Природа времени: Гипотеза о происхождении и физической сущности времени - Анатолий Бич

Выдающиеся экспериментальные работы Майкла Фарадея (1791–1867) и блестящее теоретическое их обоснование и развитие Джеймсом Курком Максвеллом (1831–1879) привели к созданию единой теории электромагнитного поля — электрических, магнитных и оптических явлений. При этом они окончательно отказались от понятия мгновенного дальнодействия, ввели понятие универсального электромагнитного взаимодействия, которое осуществляется с конечной скоростью, максимальная величина которой не превосходит скорости света. Эти работы подняли ряд новых проблем, что, в конце концов, и привело к созданию теории относительности.

Эйнштейн создал две теории относительности: специальную (1905 г.), в которой рассматривается взаимосвязь скорости и времени, энергии и массы, и общую (1916 г.), доказывающую взаимосвязь между материей (гравитацией), временем и пространством {11}.

Эйнштейн принял в качестве исходных основополагающих два постулата, на фундаменте которых построил теории относительности, хотя в этом «фундаменте», как уже отмечалось, находятся знания многих выдающихся ученых. Но именно Эйнштейн «догадался» сложить из этих знаний-блоков фундамент новой физики.

Первый постулат — специальный принцип относительности, согласно которому законы природы остаются неизменными (ковариантными) во всех инерциальных системах отсчета[5] (приоритет в осознании этого принципа принадлежит Пуанкаре и Эйнштейну).

Второй постулат — утверждение о том, что любые взаимодействия во Вселенной не могут осуществляться со скоростями, превышающими скорость света в вакууме (приоритете обосновании этого принципа принадлежит Эйнштейну).

Учитывая, что Эйнштейн полностью отказался от субстанциальной концепции времени, и принимая во внимание вышеизложенные постулаты, порядок во времени, по Эйнштейну, обусловливается реальными физическими процессами, т. е. и пространство, и время имеют физический смысл «только как определение порядка событий, связанных между собой взаимодействиями».

Сам Эйнштейн говорит об этом так: «О точках пространства и моментах времени говорили так, как будто они были абсолютной реальностью. Не замечалось, что истинным элементом пространственно-временной локализации является событие».

Из теории Эйнштейна следует взаимозависимость массы и энергии. Их эквивалентность Эйнштейн выразил формулой, сразу ставшей знаменитой и классической: Е= тс2 (Е — энергия тела; т — масса тела; с — скорость света в вакууме).

Из общей теории относительности также следует, что гравитационные свойства материи, создающей гравитационное поле, тождественны искривлению пространства-времени. Пространство-время наделяют способностью искривляться — деформироваться и, в свою очередь, воздействовать на гравитационные свойства материи. Эйнштейн устанавливает зависимость времени (хода часов) от гравитационного потенциала. Таким образом, пространство и время зависят от событий, но и события, в свою очередь, зависят от искривлений пространства-времени.

Для нас важно, что в соответствии с принципами, принятыми в теориях Эйнштейна, главным содержанием пространства- времени являются события. Эйнштейн в развитие этой точки зрения (и это отличает его от всех предшественников по реляционному видению времени) в общей теории относительности наряду с таким время формирующим фактором, как относительная скорость тел, вводит и такое фундаментальное проявление Природы, как гравитация. Таким образом, он не просто провозглашает, что время есть отношение событий, он указывает, как эти события влияют на время.

Эйнштейн показал, что время, в течение которого свет распространяется от одного тела к другому, зависит как от расстояния между этими телами, так и от того, где находятся часы, т. е. от системы отсчета, а это значит, что промежуток времени между двумя событиями есть величина относительная.

Эйнштейн, опираясь на принцип относительности и на принцип постоянства скорости света, уже в работе «К электродинамике движущихся тел» {11} обосновывает понятие относительности-одновременности. Из него следует, что одновременность двух событий очевидна только для событий, которые произошли недалеко друг от друга. Если события далеко разнесены в пространстве, то их одновременность (или неодновременность) будет зависеть от системы отсчета, относительно которой они наблюдаются. Два события для одного наблюдателя могут оказаться одновременными, а для другого, движущегося относительно первого, — происходящими в разные моменты времени.

Относительность времени и базируется на относительности одновременности разноместных событий.

Эйнштейн оставил без изменения представления классической механики о непрерывном и беспредельно делимом времени. (То есть, время — не дискретно.)

Кратко подведем итоги, что же привнесла теория Эйнштейна в понимание мировых закономерностей, связанных со временем:

— время вместе с пространством составляет четырехмерный мир;

— время не абсолютно, одновременность событий имеет смысл в одной системе отсчета или в инерциальных системах координат;

— сам ход времени зависит от движения и потому относителен. Часы, движущиеся относительно нас (чем больше скорость, тем больше эффект), всегда представляются отстающими. Это означает, что измеряемое ими время замедлено в своем беге;

— на время оказывают влияние силы тяготения — время течет тем медленнее, чем больше гравитация;

— скорость света зависит от гравитации и может изменяться только в сторону уменьшения;

— движущееся тело имеет запас кинетической энергии, и масса этого тела больше, чем масса того же тела в состоянии покоя.

Обратим внимание нато, что, полностью отказавшись от ньютоновского понятия абсолютного времени (единого в мировом масштабе), Эйнштейн не просто показал, что время всегда относительно, он это понятие прочно увязал с воздействием на любое материальное тело внешних факторов — таких как гравитация и скорость тела, зависящая от системы отсчета.

В первой половине XX века Эйнштейн ближе всех подошел к пониманию сущности времени. Однако и ему, и его сторонникам оказалась присуща некоторая непоследовательность. С позиций теории относительности, время всегда зависит от событий материального мира, от взаимодействия масс. Крупные тела (их масса, энергия и движения) порождают гравитационные поля. Время отдельных тел зависит от того, в каком гравитационном поле они находятся, и от относительной скорости их движения. Кроме этих внешних (или как бы внешних) причин, время материальных тел является порождением геометрии пространства. Допускается даже, что время может существовать независимо от материи.

В результате из теории относительности мы знаем, что время объективно существует, знаем, от чего оно зависит, но не знаем, что это такое.

Исходя из своих теоретических разработок, Эйнштейн предвидел различные события, в которых должны проявляться эффекты теорий относительности. Часть этих следствий он представил в виде мысленных экспериментов.

Например, если имеются двое часов, неподвижных относительно друг друга, и расположены они на разных расстояниях от гравитирующего тела, то быстрее будут идти те часы, которые находятся дальше от тела. (На очень далекие от массивного тела часы тяготение практически не оказывает влияния, и там время приобретает наиболее высокий темп.)

Эйнштейн иллюстрирует это положение, привлекая в мысленный эксперимент двух братьев-близнецов.

Если два брата-близнеца живут в одном доме на разных этажах, то быстрее растет тот, который живет ближе к крыше.

Но если один из братьев остался на Земле, а второй (космонавт) улетел в космос и затем вернулся, то, по Эйнштейну, замедляется старение того брата-, который побывал в космосе. То есть время, затраченное на полет, было различным по часам космонавта и по часам его брата-домоседа. Темп времени в космосе был более замедленным. В чем тут дело? Эйнштейн так объясняет этот парадокс. Брат-космонавт при полете испытывал перегрузки (при разгоне и торможении) и, следовательно, испытывал гравитационное воздействие, а гравитация, по Эйнштейну, замедляет время.

Если «перегрузка» действует постоянно, то в другом мысленном эксперименте достигается поразительный эффект. Получается, что если космический корабль летит с неизменной перегрузкой, например 2g, то за 40 лет по корабельным часам он долетит до центра Галактики и вернется обратно, а на Земле за это время пройдет около 60 тысяч лет.

Значительная часть следствий теорий относительности носит характер научного предвидения и оказалась доступной для подтверждения в наблюдениях или экспериментах.

Так, блестяще подтвердилось (по мнению сторонников релятивистской физики), что луч света в сильном гравитационном поле должен изменить траекторию — искривиться. И действительно, 19 мая 1919 г. во время солнечного затмения знаменитый английский астрофизик Артур Эддингтон зафиксировал отклонение луча света от далекой звезды в поле тяготения Солнца.[6]