1.5 Одночасність в класичній концепції часу

Одночасність є одним з трьох об'єктивних тимчасових відношень між предметами і явищами оточуючого нас світу. Ці відносини встановлюють часовий порядок, розбиваючи всі події Всесвіту по відношенню один до одного на попередні, наступні, і одночасні.

Поняття одночасності відображає певні відношення, що існують між деякими класами предметів. Тому для того, щоб поняття одночасності набуло якогось реального змісту, необхідна наявність принаймні двох умов. Перша виражається в наявності принаймні пари предметів, явищ або подій, між якими дане відношення встановлюється. Ці предмети або явища повинні володіти якоюсь загальною для них властивістю, має існувати якась єдина для них характеристика, за якою здійснюється порівняння. Наявність цієї загальної властивості є другою умовою. У випадку одночасності між подіями є відношення рівності або тотожності за деякою єдиною для них обох характеристикою. Такою характеристикою є, з класичної точки зору, час. Для класичної фізики одночасними подіями є ті, які відбулися в одну й ту ж мить часу. З погляду класичної фізики, що визнавала існування єдиного для всього Всесвіту “потоку” абсолютного часу, дане визначення виражало існування для двох або декількох подій відношення тотожності за деякою єдиною для всіх них характеристикою, за належністю до тієї самої миті часу або, інакше кажучи, до того ж “місця”, що вони займають в «потоці)) абсолютного часу, за координатою, що характеризує їхнє положення на цій універсальній шкалі відліку.

І оскільки Всесвіт характеризується трьома просторовими вимірами, як і кожне з матеріальних тіл, то “плин” часу можна для наочності представити як рух в одному напрямку площини, що перетинає матеріальне тіло, у цьому випадку Всесвіт. Всі одночасні події належать одному й тому ж “поперечному перерізу” Всесвіту, що характеризується однією єдиною точкою на шкалі абсолютного часу й виражає момент теперішнього часу, що розділяє всі події стосовно даної точки на шкалі абсолютного часу на минулі й майбутні. Даний “поперечний переріз” охоплює всі події, що “наповнюють” Всесвіт у даний момент часу. Звідси випливає, що будь-якій події, що відбулася в якій-небудь точці простору, буде відповідати в кожній іншій точці простору тільки одна єдина одночасна з нею подія й дане відношення залишається незмінним в будь-яких системах відліку.

Є й інша можливість формулювання абсолютної одночасності. Вона дуже ясно виражена А. Бергсоном, відповідно до якого одночасність двох або багатьох подій відповідає можливості “охопити їх одним миттєвим, сприйняттям ”.

Існування одночасності, так само як і єдиного універсального часу, виводиться ним із властивостей індивідуальної свідомості. “Я називаю “одночасними” два миттєвих сприйняття, що осягаються одним і тим же актом свідомості”.

Відповідно до цього тлумачення, ми сприймаємо предмети зовнішнього світу, що існують одночасно з нами.

Розділ 2 простір і час у сучасній фізиці

2.1 Час у світорозумінні Ейнштейна

Революційну ломку класичних уявлень про світ очолив Альберт Ейнштейн (1879-1955 рр.). Відмова від абсолютизації простору і часу, твердження про їх залежність від гравітації і швидкості і, навпаки,абсолютизація швидкості світла - усе це насилу сприймалося сучасниками. Багатьом, навіть фізикам, теорія відносності здавалася абстрактною і відірваною від здорового глузду. Ефекти, які виявилося можливим пояснити за допомогою нової теорії, представлялися незначними і малоістотними.

Дійсно, багато що з проявів природи, що було передбачено релятивістською фізикою, стає помітним тільки при білясвітлових швидкостях. Недивно, що ще на початку 60-х років Артур Еддінгтон, англійський астрофізик, дозволив собі іронічне висловлювання про релятивістську теорію - убивче, як вирок: "красива, але даремна квітка" (і це сказала людина, яка першим з учених ще в 1919 р. в ході досліду підтвердив відхилення променя світла в полі тяжіння Сонця).

Ломка фундаментальних представлень завжди супроводжується запеклим опором. Більше того, дивно, що і сьогодні, в XXI віці критика основних базисних постулатів теорії відносності не вщухає, а, здається, навпаки, посилюється. Втім, про це пізніше свою справу Ейнштейн зробив. Революційний перегляд основ теоретичної фізики він очолив і завершив.

Проте не можна уявляти собі, що у Ейнштейна не було попередників. Мовляв, було Ньютонівське бачення світу, а потім з'явився Ейнштейн. Так ніколи не буває, і в даному випадку релятивістські ідеї також витали в повітрі.

У фізиці (у науці взагалі) панує так званий принцип відповідності : будь-яка нова теорія включає (повинна включати) стару як деякий окремий випадок.

Класична механіка Ньютона і філософія, витікаюча з неї і обґрунтовує її, були сильно розхитані усім ходом наукової думки в XIX столітті, особливо в другій його половині, передусім завдяки відкриттям в галузі електромагнітних явищ.

Але проти абсолютизації простору і часу виступав ще сучасник Ньютона Г. Лейбніц (1646-1716 рр.). Він писав: "Я неодноразово підкреслював, що рахую простір, так само, як і час, чимось чисто відносним : простір порядком існування, а час порядком послідовностей.". Тобто по Лейбніцу час - це тільки порядок дотримання явищ. Напрочуд сучасними видаються погляди Лейбніца на простір.

Він вважав, наприклад, що в природі ніякої абсолютної порожнечі без тіл немає.

У період між Ньютоном і Ейнштейном (у XVII - XVIII віках), мабуть, найяскравіше виражали протилежні точки зору на суть часу погляди двох наступних учених.

Богослов Джордж Берклі (1685-1753 рр) сповідував суб'єктивно-ідеалістичну концепцію: "Час є ніщо, якщо відсікти від нього послідовність ідей в нашому дусі".

Хорватський математик, астроном і філософ Руджер Иосип Бошкович (1711-1787 рр.) виражав реляційну точку зору. Він вважав, як пише Молчанов, що "простір і час не є ні субстанцією світу явищ, як це вважав Ньютон, ні вираженням його впорядкованості, як учив Лейбніц, а є "модусом" фізичних взаємодій, тобто визначення способу, форми або необхідної умови їх існування".

Бошкович "поставив під сумнів постулат Евкліда про паралельні прямі, висловивши тим самим думку про можливість неевклідової геометрії".

Випереджаючи час принаймні на століття, Бошкович вважав, що протяжність об'єктів змінюється при їх переміщенні або зміні взаємного положення. Таким була ця видатна людина, про яку, як мені здається, ми несправедливо мало знаємо.

Попередником Ейнштейна по праву може вважатися і знаменитий голландський фізик Гендрік Антон Лоренц (1853- 1928 рр.), що розробив теорію, згідно якої при русі фізичних об'єктів відносно абсолютної системи (ефіру) відбувається стискування цих об'єктів у напрямі руху і уповільнення ходу часу. У своїх знаменитих "перетвореннях" він досліджував взаємовідносини між часом і координатами двох систем.

Уявлення про те, що світ чотиривимірний і будь-яка подія в нім може бути описана трьома координатами простору і одною часу, було, звичайно, властиво і класичній механіці, але при цьому час в цій єдності був незалежним, оскільки усвідомлювалося як абсолютна реальність.

Навіть такі, здавалося б, чисто ейнштейнівські (як може здатися неосвіченим) поняття, як неподільність простору і часу і криволінійність простору, були привнесені до науки задовго до Ейнштейна.

Ейнштейн прийняв ідею єдності і неподільності простору і часу від видатного німецького (німецько-литовського) математика Германа Мінковського. Але ще в 1901 р. угорський філософ-фізик В. Паладій опублікував трактат "Нова теорія простору і часу", де обґрунтовував цю ідею. Трактат тоді не помітили, але в 1908 р. Мінковський ідею підхопив.

Втім, значно раніше, ще до Ньютона, Генрі Мор об'єднав простір і час в єдину чотиривимірну суть під загальним поняттям "протяжність". Але і він, очевидно, не був піонером - згадаємо Ібн Сину, адже цей мудрець жив в ХІ віці.

Що стосується уявлень про простір НеЕвкліда, то в закінченому виді їх сформулював У. К. Кліффорд ще до народження Ейнштейна. Проте і у нього були попередники - Лобачевский (Росія), Бойаі (Угорщина), Гаус і Ріман (Німеччина).

Австрійський фізики філософ Ернст Мах (1838-1916 рр.) багато займався зіставленням реального і уявного руху. Він висунув знаменитий принцип - "Принцип Маха", з якого виходить, що інерція кожного окремого тіла (і його маса як міра інертності тіл) залежать від величини і розподілу усіх мас у Всесвіті. Сам Ейнштейн, не приймаючи цього "принципу", все ж визнавав, що багатьом зобов'язаний Маху.

Дуже близький до створення нової фізичної теорії був знаменитий французький математик (фізик і філософ) Анрі Пуанкаре (1854-1912 рр.). Ним, зокрема, було поставлено питання про можливість об'єктивного встановлення одночасності різномісцевих подій. Пумнкаре об'єктивно міг створити нову теорію, але не створив, хоча ще в 1904 р., тобто за рік до першої засадничої публікації Ейнштейна по спеціальній теорії відносності, виступаючи на одному з конгресів, говорив: "Можливо, ми повинні створити абсолютно нову механіку, де інерція зростала б зі швидкістю і швидкість світла була б нездоланною межею".

Про час, Пуанкаре, зокрема, писав: "...час повинен визначатися так, щоб рівняння механіки були як можна простіші. Іншими словами, не існує способу виміру часу, який був би правильнішим, ніж інший; той, який приймається, є лише зручнішим".

Ця позиція Пуанкаре принципово відрізняється від поняття часу у Ейнштейна. Порівняйте висловлювання Пуанкаре з висновком, до якого прийшов Ейнштейн : "...просторові і часові дані мають не фіктивне, а фізично реальне значення".

Видатні експериментальні роботи Майкла Фарадея (1791-1867 рр.) і блискуче теоретичне їх обґрунтування і розвиток Джеймсом Клерком Максвеллом (1831-1879 рр.) привели до створення єдиної теорії електромагнітного поля - електричних, магнітних і оптичних явищ. При цьому вони остаточно відмовилися від поняття миттєвої дальності дії, ввели поняття універсальної електромагнітної взаємодії, яка здійснюється з кінцевою швидкістю, максимальна величина якої не перевершує швидкості світла. Ці роботи підняли ряд нових проблем, що, врешті-решт, і привело до створення теорії відносності.

Ейнштейн створив дві теорії відносності : спеціальну (1905 р.), в якій розглядається взаємозв'язок швидкості і часу, енергії і маси, і загальну (1916 р.), що доводить взаємозв'язок між матерією (гравітацією), часом і простором.

Ейнштейн прийняв як початкових засадничих два постулати, на фундаменті яких побудував теорії відносності, хоча в цьому "фундаменті", як вже відзначалося, знаходяться знання багатьох видатних учених. Але саме Ейнштейн "здогадався" скласти з цих знань-блоків фундамент нової фізики.

Перший постулат - спеціальний принцип відносності, згідно з яким закони природи залишаються незмінними (коваріантними) в усіх інерціальних системах.

Другий постулат-твердження про те, що будь-які взаємодії у Всесвіті не можуть здійснюватися зі швидкостями, що перевищують швидкість світла у вакуумі.

Враховуючи, що Ейнштейн повністю відмовився від субстанціональної концепції часу, і зважаючи на вищевикладені постулати, порядок в часі, за Ейнштейном, обумовлюється реальними фізичними процесами, тобто і простір, і час мають фізичний сенс "тільки як визначення порядку подій, пов'язаних між собою взаємодіями".

Сам Ейнштейн говорить про це так: "Про точки простору і моменти часу говорили так, як ніби вони були абсолютною реальністю. Не помічалося, що істинним елементом просторово-часової локалізації є подія".

З теорії Ейнштейна виходить взаємозалежність маси і енергії. Їх еквівалентність Ейнштейн виразив формулою, що стала відразу знаменитою і класичною : Е= тс² (Е - енергія тіла; т - маса тіла; с - швидкість світла у вакуумі).

Із загальної теорії відносності також виходить, що гравітаційні властивості матерії, що створює гравітаційне поле, тотожні викривленню простору-часу. Простір-час наділяють здатністю викривлятися - деформуватися і, у свою чергу, впливати на гравітаційні властивості матерії. Ейнштейн встановлює залежність часу (ходу годинника) від гравітаційного потенціалу. Таким чином, простір і час залежать від подій, але і події, у свою чергу, залежать від викривлень простору-часу.

Для нас важливо, що відповідно до принципів, прийнятих в теоріях Ейнштейна, головним змістом простору-часу являються події. Ейнштейн в розвиток цієї точки зору (і це відрізняє його від усіх попередників з реляційного бачення часу) в загальній теорії відносності разом з таким час формувальним чинником, як відносна швидкість тіл, вводить і такий фундаментальний прояв Природи, як гравітація. Таким чином, він не просто проголошує, що час є відношення подій, він вказує, як ці події впливають на якийсь час.

Ейнштейн показав, що час, впродовж якого світло поширюється від одного тіла до іншого, залежить як від відстані між цими тілами, так і від того, де знаходиться годинник, тобто від системи відліку, а це означає, що проміжок часу між двома подіями є величина відносна.

Ейнштейн, спираючись на принцип відносності і на принцип постійності швидкості світла, вже в роботі "До електродинаміки рухомих тіл", обґрунтовує поняття відносності одночасності. З нього виходить, що одночасність двох подій очевидна тільки для подій, які відбулися недалеко одна від одної. Якщо події далеко рознесені в просторі, то їх одночасність (чи неодночасність) залежатиме від системи відліку, відносно якої вони спостерігаються.

Дві події для одного спостерігача можуть виявитися одночасними, а для іншого, що рухається відносно першого, відбуваються в різні моменти часу.

Відносність часу і базується на відносності одночасності різномісцевих подій.

Ейнштейн залишив без зміни представлення класичної механіки про безперервний і безмежно ділимий час, тобто, час - не дискретний.

Коротко підведемо підсумки, що ж привнесла теорія Ейнштейна в розуміння світових закономірностей, пов'язаних з часом :

– час разом з простором складає чотиривимірний світ;

– час не абсолютний, одночасність подій має сенс в одній системі відліку або в інерціальних системах координат;

– сам хід часу залежить від руху і тому відносний. Годинник, що рухається відносно нас (чим більша швидкість, тим більший ефект), завжди представляється таким, що відстає. Це означає, що вимірюваний ним час уповільнений у своєму бігу;

– на час впливають сили тяжіння - час тече тим повільніше, чим більша гравітація;

– швидкість світла залежить від гравітації і може змінюватися тільки у бік зменшення;

– тіло, що рухається, має запас кінетичної енергії, і маса цього тіла більша, ніж маса того ж тіла в стані спокою.

Звернемо увагу на те, що, повністю відмовившись від ньютонівського поняття абсолютного часу (єдиного у світовому масштабі), Ейнштейн не просто показав, що час завжди відносний, він це поняття міцно пов'язав з дією на будь-яке матеріальне тіло зовнішніх чинників - таких як гравітація і швидкість тіла, залежна від системи відліку.

У першій половині XX століття Ейнштейн ближче за усіх підійшов до розуміння суті часу. Проте і йому, і його прибічникам виявилась властивою деяка непослідовність. З позицій теорії відносності, час завжди залежить від подій матеріального світу, від взаємодії мас. Великі тіла (їх маса, енергія і рухи) породжують гравітаційні поля. Час окремих тіл залежить від того, в якому гравітаційному полі вони знаходяться, і від відносної швидкості їх руху.

Окрім цих зовнішніх причин, час матеріальних тіл є породженням геометрії простору. Допускається навіть, що час може існувати незалежно від матерії.

В результаті з теорії відносності ми знаємо, що час об'єктивно існує, знаємо, від чого він залежить, але не знаємо, що це таке.

Виходячи зі своїх теоретичних розробок, Ейнштейн передбачав різні події, в яких повинні проявлятися ефекти теорій відносності. Частину цих наслідків він представив у вигляді уявних експериментів.

Значна частина наслідків теорій відносності носить характер наукового передбачення і виявилася доступною для підтвердження в спостереженнях або експериментах.

Так, блискуче підтвердилося (на думку прибічників релятивістської фізики), що промінь світла в сильному гравітаційному полі повинен змінити траєкторію - викривитися. І дійсно, 19 травня 1919 р. під час сонячного затемнення знаменитий англійський астрофізик Артур Еддінгтон зафіксував відхилення променя світла від далекої зірки в полі тяжіння Сонця.

Починаючи з 60-х років, теорія відносності отримує усі нові і нові експериментальні і спостережливі підтвердження. Ось декілька прикладів в популярному викладі відомого астрофізика проф. І. Новікова. "У 1968 р. американський фізик І. Шапіро виміряв уповільнення часу у поверхні Сонця... Він проводив радіолокацію Меркурія, коли той, рухаючись навколо Сонця, знаходився від нього з протилежного боку по відношенню до Землі. Промінь радіолокації проходив поблизу поверхні Сонця, і із-за уповільнення часу йому було потрібно трохи більше (часу) на проходження туди і назад, чим на покриття такої ж відстані, коли Меркурій знаходився далеко від Сонця. Ця затримка (біля однієї десятитисячної частки секунди) дійсно була зафіксована і виміряна".

Особливо цікаво, що уповільнення плину часу в полі тяжіння було виміряне безпосередньо в лабораторних умовах на Землі. Це зробили в 1960 р. американські фізики Р. Паунд і Г. Ребка (Гарвардський університет). Вони порівнювали хід часу біля основи вежі і на її вершині - на висоті 22,6 метра, де хід часу має бути трохи швидший. Роль годинника грали при цьому дуже точні прилади, що використовують явище випромінювання в деяких умовах гамма-променів строго певної частоти. Різниця ходу годинника по пророцтвах теорії складала фантастично малу величину - три десятитисячних від мільярдної долі відсотка. І ця різниця була зафіксована.