Что такое время

Этим замечательным вопросом мы обязаны . И в комментариях, где был задан этот вопрос, из мини-дискуссии родилась такая мысль:

Ух, ну и философия! Но мы-то тут не философией, а физикой занимаемся. Так что нам первым делом придется ответить на вопрос

Можно ли говорить о времени, как об объективной сущности Есть ли оно на самом деле Вообще говоря, тот же вопрос можно задать о чем угодно:

• Существует ли кофе в моей чашке
• Существует ли бог
• Существует ли невидимый розовый единорог
• Существую ли я
• Существует ли электрон, пролетающий через две щели одновременно

На все эти вопросы можно пытаться отвечать очень обстоятельно. Но каждый раз мы столкнемся с тем, что нам необходимо сперва определить: существуют ли время и пространство Без времени и пространства все перечисленные выше вопросы теряют смысл — ведь чтобы сказать, что что-то существует, надо сказать где предполагается его существование и когда.

Так может быть нужно принять существование времени, как аксиому Я думаю, что в таких отчаянных мерах нет необходимости. Потому что время и пространство объективно нужны нам для описания реальности. Вселенная не заполнена веществом равномерно. В ней имеются всякие сгустки материи — звезды, планеты и прочее. Для каждого такого сгустка можно задать координату в пространстве. Один раз определившись с системой координат мы для каждой звезды можем поставить в соответствие три числа: координаты X, Y и Z. И эти числа не могут быть другими. Звезда и ее положение — две неразрывные сущности. Если существует звезда, то существует и ее положение, а значит есть и пространство.

Кстати, если бы Вселенная была заполнена веществом абсолютно равномерно, у нас возникли бы закономерные сомнения в существовании пространства (только непонятно, чем бы мы тогда были).

Но одного только пространства нам недостаточно, чтобы говорить о физической реальности. Мы видим, как вещи изменяют свое положение в пространстве. Чтобы иметь возможность говорить об этих изменениях, нам необходимо время.

Представим, что в будущем будет придумана теория, в которой пространство и время будут заменены чем-то более универсальным. Даже и тогда понадобится вывести наше обычное пространство и обычное время из этой фантастической универсальной переменной. А значит, пространство и время все также останутся физическими объективностями (просто выведенными из какой-то другой физической объективности).

Единственная аксиома, которую нам нужно принять в физике — это то, что существует физическая реальность, и что она доступна для исследования опытным путем. Точка. А из понятия физической реальности уже следуют понятия пространства и времени, в которых эта реальность реальна.

Итак, время существует. Но тогда встает другой вопрос:

И тут позвольте .

Можно ли неправильно понимать время Нет! Время настолько интуитивно понятно с самого рождения, что никаких катастрофических пробелов заполнять не приходится.

Итак, время существует, и вы знаете что это такое (пусть даже не можете сказать четко). Ф-фух, задача стала проще! Осталось лишь немного поправить интуитивное понимание точной логикой науки.

Мы не случайно с самого начала говорили не только о времени, но и о пространстве. Это две тесно связанные величины. Вместе они составляют так называемое пространство-время — четырехмерное пространство, в котором мы живем. Здесь интуиция нас немного подводит: во-первых нам кажется, что пространство является лишь трехмерным — длина, ширина и высота, во-вторых четырехмерное пространство довольно трудно вообразить. Вот как выглядел бы четырехмерный куб:

И хотя это и контринтуитивно, оказывается очень полезно воспринимать окружающую реальность, как путешествие в четырехмерном пространстве-времени. Почему Потому что скорость света — фиксированная величина в любой системе отсчета. И об этом нужно написать отдельный параграф.

Тела, движущиеся со скоростью света, или близко к ней нарушают правило сложения скоростей Галилея. Например, если трактор и гужевая повозка оба едут со скоростью вдвое меньшей скорости света (c/2) и трактор включает фару, то согласно Галилею лошадь должна будет увидеть свет, летящий со скоростью 2с: собственная скорость света c, плюс с/2 от скорости трактора, плюс еще лошадь бежит навстречу этому свету — еще с/2. Однако факт состоит в том, что скорость света для лошади все равно с!

Скорость света, хотя называется скоростью именно света, является универсальной величиной, одинаковой для всех безмассовых объектов. Она является характеристикой самого пространства-времени.

Из того факта, что скорость света одинакова во всех системах отсчета следует, например, что никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света. Также cкорость движения влияет на течение времени и восприятие пространства. Для быстро движущихся объектов скорость течения времени уменьшается. Для объектов движущихся со скоростью света время вообще останавливается. А полет со скоростью быстрее скорости света будет эквивалентен путешествию обратно во времени. Поэтому и говорят, что пространство и время суть компоненты единого пространства-времени.

Взгляните на уравнение общей теории относительности Эйнштейна:

Интересно сразу заметить, что здесь имеются и гравитационная постоянная G — значит эта формула имеет отношение к гравитации, и скорость света с — значит эта теория имеет отношение к пространству-времени. А именно, она описывает, как гравитационная сила искажает пространство-время. Где же тут пространство, а где время Они в индексах. Индексы μ и ν могут обозначать любую координату. Могут обозначать X, Y или Z. А могут обозначать временную координату t. Теория относительности — одна из фундаментальных теорий современной физики — не делает различия между координатами пространства и временем.

Интересно посмотреть, как же именно искажает пространство-время гравитационное поле. А вот как:

Чем ближе к массивному объекту мы находимся, тем более сжатым становится пространство и тем медленнее идут часы (обратите внимание на маленькие циферблаты в узлах сетки).

Мы привыкли воспринимать время, как само-собой разумеющееся. Как универсальные вселенские часы, одинаково тикающие во всех уголках пространства. Однако реальность показывает, что время относительно — оно зависит от вашей скорости и от силы гравитационного поля. И тем не менее время — объективная составляющая реальности. Хотя оно и относительно, у нас нет причин говорить о его отсутствии. Вот что Эйнштейн действительно говорил по этому поводу (книжка «Относительность», 1952 год):

Вроде теперь стало понятно. Не спорю, что объяснение может быть запутанным. Но теперь хотябы видны концы, за которые этот пространственно-временно клубок нужно распутывать.

Время может сжиматься и растягиваться. Время не течет одинаково во всех точках Вселенной — так что нельзя выделить никакого «сейчас», одинакового для всех и везде. Тем не менее время течет всегда в одну сторону и является примерно тем, что мы себе и представляем — мерой длительности существования и изменения физических объектов.

Самое время рассказать про Зенона и Планка и все окончательно запутать снова!

В «» Аристотеля есть такой пассаж:

Эта апория названа Аристотелем . В современном изложении она звучит так:

Эту апорию — и другие загадки Зенона — сам Аристотель разрешает, утверждая, что

То есть время неприрывно. В таком случае можно использовать законы высшей математики и взять сумму типа

которая равняется 1 (то есть целому пути). Таким образом мы получаем разрешение апории.

Но что если Аристотель (представьте себе!) был неправ Что если существует-таки неделимое «теперь», в котором движение невозможно И от одного «теперь» к другому предмет должен двигаться скачками

Чтож, может быть. Возьмем скорость света c — характеристику пространства-времени. Еще туда же, пожалуй, прибавим гравитационную постоянную G — все равно они связаны, как мы видели выше в теории относительности. И добавим сюда ℏ, постоянную Планка, меру дробного (квантового) деления микроскопических объектов. И слепим из этого величину с размерностью времени. Получится отрезок времени, называемый временем Планка:

Это очень короткий промежуток времени, намного меньший, чем самое точное измерение времени, какое нам сейчас доступно (~10⁻¹⁵ сек). Чтобы понимать время на планковском масштабе, необходимо изучить, как взаимодействуют теория относительности (G и с) с квантовой механикой (ℏ). Такого понимания у нас сегодня нет (читайте нашу , чтобы разобраться в вопросе). А значитмы просто не понимаем, что такое время на планковском масштабе.

Мы спокойненько себе живем во времени, таком знакомом и уютном, и за каждую секунду нашего времени протекает 10⁴⁴ планковских промежутков времени (миллиард миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов!). И каждый из этих временных периодов остается полнейшей тайной для нас. Может быть, время движется скачками от одного планковского отрезка до другого А может и нет. На этом масштабе может происходить все что угодно. Время может быть перемешано с пространством. Или время может идти в обратную сторону. Современные теории на тему планковского масштаба позволяют буквально все что угодно, и проверить это пока не представляется возможным.

Как уверяет , время есть непрерывный процесс существования и событийности, который происходит в необратимой последовательности от прошлого через настоящее в будущее. При этом скорость течения времени может изменяться, согласно законам теории относительности. И нет возможности говорить о какой-либо вселенской одновременности событий. Так что физики предпочитают говорить не о времени, а о четырехмерном пространстве-времени.

До сих пор неизвестно, чем является время (и пространство), если мы рассматриваем их на очень малых масштабах — очень коротких промежутках времени и очень малых отрезках расстояний. В частности, кстати, это означает, что мы не можем пока ничего сказать о самом начале нашей Вселенной, когда она была моложе, чем одно планковское время. С другой стороны, это означает, что мы до сих пор не понимаем фундаментальной структуры пространства-времени. Быть может здесь замешана теория струн или квантовой гравитации. Но это уже другая история.