Hиколай Непомнящий - Время - Назад XX век: Хроника необъяснимого

Далее выделяется несколько классов (типов) времени: абстрактное (представляемое); физическое (измеряемое с помощью тех или иных механизмов или за счет наблюдения периодических явлений природы) ; метрическое (отвлеченное) математическое время, матрица для пересчетов между физическим и релятивистским временем; релятивистское время (время теории относительности); биологическое время (время живых организмов).

Детальное изучение времени началось тогда, когда были сконструированы приборы точного измерения его отрезков. Их создали на основе развития астрономических знаний о Земле как небесном теле, о Солнечной системе. Галактике и на основе успехов физики.

Человечество научилось очень точно мерить время течения процессов как в самом человеке, так и вне его, во всей Вселенной, поскольку часы, употребляемые астрономами, суть не что иное, как совокупность всей Солнечной системы.

В нашу задачу не входит изложение техники этих измерений, достаточно только напомнить, что новым эталоном времени стали атомные часы, что созданы различного типа электронные секундомеры, разрешающие измерять малые промежутки времени. Это позволило изучать атомные и ядерные процессы, протекающие за миллионные, миллиардные и биллионные доли секунды. Наконец, люди научились в некоторых случаях как бы изменять временные масштабы. Сверхскоростная киносъемка с последующим медленным воспроизведением всего происшедшего разрешает рассмотреть ход сверхбыстрых процессов (включая взрывы), а съемка замедленная с последующим ускоренным воспроизведением процессов медленных (включая рост и развитие).

Эти технические возможности обеспечили измерение скорости самых различных процессов и сравнение этих скоростей между собой.

Что касается астрономии, то ее успехи в изучении двойных звезд позволили многое узнать о природе гравитационных волн, то есть излучений, которые на земном шаре проявляются в виде силы тяжести. Согласно общей теории относительности, гравитационные волны представляют собой поперечные волны кривизны пространства — времени, которые могут существовать вдали от гравитирующих масс и распространяться со скоростью света. Под их воздействием тела испытывают деформации так называемого приливного типа — растяжение и сжатие Силы гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю вызывают как вынужденные колебания оси вращения Земли, так и приливные деформации земного шара. Луна находится ближе к Земле, чем Солнце, и приливы от нее вдвое больше. Не говоря о морских приливах, которые хорошо известны, Луна вызывает явления приливов и суши. На широте Москвы изменения радиуса Земли в результате этого достигают 40 сантиметров. Сила тяжести изменяется на Земле от экватора к полюсам с увеличением высоты над поверхностью Земли и со временем. Последнее происходит периодически в связи с изменением положения Земли относительно Луны и Солнца и не периодически — в связи с процессами, происходящими в недрах Земли.

Знания о природе гравитационных волн позволили развить релятивистскую теорию гравитации и, в частности, показать зависимость хода собственного времени системы от характера поля гравитации. Наконец, значительные успехи, достигнутые в развитии целого ряда областей науки (биологии, биогеохимии, гистологии, эмбриологии, физиологии и т. д.), когда была использована точная аппаратура, разрешающая измерять время биологических процессов, позволили совершить большой скачок в познании особенностей времени живых организмов биологического времени, выделенного академиком В. И. Вернадским (1863–1945) в 30-х годах нашего века.

До 1905 года, когда А. Эйнштейн (1879–1955) опубликовал свою специальную (частную) теорию относительности, общепринятой являлась ньютоновская концепция времени как некая абсолютная длительность, не зависящая от материи. (Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения рассматривает общая теория относительности (теория тяготения Эйнштейна); специальная (частная) теория относительности исследует свойства пространства-времени в приближении, когда эффектом тяготения можно пренебречь, то есть это частный случаи общей теории относительности. Пространство и время рассматривались как некий ящик, в который вложена материя и свойства которого не зависят от наличия вещества. Кроме того, время считалось однородным, одинаковым во всех точках пространства и от пространства не зависящим.

Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна-Минковского), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событии в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся пи-мезон живет 10-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью — 300 000 километров в секунду — он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.

Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.

Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.

Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некой величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно (изотропно) или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (то есть в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.