onur.su
Загадка времени.
Статья о том, что такое "время".
Что такое время?
Кто-то скажет, что время - это мера изменения и время имеет смысл только когда что-то происходит. Этот кто-то Аристотель.
Кто-то скажет, что время - это артефакт сознания. Прошлого нет - есть лишь воспоминания, будущего нет - есть лишь ожидания. Существует только вечно ускользающий миг настоящего момента. Этот кто-то Аврелий Августин.
Кто-то скажет, что время это абсолютная и неизменная ось Вселенной, по которой она движется из прошлого в будущее. Этот кто-то Ньютон.
Кто-то скажет , что время это геометрический параметр Вселенной, наряду с параметрами трех пространственных измерений. Не существует отдельно пространства и времени, есть лишь единая четырехмерная пространственно-временная метрика, в которой существует материя. Этот кто-то Эйнштейн.
Правда в том, что мы до сих пор не знаем, что такое время. Но , что мы знаем?
Давайте разбираться вместе.
Кто-то скажет, что время - это мера изменения и время имеет смысл только когда что-то происходит. Этот кто-то Аристотель.
Кто-то скажет, что время - это артефакт сознания. Прошлого нет - есть лишь воспоминания, будущего нет - есть лишь ожидания. Существует только вечно ускользающий миг настоящего момента. Этот кто-то Аврелий Августин.
Кто-то скажет, что время это абсолютная и неизменная ось Вселенной, по которой она движется из прошлого в будущее. Этот кто-то Ньютон.
Кто-то скажет , что время это геометрический параметр Вселенной, наряду с параметрами трех пространственных измерений. Не существует отдельно пространства и времени, есть лишь единая четырехмерная пространственно-временная метрика, в которой существует материя. Этот кто-то Эйнштейн.
Правда в том, что мы до сих пор не знаем, что такое время. Но , что мы знаем?
Давайте разбираться вместе.
Первое, что можно сказать уверенно, это то, что мы ощущаем время. Для человека есть понимание прошлого, настоящего и будущего. Иллюзорное это ощущение или реальное, но оно есть.
У этого ощущения есть некоторые особенности. Мы "помним" и "знаем" прошлое, но "не помним" и "не знаем" будущего. Значит ли это что-то?
Некоторые полагают, что такая особенность говорит о наличии у "настоящего" причины и отсутствии у настоящего цели, поэтому мы воспринимаем связанность с прошедшими событиями, но не воспринимаем связанности с будущими событиями.
Здесь речь идет о физическом понимании причины и цели, а не метафизическом, поэтому прошу не нервничать людей религиозно или эзотерически ориентированных.
Говоря другими словами, эту трактовку можно описать так: вы, опрокинув стакан, пролили воду на пол и образовалась лужа. Лужа образовалась, потому что пролилась вода, а не вода пролилась , потому что существовала лужа. Причина определяет следствие, а не следствие определяет причины (многим, думаю тут вспомнится фильм "Довод":-)
Так ли это на самом деле? Однозначного ответа нет, хотя современная наука и придеживается принципа причинности.
У этого ощущения есть некоторые особенности. Мы "помним" и "знаем" прошлое, но "не помним" и "не знаем" будущего. Значит ли это что-то?
Некоторые полагают, что такая особенность говорит о наличии у "настоящего" причины и отсутствии у настоящего цели, поэтому мы воспринимаем связанность с прошедшими событиями, но не воспринимаем связанности с будущими событиями.
Здесь речь идет о физическом понимании причины и цели, а не метафизическом, поэтому прошу не нервничать людей религиозно или эзотерически ориентированных.
Говоря другими словами, эту трактовку можно описать так: вы, опрокинув стакан, пролили воду на пол и образовалась лужа. Лужа образовалась, потому что пролилась вода, а не вода пролилась , потому что существовала лужа. Причина определяет следствие, а не следствие определяет причины (многим, думаю тут вспомнится фильм "Довод":-)
Так ли это на самом деле? Однозначного ответа нет, хотя современная наука и придеживается принципа причинности.
Принцип причинности , применяемый в современной науке, не является математически доказанным утверждением. Более того, он и не может быть математически доказан. В математике отсутствуют причинные последовательности, есть лишь корреляции.
y=f(x)
с тем же успехом можно переписать как
x=f-1(y)
Хотя некоторые математические операции можно трактовать как косвенные подтверждения принципа причинности. Например соотношения Крамерса-Кронинга (формула связи вещественной и мнимой части некоторой комплексной функции) могут интерпретироваться в физике как то, что отклик системы не может произойти раньше, чем произошло воздействие на систему.
В физике это выражается через функцию Грина, где присутствует параметр времени t. И при любом t<0 функция принимает значение 0.
В самой физике также не все однозначно состоит с принципом Причинности.
С одной стороны наличие такой константы как максимальное ограничения скорости распространения информации (более известная под названием скорость света 299 792 458 м/с)
вводит ограничение, согласно которому любое событие произошедшее раньше будет воспринято любым наблюдателем раньше, чем последовавшее за ним следствие.
Но это ограничение работает лишь при условии движения всей системы по стреле времени из прошлого в будущее, но оно не обязывает саму систему так двигаться.
Более того, законы физики сами по себе обратимы во времени. Формулы Ньютона, формулы Теории относительности никак не изменятся если параметр t в них заменить на -t. Классическая физика работает одинаково в обе стороны по временной шкале. А в квантовой физике время вообще выступает просто как внешний параметр.
Но тем не менее принцип Причинности применяется физиками. Почему?
Потому что так говорит нам весь наш эмпирический опыт. Все, что мы видим вокруг, движется по стреле времени в одну сторону из прошлого к будущему без каких-либо исключений. И этот факт тоже нельзя игнорировать.
Физики пытаются найти объяснение тому факту, что формулы, применимые математически в любую сторону по временной шкале, в реальности реализуются только в одну сторону. В основном это объясняется через постулаты закона нарастания энтропии и об этом мы поговорим в отдельной статье.
А пока стоит зафиксировать, что принцип Причинности, строго говоря принят, как аксиома на основании наблюдаемых событий в нашей Вселенной с некторой отсылкой ко второму закону термодинамики и принципу нарастания энтропии во Вселенной.
y=f(x)
с тем же успехом можно переписать как
x=f-1(y)
Хотя некоторые математические операции можно трактовать как косвенные подтверждения принципа причинности. Например соотношения Крамерса-Кронинга (формула связи вещественной и мнимой части некоторой комплексной функции) могут интерпретироваться в физике как то, что отклик системы не может произойти раньше, чем произошло воздействие на систему.
В физике это выражается через функцию Грина, где присутствует параметр времени t. И при любом t<0 функция принимает значение 0.
В самой физике также не все однозначно состоит с принципом Причинности.
С одной стороны наличие такой константы как максимальное ограничения скорости распространения информации (более известная под названием скорость света 299 792 458 м/с)
вводит ограничение, согласно которому любое событие произошедшее раньше будет воспринято любым наблюдателем раньше, чем последовавшее за ним следствие.
Но это ограничение работает лишь при условии движения всей системы по стреле времени из прошлого в будущее, но оно не обязывает саму систему так двигаться.
Более того, законы физики сами по себе обратимы во времени. Формулы Ньютона, формулы Теории относительности никак не изменятся если параметр t в них заменить на -t. Классическая физика работает одинаково в обе стороны по временной шкале. А в квантовой физике время вообще выступает просто как внешний параметр.
Но тем не менее принцип Причинности применяется физиками. Почему?
Потому что так говорит нам весь наш эмпирический опыт. Все, что мы видим вокруг, движется по стреле времени в одну сторону из прошлого к будущему без каких-либо исключений. И этот факт тоже нельзя игнорировать.
Физики пытаются найти объяснение тому факту, что формулы, применимые математически в любую сторону по временной шкале, в реальности реализуются только в одну сторону. В основном это объясняется через постулаты закона нарастания энтропии и об этом мы поговорим в отдельной статье.
А пока стоит зафиксировать, что принцип Причинности, строго говоря принят, как аксиома на основании наблюдаемых событий в нашей Вселенной с некторой отсылкой ко второму закону термодинамики и принципу нарастания энтропии во Вселенной.
Итак, мы ощущаем что-то, что называем временем. И хотя мы не понимаем до конца, что именно мы ощущаем и ощущаем ли что-то реальное, мы научились это измерять.
Как?
Тут надо сказать, что как бы человечество ни определяло время, но измеряет оно его в соответствии с Аристотелевским пониманием времени как меры изменений.
Мы измеряем время посредством подсчета изменений, циклических повторяющихся изменений.
Смена дня и ночи, изменение времен года, водяные часы, песочные часы, маятниковые часы, атомные часы, все это фиксация повторяющихся событий, которыми мы и измеряем время.
Чем короче измеряемое событие, тем более детально мы можем измерять время.
Например вращение Земли вокруг своей оси и смена дня и ночи позволяют нам измерять время днями.
Кварцевые часы, основанные на колебаниях кристалла кварца под воздействием электричества (32 768 колебаний в секунду) позволяют измерять очень маленькие промежутки времени.
Атомные часы, основанные на колебаниях электронов в атоме Цезия-133 (9 192 631 770 колебаний в секунду) позволяют измерять еще более короткие промежутки времени.
Как?
Тут надо сказать, что как бы человечество ни определяло время, но измеряет оно его в соответствии с Аристотелевским пониманием времени как меры изменений.
Мы измеряем время посредством подсчета изменений, циклических повторяющихся изменений.
Смена дня и ночи, изменение времен года, водяные часы, песочные часы, маятниковые часы, атомные часы, все это фиксация повторяющихся событий, которыми мы и измеряем время.
Чем короче измеряемое событие, тем более детально мы можем измерять время.
Например вращение Земли вокруг своей оси и смена дня и ночи позволяют нам измерять время днями.
Кварцевые часы, основанные на колебаниях кристалла кварца под воздействием электричества (32 768 колебаний в секунду) позволяют измерять очень маленькие промежутки времени.
Атомные часы, основанные на колебаниях электронов в атоме Цезия-133 (9 192 631 770 колебаний в секунду) позволяют измерять еще более короткие промежутки времени.
Хотя тут следует оговориться, что само измерение времени (как впрочем и пространства) достаточно условно.
Сейчас поясню.
Поскольку мы не понимаем , что же такое время в глубинной своей сути мы определяем время (и пространство тоже) как фундаментальное понятие. Что значит фундаментальное? Это значит, что мы не через что не можем дать ему определение. Другими словами мы не можем определить время не через что, что не является временем. То же самое , кстати, относится и к пространству.
Те определения времени , которые вы найдете, по сути своей описывают время через само время. Человеку неподготовленному эти философские определения покажутся вполне осмысленными, но вдумавшись в суть определений, вы встретите цикличность , ведущую к определению понятия времени через само время.
Приведу вам пример.
Вот определение времени с "Гуманитарного портала":
Время — это фундаментальное свойство бытия, выраженное в форме движения, изменения и развития сущего из прошлого, через настоящее в будущее.
А теперь детализируйте понятия движения, изменения или развития (молчу уже о понятиях прошлого, настоящего и будущего). Вы неизбежно столкнетесь в своей детализации с тем, что используемые понятия будут вами определяться через понятие времени. В этом и
суть фундаментальных понятий. Через них можно определять другие понятия, но сами фундаментальные понятия невозможно определетить через что-то, что ими не является. Как только это удастся время перестанет быть фундаментальным понятием, это знамя примет на себя что-то иное. Наличие фундаментальных понятий неизбежно, вопрос только в том, что именно на текущем уровне познания Вселенной является для нас фундаментальным понятием.
Пока время и пространство является для человечества фундаментальными понятиями. Хотя физики и бьются над тем, чтобы сместить и пространство и время с пьедестала фундаментальности.
Пространство пытаются определить через гравитацию (теория петлевой гравитации). Касательно времени, прослеживается связь времени с энергией (теорема Нётер о связи симметричности времени с сохранением энергии, принцип неопределенности соотношения времени и энергии Гейзенберга)
Но пока время и пространство остаются фундаментальными понятиями не определяемыми не через что.
По причине фундаментальности понятия времени и его измерение достаточно условно.
Условно поскольку в измерениях времени мы привязаны к самому измеряемому объекту, просто деля его на доли.
Мы измеряем время через самое себя, а пространство через сочетание времени и одной из фундаментальных констант Вселенной (скорости света), в то время как другие физические величины мы научились измерять чисто через Вселенские фундаментальные константы (элементарный заряд, постоянная Планка и др.)
Сейчас поясню.
Поскольку мы не понимаем , что же такое время в глубинной своей сути мы определяем время (и пространство тоже) как фундаментальное понятие. Что значит фундаментальное? Это значит, что мы не через что не можем дать ему определение. Другими словами мы не можем определить время не через что, что не является временем. То же самое , кстати, относится и к пространству.
Те определения времени , которые вы найдете, по сути своей описывают время через само время. Человеку неподготовленному эти философские определения покажутся вполне осмысленными, но вдумавшись в суть определений, вы встретите цикличность , ведущую к определению понятия времени через само время.
Приведу вам пример.
Вот определение времени с "Гуманитарного портала":
Время — это фундаментальное свойство бытия, выраженное в форме движения, изменения и развития сущего из прошлого, через настоящее в будущее.
А теперь детализируйте понятия движения, изменения или развития (молчу уже о понятиях прошлого, настоящего и будущего). Вы неизбежно столкнетесь в своей детализации с тем, что используемые понятия будут вами определяться через понятие времени. В этом и
суть фундаментальных понятий. Через них можно определять другие понятия, но сами фундаментальные понятия невозможно определетить через что-то, что ими не является. Как только это удастся время перестанет быть фундаментальным понятием, это знамя примет на себя что-то иное. Наличие фундаментальных понятий неизбежно, вопрос только в том, что именно на текущем уровне познания Вселенной является для нас фундаментальным понятием.
Пока время и пространство является для человечества фундаментальными понятиями. Хотя физики и бьются над тем, чтобы сместить и пространство и время с пьедестала фундаментальности.
Пространство пытаются определить через гравитацию (теория петлевой гравитации). Касательно времени, прослеживается связь времени с энергией (теорема Нётер о связи симметричности времени с сохранением энергии, принцип неопределенности соотношения времени и энергии Гейзенберга)
Но пока время и пространство остаются фундаментальными понятиями не определяемыми не через что.
По причине фундаментальности понятия времени и его измерение достаточно условно.
Условно поскольку в измерениях времени мы привязаны к самому измеряемому объекту, просто деля его на доли.
Мы измеряем время через самое себя, а пространство через сочетание времени и одной из фундаментальных констант Вселенной (скорости света), в то время как другие физические величины мы научились измерять чисто через Вселенские фундаментальные константы (элементарный заряд, постоянная Планка и др.)
Итак, мы умеем измерять время через повторяюшиеся циклические события.
Сейчас эталоном единицы времени является секунда, которая определяется как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения атома цезия-133.
Что еще мы можем сказать о времени?
В прошлом "время" в физике воспринималось как некий универсальный единый поток для всей Вселенной. Время было неизменным фоном для жизни.
Время текло по мнению людей с одной скоростью в любой точке Вселенной для любых наблюдателей.
Время можно измерять по разному, применять разные единицы измерения, но само оно течет равномерно и не зависит ни от чего.
Оно использовалось в формулах как универсальная переменная (t).
Все законы Ньютоновской механики используют одно и то же время (t).
Сейчас эталоном единицы времени является секунда, которая определяется как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения атома цезия-133.
Что еще мы можем сказать о времени?
В прошлом "время" в физике воспринималось как некий универсальный единый поток для всей Вселенной. Время было неизменным фоном для жизни.
Время текло по мнению людей с одной скоростью в любой точке Вселенной для любых наблюдателей.
Время можно измерять по разному, применять разные единицы измерения, но само оно течет равномерно и не зависит ни от чего.
Оно использовалось в формулах как универсальная переменная (t).
Все законы Ньютоновской механики используют одно и то же время (t).
Однако изучение свойств света поставили под сомнение определение времени как некоего неизменного абсолюта.
В то время как скорость всех объектов соотносилась друг с другом через время и расстояние, скорость света оказалась безотносительной. Она оказалась одинаковой относительно любых наблюдателей в не зависимости от их собственного движения.
Поясню на примере.
Саша стоит на остановке.
Маша едет от остановки в сторону школы.
Расстояние от остановки до школы 50 км. Маша доезжает до школы за 1 час.
Получается что Маша удаляется от Саши со скоростью 50км/ч.
Дима также едет в сторону школы, но в 5 раз медленнее.
Получается, что Дима удаляется от Саши со скоростью 10 км/ч. (50÷5=10).
А Маша удаляется от едущего за ней Димы со скоростью 40 км/ч (50-10=40)
Егор едет в противоположную сторону от школы со скоростью 50км/ч.
Получается, что он удаляется от Саши и остановки с той же скоростью , что и Маша (50 км/ч), но в противоположном направлении.
При этом Егор и Маша, едущие в разные стороны, удаляются друг от друга со скоростью 100 км/ч (50+50=100), а Егор и Дима со скоростью 60 км/ч (50+10=60).
Все просто и понятно.
Смена координат объектов в неизменной метрике пространства за какие-то промежутки неизменной метрики времени. Однонаправленные векторы вычитаются, противоположно направленные складываются.
Теперь пусть Саша выпустит луч света в сторону школы.
Луч света относительно Саши движется округленно со скоростью 300 тыс. км/сек.
Ну движется и движется.
Самое интересное начинается дальше.
Замеряем скорость удаления относительно Маши, которая едет в ту же сторону, куда летит луч, и оказывается , что луч света удаляется от нее с той же скоростью , что и от неподвижного Саши - 300 тыс. км/сек., хотя Саша стоит, а Маша едет в ту же сторону, что и луч.
Замеряем относительно Димы, который едет в 5 раз медленнее Маши и относительно него луч удаляется с той же скоростью 300 тыс. км/сек.
Ладно, давайте замерим относительно Егора, который едет в противоположную от всех сторону и оказывается, что этот же луч и от него удаляется с той же самой скоростью 300 тыс. км/сек.
Казалось бы невозможно , но факт есть факт. Все эксперименты показывают, что луч света движется с одинаковой скоростью относительно любого наблюдателя, в какую бы сторону не двигались сами наблюдатели.
Время и пространство перестали быть чем-то абсолютным и неизменным, некой условной емкостью, в которой разворачиваются события и которая является абсолютной линейкой для всего.
Время и пространство стали частью Вселенной, стали локальными изменяемыми параметрами.
Изменяемыми относительно чего?
Относительно систем отсчета. У Саши , у Маши , у Димы , у Егора, у каждого из них свой ход времени.
Это все выразилось в разработанных Эйнштейном Теориях относительности (Общей Теории относительности - ОТО, и Специальной теории относительности - СТО)
Сейчас будет небольшая вставка о сути Теорий относительности (ТО). Если не хочется сильно вникать, просто пропустите и переходите непосредственно к следствиям выводов ТО для времени.
В то время как скорость всех объектов соотносилась друг с другом через время и расстояние, скорость света оказалась безотносительной. Она оказалась одинаковой относительно любых наблюдателей в не зависимости от их собственного движения.
Поясню на примере.
Саша стоит на остановке.
Маша едет от остановки в сторону школы.
Расстояние от остановки до школы 50 км. Маша доезжает до школы за 1 час.
Получается что Маша удаляется от Саши со скоростью 50км/ч.
Дима также едет в сторону школы, но в 5 раз медленнее.
Получается, что Дима удаляется от Саши со скоростью 10 км/ч. (50÷5=10).
А Маша удаляется от едущего за ней Димы со скоростью 40 км/ч (50-10=40)
Егор едет в противоположную сторону от школы со скоростью 50км/ч.
Получается, что он удаляется от Саши и остановки с той же скоростью , что и Маша (50 км/ч), но в противоположном направлении.
При этом Егор и Маша, едущие в разные стороны, удаляются друг от друга со скоростью 100 км/ч (50+50=100), а Егор и Дима со скоростью 60 км/ч (50+10=60).
Все просто и понятно.
Смена координат объектов в неизменной метрике пространства за какие-то промежутки неизменной метрики времени. Однонаправленные векторы вычитаются, противоположно направленные складываются.
Теперь пусть Саша выпустит луч света в сторону школы.
Луч света относительно Саши движется округленно со скоростью 300 тыс. км/сек.
Ну движется и движется.
Самое интересное начинается дальше.
Замеряем скорость удаления относительно Маши, которая едет в ту же сторону, куда летит луч, и оказывается , что луч света удаляется от нее с той же скоростью , что и от неподвижного Саши - 300 тыс. км/сек., хотя Саша стоит, а Маша едет в ту же сторону, что и луч.
Замеряем относительно Димы, который едет в 5 раз медленнее Маши и относительно него луч удаляется с той же скоростью 300 тыс. км/сек.
Ладно, давайте замерим относительно Егора, который едет в противоположную от всех сторону и оказывается, что этот же луч и от него удаляется с той же самой скоростью 300 тыс. км/сек.
Казалось бы невозможно , но факт есть факт. Все эксперименты показывают, что луч света движется с одинаковой скоростью относительно любого наблюдателя, в какую бы сторону не двигались сами наблюдатели.
Время и пространство перестали быть чем-то абсолютным и неизменным, некой условной емкостью, в которой разворачиваются события и которая является абсолютной линейкой для всего.
Время и пространство стали частью Вселенной, стали локальными изменяемыми параметрами.
Изменяемыми относительно чего?
Относительно систем отсчета. У Саши , у Маши , у Димы , у Егора, у каждого из них свой ход времени.
Это все выразилось в разработанных Эйнштейном Теориях относительности (Общей Теории относительности - ОТО, и Специальной теории относительности - СТО)
Сейчас будет небольшая вставка о сути Теорий относительности (ТО). Если не хочется сильно вникать, просто пропустите и переходите непосредственно к следствиям выводов ТО для времени.
Теорий относительности две: Специальная теория относительности (СТО) и Общая теория относительности (ОТО).
Если кратко, то разница между ними заключается в учете гравитации. СТО оперирует в плоской метрике пространства-времени Минковского. ОТО учитывает гравитационное искривление метрики под действием массы материи.
Прежде всего следует отметить,что Теория относительности предложила совсем новый взгляд на интерпретацию времени. Время согласно ТО не является ни процессом , ни какой-то субстанцией, время - это геометрический параметр.
В чем суть?
Несмотря на то, что пространство и время воспринимается нами как отдельные явления, ТО предлагает математически рассматривать пространство-время как единую 4х-мерную метрику в, которой выделено 4 координатных оси: x, y, z, t. Соответственно каждый момент времени это просто координата на оси метрики, такая же как и пространственные координаты.
Тут следует оговориться, что речь не идет о каких-то четырех глобальных осях подобно тому как привыкли все рисовать в школе на уроках геометрии пространственные оси x, y, z Евклидова пространства.
Пространство минковского это некое четырехмерное гиперпространство, где ключевым параметром является понятие интервала ds.
ds2=с2dt2 - dx2 - dy2 - dz2
Знак временной координаты противоположен пространственным и 4х-мерная метрика имеет три принципиально различных направления:
- временеподобное
- пространственноподобное
- светоподобное
Графически это можно изобразить так.
Если кратко, то разница между ними заключается в учете гравитации. СТО оперирует в плоской метрике пространства-времени Минковского. ОТО учитывает гравитационное искривление метрики под действием массы материи.
Прежде всего следует отметить,что Теория относительности предложила совсем новый взгляд на интерпретацию времени. Время согласно ТО не является ни процессом , ни какой-то субстанцией, время - это геометрический параметр.
В чем суть?
Несмотря на то, что пространство и время воспринимается нами как отдельные явления, ТО предлагает математически рассматривать пространство-время как единую 4х-мерную метрику в, которой выделено 4 координатных оси: x, y, z, t. Соответственно каждый момент времени это просто координата на оси метрики, такая же как и пространственные координаты.
Тут следует оговориться, что речь не идет о каких-то четырех глобальных осях подобно тому как привыкли все рисовать в школе на уроках геометрии пространственные оси x, y, z Евклидова пространства.
Пространство минковского это некое четырехмерное гиперпространство, где ключевым параметром является понятие интервала ds.
ds2=с2dt2 - dx2 - dy2 - dz2
Знак временной координаты противоположен пространственным и 4х-мерная метрика имеет три принципиально различных направления:
- временеподобное
- пространственноподобное
- светоподобное
Графически это можно изобразить так.
Как видите это несильно похоже на пространственные графики Евклидовой геометрии. Давайте чуть проясним суть изображения.
Суть строится на фундаментальной константе - скорости света. Представьте лучи света, пролетающие сквозь красную точку настоящего, расположенную на гиперповерхности простраства (здесь трехмерное пространство изображено в виде двухмерной плоскости). Эти лучи света мы направляем во все стороны в пространстве (ну как будто звезда светит во все стороны). В пространстве это будет сфера света расширяющаяся со скоростью света. Графически на диаграмме это будет плоская окружность , расширяющаяся на гиперплоскости пространства, а с учетом направления времени это будет конус, расширяющийся в будущее. А его отражение в прошлое - это траектории света способного долететь из прошлого со всех возможных сторон пространства в нашу точку настоящего.
Суть строится на фундаментальной константе - скорости света. Представьте лучи света, пролетающие сквозь красную точку настоящего, расположенную на гиперповерхности простраства (здесь трехмерное пространство изображено в виде двухмерной плоскости). Эти лучи света мы направляем во все стороны в пространстве (ну как будто звезда светит во все стороны). В пространстве это будет сфера света расширяющаяся со скоростью света. Графически на диаграмме это будет плоская окружность , расширяющаяся на гиперплоскости пространства, а с учетом направления времени это будет конус, расширяющийся в будущее. А его отражение в прошлое - это траектории света способного долететь из прошлого со всех возможных сторон пространства в нашу точку настоящего.
Поскольку скорость света является фундаментальной предельной константой скорости, то линии движения любого объекта во Вселенной отображенные во времени находятся внутри светового конуса и лишь линии света , движущегося с предельной возможной скоростью, находятся на поверхности конуса. За пределами конуса находятся все координатные точки пространства-времени недоступные для условного наблюдателя, размещенного в красной точке схождения конусов.
Эти линии движения объекта в координатной метрике пространства-времени внутри конусов называются в ТО мировыми линиями движения наблюдателя.
Это геометрия отлично отображает все соотношения времен, растояний и скоростей. Если от нулевой точки времени t вы отложите на временной оси какую-то мировую линию движения до точки на оси t1 и перенесете проекцию мировой линии на гиперплоскость пространства вы четко увидите на сколько эта ваша проекция будет короче проекции мировой линии света в зависимости от того насколько ваша скорость будет меньше чем скорость света. Чем выше ваша скорость , тем ближе ваша мировая линия к поверхности конуса, чем меньше скорость , тем ближе к основной временной оси.
Теперь о другом чрезвычайно важном моменте ТО.
Такими световыми конусами описывается каждая точка 4х мерной метрики пространства-времени. Таково геометрическое состояние каждой точки , а не метрики в целом.
Сейчас будет несколько формул, чтобы вы поняли как из этой математики следует замедление времени.
Вернемся к основному понятию всей этой геометрии, понятию интервала.
ТО постулирует две вещи:
- все инерциальные системы равноправны (нет какого-то выделенного истинного направления, все световые конусы равноправны)
- скорость света постоянна для всех инерциальных систем (то есть все конусы имеют одинаковый угол раскрытия и причинную структуру, т.е. все существующие события за пределами светового конуса причинно не связаны с событиями внутри конуса, поскольку недостижимы.
Соответственно у разных наблюдателей могут быть разные оси, (СТО) и даже разные направленности световых конусов с учетом гравитационного искривления метрики (ОТО), но при этом для всех наблюдателей остается одинаковым понятие интервала.
Здесь речь идет о преобразованиях (бустах Лоренца).
Вот возмите две оси: x , y. Отметьте на одной точку А, а на другой точку В. А теперь поверните всю координатную систему например на 45°. Координаты точек изменятся, но расстояние между ними сохранится.
Эти линии движения объекта в координатной метрике пространства-времени внутри конусов называются в ТО мировыми линиями движения наблюдателя.
Это геометрия отлично отображает все соотношения времен, растояний и скоростей. Если от нулевой точки времени t вы отложите на временной оси какую-то мировую линию движения до точки на оси t1 и перенесете проекцию мировой линии на гиперплоскость пространства вы четко увидите на сколько эта ваша проекция будет короче проекции мировой линии света в зависимости от того насколько ваша скорость будет меньше чем скорость света. Чем выше ваша скорость , тем ближе ваша мировая линия к поверхности конуса, чем меньше скорость , тем ближе к основной временной оси.
Теперь о другом чрезвычайно важном моменте ТО.
Такими световыми конусами описывается каждая точка 4х мерной метрики пространства-времени. Таково геометрическое состояние каждой точки , а не метрики в целом.
Сейчас будет несколько формул, чтобы вы поняли как из этой математики следует замедление времени.
Вернемся к основному понятию всей этой геометрии, понятию интервала.
ТО постулирует две вещи:
- все инерциальные системы равноправны (нет какого-то выделенного истинного направления, все световые конусы равноправны)
- скорость света постоянна для всех инерциальных систем (то есть все конусы имеют одинаковый угол раскрытия и причинную структуру, т.е. все существующие события за пределами светового конуса причинно не связаны с событиями внутри конуса, поскольку недостижимы.
Соответственно у разных наблюдателей могут быть разные оси, (СТО) и даже разные направленности световых конусов с учетом гравитационного искривления метрики (ОТО), но при этом для всех наблюдателей остается одинаковым понятие интервала.
Здесь речь идет о преобразованиях (бустах Лоренца).
Вот возмите две оси: x , y. Отметьте на одной точку А, а на другой точку В. А теперь поверните всю координатную систему например на 45°. Координаты точек изменятся, но расстояние между ними сохранится.
Вот в этом суть неизменности интервала в ТО.
Итак, формула расчета интервала в пространстве-времени Минковского
ds2=с2dt2 - dx2 - dy2 - dz2
Интервал состоит из двух вкладов: вклад по оси времени и вклад по оси пространства (для простоты формул я буду в дальнейшем писать пространственный вклад без перечисления всех координатных осей x, y, z а просто как dx , который будем считать суммой вклада всех пространственных координатных сдвигов)
Для скорости света вклады времени и пространства равнозначны и интервал равен 0, а геометрически это отображается в угле раскрытия светового конуса под 45°.
Давайте это утверждение обсчитаем.
Итак, скорость расчитывается по формуле расстояния деленного на время. В нашем случае
v=dx/dt. при v=с получаем с=dx/dt 》 dx=cdt
Подставим значения в формулу интервала.
ds2=c2dt2 - (cdt)2=c2dt2 - c2dt2=0
Соответственно если предположить сверхсветовую скорость движения, то будет s<0 в зависимости от скорости, а при досветовой скорости движения s>0 в зависимости от скорости.
Но сама скорость света инвариантна для любого наблюдателя.
Теперь , помня о постулате , что все инерциальные системы равноправны мы можем каждого наблюдателя поместить в точку отсчета для его инерциальной системы. То есть каждый наблюдатель для себя неподвижен.
Тогда для него интервал - это только вклад смещения по оси времени (пространственный вклад отсутствует) , геометрически это будет мировая линия, идущая вдоль его оси времени в центре его светового конуса.
ds2=с2dt2 》ds=сdt 》 dt=ds/c. это его собственное время обозначим его как dT.
Подставим значения собственного времени в метрику вместо интервала.
c2dT2=с2dt2 - dx2 》dT2=dt2 - dx2/c2
Вот мы и получили математически эффект замедления времени для движущегося объекта Если наш наблюдатель, является точкой отсчета своей инерциальной системы и соответственно неподвижен, а другой наблюдатель в инерциальной системе нашего наблюдателя движется в пространстве с какой-то скоростью, то:
Еще раз вспоминаем формулу скорости
v=dx/dt 》 dx=vdt 》 dx2=v2dt2
Объединяем с формулой собственного времени нашего наблюдателя.
dT2=dt2 - dx2/c2 = dt2 - v2dt2/c2 = dt2(1-v2/c2)
dT=dt _/(1-v2/c2)
Вот она, формула замедления времени для инерциального наблюдателя в зависимости от скорости.
Говоря без формул, для покоящегося объекта мировая линия идет строго вдоль оси времени и собственное время объекта максимально, но при движении мировая линия начинает отклоняться от вертикали временной оси его светового конуса и собственное время объекта становится меньше (можно сказать что пространственная компонента геометрически отбирает часть у временной компоненты) и по мере ускорения и все большего отклонения мировой линии к стенкам светового конуса собственное время объекта сокращается. В конце концов при достижении скорости света и соприкосновения со стенками конуса мировой линии объекта (фактически покиданием мировой линией времениподобного направления и совпадения со светоподобным направлением, пространственные и временные вклады в мировую линию уравниваются и сокращаются, приводя собственное время объекта к нулевому значению.
Вот кратко и в максимально простой форме я описал суть замедления (сокращения времени) от скорости согласно СТО.
Если для наглядности перевести это в цифры будет так:
Расмотрим разницу в течении времени для неподвижного объекта и объекта , движущегося со скоростью 100 км/ч.
100км/ч ~ 27,78 м/с
27,78/299 792 458~9,27×10-8
Тогда лоренц-фактор 1/_/(1-(9,27×10-8)2)~
~1+4,3×10-15
(лоренц-фактор это на человеческом языке показатель степени изменения свойств движущегося объекта по отношению к неподвижному)
Теперь возьмем к расчету год для неподвижного объекта, это 31 536 000 сек.
Для объекта движущегося со скоростью 100 км/ч отставание составит
31 536 000×4,3×10-15=0,135 микросекунды.
Если же взять скорость 90% от скорости света, то отставание составит уже 206 дней.
В ОТО гравитационное искривление метрики оказывает аналогичный по смыслу эффект замедления времени между объектом свободным от гравитационного искривления и объектом, подверженным гравитационному воздействию.
Следует добавить, что все эти эффекты замедления времени проверялись экспериментально (эксп. Хафеле-Китинга, фиксация мюонного прохождения атмосферы, эксп. Айвса-Стилуэлла, эксп. JILA и др.) и каждый раз фиксировалось замедление хода времени точно в соответствии с расчетами с ТО.
Итак, формула расчета интервала в пространстве-времени Минковского
ds2=с2dt2 - dx2 - dy2 - dz2
Интервал состоит из двух вкладов: вклад по оси времени и вклад по оси пространства (для простоты формул я буду в дальнейшем писать пространственный вклад без перечисления всех координатных осей x, y, z а просто как dx , который будем считать суммой вклада всех пространственных координатных сдвигов)
Для скорости света вклады времени и пространства равнозначны и интервал равен 0, а геометрически это отображается в угле раскрытия светового конуса под 45°.
Давайте это утверждение обсчитаем.
Итак, скорость расчитывается по формуле расстояния деленного на время. В нашем случае
v=dx/dt. при v=с получаем с=dx/dt 》 dx=cdt
Подставим значения в формулу интервала.
ds2=c2dt2 - (cdt)2=c2dt2 - c2dt2=0
Соответственно если предположить сверхсветовую скорость движения, то будет s<0 в зависимости от скорости, а при досветовой скорости движения s>0 в зависимости от скорости.
Но сама скорость света инвариантна для любого наблюдателя.
Теперь , помня о постулате , что все инерциальные системы равноправны мы можем каждого наблюдателя поместить в точку отсчета для его инерциальной системы. То есть каждый наблюдатель для себя неподвижен.
Тогда для него интервал - это только вклад смещения по оси времени (пространственный вклад отсутствует) , геометрически это будет мировая линия, идущая вдоль его оси времени в центре его светового конуса.
ds2=с2dt2 》ds=сdt 》 dt=ds/c. это его собственное время обозначим его как dT.
Подставим значения собственного времени в метрику вместо интервала.
c2dT2=с2dt2 - dx2 》dT2=dt2 - dx2/c2
Вот мы и получили математически эффект замедления времени для движущегося объекта Если наш наблюдатель, является точкой отсчета своей инерциальной системы и соответственно неподвижен, а другой наблюдатель в инерциальной системе нашего наблюдателя движется в пространстве с какой-то скоростью, то:
Еще раз вспоминаем формулу скорости
v=dx/dt 》 dx=vdt 》 dx2=v2dt2
Объединяем с формулой собственного времени нашего наблюдателя.
dT2=dt2 - dx2/c2 = dt2 - v2dt2/c2 = dt2(1-v2/c2)
dT=dt _/(1-v2/c2)
Вот она, формула замедления времени для инерциального наблюдателя в зависимости от скорости.
Говоря без формул, для покоящегося объекта мировая линия идет строго вдоль оси времени и собственное время объекта максимально, но при движении мировая линия начинает отклоняться от вертикали временной оси его светового конуса и собственное время объекта становится меньше (можно сказать что пространственная компонента геометрически отбирает часть у временной компоненты) и по мере ускорения и все большего отклонения мировой линии к стенкам светового конуса собственное время объекта сокращается. В конце концов при достижении скорости света и соприкосновения со стенками конуса мировой линии объекта (фактически покиданием мировой линией времениподобного направления и совпадения со светоподобным направлением, пространственные и временные вклады в мировую линию уравниваются и сокращаются, приводя собственное время объекта к нулевому значению.
Вот кратко и в максимально простой форме я описал суть замедления (сокращения времени) от скорости согласно СТО.
Если для наглядности перевести это в цифры будет так:
Расмотрим разницу в течении времени для неподвижного объекта и объекта , движущегося со скоростью 100 км/ч.
100км/ч ~ 27,78 м/с
27,78/299 792 458~9,27×10-8
Тогда лоренц-фактор 1/_/(1-(9,27×10-8)2)~
~1+4,3×10-15
(лоренц-фактор это на человеческом языке показатель степени изменения свойств движущегося объекта по отношению к неподвижному)
Теперь возьмем к расчету год для неподвижного объекта, это 31 536 000 сек.
Для объекта движущегося со скоростью 100 км/ч отставание составит
31 536 000×4,3×10-15=0,135 микросекунды.
Если же взять скорость 90% от скорости света, то отставание составит уже 206 дней.
В ОТО гравитационное искривление метрики оказывает аналогичный по смыслу эффект замедления времени между объектом свободным от гравитационного искривления и объектом, подверженным гравитационному воздействию.
Следует добавить, что все эти эффекты замедления времени проверялись экспериментально (эксп. Хафеле-Китинга, фиксация мюонного прохождения атмосферы, эксп. Айвса-Стилуэлла, эксп. JILA и др.) и каждый раз фиксировалось замедление хода времени точно в соответствии с расчетами с ТО.
Итак, выяснилось, что время неоднородно. Оно движется медленнее для ускоренных объектов или объектов находящихся в гравитационном поле.
Можно сказать и иначе, вышеупомянутые объекты медленнее движутся сквозь время.
Можно сказать и иначе , вышеупомянутые объекты меньше накапливают время.
Математически это эквивалентные утверждения. А вот правильность той или иной интерпретации зависит от того, чем фактически является время. То ли это поток несущийся сквозь нас, то ли это среда через которую движемся мы, то ли это некая сущность увеличение количества, которой мы воспринимаем как течение времени.
Является ли время реальной физической сущностью или это всего лишь иллюзорная интерпретация нашим мозгом эволюции физических систем или с точки зрения ТО смены координат в 4х-мерной метрике?
Мы не знаем этого.
Возникали гипотезы о существовании временного поля и временного заряда по аналогии с электрическим зарядом, но ни одна из них не нашла своего экспериментального подтверждения и не смогла быть интегрирована в систему уже существующих и проверенных теорий устройства Вселенной.
Философы и психологи продолжают свои рассуждения о природе времени, впрочем ни чем примечательным не отличающиеся от рассуждений их коллег в прошлом, а главное не несущих в себе каких-то конструктивных практических следствий.
Физики же научились время измерять, обнаружили закономерности в различиях этих измерений (относительность количества времени в зависимости от скорости и гравитации), что нашло свое отражение и в современных технологиях.
Например технологии спутниковой GPS-навигации.
Самые первые тестовые навигационные спутники не учитывали факт ускорения времени на орбите по отношению к ходу времени на поверхности Земли из-за ослабления гравитационного влияния планеты и система выдавала ошибки в определении местоположения в сотни метров. Тогда были учтен эффект релятивистского замедления времени и данные атомных часов на спутниках корректировались, чтобы соотнести друг с другом скорости временных потоков на орбите и на поверхности Земли.
Благодаря этому каждый из нас имеет возможность пользоваться вполне точной системой спутниковой GPS-навигации.
Но факт того , что мы научились очень точно замерять время и учитывать разности в его количестве для разных инерциальных систем не приблизило нас пока к пониманию того, что же есть время по сути своей на фундаментальном уровне.
Можно сказать и иначе, вышеупомянутые объекты медленнее движутся сквозь время.
Можно сказать и иначе , вышеупомянутые объекты меньше накапливают время.
Математически это эквивалентные утверждения. А вот правильность той или иной интерпретации зависит от того, чем фактически является время. То ли это поток несущийся сквозь нас, то ли это среда через которую движемся мы, то ли это некая сущность увеличение количества, которой мы воспринимаем как течение времени.
Является ли время реальной физической сущностью или это всего лишь иллюзорная интерпретация нашим мозгом эволюции физических систем или с точки зрения ТО смены координат в 4х-мерной метрике?
Мы не знаем этого.
Возникали гипотезы о существовании временного поля и временного заряда по аналогии с электрическим зарядом, но ни одна из них не нашла своего экспериментального подтверждения и не смогла быть интегрирована в систему уже существующих и проверенных теорий устройства Вселенной.
Философы и психологи продолжают свои рассуждения о природе времени, впрочем ни чем примечательным не отличающиеся от рассуждений их коллег в прошлом, а главное не несущих в себе каких-то конструктивных практических следствий.
Физики же научились время измерять, обнаружили закономерности в различиях этих измерений (относительность количества времени в зависимости от скорости и гравитации), что нашло свое отражение и в современных технологиях.
Например технологии спутниковой GPS-навигации.
Самые первые тестовые навигационные спутники не учитывали факт ускорения времени на орбите по отношению к ходу времени на поверхности Земли из-за ослабления гравитационного влияния планеты и система выдавала ошибки в определении местоположения в сотни метров. Тогда были учтен эффект релятивистского замедления времени и данные атомных часов на спутниках корректировались, чтобы соотнести друг с другом скорости временных потоков на орбите и на поверхности Земли.
Благодаря этому каждый из нас имеет возможность пользоваться вполне точной системой спутниковой GPS-навигации.
Но факт того , что мы научились очень точно замерять время и учитывать разности в его количестве для разных инерциальных систем не приблизило нас пока к пониманию того, что же есть время по сути своей на фундаментальном уровне.
А что же говорит о времени квантовая физика? А ничего.
По сути в квантовой физике времени нет. Если в Теориях относительности время является вовлеченным геометрическим параметром, зависящим от поведения системы, то в квантовой физике время выступает просто как фон. Это такой внешний числовой параметр, отсчитывающий эволюцию волновой функции. По сути время в квантовой физике просто часы , ведущие учет квантовых событий, но для самих квантовых событий время не значимо. Более того, вся квантовая физика отлично будет работать если принять за факт, что время течет задом-наперед. Просто лево заменится на право, а частицы заменятся на античастицы, но все квантовые законы и формулы будут по прежнему работать. Для квантового мира и квантовых взаимодействий время не важно, оно не участвует в квантовых процессах как квантовый оператор, а просто выступает их летописью.
По сути в квантовой физике времени нет. Если в Теориях относительности время является вовлеченным геометрическим параметром, зависящим от поведения системы, то в квантовой физике время выступает просто как фон. Это такой внешний числовой параметр, отсчитывающий эволюцию волновой функции. По сути время в квантовой физике просто часы , ведущие учет квантовых событий, но для самих квантовых событий время не значимо. Более того, вся квантовая физика отлично будет работать если принять за факт, что время течет задом-наперед. Просто лево заменится на право, а частицы заменятся на античастицы, но все квантовые законы и формулы будут по прежнему работать. Для квантового мира и квантовых взаимодействий время не важно, оно не участвует в квантовых процессах как квантовый оператор, а просто выступает их летописью.
Отсюда возникает несколько активно изучаемых гипотез в квантовой физике о том, что время (да и пространство) вообще не фундаментально. Кто-то идет к этому через квантовую запутанность, кто-то через квантовую гравитацию, но главная суть заключается в том, что существуют некоторые фундаментальные квантовые взаимодействия, которые лишь воспринимаются нами как пространство и время. Как, например, температура.
Ведь температура нам кажется вполне реальным и фундаментальным свойством Вселенной. Но в реальности это нет так. Температура не фундаментальна, это лишь эмерджентное (возникающее) коллективное свойство. В упрощенной школьной версии скорость движения атомов (или их кинетическая энергия) воспринимается нами как температура. В более глубоком взгляде это распределение энергии по степеням свободы квантовых систем.
У каждой отдельной частицы нет никакой температуры. Температура , вернее то, что мы ощущаем как температуру, возникает лишь при взаимодействии множества частиц и
распределения энергии между ними.
Тем не менее мы ощущаем температуру, и измеряем её. Обратите внимание, что со временем у нас похожая ситуация. Возможно , что мы не можем понять фундаментальную природу времени, потому что её просто нет и время подобно морской волне, которая несомненно существует и живет по определенным законам и может быть измерена, но сама не является некой самостоятельной сущностью, а лишь следствием коллективных процессов , происходящих с водой.
Ведь температура нам кажется вполне реальным и фундаментальным свойством Вселенной. Но в реальности это нет так. Температура не фундаментальна, это лишь эмерджентное (возникающее) коллективное свойство. В упрощенной школьной версии скорость движения атомов (или их кинетическая энергия) воспринимается нами как температура. В более глубоком взгляде это распределение энергии по степеням свободы квантовых систем.
У каждой отдельной частицы нет никакой температуры. Температура , вернее то, что мы ощущаем как температуру, возникает лишь при взаимодействии множества частиц и
распределения энергии между ними.
Тем не менее мы ощущаем температуру, и измеряем её. Обратите внимание, что со временем у нас похожая ситуация. Возможно , что мы не можем понять фундаментальную природу времени, потому что её просто нет и время подобно морской волне, которая несомненно существует и живет по определенным законам и может быть измерена, но сама не является некой самостоятельной сущностью, а лишь следствием коллективных процессов , происходящих с водой.
