Тел. (095) 563-51-84,
©
И.И.Кузьмин
Тел. (095) 563-51-84,
Попытки осознания связи пространства и времени
"Что
может быть проще времени?"
Клиффорд
Саймак
Настоящий материал является плодом удовлетворения автором своего любопытства. На него наложился отпечаток профессиональных занятий автором работами в области метрологии в течении около 40 лет. Основная цель, которая преследовалась при этом – осознать, что такое время и какое место оно занимает в окружающем мире. Цель эту автор считает для себя достигнутой и не претендует на большее. Единственная выгода, на которую можно надеяться – удовлетворение от того, что этот материал может пригодиться кому-либо из любопытства или даже использования в научной деятельности. Продолжение этой работы автор не планирует, если только это не будет востребовано. К ней можно относиться как к рукописи найденной под кроватью
Чтобы разобраться в сути времени и его связи с пространством автор обратился к трудам нобелевского лауреата М.Борна "Эйнштейновская теория относительности" и профессора прикладной математики Королевского колледжа в Лондонском университете Г.Бонди «Легенды и мифы физической теории». Наибольшую ценность представляли исходные посылки, фундамент рассуждений. И тут сразу обнаружились весьма интересные вещи.
Настоящий материал появился на свет, а автор познакомился с единомышленниками, только благодаря руководителю Российского междисциплинарного семинара по темпорологии - Александру Петровичу Левичу, за что автор ему весьма признателен.
"Абсолютное, истинное или математическое время само по себе и в силу своей внутренней природы течет одинаково, безотносительно к чему либо внешнему и иначе зовется длительностью; относительное, кажущееся или обычное время представляет собой некоторого рода чувственную, или внешнюю (каким бы оно ни было точным или несравнимым), меру длительности, определяемую с помощью движения, которое обычно используется вместо истинного времени; это – час, день, месяц, год…
… Длительность или возраст существования вещей остается одним и тем же независимо от того, быстры движения или медленны или их нет вообще…"
Время — форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия).
ВРЕМЯ (системы измерения). Измерение времени основано на наблюдении или осуществлении периодически повторяющихся процессов одинаковой длительности; так, для измерения больших интервалов времени пользуются годом. Суточное вращение Земли относительно звезд определяет звездное время. …Полностью независимая от астрономических наблюдений равномерная система счета времени основана на понятии атомной секунды (см. Квантовые часы). Измерение и хранение времени осуществляются различными часами.
ВРЕМЯ. Философ. Основная, наряду с пространством, форма бесконечно развивающейся материи. Бесконечность пространства и времени. Вне пространства и времени нет движения материи. II Длительность существования всего происходящего, всех явлений и предметов, измеряемая веками, годами, часами, минутами и т.п. II Мера длительности всего происходящего, существующего. …
Определения времени процитированы выше для того, чтобы проиллюстрировать туманность его понимания. Вообще вызывает настороженность история появления этой величины в физике как науке. Похоже, со времен Ньютона понятие времени стало удаляться от своего первоначального, исторического значения. Чем дальше от Ньютона, тем больше t переплетается с обыденным его значением. Оно тонет в физических теориях, становясь формальным понятием. В конце концов время стало для нас объективно существующей физической величиной, неразрывно связанной с пространством. Сущность времени определяется на основе трактовки математических моделей, а не нашего осознания окружающего мира. Не произошло ли смешение понятий? Не выдается ли желаемое за действительное?
Время в истории человечества появилось тогда, когда началось летоисчисление (астрономический год) и связанный с ним календарь. В Египте он появился как итог наблюдения за периодическими событиями – восходом Сириуса, а основным его назначением было предсказание (прогноз) разлива Нила. Год был связан с сутками - периодами смены дня и ночи. С такими периодическими событиями, как смена фаз Луны был связан месяц. Появилось разные календари – солнечный, лунный и их комбинации. Сутки понадобилось делить на части и появились сначала солнечные часы, затем часы механические, а затем и квантовые. То что показывают нам часы мы называем "время" или, точнее, "время суток". А правильно ли это? Что они на самом деле показывают?
Вопрос не праздный. Начнем с того, что часы время не измеряют. Измерить время можно с помощью секундомера или, в современных терминах, таймера. Часы же играют такую же роль, какую играет гиря в измерении массы. Гиря воспроизводит известное значение массы, а часы воспроизводят угловую (фазовую) скорость вращения Земли. Если умножить показания часов на 15, то мы получим направление меридиана на Солнце в угловой мере.
Если говорить о полном формате времени, то оно состоит из суммы периодов год+месяц+день (сутки) и фазы суток. Часы так же основаны на принципе подсчета периодов гармонических колебаний (маятник, генератор электрических колебаний и т.п.). Следовательно основой для измерения времени всегда являлось наблюдение за периодическими событиями. Так может быть "время" и "период" синонимы? Для выяснения этого вопроса обратимся к основополагающим документам системы измерений физических величин.
В Системе единиц физических величин (ГОСТ 8.417), время стоит рядом с массой и длиной и является одной из основных физических величин. Однако, при внимательном ознакомлении с определением системы СИ, можно обнаружить несколько настораживающих моментов. Первым является то, что в ней отсутствует такая физическая величина, как период. В то же время в качестве кратных единиц времени приводятся сутки и год, являющиеся явно периодами. Период правда появляется, но в рекомендуемом приложении, в разделе "Акустика", где приводятся кратные и дольные единицы. А основная единица измерения периода та же, что и у времени - секунда. И определяется она на основе подсчета числа периодов. Что это такое? Почему периода как бы и нет? Скорее всего потому, что у разных физических величин не может быть одной и той же единицы измерения. Или это синонимы? Такое положение наталкивает на мысль, что разработчики Системы столкнулись с казусом, разрешить который оказывается не так просто. Ведь если согласиться с тем, что период и время это одно и то же, то время нельзя представить вектором, неразрывно связанным с вектором пространства! Ведь период это всегда скалярная величина! Скорее всего возможность двоякости толкования времени и есть основная причина попытки игнорирования существования периода как физической величины. А является ли время объективно существующей физической величиной и тем более основной?
Мы привыкли, что скорость V = S / t для равномерного (инерциального) движения или, в общем виде, f(V) = dS / dt, т.е. производная физическая величина. Но никто не запрещал написать f(t) = dS / dV. Тогда уже скорость станет основной физической величиной, а время – производной. С таким же успехом можно интегрировать выражение dt = ds / f(V) и получить значение времени. Это операцию фактически осуществляет секундомер интегрируя угловую скорость вращения Земли. Это иллюстрация условности выбора основной физической величины в физике. Основная физическая величина должна еще и обеспечивать простоту и ясность изложения теорий и описания математических моделей. В этом смысле время гораздо удобнее скорости несмотря на то, что скорость имеет фундаментальную константу – скорость света. Фундаментального естественного аналога для времени нет. Есть фундаментальные аналоги для периода – параметры движения космических объектов. У времени нет естественного нуля и предпринимаются многочисленные попытки его найти. А у периода есть естественный нуль – инерциальное движение.
Если обратиться к определениям термина время, то нетрудно обнаружить некоторые неясности, если не сказать противоречия. В виде философской категории время определяется как "форма и последовательные смены состояний объектов...". В ГОСТ 16263-70 (Метрология.Термины и определения) время приводилось в качестве примера физической величины, а физическая величина определялась как свойство физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессах). Так что же такое время - форма или свойство?
Из приведенного определения формы ни одно с уверенностью нельзя отнести ко времени.
И "свойство" можно только с очень большой натяжкой отнести к понятию времени. Свойством каких объектов является время?
Утверждается, что время имеет "объективный характер". Это значит, что оно существует независимо от наших органов чувств. Но так ли это? Масса и длина бесспорно существуют объективно в связи с существованием физических объектов. Время же существует только в связи с необходимостью описания движения, связи между событиями или течением каких либо процессов. Чувствуете разницу? Есть движение – есть время. Есть больше одного события, связь между которыми нам необходимо описать – есть время. Есть процесс – есть время. Если ничего подобного нет, то и времени нет. Заметим попутно, что динамика любого движения или процесса описывается с помощью фиксации неких событий, характерных для них. Что же происходит, когда мы измеряем время? А происходит сравнение длительностей.
В современной науке широко распространяются попытки присвоить времени некие окраски. Есть время геологическое, биологическое, историческое и т.д. и т.п. Происходит это от того, что математические модели, описывающие динамические процессы в различных областях науки, имеют дело с процессами, протекающими с существенно различной скоростью. Квантовая электроника имеет дело с длительностями сравнимыми с периодами колебаний генераторов эталона времени. Для малых длительностей не имеет значения единая шкала времени. Для сопоставления характеристик процессов здесь необходимо поддерживать очень высокую точность воспроизведения дольных единиц измерения. В геологии, палеонтологии и истории ученые имеют дело с кратными единицами предельно больших значений. И здесь уже необходима шкала с четко определенным единым нулем отсчета. Диапазоны измерений имеют различия порядка 1026. Естественно, что отношение к понятию времени так же сильно различается в таких отдаленных друг от друга науках.
По моему мнению, и не только моему, время не является физической величиной в полном смысле этого термина, т.е. не существует объективно. И, что самое главное, время всегда связывают с часами. Но ведь часы это только средство измерения! Создается впечатление, что если нет часов, то нет и времени, но это абсурдно! Это равносильно утверждению, что если у нас нет линейки, то нет и длины или если нет амперметра, то нет и электрического тока. К тому же часы, как мы надеюсь убедились, служат для воспроизведения объективно существующей величины – угловой скорости вращения Земли. Все это создает серьезные сомнения в объективности существования времени.
Но существует понятие, которое может примирить ученых всех отраслей знаний. Это понятие – процесс. В конце концов любая наука имеет дело с процессами. Это процессы физические, геологические, биологические, исторические и многие другие. И все эти процессы сравниваются с эталонным гармоническим процессом - движением Земли. Происходит это в большинстве случаев бессознательно. Термин время (от индоевропейского vertmen – вертеть) упростил процесс сравнения. Время, по своей сути, величина-посредник. Она существует только в связи с процессом сравнения.
Если согласиться со сказанным выше, то следует сделать несколько шагов, которые позволят ввести единую трактовку термина время во всех областях естествознания. Во-первых осознать, что время универсально, является мерой длительности и не существует объективно. Объективно существуют различные процессы и использование понятия времени для их описания. Нет времени биологического, геологического, исторического, а есть время в процессах биологических, геологических, исторических и т.п., т.е. одно и то же понятие используется в различных отраслях науки и техники с учетом их специфики. Во-вторых, в рамках существующей системы единиц физических величин, использовать понятие "длительность", которое еще Ньютон использовал как синоним "времени". Оно является синонимом как времени, так и периода. Для нас вполне естественным является использование словосочетаний "длительность периода" и "длительность процесса". В конце концов энциклопедическое определение времени использует термин "длительность". Термин "время" может по-прежнему использоваться как понятие в математических моделях и как основная физическая величина SI. Необходимо только четко определить этот термин и критически посмотреть на использование времени в математических моделях. Для строгости имеет смысл вместо основной единицы "время" в СИ написать – "длительность (время, период)", что не приведет к фатальным последствиям. Попробуйте вместо времени подставить в уравнение период и вы это почувствуете. Ведь время t = nT, где T – период или единица его измерения, а n – действительное безразмерное число.
Что касается механики Ньютона, то здесь все будет в порядке. В Эйнштейновской теории относительности следует уточнить, о чем, объективно существующем, идет речь, когда в ней идет речь о времени.
ПРОСТРАНСТВО И ВРЕМЯ, философские категории. Пространство — форма сосуществования материальных объектов и процессов (характеризует структурность и протяженность материальных систем); время — форма и последовательные смены состояний объектов и процессов (характеризует длительность их бытия). Пространство и время имеют объективный характер, неразрывно связаны друг с другом, бесконечны. Универсальные свойства времени — длительность, не повторяемость, необратимость; всеобщие свойства пространства — протяженность, единство прерывности и непрерывности.
(Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия)
Энциклопедическое определение пространства и времени утверждает о их неразрывности и объективности существования. Истоки этого утверждения лежат в теории относительности Эйнштейна (ТО). "В 1905 г. Эйнштейн установил, что лоренцово сокращение и его локальное время – не математический прием и физическая иллюзия, но явления, связанные с самыми понятиями пространства и времени." (Борн, 1964, стр.273) С этого началась великая путаница. Изложение сути ТО Борн начинает с понятия одновременности. На это необходимо обратить внимание в первую очередь. Попытки осознания окружающего мира непосредственно связаны с сопоставлением и анализом событий, рассмотрением их в единой системе координат. Это подразумевает не только наличие единой шкалы, но и единого начала отсчета. Без этого невозможно сопоставить события, выявить связь между ними. Что происходило одновременно или в какой последовательности? Научные исследования схожи с работой следователя. Здесь сплошь и рядом возникают вопросы типа: " А что Вы делали в понедельник в 8 часов вечера?". Именно в установлении начала отсчета времени и кроется основной вопрос ТО.
Борн безусловно прав, утверждая: "Не существует такой вещи, как абсолютная одновременность". Он сводит вопрос "к следующему: можно ли указать средство, позволяющее доказать, что двое часов, расположенных в различных точках пространства, идут с одинаковой скоростью?" (Борн, 1964, стр.274) Обратите внимание, он говорит об измерениии времени, факте субъективном, а не об одновременности, как объективном событии. Абсолютно точных измерений не существует вообще (на сегодняшний день). Вопрос об одновременности не стоял бы, имей мы средства связи с бесконечно большой скоростью передачи информации. Точность определения одновременности непосредственно связана со скоростью распространения информации, ограниченной скоростью света. Некоторые говорят, что нельзя все сводить к метрологии. Но ведь метрология это наука о измерениях, без которых нет физики, да и многих других наук. Наблюдения и измерения являются источниками создания математических моделей естественных процессов.
В метрологии говорят о допустимости принятия измеренного значения величины за истинное (абсолютно точное) в том случае, если погрешность измерения пренебрежимо мала для достижения поставленной цели. Понятие одновременности относительно. Можно говорить об одновременности событий произошедших в один день (день рождения, например) и не одновременности, если разница в возникновении событий составляет доли секунды. Все зависит от поставленной цели и решаемой задачи. Устанавливать одни и те же требования к решению различных задач нецелесообразно, по крайней мере, с экономической точки зрения. Что касается электродинамики, стоящей у истоков специальной ТО, то требования к точности измерения времени здесь можно считать на сегодня наивысшими. Отсюда и попытки создания математического аппарата для преодоления методических погрешностей измерений и создание средств измерения наивысшей точности.
Если говорить об объективной одновременности, то она, по мнению автора, безусловно существует так же, как существует масса вне зависимости наличия весов. Автор является сторонником теории существования глобального "Сейчас" Вселенной. Как человек живет сейчас, так окружающий нас мир живет как единое целое в непрерывном и необратимом процессе, идущем от рождения к смерти. Рождается и умирает все – человек, животные, растения, ландшафты, планеты, звездные системы, галактики и вселенные. Все пространство существует одновременно, независимо от того, имеем ли мы единую систему отсчета. Система отсчета – изобретение ученых а Вселенная существует помимо нашей воли. Главное похоже в другом.
Дело в том, что всю информацию об окружающем нас мире мы получаем из "Прошлого". Все что мы знаем мы получили на основе анализа свершившихся событий или процессов. Процессы можно так же рассматривать как набор событий связанных причинно-следственной связью. Информация всегда доходит до исследователя с задержкой, как бы не было мало расстояние. Осознание этого приводит к существенным выводам. Мы пользуемся устаревшей и весьма разнородной информацией о прошлом. Для того, чтобы понять, что происходит вокруг нас, и особенно в нашей Вселенной, информацию надо систематизировать, выровнять или учесть задержки. Методический или (и) аппаратный учет задержек является порой весьма сложной, а порой и непреодолимой задачей.
Понятие одновременности, с метрологической точки зрения, подразумевает наличие единой измерительной шкалы у независимых наблюдателей. Выше было подчеркнуто, что необходимо четко различать понятия цены деления и шкалы. И Борн и Бонди фактически признают теоретическую возможность хранения единицы измерения времени со сколь угодной точностью с помощью квантовых генераторов. Оба говорят о возможности использования независимыми наблюдателями идентичных часов. Следствием этого является возможность обеспечения синхронных измерений в независимых системах отсчета. Именно синхронных, а не синфазных! Это полностью согласуется с принципом относительности утверждающим, что все физические законы имеют простейший вид в бесконечном числе инерциальных систем отсчета. А вот согласование шкал, установление единого их начала, задача непростая даже в одной системе отсчета. Однако у обоих авторов этой проблемы вроде бы и не существует. А она оказывается тесно связанной с последующим изложением.
В практической астрономии используют всемирное время (Universal Time, UT). "Каждая настоящая обсерватория (и каждый уважающий себя наблюдатель) имеет часы, которые показывают всемирное время" (Данлоп, 1990, стр.104). Без него невозможны совместные обработки астрономических наблюдений, запуск и обслуживание искусственных космических объектов. Существует специальная служба Системы Единого Времени (СЕВ), обеспечивающая привязку часов по всей Земле к единой шкале с помощью радиосигналов. Понятно, что точность привязки будет зависеть от точности знания расстояния между источником и приемником сигнала, а так же задержек при его распространении. Абсолютной одновременности не существует даже в пределах одной, условно неподвижной, системы координат. Ошибка существует даже тогда, когда расстояние между объектами не изменяется. Когда же оно изменяется, ошибка может увеличиваться многократно из-за ошибки измерения расстояния. И это, похоже, ключевой момент в ТО.
Одним из основных положений ТО является постоянство скорости света. Признание этого приводит к линейному отношению между временем и расстоянием - они связаны константой. Это соотношение, а так же уравнение Доплера-Физо лежат в основе локации. Такая связь приводит к тому, что ошибки определения времени и расстояния становятся неразделимы, их можно разменивать одну на другую. Например можно говорить о координатах искусственных спутников Земли определенных с ошибкой на конкретный момент времени или наоборот об абсолютно точных координатах в некотором диапазоне времени. Суть от этого не меняется. Координата разменивается на время и наоборот.
Нобелевский лауреат Макс Борн и профессор Г.Бонди каждый по своему излагают суть ТО, но у каждого из них идет речь о часах в независимых системах отсчета и о преобразовании Лоренца. Оба приходят к одному выводу, хотя Бонди использует в своих доводах иной математический аппарат. Оба не исключают существования квантовых часов, однако сомневаются в точности воспроизведения времени в независимых системах отсчета.
Вначале следует разобраться с исходным утверждением о необходимости сверять часы в предположении неточности их хода. В терминах современной метрологии речь идет о поверке средств измерений или, иначе, об устранении погрешностей воспроизведения физической величины. Для дальнейшего рассмотрения вопроса следует четко разделить погрешности воспроизведения основной единицы измерения и шкалы. Выше мы уже говорили об этом.
Если речь идет об идентичных часах в двух системах отсчета, то подразумевается одинаковость их конструкции и порядок погрешности. Естественно предположить, что и основная единица измерения времени в этом случае одинаковая. Так же естественно, что в этом случае единица может храниться с помощью эталона соответствующего современному земному. Основная единица измерения времени будет секунда и относительная погрешность ее воспроизведения составит 3*10-12 (Бурдун, Марков, 1975, стр.95). Такие часы накопят ошибку в 1 секунду не менее чем за 95 тысяч лет, если говорить об абсолютных измерениях времени, т.е. измерениях. привязанных к единой шкале. Если же измерения относительные, то и ошибка будет сравнима с погрешностью эталона. Следовательно задача должна сводиться к привязке шкал часов независимых наблюдателей в произвольный момент времени. Если же шкалы согласованы изначально, то привязка имеет смысл тогда, когда ее погрешность будет хотя бы на порядок меньше накопленной.
Прежде чем приступить к рассмотрению методов, используемых Борном и Бонди при описании основ ТО, надо сделать некоторые замечания. Математики недаром говорят, что "математика не имеет никакого отношения к физике" или что-то в этом роде. Математика наука абстрактная, а физика – конкретная. Лаплас, используя результаты астрономических наблюдений создал целый раздел математики. На основе математических моделей созданных им были сделаны открытия в астрономии. Но все равно математика и физика существуют сами по себе. Физика использует математику. Она без нее жить не может настолько, что математические модели начинают считать объективной реальностью. Можно создать массу моделей конкретного стола от рисунка до программы его автоматического создания. Все они будут описывать конкретный стол. Но если вы имеете чертеж стола, то это не означает, что этот стол существует.
Абстракции присутствуют и в ТО. Во-первых говорится об идентичных часах, т.е. часах одинаковой конструкции. Но такие часы могут существовать только в пределах одной цивилизации. Бессмысленно говорить о сличении наших часов с часами гуманоида, с которым мы не имеем общего языка. Мы вообще не можем знать, что показывают его часы. Бонди приводит высказывание Лауэ о маятниковых часах: "…маятниковые часы – это не просто ящик, который вы покупаете в магазине; маятниковые часы – это тот ящик, который вы купили в магазине вместе с Землей." Лауэ имел в виду земную силу тяжести, но его высказывание можно отнести к любым земным часам. Не имея единой системы отсчета невозможно сравнивать события между собой. Результаты измерения в разных системах отсчета необходимо привести к единой, что и позволяет осуществлять преобразование Лоренца.
Далее говорится об абстрактных световых сигналах обмена между наблюдателями. Сигналами вообще невозможно обмениваться, не имея, как говорят программисты, "единого протокола обмена." Если же такой протокол существует, то можно установить такие требования к сигналам обмена, которые позволили бы с помощью дополнительно передаваемой информации, снять многие вопросы, которая ставит ТО пользуясь абстрактными понятиями. Завершить описание абстрактности описываемых ситуаций можно обратив внимание на некоторые допущения. Предполагается, что наблюдатели находятся в одной точке, когда обмениваются световыми сигналами и, поэтому, этот обмен происходит мгновенно. Так может быть, если наблюдатели не материальны, но тогда это не наблюдатели и у них не может быть часов. Если же они материальны, то обмен сигналами будет обязательно сопровождаться задержками за счет их распространения, как бы не были малы эти задержки. так же во многих местах можно обнаружить, что одновременность с одной стороны не существует, а с другой все заняты ее поисками и в иных случаях она существует. Если призадуматься, то можно найти еще немало абстракций. приводящих к непредсказуемым последствиям. Физика все-таки наука конкретная.
Теперь рассмотрим изложение Борном основ теории относительности. В Приложении1 приводится график, на основе которого он объясняет свое отношение к одновременности. Акцент делается на неодновременность прихода сигналов к объектам, находящемся на одинаковом расстоянии. Затем заявляется о необходимости создания такой системы отсчета, в которой бы неодновременные события стали одновременными. Обратите внимание – создается система отсчета, позволяющая не описать объективно происходящие процессы, а получить желаемый результат. Сигналы, приходящие в разное время, выдаются за одновременные. Получается, что наблюдатели А, В и С принадлежат двум системам отсчета, но в разное время! Причем делается это искусственно, а выдается за действительность. Как в старом анекдоте: "Пишется Ливерпуль, а читается Манчестер". От такой модели можно ожидать много неожиданного.
Продолжение рассуждений на основе графической модели, предложенной Борном, приводит к интересным результатам. Вообще модель напомнила задачу о кошке и собаке, которую незадолго до этого автор помогал решать внучке-пятикласснице: кошку догоняет собака – классическая задача на сложение скоростей. Применив методы пятиклассников к решению задачи ТО обнаружилось, что расстояние между движущимися с большими скоростями объектами можно корректно определять методами классической механики. Оказывается, что отраженные сигналы возвращаются к наблюдателю С одновременно Здесь уже не приходится задавать вопрос о том, что показывают часы. Можно просто определить расстояние на момент прихода отраженного сигнала и задача эта естественна и понятна. Но если можно корректно определять расстояния, то тогда можно определять и время. Или это так, или автор ничего не понял.
Подход Бонди иллюстрируется в Приложении2. Он использует метод коэффициента "к" и графики приводит применительно к своей методике. Здесь уже не три, а два наблюдателя. Борн предостерегает от попыток графического решения задачи с помощью приводимых диаграмм, поэтому в Приложении2 дана интерпретация отображения задачи с точки зрения классической механики. Отличия изображенного графика от приводимого Борном описаны в приложении, но суть не в отличиях графиков. Суть в том, что преследуемая при решении задачи цель размыта. Не поставлен четко вопрос, на который необходимо дать ответ. Ключевым вопросом является вопрос " …какое время должен приписать наблюдатель В (на графике приложения) тому моменту, когда происходит отражение" (Бонди, 1972, стр.41). Интересный вопрос! Самое главное, что его никак нельзя проверить. И появляется он в результате заведомой ошибки. Предполагается, что времена, затрачиваемые сигналом локации на путь до наблюдателя В и обратно равны. Но если сигналы "разбегаются", то это не так даже в классической механике. В результате такого допущения возникает ошибка, которую потом объясняют существованием неких реальных процессов.
Если рассуждать в масштабе приведенного графика, то часы наблюдателя В должны отстать за 5 секунд на 1 секунду. Это не средство измерения, а нечто… А если наблюдатель В принимает сигнал наблюдателя А и может сообщить о времени приема наблюдателю В, то что он сообщит? Зачем надо догадываться о том, что показывали часы. если об этом может сообщить адресат, получивший сигнал и ответивший на него? Наверное он сообщит истинное значение времени. Иначе зачем было обмениваться световыми сигналами при встрече? Все происходит из-за того, что наблюдатели не материальны. Если бы было иначе, то вопроса о приписывании времени просто не существовало бы.
С учетом результатов полученных в Приложении1 был произведен примитивный расчет расстояния между объектами А и В на момент получения отраженного сигнала. Результат получился так же интересный. Оказалось, что появляется значительная разница в оценке времени прихода отраженного сигнала, зависящая от метода расчета. Зависит это от утверждения о симметричности затрат времени на путь туда и обратно, отмеченное выше. Тем не менее, когда бы наблюдатель не получил ответный сигнал, он может определить расстояние между объектами на момент его прихода методами классической механики. Мало того, расчет расстояния на момент половины времени локации дает так же корректный результат. Ошибка определения времени дает ошибку в расстоянии и наоборот – ведь они связаны константой! Над этим стоит задуматься.
Еще интереснее получилось при рассмотрении ситуации, описанной в Приложении3. Здесь взяты два объекта симметрично разбегающиеся от точки встречи со скоростью равной половине световой. С точки зрения классической механики такая ситуация вполне реальна. А как это будет выглядеть с точки зрения ТО? Все интересующиеся приглашаются к ознакомлению с полученными результатами и упражнениям в разработке математических моделей или осознании изображенного.
Рассмотрев описанные графические модели, автор пришел к выводу, что основные парадоксы возникают при абстрагировании от действительности. Здесь не приводятся натяжки и, мягко говоря, неточности, обнаруженные при изучении указанных трудов. Хочется только отметить странную асимметрию траекторий на графике Приложения2. Похоже это результат искажения существующей ситуации. Пояснить это можно наглядным примером, который наблюдали почти все, путешествующие по железной дороге. Если вы смотрите в окно поезда стоящего на станции и видите только окна стоящего напротив состава, то создается иллюзия движения другого поезда, если ваш трогается очень плавно. Но если вы видите платформу, то можете четко сказать, кто двигается. Если вы двигаетесь одновременно, то реально существует точка, от которой можно вести отсчет и принять ее за начало неких координат. Над этим тоже стоит задуматься.
Наконец стоит вспомнить о том, что скорость света в любой системе отсчета одинакова. "Согласно опыту, скорость света не зависит от состояния движения наблюдателя и имеет всегда одно и то же значение." (Борн, 1964, стр.274) Отсюда можно сделать вывод. что любая скорость, которую можно воспроизвести так же как скорость света, т.е. как образцовую, в любой системе будет иметь одно и то же значение. Основание для этого есть. Попробуйте порассуждать о передаче размеров длины и времени с помощью радиосигналов. Эталоны длины и времени базируются сегодня на квантовых генераторах. Изменения значений длины и времени, в соответствии с эффектом Доплера-Физо, должны происходить пропорционально скорости перемещения систем. Отношения этих величин не должны изменяться вообще.
После примерно двух лет неспешного изучения небольшого количества литературы автор подтвердил свои интуитивные ощущения и пришел к убеждению, что время, как объективная физическая величина (сущность) не существует. Оно стоит особняком от всех остальных физических величин системы единиц SI. Время – это величина-посредник, понятие сложившееся естественно в человеческой цивилизации и используемое в самых различных областях деятельности человека. Интуитивно ощущалось, что окружающий нас мир подобен человеческому организму – он живет как единое целое в непрерывном и необратимом процессе, идущем от рождения к смерти. Рождается и умирает все – человек, животные, растения, ландшафты, планеты, звездные системы, галактики и вселенные. В основе окружающего мира лежат всевозможные процессы и непременное движение. Без них Вселенная просто не может существовать. Подтверждение ощущениям нашлось в концепции Глобального Сейчас Вселенной, которую можно рассматривать как общий случай, а частным является Глобальное Сейчас Человека.
Постепенно пришло осознание того, что понятие времени, возникшее естественно в незапамятные времена, оказалось очень удобным инструментом описания динамики процессов и физических явлений. Все процессы и движения стали соотносить с природным эталоном – процессом движения Земли вокруг Солнца. Это было настолько естественно, что на это не обращали внимания. Казалось, что таким простым образом вопрос решаться не может.
Масла в огонь подлил Эйнштейн, объединив преобразование Лоренца с реальностью. Ведь сто лет тому назад только единицы понимали суть теории относительности. И Бонди не зря говорил о некоторых людях :" придерживаться точки зрения великого человека – это значит обеспечить успех повсюду и всегда." Так и произошло. Теперь тем, кто не согласен с Эйнштейном, приходится очень трудно. Им приходится продвигаться в науке без прикрытия великих имен. Но такие люди есть и это очень отрадно и вселяет надежды в выход современной науки на новый уровень развития.
Попав на Российский междисциплинарный семинар по темпорологии и ознакомившись с трудами Web-Института исследований природы времени (http://www.chronos.msu.ru), автор понял, что он далеко не одинок. Оказалось, что его интуитивные представления о времени и пространстве давно и успешно разрабатываются серьезными учеными. В частности автор обнаружил, что А.П.Левич процесс смены состава “естественных систем” именует “обобщенным движением” или “генеральным процессом” и понятие “течение времени” вводит как синоним этих понятий, а О.С.Разумовский считает что "времени как физической сущности нет", что время это "нечто".
Похоже, что телегу запрягли впереди лошади – время первично, а процесс вторичен – это и приводит к спору и непониманиям. Если осознать, что любой процесс первичен, а время вторично, то это может примирить практически всех. Не станет времени физического, биологического, геологического, исторического, а будут процессы физические, биологические, геологические, исторические, динамика которых описывается с помощью такого абстрактного понятия, как время. Что касается математических моделей, то основное и непреложное требование к ним – обеспечение успешного решения теоретических и практических задач в области, для которой они предназначены и предлагаемый подход им никак не помешает. При этом время останется единым и универсальным понятием, базирующемся на уникальном природном процессе – движении Земли. И следует задуматься о реабилитации периода как физической величины.
По мере ознакомления с материалами Института и присутствия на докладах Семинара становилось все более непонятно, почему успешно сотрудничающие ученые до сих пор не пришли к единому трактованию понятия время. Ответ на этот вопрос обнаружился у О.С.Разумовского - "Если такой подход (ноумено – феноменологический) к сущности и смыслу Времени принять, то необходимо переформулировать многие положения науки, а также смысл, цели и направленность определенного круга исследований,…". Это может напугать многих, и напрасно. Осознание новых реалий может привести к взрыву новых идей и расширению области деятельности. Нужно просто осознавать, что любые теории ограничены хотя бы потому, что всегда ограничены наши знания, и не бояться мыслить неординарно. Необходимо помнить, что диссидентов в науке преследовали, вплоть до сожжения на костре, но остановить процесс развития даже этим не удавалось. Стоит вспомнить, что сто лет назад, в момент зарождения теории относительности, засмеяли бы любого, кто сказал бы не только то, что через 60 лет человек высадится на Луне, но даже то, что он будет комфортабельно перемещаться из Европы в Америку со скоростью превышающую скорость звука. Сегодня это неоспоримый факт. Для того, чтобы двигаться вперед нужно просто допускать все, во что мы сегодня не верим и пытаться понять непонятное.
В заключение приводится определение термина Время, которое появилось как результат самодеятельности автора. Оно не претендует на истину в последней инстанции и предназначено для внесения свежей струйки в работу сотрудников Института. Автор считает, что приводимые в энциклопедии формулировки давно пора пересмотреть. Необходимо сделать подарок к столетию появления Теории относительности. Одновременно автор считает, Семинар должен увенчать свою двадцатилетнюю работу хотя бы первой редакцией определения термина Время. Где как не здесь это должно появиться? И не стоит думать, что на этом работу Семинара можно закрывать. Понятие Время никуда не исчезнет, просто изменится взгляд на него. Останется огромное количество задач, место Времени в которых придется решать бесконечно – ведь процесс нашего познания Мира бесконечен.
ВРЕМЯ – понятие, используемое для описания динамики процессов и состояний. В системе единиц физических величин СИ принята за одну из основных, условно независящих от других физических величин. Единица измерения времени – секунда, 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
время ОБЪЕКТНОЕ (конкретное, обычное) – время, имеющее единую общепринятую шкалу и используемое для описания связи событий между собой. Например земное время имеет в виде шкалы календарь и часы, исчисляется на основании наблюдения за движением Земли и воспроизводится с помощью квантовых генераторов.
время Математическое (абстрактное) – составная часть физико-математических моделей при описании окружающего мира. Оно безотносительно к чему-либо внешнему, воспроизводится как обычное время и для его измерения используются те же единицы.
Литература
|
1 |
Борн Макс "Эйнштейновская теория относительности", Мир, Москва, 1964 |
|
2 |
Бонди Г. "Легенды и мифы физической теории", Мир, Москва, 1972 |
|
3 |
ГОСТ 16263-70 Метрология. Термины и определения |
|
|
ГОСТ 8.417-81. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин |
|
4 |
Воронцов-Вельяминов Б.А. "Лаплас", Наука, Москва, 1985 |
|
5 |
Данлоп С. "Азбука звездного неба", Мир, Москва, 1990, стр. 104 |
|
6 |
Бурдун Г.Д., Марков Б.Н. "Основы метрологии" Издательство стандартов, Москва. 1975, стр. 95 |
Ниже на графике приводится ситуация иллюстрируемая М.Борном в параграфе, озаглавленном "Понятие одновременности". Вначале рассматривается ситуация в системе, которая "покоится". Не обсуждая определение этой системы даваемое Борном, скажем только, что это задача классической механики в изолированной системе координат. Сигнал из точки C достигает точек A и B одновременно. "Далее, пусть три точки A,B и C движутся равномерно и прямолинейно с одной и той же скоростью. Их мировые линии так же параллельны, но наклонены к оси x".
На графике, аналогичном графику приводимому Борном, изображена описанная ситуация с несколькими отличиями: по оси ординат откладывается непосредственно время в секундах, а на оси абсцисс расстояние в световых секундах. Такое изображение не отличается от примененного Борном. Для удобства описания назовем точки A,B и C наблюдателями. Отношение их скорости к скорости света на графике равна 0,5.
Из графика
хорошо видна ассиметрия во временах прихода сигнала от наблюдателя C
к наблюдателям A и B. Сигналы приходят не одновременно. Этот момент
акцентируется Борном. Далее строится косоугольная система координат
ось абсцисс которой параллельна линии A'B', в которой моменты прихода
сигналов соответствовали бы одному моменту времени, т.е. были бы
одновременны. Это не вызывает удивления после решения задачи о кошке
и собаке. Однако отраженные сигналы, как это видно из графика,
вернутся к наблюдателю C одновременно. На основании этого он
может заключить о равенстве расстояний от него до наблюдателей A и B.
Однако вычислив расстояние по формуле
,
где VC – скорость света, он ошибется и весьма
значительно. Вместо расстояния в 3 единицы он получит 4, что
соответствует расстоянию между точками по линии A' – B'.
Результаты можно исправить с учетом скорости движения наблюдателей.
Решая задачу методом сложения скоростей, как это делают в пятом
классе "общеобразовательных учреждений",получим:
Из
приведенного выражения получается оценка методической погрешности от
не учета скорости движения объекта локации - она будет менее 1% при
kV<0,1. Если принять скорость движения Солнца (20 км/с)
за скорость движения объектов на поверхности Земли, то ее не учет
должен привести к относительной погрешности не более
или
5мкм/км. Если же скорость движения Вселенной составляет около 700
км/с, то это должно соответствовать ошибке порядка
или
5мм/км.
В примере приведенном в Приложении 1 объекты двигались друг за другом (цугом) и расстояние между ними не менялось.
Теперь рассмотрим пример, на основе которого Бонди объясняет принципы ТО. Здесь наблюдатели "разбегаются". Это выражение пожалуй очень подходит к ситуации, рассматриваемой ТО. Наблюдатели равноправны и сближаются или удаляются друг от друга (разбегаются).
"Допустим, что [наблюдатели] А и В обмениваются световыми сигналами, когда они оказываются в одном и том же месте. Поскольку расстояние между ними в этот момент равно нулю, такой обмен сигналами не требует никаких затрат времени. Через промежуток времени Т по своим часам наблюдатель А посылает второй световой сигнал. Этот сигнал будет принят наблюдателем В;… наблюдатель В, получив второй сигнал от А, немедленно отправит световой сигнал к А …"(Бонди, 1972, стр.39).
Приводимый ниже график соответствует диаграмме Бонди до точек А2В2. Далее он отображает соотношения получаемые Бонди, а так же траектории наблюдателей А и В в соответствии с положениями классической механики. По оси времени отложены секунды, а по оси расстояний – световые секунды. Скорость света условно принята за 1. Еще одно отличие графика от диаграммы Бонди – наличие численного масштаба. Практически этот графи является вариантом графика Приложения1, только объект B движется со скоростью сравнимой со световой, а A вслед за ним с настолько малой, что его условно можно считать "покоящимся".
можно вычислить по формуле
где
где
- отношение скорости
разбегания к скорости света;
- скорость света;
- интервал времени от
момента встречи до момента пуска сигнала локации.Приложение 3
Рассмотренные в Приложениях 1 и 2 случаи можно рассматривать как частные. Вектора скорости движения наблюдателей могут быть как одного знака, так и противоположных. Здесь рассматривается так же частный случай – разбегание наблюдателей с одинаковыми скоростями, направленными противоположно от точки встречи.
От случая, описанного в Приложении 2, он отличается тем, что каждый из объектов удаляется от точки встречи со скоростью 0,5 от световой. Скорость разбегания в этом случае будет равна световой, а картина очень интересной. В принципе скорость разбегания может приближаться сколь угодно близко к удвоенной световой. Это значит, ни много ни мало, что один объект движется относительно другого со скоростью превышающей скорость света, как ни парадоксально это звучит. С точки зрения теории относительности наблюдатели А и В должны считать себя неподвижными, а наблюдаемый объект движущийся со скоростью превышающую световую, чего, вроде бы, не может быть. Могут ли объекты перемещаться с такой скоростью? Могут ли они обменяться посланиями? Могут ли они видеть друг друга? Из приводимого ниже графика виден ответ на этот вопрос так, как он решается методами классической механики.
, где
- расстояние между
объектами в момент возврата сигнала локации;
- отношение скорости
убегания объектов от точки встречи к скорости света;
- скорость света;
- интервал времени от
момента встречи до момента пуска сигнала локации.