Классические концепции времени

Классические концепции времени

Время - одно из самых знакомых человеку свойств нашего мира. И вместе с тем оно имеет репутацию самого загадочного: “Что же такое время? Если никто меня об этом не спрашивает, я знаю, что такое время; если бы я захотел объяснить спрашивающему – нет, не знаю” (1, с.167). Загадочность времени связана с его течением, с существованием потока времени, знакомого каждому человеку в личном опыте: под течением времени понимают его логическое свойство: настоящий момент, который мы называем “теперь, сейчас”, как бы постоянно движется в направлении будущего, увеличивая объем прошлого, оставляемого за собой.

Тайна времени увлекала человеческий разум не одно тысячелетие. Самые глубокие умы человечества стремились проникнуть в нее. До сих пор не преодолены многие тупики, в которые заводила эта проблема. А когда удавалось освободиться от одних, настигали другие. Искусство и литература, наука, философия и теология вовлечены в этот нескончаемый процесс. Последние столетия бурно развивающаяся наука пролила некоторый свет на природу времени, изучив специфические для соответствующей области науки проявления временно`го. В итоге, оптимистические ожидания переросли в осознание того, что ускользает опять целостное проникновение в сущность времени.

Физика Нового времени постаралась освободиться от этой загадочности, исключив течение из своей конструкции времени. Ни одна из физических теорий классического периода развития науки не обращается к потоку времени.

Вспомним, что физика лежит у истоков современного естествознания, и любая область естествознания (да и гуманитарного знания, если оно интересуется эмпирическими свидетельствами или хронологией событий), использует, по крайней мере, одну из фундаментальных физических моделей времени, а именно – ньютоновскую модель, - для измерения времени. Вплоть до начала двадцатого века свойства времени, которыми наделяла его классическая физика, считались его неотъемлемыми свойствами, а часто также и единственными, исчерпывающими. Это было обусловлено как наукоцентризмом, свойственным культуре, так и эссенциалистской трактовкой науки. С дальнейшим развитием науки ситуация, надо заметить, существенно усложнилась.

Физическая теория строится в форме единства физических идей и математических структур, физический смысл которым задают эти идеи. В этих рамках конструируется время. Поэтому при смене теорий, должно, вообще говоря, происходить и изменение конструкций времени. Правда, в реальной истории развития физики пространственно-временные конструкции оказываются в ряде отношений (т.е. по некоторым своим свойствам) достаточно консервативными.

Рассмотрим последовательно основные теории с точки зрения предлагаемых в них конструкций времени.

       Физические теории в XIX веке: ньютоновская механика, электродинамика Максвелла, равновесная термодинамика.

       Физические теории в XX веке: специальная теория относительности, квантовая теория, общая теория относительности, квантовая теория поля, неравновесная термодинамика.

При этом не забудем и эмпирические исследования, поскольку физика включает в себя не только теоретическую, но и экспериментальную деятельность. Особняком стоит космология. Сейчас она представляет собой комплекс высокотехнологичных наблюдений и теоретических построений, синтезирующих новейшие разработки в области квантовой физики и идей общей теории относительности.

Классическая, т.е. неквантовая, физика

Обратимся к классической динамике.

Время моделируется посредством моментов, последовательно сменяющих друг друга и никогда не приходящих вновь. Это позволяет сопоставить его с множеством точек линии без самопересечений. В результате получаем представление времени в виде одномерного линейного континуума, который описывается множеством действительных чисел.

Если мы представляем множество моментов времени множеством действительных чисел R, то это накладывает на время те свойства, которые порождаются структурами, имманентными этому множеству R. Так, структура порядка на множестве R порождает последовательность моментов времени (один момент после другого); аддитивная группа на множестве R задает метрику (продолжительность интервалов между различными моментами времени); мультипликативная группа на R обеспечивает произвольный выбор единицы измерения времени (эталонной продолжительности). Топология действительной прямой обеспечивает непрерывность времени.

Надо сказать, что в течение, по крайней мере, столетия обсуждается вопрос: являются достаточными (а также необходимыми) для описания времени свойства, представляемые множеством действительных чисел, или же нет. Окончательного ответа на этот вопрос нет и сегодня.

Так, с развитием квантовой физики, в которой принцип дискретности энергии является центральным, возникают сомнения в универсальности такой конструкции времени, где оно непрерывно. Встает вопрос и о возможности введения других размерностей для времени, отличных от трех и одного соответственно.

Представление времени с помощью числовой прямой, когда совокупность моментов-точек актуально дается вся сразу, уподобляет его пространству. Говорят, что физика, нуждаясь в математически ясном определении времени, опространствует его. Итак, в классической механике время одномерно, непрерывно, упорядочено, безгранично, бесконечно. При этом все свойства времени носят абсолютный характер, т.е. ничем другим, кроме самих себя, не обусловлены. Как перечисленные свойства, так и отношение одновременности, отношение порядка “позже, чем ”, продолжительность интервала между двумя моментами не зависят ни от выбранной системы отсчета, ни от скорости движения тела, ни от пространства.

На фоне такого времени происходит перемещение (движение) в пространстве физической точки, обладающей массой, энергией и импульсом (или физического тела, построенного по определенным правилам из физических точек). Это и есть мир теоретических объектов классической механики, который позволил описать громадный круг физических явлений.

При этом один из фундаментальных законов классической физики - второй закон Ньютона (который описывает взаимосвязь силы, действующей на тело, с массой этого тела и ускорением, которое тело приобретает под действием этой силы) является инвариантным относительно знака времени (симметричен во времени). Это означает, что, если мы изменим знак моментов на обратный (был порядок: 1,2,3,…Обратный порядок будет -1, -2, -3), это не изменит физическое явление. Это говорит о том, что временной порядок не имеет выделенного направления, не направлен, т.е. время не обладает направлением.

Специальная теория относительности вводит некоторые новые представления о времени для физических явлений, происходящих со скоростями, близкими к скорости света (так называемая релятивистская физика). Время теперь связано с пространством в четырехмерный пространственно-временной континуум. Метрические свойства времени теряют свойство абсолютности, каким они были наделены в классической нерелятивистской физике. Длительность временного интервала (промежуток времени) и длина зависят от скорости движения относительно системы отсчета, в которой они измеряются. Чем ближе эта скорость к скорости света, тем больше величина временного интервала и меньше величина пространственного интервала (на обыденном языке говорят: время замедляется, длина укорачивается).

В релятивистской физике впервые обращено специальное внимание на понятие одновременности. Оно лишается свойства абсолютности, которым было наделено в нерелятивистской физике. Отношение одновременности между событиями является относительным к системе отсчета. События, являющиеся одновременными в одной системе отсчета, будут не одновременными в другой системе отсчета, которая движется относительно первой с некоторой скоростью. Отношение порядка сохраняется для событий, находящихся внутри светового конуса. За его пределами понятие временно`го порядка становится неопределенным. Время по-прежнему, непрерывно. Абсолютным, т.е. ничем не обусловленным, является четырехмерный пространственно-временной континуум.

В общей теории относительности Эйнштейна время связано с гравитационными массами. Оно искривляется (время замедляется) вблизи гравитационных масс. Время является неоднородным, неодинаковым для различных гравитационных условий. Время существует не само по себе, а только как структурное свойство гравитационного поля. Общая теория относительности Эйнштейна является наиболее развитой теорией времени на сегодняшний день в физике. Уравнения Эйнштейна, формирующие предсказательную основу ОТО, имеют множество решений, каждое из которых описывает возможную четырехмерную конфигурацию пространства, времени и гравитации.

В 1918г Эмми Нётер (1882 –1935) сформулировала теорему (теорема Нётер), которая устанавливает связь между свойствами симметрии физической системы и законами сохранения. Если свойства системы не изменяются при каком-либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой физической величины. Так, независимости свойств системы от выбора начала отсчета времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии. Это выражает еще раз единство физических идей и геометрии пространства-времени в физической теории.

Эмпирический уровень исследования

Анализируя развитие представления о времени в физике, и естествознании вообще, необходимо учесть тот факт, что они включают в себя не только теории, но и эмпирический уровень исследования. Это особенно важно для понимания времени, поскольку оно на эмпирическом уровне проявляет специфические, новые по сравнению с теориями, свойства даже в классической физике.

Конечно, в эмпирическом исследовании в силу его органической связи с сооответствующими теоретическими построениями экспериментатор имеет дело и с такими представлениями, которые навеваются теорией. Но вместе с тем, поскольку здесь еще не применяются жесткие идеализации, характерные для теоретического познания, используются и такие представления о времени, которые не конструируются теоретическими средствами. Экспериментатору приходится иметь дело с реальным миром, практически взаимодействовать с ним (в отличие от теоретика, который оперирует только теоретическими объектами).

Рассмотрим простой пример. Пусть экспериментатор изучает движение шара. Шар может двигаться из точки А в точку В в соответствии с законами классической механики, включающей в себя номологическую обратимость времени. Если между точками А и В поставить препятствие в точке С, до того, как шар пройдет точку С, то шар не будет двигаться в точку В. Если же препятствие поставить в точку С после того, как шар пройдет точку С, то он будет продолжать двигаться к точке В.

Реальное оперирование материальными предметами демонстрирует направленность временного порядка в будущее. В этом случае преодолевается номологическая обратимость времени (номологическая, от греч. nomos - закон, основанная на законе), столь характерная для фундаментальных законов физики. Кроме того, Приведенный пример иллюстрирует и другой факт, а именно: экспериментатор знает не только о направленности временного порядка, и о потоке времени.

Эта экспериментальная ситуация показывает, что в исследовании используются временные представления в такой форме, которая не зафиксирована в теории. Она соответствует процедурам экспериментального исследования природы. Отсутствие направленности временного порядка и потока времени в фундаментальных законах физики не означает, что в реальном экспериментальном исследовании можно их не учитывать.

Эксперимент в области квантовой физики имеет свои особенности, поскольку экспериментировать с микрообъектом приходится в условиях макромира. Специфика физики микромира по сравнению с физикой макромира находит выражение в особенностях взаимоотношения экспериментальной и теоретической деятельности в квантовой физике. Они выражены в принципе дополнительности Бора и принципе неопределенности Гейзенберга.

Принцип дополнительности говорит о том, что, поскольку возможны две различные экспериментальные ситуации, в одной из которых микрообъект проявляет свои волновые свойства (ведет себя как волна), а в другой - он проявляет свои корпускулярные свойства (ведет себя как частица), то свойства волны и свойства частицы, проявляющиеся во взаимоисключающих друг друга экспериментальных ситуациях, дополняют друг друга при описании микрообъектов.

Принцип неопределенности Гейзенберга говорит о том, что нельзя в эксперименте одновременно точно измерить импульс частицы и ее пространственные координаты, и нельзя одновременно точно измерить энергию и временную координату. Это свидетельствует о наличии трудностей в применении классических понятий времени и пространства в квантовой области.

Квантовая физика

Квантовая физика имеет дело с явлениями, которые непосредственно не наблюдаемы: факт, полученный в результате опыта, не соотносится непосредственно с квантово-механическим объектом.

Квантовая механика существует каких-то 75 лет (это как для механики Ньютона 50 – ые годы XVIII века). Поэтому можно понять ту ситуацию в науке, которая сложилась к концу XX и к началу нашего века. Время поиска. Развиваются различные направления исследования и нет окончательно признанных концепций, решивших все проблемы, которые на сегодня известны, или давших ключ к их решению.

Идея времени в квантовой физике, интерпретируемой с точки зрения множественности миров:

Для того чтобы понять эту идею, нужно вспомнить о том, что в классической физике время не течет. Все упорядочение физических событий дано вне потока времени, в некоторое “сейчас, настоящее, теперь”. Причем безразлично, не имеет значения, каково это конкретное “сейчас”, и принципы его выделения не формулируются.

Квантовая теория предлагает понимать физическую реальность как мультиверс. Образно говоря, мультиверс подобен огромному количеству сосуществующих пространств-времен, которые законами квантовой физики связаны таким образом, что невозможно упорядочить их обычным временным порядком. Способ соединения вселенных, о котором говорит квантовая теория таков, что не существует возможности разграничить образы других времен (таких как завтра, послезавтра, через сто лет…) и образы других вселенных. Другие времена являются лишь особыми представителями других вселенных. Различие, которое мы традиционно делали между другими временами и другими вселенными, носило всегда абсолютный характер. В свете данной интерпретации квантовой механики такое различие делать не обязательно.