Поиск по сайту: 
 
Russian English French German
 
© 2001-2017 Институт исследований природы времени. Все права защищены.
Дизайн: Валерия Сидорова

В оформлении сайта использованы элементы картины М.К.Эшера Snakes и рисунки художника А.Астрина
Время как объект науки

Время как объект науки

0.0/5 оценка (0 голосов)

НИИСИ РАН, Москва

Пожалуй, время – самое распространенное свойство окружающего нас мира. Трудно найти объект или понятие, не имеющие отношения ко времени. Даже пространство не столь всеобъемлюще. Можно, например, утверждать, что понятия морали, справедливости или, скажем, хитрости не имеют пространственной привязки. По крайней мере, пространство здесь присутствует опосредствованно. А вот говорить о них вне времени – совершенно невозможно. Время фантастически многолико. По сути, это не одно понятие, а термин, обозначающий целое семейство свойств нашего Мира. Это – и эпоха, в которой мы живем или жили, это – и распорядок дня человека, и важнейший параметр всех процессов в природе, обществе и технике. Более того, в каждом процессе у него свои свойства, свой ритм и масштаб. То оно течет непрерывным потоком в космосе, то вдруг оборачивается дискретными тактами в вычислительной машине, то  – вдруг – преподносит релятивистские сюрпризы в ускорителях частиц...

Время неразлучно с нашим сознанием. Воспринимать, думать, чувствовать мы умеем только в его потоке. И все-таки именно о нем мы знаем удивительно мало, почти ничего. Отчасти это происходит из-за его привычности. То, что всегда рядом, становится незаметным – характерное свойство нашего восприятия. Древние философы даже не включили ощущение времени в перечень человеческих чувств. Но именно они задумались над загадками этого явления. Почему время нельзя потрогать, остановить и – главное (!) – повернуть назад? Есть ли движение в одном мгновении? Влияет ли прошлое на настоящий момент, или его уже не существует? Записано ли будущее в “Книге Судеб”, или его еще нет, и настоящее постепенно в него превращается? Случаен ли ход вещей, или есть скрытая пружина, диктующая миру однозначный закон, как в механизме часов? И, конечно, вопрос вопросов: почему вообще наш мир изменяется? Есть ли в нем хоть что-нибудь вечное, или все бренно? Необратимо ли меняется Вселенная, или “все вернется на круги своя”? В этом месте хочется поставить не три точки, а три знака вопроса...

Но можем ли мы хоть что-то определенное сказать про Время? (Опять – вопрос!) Можем! Прежде всего, оно, безусловно, есть. Можно усомниться в существовании чего угодно, даже себя самого (есть такая форма помутнения рассудка), но усомниться в наличии времени человек не может, потому, что на само сомнение требуется время. Во-вторых, можно уверенно утверждать, что у времени есть направление (мы его называем “из прошлого в будущее”) и еще никому не удалось поплыть против потока времени и сместиться в прошлое, продолжая субъективно жить вперед в своем личном времени. В-третьих, время несет в себе изменчивость всего, что нас окружает, и (это, пожалуй, грустно) – нас самих. Значит, положение не столь безнадежно и есть какие-то достоверные факты об этом удивительном феномене.

Время и философия

Но может ли изучать время наука? Этот вопрос по-разному поймут жители разных стран. Слово наука переводится на другие языки неоднозначно. О какой науке идет речь? Если говорить о философии, искусствоведении, истории, то препятствий к построению теорий времени нет. Если есть объект, то о нем можно рассуждать, создавать его эстетику и трактовки.

С точки зрения философии можно построить теорию, исходя из того, что время вторично по отношению особому свойству мира – изменчивости. Человеку дано чувство изменения окружающего мира. А время тогда вводится как мера происшедших изменений. При таком подходе для каждого человека время свое. Общая для многих людей мера времени возникает, если договориться о едином явлении, изменчивость которого будет принята за эталон хода времени. Так возникли часы. Это классическая реляционная концепция времени.

Имеется концепция первичности человеческого восприятия в феномене времени. Время трактуется как упорядоченность в сознании воспринимаемых человеком событий. Общезначимое время возникает как феномен коллективного сознания.

Некоторые философские системы считают время иллюзией. Неуловимость момента времени трактуется как аналог призрачности самого явления. В древности именно этот взгляд на время привел к сознательному изгнанию понятия времени из математических теорий.

Имеется взгляд на время как на субстанцию, активирующую изменчивость в мире. Некоторые из таких учений носят религиозный характер (изменчивость как проявление энергии божества). Такую роль играет, например, Шива в индуизме. Но эта концепция совместима и с научными представлениями.

Возможны различные взгляды на понятие момента времени. Момент можно трактовать как наименьшую доступную наблюдению длительность. Такое понятие момента абсолютно на каждом этапе развития метрологии. Альтернативной концепцией является понятие момента как совокупности начавшихся и пока незавершенных процессов, относящихся к интересующей наблюдателя группе явлений. Тогда момент обладает длительностью, зависящей от типа рассматриваемых процессов. Это позволяет говорить о десятках тысяч лет в одном моменте геологической истории, или о наносекундах в такте электронных схем.

Время и естественные науки

Гораздо хуже положение эмпирической и логической науки. Этим наукам необходима повторяемость явления, а еще лучше – воспроизводимость его в лаборатории. Без этого непонятно, как убедиться в достоверности свойств, заложенных в логическую и статистическую модель. Но именно этого свойства у времени нет: оно никогда не повторяется.

Эту драматическую ситуацию подметили еще античные ученые, которые, похоже, обиделись на Время за несговорчивость. Платон отводил времени самую низменную роль, утверждая, что оно властно только над низшими формами духа, деградировавшего до уровня материи. Роль времени он видел именно в том, чтобы поскорее разрушить бренную материю и освободить запертую в ней чистую идею. Эта точка зрения была очень популярна в древности и повлекла запрет на использование времени в математических теориях, которые претендуют на вечность и потому не должны быть подвержены тлению. Такая форма математических утверждений “вне времени” сохранилась до наших дней в традиционных разделах математики. Но программисты и логики двадцатого столетия восстали против такого насилия над здравым смыслом. Время вошло явным образом в понятие алгоритма и логического вывода. Справедливости ради надо заметить, что в этих разделах точных наук теории долго не живут...

Кто не может себе позволить роскошь делать вид, что времени нет, так это физики. Для них модели времени – не дело принципа, а прагматическая потребность, возникающая при описании явлений природы. И начиная с Архимеда, делается это описание в форме уравнений и неравенств, что приводит к необходимости все параметры, в том числе и время, измерять числом. А как измерять то, что ускользает?

Пусть читатель не думает, что автор нагнетает таинственность. К часам-то вроде все привыкли, что за вопрос! Вопрос как раз самый настоящий: что же измеряют наши часы, и как понять, верно ли они измерили то, чего уже нет к моменту окончания измерения? Мы можем семь раз отмерить кусок веревки, прежде чем один раз отрезать, как советует поговорка. Попробуйте-ка семь раз отмерить один и тот же интервал времени. Совершенная бессмыслица: ведь второй раз будет уже ПОСЛЕ первого.

Один выход из положения все же есть: измерить “кусок времени” одновременно семью часами, а потом сравнить результаты. Все способы проверки точности замеров времени в конечном счете сводятся к этой идее. Самые точные часы сегодня – атомные, именно потому, что время там одновременно отсчитывают миллионы микрочасов – атомов изотопа.

Но и тут есть проблема. Идентичны ли часы сами себе в разные периоды? Строгий ответ на этот вопрос эксперимент дать не может. И здесь мы подошли к величайшему завоеванию точных наук, которое и выделило их из других областей знания. Формула этой особенности проста: Эталоны плюс Логика. А по сути это – капитуляция, превращенная в победу. (Иногда очень важно вовремя прекратить сопротивление). Меняется Мир или нет, мы знать не можем. Но можно выбрать один предмет, ЭТАЛОН, и назвать его ИДЕНТИЧНЫМ СЕБЕ САМОМУ в разные моменты времени. А идентичность себе всех остальных объектов определять, сравнивая с эталоном по оговоренным признакам. Когда речь идет о времени, то очень важно понять, что неизменность эталона – понятие условное, договорное, хотя, конечно, для этого имеются некоторые прагматические основания. Эталон должен давать повторяемость измерений в ситуациях, которые эксперты считают одинаковыми в тех областях человеческой деятельности, ради которых проводятся измерения. В отношении времени такой практикой изначально был срок земледельческих работ – год. Позднее добавился распорядок городской жизни – сутки. Сейчас дошли до темпов внутриядерных процессов...

Любой договор требует логики, в частности, представления о допустимом использовании терминов. Иначе невозможно интерпретировать соглашение. С появлением измерений возникла и зачаточная логика. Если эталон неизменен (договор!), значит, время течет одинаково в разные моменты. Это важнейшая предпосылка всех моделей времени. Сейчас физики добавили к ней одно уточнение: это так, если приборы стоят в том месте, где измеряется время. Со стороны можно заметить некоторые неоднородности хода часов и других процессов в далеких областях пространства. Но изнутри эту неоднородность можно заметить только если эталон изменился настолько, что стало невозможным его стандартное использование. В противном случае будет казаться (точнее, логика требует признать), что меняется не время, а свойства процессов во времени.

Время и его модели

На основе логики и числовой арифметики строятся модели процессов. А каждая такая модель содержит и свою математическую модель времени. О том, какая математика адекватна времени, тоже спорили во все эпохи. Стремление к абсолютной истине порождало жесткие столкновения сторонников дискретных или непрерывных представлений, верящих в судьбу или в господство случая, уверенных в линейности или в разветвленности потока времени. Не остались в стороне и искатели поворота времени назад, начиная с легенды о путешествии в царство мертвых Орфея, не сумевшего вернуть любимую из прошлого в настоящее, и кончая современными конструкциями генераторов полей, имеющих обратное направление распространения фронта волны.

Однако годы поисков не прошли даром. Сегодня большинство исследователей уверено в принципиальной многоликости времени. Верны многие модели, каждая в своей области, где она работает лучше других. Даже поворот во времени разрешили элементарным частицам в малых масштабах, с последующим возвратом на путь истинный, то есть в будущее, как все… Это похоже на движение броуновских частиц в потоке воды. На короткое время им разрешено движение против потока, пока толчки от других частиц не повернут их по течению. Для некоторых частиц такой “бунт” кончается аннигиляцией, превращением во вспышку света.

Каждая область знания сегодня строит себе свою модель времени, наделяя его теми свойствами, которые характерны для изучаемых явлений. Есть биологическое, психологическое, социальное, физическое, биохимическое, космологическое и, наверное, еще какие-то времена. Это своеобразное научное язычество не несет в себе противоречия, поскольку разные модели соответствуют разным способам измерения и наблюдения времени. Проблемы здесь не труднее, чем с использованием в одной культуре метров и футов. Иногда в рамках одной науки приходится переходить от одной модели к другой, если меняются условия или объект исследования. Например, в космической радиосвязи приходится учитывать нелинейность преобразований Лоренца, которая совершенно не существенна для наземной связи, где скорости невелики.

Но один принцип нельзя нарушать даже при полном признании относительности истины. Он называется принципом соответствия и означает, что модели, построенные для разных условий наблюдения, должны давать “на чужой территории” результаты, приемлемые с точки зрения точности измерений. Именно так в современной науке устраняют яблоко раздора между точками зрения. Даже полезную модель, не удовлетворяющую принципу соответствия, считают ненаучной, временной конструкцией, которую надо заменить более обоснованной. Это относится не только к моделированию времени, но и к любым математическим моделям в науке.

Время и равномерность

Один из “проклятых вопросов” темперологии (науки о времени): что означает равномерность хода часов? Долгое время считалось, что темп отсчета времени задает вращение Земли. Эта вера несколько поколебалась, когда выяснилось, что движение планеты по орбите неравномерно относительно ее суточного вращения, а сутки неравномерны по качанию маятника. Например, приливы тормозят вращение.

Сегодня за правильный темп принята средняя частота распада большого числа атомов неустойчивых изотопов. В качестве обоснования выдвигается принцип статистической самостабилизации этого процесса. С точки зрения строгой логики это не доказательство, а только некоторое пояснение точки зрения. Но если принять модель статистической независимости актов распада атомов, то такая аргументация строга.

Несколько более обоснованный подход дает принцип эквивалентности общей теории относительности. Согласно ему силы инерции имеют ту же природу, что и гравитация. Поэтому за истинное равномерное движение тела в данной системе отсчета следует признать такое движение, которое не меняет полей гравитации при переносе приборов на это тело. Если измерять силы гравитации способом, не использующим измерение времени, например, по деформации пружины, то можно определить равномерный отсчет времени по пути, пройденным этим телом.

Другой способ ввести понятие абсолютной равномерности дает квантовая механика. В соответствие с этой теорией частица, обладающая энергией, порождает в пространстве колебания определенной частоты. Отсчет времени можно признать равномерным, если частица, не вступающая во взаимодействия, то есть не меняющая свою энергию, не меняет и частоту своей волновой функции.

Мы видим, что вопрос о равномерности хода часов решается в зависимости от принятой математической модели измеряемых процессов. Истина опять становится относительной, но это спасает положение.

Время и пространство

Говоря о времени, нельзя не упомянуть главную математическую модель пространства-времени двадцатого века – теорию относительности и геометрию Минковского. В этой модели время перестает быть параметром процессов, протекающих в трехмерном пространстве. Право на жизнь получают четыре измерения. За временем закрепляется статус реальной четвертой оси пространства, но с особой геометрией, не позволяющей непрерывно менять направление движения вдоль этой оси. Тогда наш мир обречен двигаться в одну сторону (в будущее) поскольку невозможно скачком синхронно изменить направление во времени большого числа элементарных частиц. Частицы, изначально имевшие другое направление, давно ушли в прошлое и удаляются от нас во времени все дальше. А рядом с нами остались только “попутчики”.

Неизвестно, есть ли в нашем мире взаимодействия, способные переориентировать по оси времени хотя бы одну частицу.

Но самое интересное в этом четырехмерии – это способность оси времени поворачиваться, так же как поворачиваются длинные стержни в трехмерном пространстве. Причиной поворота времени является скорость тела, время на котором измеряется путем наблюдения происходящих там процессов из условно неподвижной системы отсчета. Наблюдение “чужого времени” под углом приводит к искажению его видимого масштаба (замедление, растущее с ростом скорости). Это явление аналогично кажущемуся укорочению линейки, если смотреть на нее не фронтально.

Вместе с поворотом времени происходит и поворот осей пространства. Эта пара поворотов обеспечивает одинаковую скорость света во всех системах отсчета. Скорость света оказывается также верхней границей всех достижимых скоростей.

Теория относительности прошла множество эмпирических проверок. Тем не менее продолжаются опыты по проверке ее предсказаний.

В общей теории относительности рассматривается еще и неоднородность хода времени при изменении гравитации или сил инерции. Многие ее предсказания также подтвердились. Наиболее яркими эффектами влияния гравитации на время являются отклонение лучей света вблизи больших масс, разлет удаленных тел со скоростями, растущими с ростом расстояния, а также излучение частиц, свободно падающих в зоне высокой гравитации. Но это направление исследований еще далеко от завершенной формы.

Мы видели, что, несмотря на эфемерность времени как объекта, его удается изучать и гуманитарными и точными методами. Модели этого явления продолжают создаваться и уточняться. Но какая бы модель ни была принята, нам никуда не уйти от необходимости все точнее измерять ход времени. В этом смысле наука о времени – это не только теория, но и технология.

История часов, как прибора, поражает простотой и остроумием идей и удивительно долгими сроками их эволюции. Казалось бы, определять время по положению тени от солнца могли еще в каменном веке. Но только в седьмом веке до нашей эры этот прибор изобрели в Вавилоне, а в Египте еще несколько веков изгоняли жрецов, пытавшихся установить это новшество в храмах. Между эллинской клепсидрой (бассейна, из которого днем вытекала вода, залитая туда ночью) и водяными часами с двумя сопряженными склянками прошло две тысячи лет. Равномерность маятника могли заметить в любой из древних цивилизаций, но потребовалось ждать прихода великого Галилея.

Каждое технологическое открытие отражалось на измерении времени. Либо возникали новые требования к часам, либо появлялись новые возможности для создания эталонных процессов, отмеряющих интервалы длительности. Но при этом часто менялось и представление о природе времени. Видимо, именно инерция образа времени является главной причиной медленной эволюции часов. В древности с понятием времени связывалась власть бессмертных богов над бренным миром. Поэтому, сама процедура измерения воспринималась как часть священного ритуала. Изменение внешнего вида часов вызывало примерно такую же реакцию, как нарушение религиозного устава. Интересно, что до сих пор в некоторых странах с древними традициями бытуют поверия об опасности прихода злых духов, которую несут в себе часы.

Техника сама по себе тоже создает некоторую инерцию способов измерения времени. Известны случаи, когда внедрение на производстве более точных часов приводило к нарушению технологии, которая была рассчитана на старые способы измерений. Особенно часто это происходит при замене человека оператора на автоматику, у которой скорость реакции значительно выше человеческой. Достаточно вспомнить, какие проблемы возникли в спорте при переходе на электронную регистрацию времени.

Тут мы сталкиваемся с еще одной гранью Времени. Это не только характеристика процесса, но и общая среда для всей совокупности процессов, обеспечивающая их причинно-следственное взаимодействие. Не случайно за этим взаимодействием закрепился термин — синхронизация. И само изучение времени синхронизировано с развитием всей человеческой культуры.

Видимо, время – все-таки таинственная субстанция, проникновение в которую идет трудно и не быстро. Разгадаем ли мы природу этой загадки? Пожелаем себе успеха…

Добавить комментарий

Комментарии проходят модерацию. Просьба указывать реальные Фамилию И.О.


Защитный код
Обновить



Наверх