2 Время Расстояние и Движение в физике

Как мною уже было отмечено нельзя отождествлять философские представления о пространстве и времени с физическими теориями пространства и времени

На предыдущих лекциях ( л6 Законы Ньютона) мы сформулировали : механическое движение - это изменение со временем положения тела относительно других тел

Это изменение определяется изменением расстояния между фиксированными точками тел

Теперь мы конкретно рассмотрим что конкретно подразумевается под всеми этими понятиями(время расстояние движение) в физике

2.1 Движение в физике

Я уже отличал что физика как впрочем и любая другая наука основа­на на наблюдениях

Можно даже сказать что развитие физических наук до их современного уровня зависело в огромной степени от фактов основанных на коли­чественных наблюдениях

Только с помощью количественных наблюдений можно получить коли­чественные соотношения - сердце современной физики

Многие считают что физика берёт свое начало с опыта проведенного Галилео Галилеем 350 лет назад а сам Галилей является первым фи­зиком

До этого времени изучение движения было чисто философским и осно­вывалось на доводах которые были плодом фантазий

Большинство этих доводов были придуманы Аримтотелем и другими греческими философами и рассматривались как "доказанные"

Но Галилей был скептиком и поставил следующий опыт

По наклонной доске он пускал шар и наблюдал за его движением

СХЕМА

Галилей не просто смотрел как скатывается шар а измерял то расс­тояние которое прошел шар и определял время в течении которого шар проходил это расстояние

Способ измерения расстояний был хорошо известен ещё задолго до Галилея (по эталону) однако точного способа измерения времени особенно коротких интервалов не было

Поэтому в своих первых опытах для отсчета равных промежутков вре­мени Галилей использовал собственный пульс хотя в последствии он изобрёл более совершенные часы(отнюдь не похожие на современные) Галилей сформулировал результат своих опытов следующим образом Если отмечать положение шарика через 1 2 3 4 и т д единиц времени от начала движения то окажется что эти отметки удалены от началь­ного положения пропорционально числам 1 4 9 16 и т д

Сейчас бы мы сказали что расстояние S пропорционально квадрату времени t

Таким образом изучение процесса движения (основы современной фи­зики) начинается с вопросов где и когда ?

2.2 Время в физике

Разберёмся сначала что мы подразумеваем под словом время

Что же это такое ?

В толковых словарях "время" определяется как "период" а сам "пе­риод" как "время"

Видно что пользы от этого определения мало

Но и в определении "время - это то что меняется когда ничто больше не изменяется" не больше смысла

Быть может следует признать тот факт что время - это одно из поня­тий которое определить не возможно но и сказать что это нечто из­вестное нам : это то что отделяет два последовательных события Дело однако не в том как дать определение понятия "время" а в том как его измерить

Один из способов измерения времени - это использовать нечто регу­лярно повторяющееся нечто периодическое

Например сутки

Можно ли проверить действительно ли сутки одинаковы и от одних суток до других проходит одно и то же время

Для этого необходимо произвести сравнение с каким-то другим пери­одическим процессом

Давайте посмотрим как такое сравнение можно провести например с помощью песочных часов

С помощью таких часов мы можем создать периодический процесс если будем стоять возле них день и ночь и переворачивать их каждый раз когда высыпятся последние крупинки песка

Если затем пересчитать число переворачиваний песчаных часов от каждого полудня до следующего то можно обнаружить что число часов (то есть число переворачиваний ) одинаково

Полдень здесь конечно не 12 часов а момент когда солнце находится в наивысшем положении

Теперь можно утверждать что "час" и "сутки" имеют регулярную пе­риодичность т е отмечают последовательные равные интервалы време­ни хотя нами и не доказано что каждый из процессов действительно периодичен

Нас могут спросить а вдруг есть такое всемогущее существо которое замедляет течение песка ночью и ускоряет днём

Наш эксперимент конечно не может дать ответа на такого рода воп­росы

Очевидно лишь то что периодичность одного процесса согласуется с периодичностью другого

Поэтому при определении понятия время мы просто будем исходить из повторения некоторых очевидно периодических событий

В процессе проверки "воспроизводимости" суток мы применили метод измерения части суток т е метод измерения меньших промежутков времени

Этот метод называют сравнительным и с его помощью измеряют проме­жутки времени до 10^-12 секунды

Можно измерять промежутки времени гораздо более короткие чем 10^-12 но для этого используются совершенно другие методы( 10^-12 период молекулярных вращений)

В сущности используется другое определение понятия время

Один из таких методов это измерение расстояний между событиями происходящими на движущемся объекте

Например пускай в движущемся автомобиле включают и выключают фары Если известно где были выключены и включены фары и какова скорость автомобиля то можно вычислить сколько времени они горели

Для этого нужно расстояние на котором горели фары разделить на скорость автомобиля

Именно таким образом было определено время жизни -мезона которое составляет всего лишь 10^-16 с

Развивая технику эксперимента а если необходимо меняя определение понятия время можно обнаружить ещё более быстрые физические про­цессы

Мы например можем говорить о периоде колебания ядра или о времени жизни "странных" резонансов (частиц) которые не намного больше 10^-24 с

Приблизительно столько времени требуется свету чтобы пройти расс­тояние равное диаметру ядра водорода

Использование другого определения понятия "время" допустимо пос­кольку оно не приводит к каким-либо противоречиям т е можно быть уверенным в том что эти определения в достаточной мере эквива­лентны друг другу

Что можно сказать о ещё более коротких интервалах времени?

Имеет ли смысл вообще говорить о них если не возможно не только измерить но и разумно судить о процессах происходящих в течении столь коротких интервалов ?

Возможно нет

Это один из вопросов на которые нет ответа

Рассмотрим теперь промежутки времени больше суток

Измерять большие времена легко: нужно только считать дни пока не придумаем что-нибудь лучшего

Первое с чем мы сталкиваемся - год - вторая естественная перио­дичность состоящая приблизительно из 365 суток

В природе существуют естественные счетчики лет в виде годовых ко­лец у деревьев или отложений речного ила

Но когда не возможно считать годы для очень больших отрезков вре­мени нужно искать какие-то другие способы измерения

Одним из наиболее эффективных методов является использование в ка­честве "часов" радиоактивного вещества

Здесь мы сталкиваемся с регулярностью другого рода чем в случае песочных часов или маятника

Радиоактивность любого вещества для последовательных равных про­межутков времени изменяется в одно и то же число раз :

где N - количество ядер в момент времени t

N₀ начальное число ядер в момент времени t=0

T_1/2- период полураспада - интервал времени в течении которого распадается половина ядер

рис 2 Уменьшение радиоактивности со временем

(Видно что радиоактивность падает в 2 раза за каждый период полу­распада Т)

Если мы знаем что какой-то материал например дерево при своем об­разовании содержал некоторое количество А радиоактивного вещества а прямые измерения показывают что теперь он содержит коли­чество В этого вещества то возраст этого материала можно вычис­лить просто решив уравнение

А такие случаи когда мы знаем первоначальное количество вещества к счастью существуют

На этом явлении основаны методы датирования радиоактивными изото­пами различных материалов

Наиболее широкое распространение нашел метод датирования радиоактивным углеродом позволяющий определять возраст углеродосодержа­щих образцов до 50 000 лет с точностью до 200 лет

Возраст же ещё более древних вещей определяют измеряя содержание радиоактивных элементов с большими периодами полураспада например изотопа урана

Таким образом был установлен возраст нашей планеты равный пример­но 5.5 миллиарда лет

Некогда во времена ещё более древние чем возраст Земли начала свою историю Вселенная

Сейчас считают что возраст по крайней мере нашей части вселенной достигает примерно 10 - 12 миллиардов лет

Нам не известно что было до этого В сущности опять можно спросить "А есть ли смысл говорить о том что было до этого! И имеет ли смысл само понятие "время" до "рождения Вселенной" ? "