т.6 No 1

53

Проблема физического времени в современной физике

Проблема физического времени в современной физике

С.Б. Каравашкин, О.Н. Каравашкина

Украина, 61140, Харьков, проспект Гагарина, 38, кв.187

тел.: (057) 7370624

e-mail: selftrans@yandex.ru, selflab@mail.ru

Вступительное слово

В предыдущих статьях, посвященных различным аспектам теории относительности и квантовой теории, мы показали грубые ошибки этих теорий, делающие их несостоятельными. Тем самым мы выявили, что у современной теоретической физики, отказавшейся от добротных классических подходов, нет прочной базы, на основе которой нынешние исследователи могли бы корректно вести свои исследования. Данная работа строит мост понимания для коллег, воспитанных на откровенно идеалистических релятивистской и квантовой концепциях, возвращая корректность базовым понятиям абсолютного и относительного в философии физики – время, пространство, место, движение, ускорение, силы, взаимная корреляция движущихся систем отсчета. И хотя главной целью работы было исследование представления о физическом времени, тесная связь между комплексом понятий, образующих основу феноменологии классической физики, потребовала в той или иной мере привлечения к исследованию всех определений ньютоновской механики, вводя их в соответствие с существующей теоретической и экспериментальной базой. При этом мы стремились исходить не из математического формализма как такового, но не пренебрегая им, опираться, следуя Ньютону, на определяющие свойства времени как философской категории, сочетая их с наблюдаемыми проявлениями и выводя из этих свойств очевидные, хотя и порой неожиданные следствия.

Хотелось бы особо отметить, что предпринимаемые нами усилия был бы в значительной степени затруднены, если бы не существенная информационная поддержка, оказанная нам уважаемым коллегой, общеизвестным под именем Иван, создателем электронной библиотеки труднодоступных оригинальных материалов по физике и философии науки, в связи с чем мы выражаем ему искреннюю нашу благодарность. Представляя переработанный вариант статьи, хотим также поблагодарить участников русскоязычных форумов Vallav, george_telezhko и особенно EVV за комментарии, замечания и критику, которые помогли исправить статью и сделать ее более удобочитаемой.

Авторы

1. Введение

Согласно господствующему в современной физике представлению, “пространство и время – общие формы координации материальных объектов и их состояний. Пространство – это совокупность отношений, выражающих координацию сосуществующих объектов, – их расположение друг относительно друга и относительную величину (расстояние и ориентация); время – совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний (явлений), – их последовательность и длительность” [1, с. 227].

Также принято отличать подобное объединение двух основополагающих для физики форм координации материальных объектов от существовавшего до появления эйнштейновской теории относительности. “В классической физике было общепринятым другое понимание пространства и времени, сформулированное Ньютоном. Согласно ньютоновской концепции пространства и времени, пространство – это пустое “вместилище” тел, абсолютно неподвижное и обладающее определенными размерами, однородное и изотропное, а время – “вместилище” событий, равномерно текущее от прошлого к будущему” [1, с. 227].

Читатель, не осведомленный глубоко в особенностях противоречий между классической и современной физикой, в приведенных определенях не увидит принципиального различия, отделяющего старое понятие от существующего. Ведь если в пространстве находятся материальные объекты, то оно безусловно является вместилищем этих объектов хотя бы потому, что между телами, составляющими весомую материю, существуют значительные промежутки, позволяющие им взаимно двигаться относительно друг друга, а метрика этого пространства определяет и взаимное положение между ними. Аналогично и с понятием времени. Если рассматривать время с точки зрения некоторой неподвижной инерциальной системы отсчета, то оно однородно и изотропно течет из прошлого в будущее и конечно же определяет последовательность и длительность, как является само по себе вместилищем событий, к которым в том числе относятся периодические процессы, задающие нам темп времени.

Если же пытаться увидеть различие в упоминании о некотором пустом вместилище тел, то Ньютон под этим понимал не некоторую нематериальную сущность, как это привыкли сейчас читать в вышеприведенной цитате, но некоторое геометрическое многообразие, являющееся вместилищем весомой материи. “Воздуха двойной плотности в двойном объеме вчетверо больше, в тройном – вшестеро. То же относится к снегу или порошкам, когда они уплотняются от сжатия или таяния. Это же относится и ко всякого рода телам, которые, в силу каких бы то ни было причин, уплотняются. Однако при этом я не принимаю в расчет той среды, если таковая существует, которая свободно проникает в промежутки между частицами” [2, с. 23]. Отношение же Ньютона к эфиру было четко конкретизировано: “Теперь следовало бы кое-что добавить о некотором тончайшем эфире, проникающем все сплошные тела и в них содержащемся, коего силою и действиями частицы тел при весьма малых расстояниях взаимно притягиваются, а при соприкосновениях сцепляются, наэлектризованные тела действуют на бо'льшие расстояния, как отталкивая, так и притягивая близкие малые тела, свет испускается, отражается, преломляется, уклоняется и нагревает тела, возбуждается всякое чувствование, заставляющее члены животных двигаться по желанию, передаваясь именно колебаниями этого эфира от внешних органов чувств мозгу и от мозга мускулам. Но это не может быть изложено вкратце, к тому же нет и достаточного запаса опытов, коими законы действия этого эфира были бы точно определены и показаны” [2, с. 662]. Приведенные цитаты показывают, что Ньютон не представлял пространство пустым и нематериальным, но четко разделял геометрическую и физическую сущность пространства. И в этом смысле внешне формулировка Ньютона ничем не отличается от существующей.

Тем не менее, всю историю развития как философии, так и физики вокруг представлений о пространстве и времени идут ожесточенные споры. “Философы-идеалисты отрицают зависимость времени и пространства от материи и рассматривают их то как формы индивидуального сознания (Беркли, Юм, Мах), то как априорные формы чувственного созерцания (Кант), то как категории абсолютного духа (Гегель). Материализм подчеркивает объективный характер времени и пространства. В том, что время и пространство неотделимы от материи, проявляется их универсальность и всеобщность. Пространство определяет порядок расположения одновременно сосуществующих объектов, время же – последовательность существования сменяющих друг друга явлений. Время необратимо, т.е. всякий материальный процесс развивается в одном направлении – от прошлого к будущему” [3, с. 75]. К этому можно добавить, что и идеалисты, и материалисты в своей позиции откровенно непоследовательны.

В частности, материалисты, упрекая идеалистов в представлении пространства и времени не зависящими от материи, в то же время убеждены, что релятивистская теория относительности полностью соответствует материалистическому взгляду на эти понятия: “главный вывод теории относительности Эйнштейна состоит как раз в установлении того, что время и пространство существуют не сами по себе, в отрыве от материи, а находятся в такой универсальной взаимосвязи, в которой они теряют самостоятельность и выступают как стороны единого и многообразного целого” [3, с. 76]. И это при том, что в своей первой же работе Эйнштейн полностью отказался от материальности пространства: “Введение “светоносного эфира” окажется при этом излишним, поскольку в предлагаемой теории не вводится “абсолютно покоящееся пространство”, наделенное особыми свойствами, а также ни одной точке пустого пространства, в котором протекают электромагнитные процессы, не приписывается какой-нибудь вектор скорости” [4, с. 8]; что Эйнштейн подменил понятие материальной субстанции понятием поля, игнорируя тот простой факт, что данное понятие определяет исключительно силовое взаимодействие между телами и не может быть расширенно до чисто геометрических форм, которые присущи именно пространству: “Силовое поле – область пространства, в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определенная по численной величине и направлению сила, зависящая только от координат x, y, z  этой точки. Такое силовое поле называется стационарным; если же сила поля зависит еще и от времени, то силовое поле называется нестационарным” [5, с. 524]. Заметим, что в определении четко указывается принадлежность поля пространству, благодаря метрике которого заданы значения поля в каждой точке до начала исследования самого взаимодействия, хотя и присутствует откровенная неточность в том, что величина вектора взаимодействия зависит исключительно от координат. Законы поля четко показывают, что взаимодействие зависит еще и от интенсивности источника поля, и это принципиально. Но даже в столь урезанном представлении понятия поля, насколько же нужно закрывать глаза на сущность вещей, чтобы признавать материалистическими утверждения вроде этого: “Если мы представим себе, что поле удалено, то не останется и “пространства”, так как пространство не имеет независимого существования” [6, с. 788]. Тем более, что согласно релятивистским же убеждениям, “Силовое поле представляет собой, следовательно, расхождение между естественной геометрией системы координат и абстрактной геометрией, произвольно ей приписанной. Силовое поле, таким образом, возникает благодаря определенному расположению нашего ума. Если бы принятая нами координатная система не интерпретировалась неверно по сравнению с тем, чем она является в действительности, силового поля не существовало бы. Если мы не будем рассматривать наших вращающихся осей так, как если бы они были невращающимися, центробежной силы не возникнет” [7, с. 71]. “В этой связи меня ободряла следующая идея. Мы знакомы с “кажущимися” полями, которые существуют в системах координат произвольно движущихся относительно инерциальной системы. С помощью этих полей мы смогли бы изучать закон, которому подчиняются в общем случае гравитационные поля” [8, с. 103]. В результате, по их мнению, “Некоторую часть этого силового поля можно было бы устранить, если бы наблюдатель с самого начала ввел несколько иную координатную систему (не вращающуюся с Землей). Поскольку силовое поле возникает в связи с вращением координатной системы, оно обычно признается математической фикцией, называемой центробежной силой” [7, с. 73]. Из этого следует, что как бы релятивисты ни признавали материальность пространства, данная материальность, как и само силовое поле, для них является фикцией, допускаемой в качестве некоторого математического фетиша, разбавленного софистикой типа “Эфир общей теории относительности принципиально отличается от эфира Лоренца тем, что его состояние в любом месте динамически определяется с помощью дифференциальных уравнений материей” [9, с. 688], которой они прикрывают нематериальность пространства, постулированную ими в СТО и сохранившуюся при переходе из СТО в ОТО вместе с четырехмерной метрикой пространства-времени.

Вместе с тем, если говорить о подходах Максвелла, то с одной стороны при моделировании ЭМ поля он действительно говорил о возможности иного представления силы в случае применения в качестве аналогии жидкостной модели электростатических полей: “До сих пор исследование законов электрических и магнитных сил было принято начинать с допущения, что причиной этих явлений служат притягательные и отталкивательные силы между известными точками. Мы хотим рассмотреть тот же вопрос с другой точки зрения, более подходящей к нашим исследованиям, именно, определяя величину и направление сил, о которых идет речь, при помощи скорости и направления движения несжимаемой жидкости” [10, с. 17]. Также в исследованиях Максвелла присутствовали и элементы геометризации физических процессов: “Сводя все к чисто геометрической идее движения некоторой воображаемой жидкости, я надеюсь достигнуть общности и точности и избежать тех опасностей, которые возникают при попытках с помощью преждевременной теории объяснить причины явлений” [10, с. 17]. Однако Максвелл, в отличие от релятивистов, четко разграничивал методы аналогии, применяемые для исследования закономерностей физических явлений, и сами физические явления, как четко фиксировал и границы справедливости самих моделей, выбираемых им в качестве аналогии: “Под физической аналогией я разумею то частное сходство (! – авт.) между законами двух каких-нибудь областей науки, благодаря которому одна является иллюстрацией (! – авт.) для другой. В этом смысле все применения математики в науке основаны на соотношениях между законами, которым подчиняются физические величины, и законами математики, так что цель точных наук состоит в том, чтобы свести проблемы естествознания к определению величин при помощи действий над числами. Переходя от наиболее общей из аналогий к специальной, мы находим сходство (! – авт.) в математической форме двух различных областей природы, которое послужило, например, основой физической теории света. Изменение в направлении лучей света при переходе их из одной среды в другую тождественно с отклонениями материальной частицы от прямолинейного пути при прохождении ее через тонкий слой, в котором действуют силы. На этой аналогии, которая распространяется только на направление, а не на скорость движения, основано одно объяснение преломления света, которое долго признавалось за правильное и которое еще теперь, когда мы уже не рискуем более применять его вне области его пригодности (! – авт.), полезно при решении различных задач как искусственный математический прием. Вторая аналогия между светом и колебаниями упругой среды идет много дальше, и хотя ее значение и плодотворность не могут быть переоценены, мы все-таки должны помнить, что она основана лишь на формальном сходстве между законами световых явлений и законами упругих колебаний. Если мы лишим ее физического облика и сведем к теории “поперечных колебаний”, то остается лишь система истин, которая хотя и не внесет ничего гипотетического в наблюдаемые факты, но зато, наверное, будет несостоятельной как в наглядности, так и в плодотворности методов” [10, с. 13, курсив наш]. Релятивисты же с самого начала формирования своей концепции с одной стороны подменили физику процессов геометрией, с другой стороны представили модели, используемые в качестве аналогии, в виде физической реальности, а с третьей стороны пошли на множественные нарушения в математической логике, что многократно было нами продемонстрировано в предыдущих работах [11], [12], [13], [14], [15].

Аналогично и в отношении понятия времени. Если признавать идеалистическим представление о времени как об “априорных формах чувственного созерцания”, то воистину странным является признание материалистическим, например, подобного утверждения Эйнштейна: “Что можно сказать о психологической природе понятия времени? Это понятие, несомненно, связано с фактом “запоминания”, а также с дифференциацией чувственных ощущений и воспоминанием о них. Сомнительно, дает ли нам что-либо психологически дифференциация чувственного опыта и воспоминание (или просто изображение). Всякий знает по своему опыту, что он часто сомневался в том, испытывал ли он что-то действительно или просто вообразил себе это. Вероятно, способность различать между этими возможностями впервые приходит как результат упорядочивающей деятельности мышления” [16, с. 747]. Иными словами, особенности времени, которые в классической физике учитываются тем, что время не отождествляется с пространством и представляет собой самостоятельную сущность со своими особенностями и свойствами, релятивистами сводится к некоторой упорядочивающей деятельности мышления. Откуда напрямую следует, что при отсутствии мышления в природе будет хаос во временной последовательности. Вместе с тем, то же дерево, прежде чем дать плоды, должно вырасти, зацвести, должны образоваться завязи и только после этого будут созревать плоды. Все эти процессы идут во вполне конкретной временной последовательности независимо от того, наблюдаем мы за ними или нет. Наши чувства в данном случае (если мы исследуем процесс появления плодов) выступают как созерцательные, а наш мозг фиксирует временную зависимость лично для себя, чтобы впоследствии воспользоваться данными знаниями, но ни в коем случае не способен влиять на данную последовательность событий. Если же предполагать под упорядочивающей деятельностью высший разум, то тем более странно согласие сторонников материалистической концепции с подобной трактовкой времени Эйнштейном.

В противовес этому, согласно ньютоновской структуре определений пространства и времени, “Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные. Однако необходимо заметить, что эти понятия обыкновенно относятся к тому, что постигается нашими чувствами. Отсюда происходят некоторые неправильные суждения, для устранения которых необходимо вышеприведенные понятия разделить на абсолютные и относительные, истинные и кажущиеся, математические и обыденные” [2, с. 30].

Поэтому при чтении “сомнений” релятивистов как в отношении понятия времени, так и в отношении пространства, вроде “Можно ли действительно думать, что вследствие любопытной случайности законы природы представляются нам таким необычным образом, что ни один из них не позволяет изучить быстрое движение нашей планеты через эфир? Не правда ли, было бы более правдоподобным допустить, что нас завело в тупик какое-то ошибочное соображение?” [17, с. 143], – невольно возникает вопрос, прозвучавший из уст Евдокса в работе Декарта “Разыскание истины при помощи естественного света”: “Твое сравнение великолепно, ведь и я собирался подвести тебя только к этому рубежу. Но сейчас пришло время, когда ты должен внимательно отнестись к выводам, кои я хочу из этого сделать. Итак, ты заметил, что имеешь основание для того, чтобы усомниться, подлинно ли знание всех вещей приходит к тебе лишь при содействии чувств; но можешь ли ты сомневаться в своем сомнении и оставаться неуверенным, сомневаешься ты или нет?” [18, с. 165]. Ведь “суть идеализма в том, что первоисходным пунктом берется психическое. Из него выводится природа и потом уже из природы обыкновенное человеческое сознание. Это первоисходное “психическое” всегда оказывается поэтому мертвой абстракцией, прикрывающей разжиженную теологию” [19, с. 220]. “В ошибках обычно виновны мы сами, а не природа” [20, с. 67].

Идеалисты, к которым в действительности относятся и сторонники релятивистской концепции относительности, подменившие материалистическое воззрение на пространство, время и материю, тоже не остаются в долгу перед материалистами, применяя достаточно элементарный прием утрирования воззрений материалистов, доводящий их учение до примитива. “До сих пор наше представление о пространстве связывалось с ящиком. Однако оказывается, что все возможные способы размещения, которые определяют пространство-ящик, не зависят от толщины стенок ящика… Если теперь понятие пространства формируется намеченным выше образом и следует из опыта “заполнения” ящика, то это пространство прежде всего – ограниченное пространство. Однако это ограничение не представляется существенным, так как, очевидно, всегда можно ввести в рассмотрение ящик бОльших размеров, охватывающий ящик меньших размеров. На этом пути пространство представляется как нечто неограниченное” [16, с. 745–746]. Или так: “Пространство и время являются тем самым абсолютной системой отсчета” [1, с. 227]. И самое интересное заключается в том, что те, кто относит себя к материалистической школе философии, вторят этому: “естествоиспытатели вплоть до 20 в. отождествляли пространство с пустотой, считали его абсолютным, всегда и повсюду одинаковым и неподвижным, а время – протекающим равномерно. Современная физика отбросила старые представления о пространстве как пустом вместилище тел и о времени как едином для всей бесконечной вселенной” [3, с. 75].

Отбросить-то отбросили, но когда мы изображаем, например, временную ось в пространстве Минковского, то почему-то она является общей для всех значений пространственных координат и мы всегда можем на графике движения объектов в пространстве и во времени относительно данной системы отсчета указать время для любого объекта, сколь бы далеко он ни располагался от начала координатной системы, как можем указать и положение нескольких тел, занимаемое ими в выбранный нами момент времени. Не говорит ли это о том, что в данной системе отсчета время едино для всего пространства? Тем более, что и сами релятивисты достаточно неточно выражаются, когда утверждают, что теория относительности покончила с одновременностью событий. В действительности, по признанию Эйнштейна, “В классической механике, так же как и в специальной теории относительности, пространственные и временные координаты имеют непосредственный физический смысл. Когда мы говорим, что точечное событие имеет координату x₁ , то это означает следующее: построенную по правилам евклидовой геометрии при помощи твердых стержней проекцию точечного события на ось X₁ получают, откладывая определенную линейку – единичный масштаб – x₁ раз от начала координат по (положительной) оси X₁ . Когда мы говорим, что точка имеет координату x₄ = t, то это означает следующее: по часам (эталону времени), покоящимся относительно координатной системы, пространственно (практически) совпадающим с точечным событием и выверенным по определенным правилам, прошло x₄ = t периодов, когда наступило точечное событие” [21, с. 457]. При этом ссылки Эйнштейна на приблизительность пространственного совпадения события с расположением часов, якобы необходимого для точности фиксации события, являются откровенно излишними. В одной системе отсчета, если в ней введено физическое время, которое определено Эйнштейном следующим образом: “Чтобы узнать время в каждой точке пространства, мы можем представить себе пространство заполненным огромным количеством часов, причем все часы должны быть совершенно одинаковыми… Совокупность показаний всех этих часов, идущих в фазе друг с другом, и составит то, что мы называем физическим временем” [17, с. 147–149], – преобразования Лоренца дают строго синхронное время для любой точки выбранной инерциальной системы отсчета. В этом несложно убедиться, отобразив инерциальную систему отсчета саму в себя, используя преобразования Лоренца. Чтобы показать это, произведем преобразование из одной неподвижной системы отсчета K в другую, неподвижную относительно нее систему K' . При этом предположим, что в некоторой точке О неподвижной системы отсчета K расположены неподвижные контрольные часы. Тогда, чтобы определить время в некоторой произвольной точке А системы отсчета K' , также неподвижной относительно своей системы отсчета, в которой находятся тоже неподвижные идентичные с первыми часы, применим преобразования Лоренца для времени. При этом получим 

Аналогично для подвижной системы отсчета, предполагая, что неподвижные относительно неё контрольные часы расположены в некоторой точке O', для произвольной неподвижной относительно этой системы отсчета точки A' получим 

Тем самым показано, что в каждой системе отсчета, независимо от того, движется она или нет, время в релятивистской концепции строго синхронизовано и ссылки на приближенность здесь излишни. Одновременно с этим оказывается некорректным утверждение Эйнштейна о произвольности при введении одновременности двух элементарных событий: “Итак, мы не имеем права априори предположить, что можно выверить часы двух групп таким образом, что обе координаты времени элементарного события были бы одинаковы, иными словами, чтобы t было равно t' . Предположить это значило бы ввести произвольную гипотезу. Вплоть до настоящего времени эта гипотеза вводилась в кинематике” [17, с. 150]. Несоответствие времен возникает в релятивизме при переходе из одной системы отсчета в другую и, как было показано нами в [11], означает не неодновременность, а неправомерный наклон плоскости событий, делающий картину процессов произвольно неопределенной. Но этот наклон не означает, что релятивисты полностью отбросили понятие единого времени в каждой системе отсчета. Без этого понятия они не могли бы проследить траекторию тела в пространстве. А вот то, что защита материалистического воззрения фактически перешла в настоящее время в руки идеалистов, фальшиво называющих себя материалистами, так приведенные цитаты являются прямым тому подтверждением.

Подобная ситуация, возникшая в физике на рубеже 20 столетия, безусловно существенно затормозила развитие представлений о природе. И без решения данного вопроса бессмысленно развивать какое-либо представление, поскольку, “если в ряде вещей, подлежащих изучению, встретится какая-либо вещь, которую наш разум не в состоянии достаточно хорошо рассмотреть, тут необходимо остановиться и не изучать другие вещи, следующие за ней, а воздержаться от ненужного труда” [22, с. 100]. Этим наставлением Декарта мы и воспользуемся в данной работе, посвященной формированию корректного представления о времени в инерциальных системах отсчета, двигающихся со скоростями, сравнимыми со скоростью света, предполагая, что кроме прямой пользы, которую способно принести подобное прояснение вопроса, это позволит заложить основу для анализа корректности существующих альтернативных релятивизму концепций, упорядочивая их. К тому же прояснение вопросов, связанных с физическим временем, позволит опровергнуть искажения, пропагандируемые релятивистами вплоть до нынешнего времени в отношении представлений классической физики по данному вопросу.