Время.Теория необратимости

Время.Теория относительности.

Время – форма бытия материи, характеризующая последовательность смены состояний и длительность существования любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний.

В "Исповеди" Августина (354-430), христианского  теолога и церковного деятеля, есть слова: "Если меня никто об этом не спрашивает, я знаю, что такое время. Если бы я захотел объяснить спрашивающему, нет, не знаю..." Что такое время мы тоже не знаем достоверно до сих пор.

Существует довольно много подходов к описанию явлений и событий  во времени. Этим занимается, в частности,хронология, имеющая дело с разделением времени на регулярные периоды, с расположением событий в порядке их возникновения, с привязкой дат к известным событиям, с выявлением несоответствий в датах, вызванных различием в системах, применяемых в древности и сегодня.

Как форма бытия материи время  имеет следующие свойства:

1. Длительность – выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний; возникновение за каждым данным интервалом времени последующего (интервалы – это промежутки между какими-либо учитываемыми событиями). Вне таких событий само понятие времени теряет для нас смысл. Иными словами, средствами измерения времени являются сами события. Уже в древности для измерения времени придумали часы – прибор, который в усовершенствованном виде дошел до наших дней. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному моменту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы.

Длительность обусловлена сохранением  материи и ее атрибутов. Никакой процесс в природе не может происходить сразу, мгновенно, он обязательно имеет продолжительность во времени. Причиной этого является конечная скорость распространения физических взаимодействий и изменения состояний в природе. Отсутствие же всякой длительности, связанное, например, с состоянием материи типа сингулярности (объект с бесконечной плотностью, гравитационным полем и точечными размерами), означало бы, что материя в этом состоянии не обладает способностью к сохранению и последовательной смене состояний. Это равносильно отрицанию всякого материального бытия.

Длительность существования объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая  непрерывность времени проявляется  в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход.

2. Необратимость – свойство времени, означающее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникнут из настоящих и непосредственнопредшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют в данный момент и способны к взаимодействию между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Объекты, существовавшие в прошлом, но перешедшие в другие последующие состояния материи, уже недоступны никакому воздействию. На прошлое физически воздействовать невозможно, можно только изменить представление о прошлом в сознании реально существующих людей. На отдаленное будущее тоже нельзя воздействовать, пока оно не возникнет, поскольку реально оно еще не существует. Воздействовать можно на события настоящего и на те ближайшие события будущего, которые из них непосредственно вытекают. Можно сказать, что настоящее – это миг между прошлым и будущим.

Понятие настоящего многозначно, так  как охватывает различные временные  интервалы. Так, для человека сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом,– предельно суженное настоящее. Все, что было до него, относится к прошлому, все последующее – к будущему. Но это настоящее может быть и расширено в зависимости от сопоставляемых интервалов и масштабов – до часа, дня, года, большего отрезка времени.

Для объективно существующих систем настоящее охватывает тот интервал, в течение которого они физически  могут взаимодействовать между  собой путем обмена материей и  энергией. Если бы скорость распространения  воздействий была бесконечной, то это  настоящее представляло бы собой  сколь угодно малый миг, дающий мгновенное сечение всех событий во Вселенной  – настоящих, прошлых, будущих. Это  привело бы к абсолютной одновременности  всех процессов во Вселенной, подтвердило  бы существование абсолютного времени  как универсальной системы отсчета.

Но скорость распространения воздействий  всегда конечна и не превышает  скорости света в вакууме. Поэтому  физически проявляющееся во взаимодействиях  настоящее материальных систем охватывает тот временной интервал, в течение  которого они способны взаимодействовать: для элементарных частиц это будут  очень малые отрезки, но для Галактики  они возрастают до десятков тысяч  лет, а в больших системах будут  еще более значительными. Внутри настоящего больших систем могут  укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время. Мы сейчас воспринимаем свет от далеких галактик, испущенный миллионы лет назад. То, что для нас воспринимается как настоящее, для этих галактик является уже прошлым. Может быть, некоторые из звезд, которыми мы любуемся по ночам, уже не существуют – вспыхнув как сверхновые, они превратились в пульсары или черные дыры.

При этом можно быть уверенным, что  от событий и систем будущего никаких  воздействий, никакой информации поступить  не может, так как эти системы  еще не возникли, не обладают реальным существованием. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него – к  будущему, но не наоборот.

Какие причины лежат в основе асимметрии и необратимости времени? Сегодня их связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Обратное движение времени означало бы обращение  вспять всех процессов развития в  мире, перестал бы действовать закон  причинности, так как следствие  возникало бы раньше его причины. Наглядной иллюстрацией обратного  хода времени могут служить события  на киноэкране при движении киноленты  в обратном направлении. При этом нарушаются все законы развития, все  причинно-следственные связи.

Необратимость времени, неэквивалентность  прошлого и будущего во все большей  мере осознаются различными науками. Раньше считалось, что все физические законы инвариантны относительно замены знака  времени, поскольку время в уравнениях квантовой и классической механики берется в квадрате. Это наводило на мысль, что все физические процессы могут происходить одинаково  как в прямом, так и в обратном направлении. Но за последние годы были открыты процессы, демонстрирующие  необратимость изменений в микромире, в частности распады неустойчивых частиц. Существует гипотеза, что даже протоны, традиционно относящиеся  к группе стабильных частиц, могут  распадаться за период времени порядка 10³¹ лет.

Между тем некоторые события  могут казаться обратимыми. Например, естественные единицы времени, с  которыми мы имеем дело в повседневной жизни – день, год, времена года, – основаны на циклических изменениях, наблюдаемых в природе. Такие  циклические изменения могут  иметь значительные периоды (год  – период обращения Земли вокруг Солнца, сутки – период обращения  Земли вокруг своей оси), но могут  быть и достаточно быстрыми (период колебания маятника в механических часах, период колебаний молекул в кристалле и т.п.). Это – кажущиеся обратимыми процессы. Например, через определенное время положение Земли, относительно Солнца повторится, и мы можем точно рассчитать этот момент времени. Однако за это время эти материальные объекты уже будут качественно другими (старше).

В случае обратимых процессов нет  различия между прошлым и будущим. Мы можем предсказать положение  Луны через сколь угодно большой  промежуток времени и рассчитать, в какой точке небосклона была Луна сколь угодно давно. Именно это  позволяет использовать астрономические  явления при датировке исторических событий, если считать, что движение, в котором находятся планеты, – бесконечно.

Прямой зафиксированный опыт человечества распространяется примерно на 5000 лет  – именно этому времени соответствуют  первые памятники письменности шумерской  цивилизации. Из этих и более поздних  описаний, старинных карт и гравюр известно, что русла реки, очертания  берегов морей, горы мало изменялись, если бы не вмешался человек. Но очевидно, что характерные детали ландшафта  не всегда существовали в современном  виде. Легко оценить время, необходимое  для того, чтобы вследствие действия ветра, воды, непогоды исчезла, допустим, гора. Пусть это будет гора высотой 2000 м с диаметром основания 2000 м. То есть в ней, около 2 × 10⁹ м³ горных пород. Площадь склонов близка 10⁷ м² . Капризы погоды приводят к постепенному разрушению громады горы. Пусть с каждого квадратного метра горы в год отламывается кусок размером в несколько сантиметров. Тогда за год с горы осыплется около 1000 м³ породы. То есть за 1 миллион лет объем горы уменьшится вдвое. Таким образом, мы оценили возраст ландшафта Земли – несколько миллионов лет. Это – необратимый процесс, который можно определить как геологическое время.

Обратимость процессов в природе является приближенной – для законов, обратимых во времени, приходится вводить дополнительные ограничения и оговорки. Так, маятник будет колебаться сколь угодно долго, если нет трения в точке подвеса, сопротивления воздуха, других причин. В основе природы лежат необратимые процессы, с особой отчетливостью это проявляется на биологическом уровне.

Приведем некоторые классы явлений, характеризующие направление времени  – стрелу времени (понятие введено в 1930-е годы английским астрофизиком А. Эддингтоном):

– излучение – волна (упругая, электромагнитная) всегда испускается источником и является расходящейся, затухающей по прошествии времени (уходящей, в будущее). Все решения волновых уравнений, описывающих излучение и поглощение, учитывают только этот факт, считающийся физически имеющим смысл. Не обнаружено волн, сходящихся к источнику из прошлого (хотя теоретически можно написать для них уравнения);

– эволюция – динамическая самоорганизация материи, реализуемая в биологической эволюции и эволюции общества, противоречит второму закону термодинамики – закону возрастания энтропии (ведь эволюция – это возрастание порядка в системе). Однако мы должны учесть, что в этих случаях рассматриваемые системы не являются замкнутыми. В них имеется производство энтропии, необратимые процессы, например – химические явления, диффузия, теплопроводность и т.п.;

– радиоактивный распад – происходит необратимое преобразование одних атомов в иные, обратного процесса не наблюдается.

3. Одномерность времени – проявляется в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной. Если бы время имело не одно, а два, три и больше измерений, то это означало бы, что параллельно нашему миру существуют аналогичные и никак не связанные с ним миры-двойники, в которых события разворачиваются в одинаковой последовательности.

4. Относительность времени. Теория  относительности утверждает, что  время такая же полноправная  координата, как и пространственные. Мы должны говорить не о  трехмерном пространстве и времени,  а о четырехмерном пространстве-времени.  Определяя время, мы выбираем  отрезок между событиями (год,  сутки и т.п.). Именно из этих  наблюдений и возникло понятие  времени. К нему добавилась  идея о том, что отрезки времени  между одними и теми же событиями  одинаковы для всех наблюдателей, события, одновременные для одного  наблюдателя, одновременны и для  любого другого. Эйнштейн понял,  что никто из нас не может  сверить свои часы с часами  во внешнем пространстве, и предложил  отказаться от двух последних  предположений, подтверждаемых всем  опытом человечества. Из-за конечности  скорости света, ведущего постулата  теории относительности Эйнштейна,  два события, одновременные в  одной системе отсчета, не одновременны  в разных. Понятие одновременности относительно.