть позже увидим, временной интервал, который описывает это движение, будет действительным. Поэтому, учитывая, что:

а индуктивность L – величина постоянная и существенно положительная, получим:

Разделим переменные и проинтегрируем:

Учитывая, что

получим:

Или:

Проинтегрируем обе части:

Пусть при

Получим:

Умножим обе стороны на q, в результате получим

Учитывая, что – энергия электрического поля, вкладываемая в процесс, окончательно получим:

– уже знакомое нам выражение для временного интервала.

Проверим это выражение на соответствие размерностей в обеих частях, для простоты выполнив проверку для квадрата значения интервала:

Поскольку в обеих частях выражения соответствие размерностей не нарушено, то выражение выведено правильно.

В этом выражении роль инертной массы выполняет индуктивность L, что непротиворечиво, так как в данном случае свойство индуктивности – противодействовать изменению величины тока – аналогично свойству массы для механического движения – противодействовать изменению скорости. Роль длины выполняет величина заряда q, о чем уже говорилось.

Отсюда в очередной раз видно, что движение материальных частиц и движение зарядов – принципиально разные движения. Незаряженная материальная частица не обладает инерцией в электромагнитном поле, а заряд не обладает инерцией в вакууме. Материальное тело может двигаться в вакууме, взаимодействуя с ним в соответствии с законами Ньютона, в то время как заряд, двигаясь в вакууме, взаимодействует с ним только через инертную массу носителя заряда.

Проверим полученное выражение на правильность, взяв в качестве характеристического времени период колебаний тока в колебательном контуре:

где L – индуктивность контура;

C – емкость контура.

Обозначим

учитывая, что

тогда

отсюда, умножив числитель и знаменатель правого выражения на q и снова учитывая, что получим:

Вследствие того, что энергия в колебательном контуре вкладывается в процесс колебания весь период (попеременно из электрического и магнитного полей), в выражении она записывается полностью. В остальном эта зависимость ничем не отличается от полученной ранее. Знак минус перед корнем, не имеющий физического смысла для колебаний в плюс-времени, в общем выражении должен присутствовать обязательно, потому что и здесь, так же как в предыдущем выражении, полученном из закона электромагнитной индукции, описывается движение зарядов без реальной потери энергии, характеризующее их всеобщее движение для всей Вселенной.

Значит, для электромагнитных явлений величина временного интервала выражается точно такой же зависимостью с указанными выше особенностями, что и для движения материальной точки. Но понятие электромагнитной инерции имеет здесь принципиальные отличия от понятия механической инерции.

Вернемся теперь к выражению для ЭДС индукции в виде:

и сопоставим его со вторым законом Ньютона:

Из этого сопоставления видно, что оба закона выражены похожим образом.

Ранее мы показали, что в законах для электромагнитных явлений роль длины играет величина заряда q, прошедшего через выделенную площадь поперечного сечения проводника, а роль инертной массы – индуктивность L. Рассмотрим теперь левые части уравнений. Во втором законе Ньютона слева представлена сила, а в выражении для ЭДС индукции – разность потенциалов, то есть работа силы на единицу заряда.

Приближенно считая электрическое поле в проводнике однородным, поделим обе части выражения для ЭДС индукции на длину проводника. Тогда получим:

где Е – напряженность электрического поля, то есть сила на единицу заряда;

– индуктивность на единицу длины проводника.

Обозначим

Сравним выражения:

С учетом всех ранее описанных эквивалентов оба закона полностью идентичны.

А это означает, что инерционные свойства массы в вакууме эквивалентны инерционным свойствам заряда в поле.

Так как напряженность электрического поля есть сила, то обозначим ее как F_эл , тогда

что означает, если принять q за эквивалент длины

а за эквивалент массы

следующее:

Итак, мы получили аналог второго закона Ньютона в интерпретации для движения зарядов и для электромагнитной массы.

Суммируя факты, можно сделать следующие выводы:

1. Электрические заряды непосредственно не взаимодействуют с вакуумом.

2. Движение материальной точки в вакууме и движение заряда в электрическом или магнитном поле – это отличающиеся по способу осуществления формы движения.

3. Тем не менее, характер движения материальных частиц в вакууме и зарядов в электромагнитном поле с формальной точки зрения идентичен. Поэтому можно предположить, что вакуум имеет свойства и структуру, похожие на свойства и структуру электромагнитного поля, но со своими, присущими только вакууму особенностями, которые впоследствии могут быть определены.

4. Инертная масса есть, с одной стороны, характеристика свойств вещества, от которой зависит форма его взаимодействия с вакуумом, с другой стороны, это характеристика свойств среды (вакуума), в которой движется материальная точка.

5. Электромагнитная масса есть мера взаимодействия заряда с электромагнитным полем и отличается по своим свойствам от инертной массы материальной точки.

6. Взаимодействие заряда и вакуума осуществляется исключительно через инертную массу носителя заряда.

7. Инерционные свойства массы в вакууме эквивалентны инерционным свойствам заряда в поле, т. е. массу условно можно рассматривать еще и как некий «заряд».

Теперь продолжим анализ выражения, полученного для временного интервала в электромагнитных явлениях.

Главное, на что необходимо обратить внимание, – полная идентичность структуры этого выражения и структуры выражения для временного интервала, полученного из второго закона Ньютона. То, что вместо массы стоит индуктивность и вместо длины – заряд, ничуть не искажает эту идентичность и является спецификой электромагнитных явлений.

Отсюда можно увидеть, что полученная зависимость имеет применение не только в рамках классической механики, а, с соответствующей коррекцией, и в рамках электромагнитных явлений.

Причем для разных видов движений зарядов и полей в электромагнитных соотношениях могут существовать разные формы зависимостей, в которых неизменным остается наличие модуля сопротивления изменениям в этих движениях, соотносящегося с количеством вложенной в движение энергии.