Почему время течет вперед на пальцах™

Задумывались, почему время всегда движется вперед? Все знают, в отличие от железобетонного и неизменного времени механики Ньютона, в Теории Относительности время не абсолютно, оно пластично и струится медленнее или быстрее в зависимости от системы отсчета наблюдателя, время можно тормозить и ускорять, но оно никогда не останавливается и не поворачивает вспять. Как бы мы ни разгонялись, в какие ракеты ни садились, к каким черным дырам ни летали, время не развернуть. Оно всегда идет только в одну сторону, перетекая из прошлого напрямую через наш мозг (именно там сидит хитрый и не до конца понятный момент, который мы называем "настоящее" или "сейчас") и устремляется оттуда стрелой в будущее. Данная концепция так и называется в науке "стрела времени", потому что у нее есть четкое направление. 

Если отвлечься, то можно представить, что время это самая натуральная стрела. Ее острый наконечник впился в череп каждому в момент рождения (или зачатия, кому как нравится), и всю жизнь длиннющее древко летит сквозь голову, а где–то там вдалеке уже маячит оперение. И как только стрела проскочит меж глазами и покинет тело, оставит личность, время тоже закончится. Причем для личности — насовсем.

Но не об этом я хотел рассказать, а о том, почему время течет всегда только вперед, всегда в одну сторону. У данного феномена есть известное научное объяснение, связанное с законом неубывания энтропии, хоть и оно не без изъянов, в первую очередь потому, что ученые до сих пор не знают до конца и точно, что же такое время, в чем его внутренняя сущность. Это такое понятие, что чем дальше рассказываешь, чем глубже копаешь, тем больше начинаешь повторяться, покуда не совершишь полный цикл и не убедишься, что невозможно объяснить, что такое время, прежде чем не объяснишь, что такое время. 

Но не будем ударяться в метафизику и философию, это опять не то, о чем сегодня пойдет речь. Я хочу посвятить пост не очень известному и даже немного неожиданному выводу, почему время идет вперед, вытекающему из законов и явлений природы, откуда, вроде бы, ну, никак ничего связанного с временем и его направлением не ожидаешь.

Потому что речь пойдет о законе Ампера, известному (известному, известному, хоть большинство и подзабыло, конечно же) всем и каждому с седьмого класса школы. Там даже формул никаких не нужно знать, достаточно помнить, что если по двум проводникам в одну сторону течет ток, они начинают притягиваться. Или отталкиваться, если ток течет в разных направлениях.

Не зело великое знание есть, конечно. Если Ампер в начале 19го века мог пугать своим открытием необразованных крестьян, то сейчас, в начале 21го даже самый отсталый знает почему так происходит, и почему стрелка компаса поворачивается, если ее подносить к проводнику с током, этот пример всем оскомину набил с детства. Что, дескать, вокруг провода возникает магнитное поле, и если показать розетке большой палец, и, вроде как, ток входит в правую ладонь, то это правило правой руки и правого буравчика, если в левую, то левого буравчика, а если сразу в обе ладони входит, то 220 Вольт знатно шарахнут, может даже насмерть.

Закон Ампера это вам не какие–то отвлеченные квазары из далекой–далекой галактики, не квантовые нейтрино или Большие Взрывы заумные — его каждый руками может пощупать. И даже самолично вывести, наука не хитрая. Взял проводник (кусок провода длиной 1 метр), электрический источник, компас. Пустил по проводу ток в 1 Ампер (забавный каламбур, да? В 19м веке один Ампер пускал по проводнику токи в один Ампер), замерил, на сколько градусов отклонилась стрелка компаса, записал в тетрадочку. Пустил 2 Ампера, "стрелка отклонилась на больший угол" — записал в тетрадочку. Потом 3, 4, 5 Ампер, замерил углы, записал, построил график, вывел формулу, сверил с википедией. Делов на 30 минут, тут даже не школьник, тут дошкольник справится. 

ВНИМАНИЕ! Это был оборот речи, не стоит подпускать дошкольников к проводам с током в 1 и более Ампер. Я серьезно.

Все проще пареной репы, в двух словах закон Ампера говорит, что электрический ток рождает магнитное поле. И чем сильнее будет ток, тем сильнее окажется магнитное поле. Это понятно, это знают все, это не интересно. Все так же помнят, что и наоборот принцип работает замечательно (хотя в этом случае уже законом Лоренца называется) — магнитное поле порождает электрический ток, не зря турбины на станциях крутятся, электроэнергию нам вырабатывают, причем заметьте, они как раньше крутились, так и сейчас крутятся, сила Лоренца со временем не убывает, а тарифы каждый год повышаются.

Андре Ампер придумал свой закон для постоянного тока, с переменным все примерно то же самое, хоть и чуточку замороченней формулы. Переменный ток это переменное, т.е. меняющееся, электрическое поле, которое порождает в этом случае тоже меняющееся поле магнитное. Но вычисления там посложнее. В середине 19го века ученый Джеймс Максвелл собрал все формулы описывающие электричество и магнетизм в одну кучу (их получилось 20 штук!) и назвал своим именем. Получились известные уравнения Максвелла, на которых построена вся электродинамика, то есть очень грубо говоря "все электричество", что в свою очередь означает — весь наш прогресс, вся современная цивилизация.

20 длиннющих формул это очень скучно и долго, ученые уже после Максвелла посидели, покумекали, перевели их в векторную дифференциальную форму, посокращали чуточку ненужные коэффициенты, и получилось 4 уравнения. Не могу их не привести, даже если не совсем ясно о чем они, все равно, это одна из вершин человеческого гения, то, что в жизни должен хотя бы попытаться понять каждый, то, что не стыдно инопланетянам показать. Скажу больше, не знай мы эти 4 формулы, никаким инопланетянам вообще показать ничего не получится, ибо связаться с ними по радио станет проблемой.

Записать формулы можно в разных видах, разных версиях и системах единиц, например можно так:

Повторюсь, это самая выжимка, самые центра, чтобы на майку картинка помещалась, если начать разбираться и разворачивать написанное, каждый символ окажется сложным уравнением или понятием, так мы доберемся до изначальных 20ти, но потратим на это года два высшей математики институтского курса. В ход пойдут роторы, дивергенции, интегрирование входящего потока по поверхности, изменяющиеся во времени и пространстве вихревые поля, и прочий замороченный матан. Мы туда даже близко не полезем, лишь чуточку буквы расшифрую, чтобы хотя бы приблизительно понятно было, о чем речь идет.

Большая английская буква Е во всех формулах означает, что речь тут идет об электрическом поле. Векторном, все дела, стрелочки на месте. Большая английская буква B — соответственно, поле магнитное. Большая J — электрический ток (точнее не совсем, но для простоты будем считать, что электрический ток), маленькая ρ это заряд, t — время, с — скорость света, ноль означает ноль.

Первое уравнение (вслух) читается так: "Дивергенция электрического поля равна суммарному заряду", а подразумевает сие выражение простую мысль — в мире существуют маленькие единичные кропалюшки, называемые электрический заряд (например электрон), которые распространяют вокруг себя неведомую штуку, проявляющую себя как электрическое поле.

Второе уравнение читается так: "Дивергенция магнитного поля равна нулю", а означает, как ни странно — магнитных монополей не существует. Хотя, возможно вы слышали, поиски гипотетических магнитных монополей (не монополий, как Газпром, а монополей, как единичный заряд)сегодня весьма горячая тема в науке, но это уже совсем другая, точнее сильно продвинутая, квантовая наука, в середине 19го века для Максвелла магнитных монополей не существовало, как минимум об этом гласит его второе уравнение. Это значит магниты всегда бывают с парой полюсов, северным и южным, и разделить их по отдельности никак нельзя.

Третье звучит замысловатей: "Ротор электрического поля равен скорости изменения плотности магнитного потока". Причем еще и со знаком минус. В человеческих словах это означает, я уже говорил, изменяющееся магнитное поле порождает электрическое. 

Четвертое: ""Ротор магнитного поля пропорционален скорости изменения плотности потока электрического", там еще скорость света затесалась, плюс какой–то дополнительный ток с магнитной проницаемостью вакуума. Читатели со звездочкой(*) узнали в нем т.н. "ток смещения", но это несущественные сейчас детали, по сути это как раз закон Ампера, с которого начался мой рассказ, только разукрашенный всякими дифференциальными прибамбасами. 

Уравнения существуют не просто так, их принято решать. Если начать комбинировать все 4 формулы одновременно, задавая всякие граничные условия, приравнивая разные стороны к нулю, приводить к общему знаменателю и так далее, мы сможем вывести, например такую штуку:

Или то же самое для магнитной составляющей, они с электрической полностью симметричны в этом случае:

Это формула электромагнитной волны в вакууме. Джеймс Максвелл своими уравнениями предсказал — если взять изменяющееся по какой–то причине электрическое поле, оно тут же рядом с собой породит поле магнитное. Которое тоже окажется меняющимся, а раз меняющееся — значит в свою очередь тоже начнет порождать меняющееся электрическое поле, которое (см. начало предложения) породит новое магнитное поле, которое... и так по кругу эти поля друг–друга начнут порождать, но при этом стоять на месте не будут, а убегут от нас вдаль со скоростью света.

Через 30 лет после начала теоретических изысканий и формул Максвелла, немецкий ученый Генрих Герц, именем которого названы гигагерцы наших Пентиумов, экспериментально обнаружил электромагнитные радиоволны, а через какое–то время стало понятно, что и видимый свет точно такая же радиоволна, только не "радио–", а, ну, короче. И пошло–поехало: радиостанции, телевидение, интернет, сотовая связь, межпланетная коммуникация, глобализация, как новый этап развития человечества.

Продолжение завтра.