1. Время

Будучи одним из базовых понятий, время не может быть точно определено, хотя не составляет труда предложить формальное определение для любого из частных времен, например, для механического (метрологического).

Будем понимать время, как способность ощущать, проживать, предчувствовать, создавать изменения. Описывать изменения можно через измерения, оценки, метафоры, топики. Каждое такое описание создает самостоятельное представление о времени.

Время самым тесным способом связано с культурой. Культуру даже определяют, как набор предписаний, запретов и норм работы со временем, умение расслоить время и выделить ступени его осознания. Культура есть умение работать со временем на уровне тонких различений.

Несколько упрощая, можно предложить два основных подхода к работе со временем:

• Физический, в котором время понимается, как основание описания движения, форма пространства, одно из измерений пространства.

• Языковой, рассматривающий время, как первичную форму грамматики. В этом подходе время противостоит пространству и предписывает его свойства (время — закон пространства). Пространство, в котором заданно время, становится законообразным и превращается в ландшафт. Человек сообразуется с пространством через время.

Заметим здесь, что языковой подход можно применить не только к физическому трехмерному пространству, но и к экономическому, социальному, культурному, инженерному, архитектурному, мифологическому и другим сконструированным пространствам.

Время в физике

Физика была создана Аристотелем для практического решения следующих задач:

Создание онтологии движения (что такое движение? Как измерить движение? Чем отличается движение и покой? Чем отличается движение и развитие?). Эти вопросы подразумевают, что мы имеем представления о пространстве, времени, скорости.

Как попасть в цель при стрельбе из лука (катапульты, пушки…), иными словами, как двигается тело, запущенное под углом к горизонту?

Как получить выигрыш в силе при решении задач подъема и перемещения тяжелых грузов?

Как превратить теплоту в работу?

Разумеется, по мере своего развития перед этой наукой возникало множество других онтологически и практически полезных задач, но онтология движения была первой и важнейшей из всех.

В аксиоматической модели физики онтология движения строится следующим образом:

Существует пространство, и следовательно, существует бесконечность.

Существует число. Тем самым существуют длинна и угол. Числа можно ранжировать: натуральные, целые, рациональные, действительные, комплексные…

Можно строить теорию чисел, теорию последовательностей, теорию функций (в том числе, комплексной переменной), теорию функционалов, теорию операторов. Все эти теории строятся по одной и той же схеме.

Числа можно сравнивать. Существуют бесконечно малые и бесконечно большие. Интуитивно это понятно, но, чтобы работать с интуицией, придется строить теорию пределов. На ее основе сразу же возникают дифференциальное, интегральное и вариационное исчисления, в основе которых также лежат схожие схемы работы. Далее получаем теорию дифференциальных уравнений, классический математический анализ и, понимая интегрирование, как обобщение суммирования, мы приходим к такому рафинированному разделу современной математики, как обобщенные функции[32].

3. Существует Наблюдатель. Можно сформулировать математическую и опытную онтологию физики. Здесь есть развилка, важность которой философы поняли сразу, а физики — лишь в ХХ столетии: наблюдатель может не вносить изменений в наблюдаемую систему только лишь одним фактом своего наблюдения, или всякое наблюдение с неизбежностью меняет систему. В первом случае мы получаем классическую физику, а во втором — квантовую механику.

4. Существует процедура сравнения. Длины можно сравнивать: они могут быть равны или не равны, в последнем случае — одна длина может быть больше или меньше, чем другая. Теперь можно строить геометрию и вводить аксиоматику расстояния:

D(A,B) больше или равно 0

D(A,B) = 0, только если А=В

D(A,B) = D(B,A)

D(A,B)?D(A,C) + D(C,B), что позволяет, во-первых, строить теорию метрических пространств и алгебру, а во-вторых, ввести процедуру измерения, как численного сравнения.

Существует мир. А это значит, что можно придумать эталон длины. Теперь у нас есть процедура измерения длины через сравнение с эталоном. Следовательно существуют события и опыты. С этого момента можно строить физику и математическую статистику вместе с теорией ошибок измерения.

Существует время. Теперь можно определить движение, как перемещение «чего-то» во времени, появляются понятия движения и пути, и возникает возможность построить механику, как теорию, объясняющую и предсказывающую движение.

Структура механики: причины движения, формы движения, законы движения.

Можно ввести понятие развития, как изменение (не перемещение!) чего-то во времени и на этом основании придумать теорию эволюции, структурно подобную механике: причины развития, формы развития, законы развития.

Опыт и рассуждения Зенона Эгейского показали, что движение относительно. Это приводит к необходимости ввести понятие системы отсчета, как физического тела отсчета и математических (геометрических) осей отсчета. Заметим здесь, что декартовы координаты в физике — онтологически и философски сложная суперпозиция идеальной математической конструкции и физической прагматической реальности.

Время измеримо. Значит может существовать эталон времени (хотя «сделать» его оказалось очень сложной задачей). Имея единицы измерения длины и времени можно построить систему единиц измерения и получить в свое распоряжение метод размерностей для решения физических задач.

Если есть эталон времени, то можно измерять время через сравнение с эталоном. С инженерно-практической точки зрения приходим к необходимости изобретения часов, а с теоретической — к описанию скорости и ускорения, как первой и второй производной перемещения по времени.

Законы механики, а как выяснилось впоследствии, и всей физики, должны быть инвариантными (то есть, не меняться) при некоторых преобразованиях систем отсчета. Например, эти законы не должны меняться при сдвиге начала отсчета и при повороте координатных осей.

Будем называть скаляром величину, которая при повороте координатных осей на угол ? никак не меняется. Например, не меняется длина предмета, его масса, его температура, его электрический заряд…

Будет называть вектором величину, которая при таком повороте меняется следующим образом:

A1 =Ao cos?+B0 sin?

B1 =-A0 sin?+B0 cos?

Перемещение, скорость и ускорение оказываются векторами, и уже из этого приходится сделать вывод, что равномерное прямолинейное движение (скорость не меняется) и равномерное движение по окружности (скорость не меняется по величине, но меняется по направлению) должны описываться разными законами. Интересно, что ученые окончательно поняли это лишь в XVIII столетии, а большинство обывателей не понимает до сих пор L.

Заметим здесь, что тензоры преобразуются, как «квадрат преобразований вектора», а спиноры как «квадратный корень из преобразований вектора». Все классы физических величин возникают именно на этой стадии думанья — на формировании принципа относительности.

Г.Галилей впервые логически и опытно показал, что законы физики не меняются, когда одна система отсчета равномерно и прямолинейно двигается относительно другой. Но здесь возникает несколько вопросов, на первый взгляд очевидных, а на второй — очень неприятных. Например — как измерить длину движущегося тела? Как измерить время в одной системе отсчета относительно другой системы отсчета?

И так далее…

Здесь возникает «развилка». Если существует бесконечно быстрый сигнал, время в движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно системах удается синхронизировать. Тогда существует абсолютное время, единое для всего мироздания, и можно строить физику Ньютона.

Но если такого бесконечно быстрого сигнала нет, то нет и никакой возможности построить абсолютное время. Время начинает зависеть от процедуры синхронизации, и, в общем и целом, начинает формально зависеть от скорости: нам кажется, что в движущейся относительно нас системе отсчета оно идет медленнее. Само собой разумеется, что из той системы отсчета все выглядит в точности наоборот: им кажется, что замедляются наши часы… И здесь уже придется строить релятивистскую физику с ее кажущимся замедлением времени, сокращением длины, увеличением массы и т. д.

Если скорость света является наивысшей возможной скоростью в природе, то мир устроен таким образом, что инвариантом является не длина и время, а конструкт из длины и времени, называемый интервалом s=?(c2t2-l2) — «четырехмерная длина», вместо интуитивно очевидных преобразований Галилея выполняются преобразования Лоренца, скорости не аддитивны.

Для нас важно, что в этом случае мы обязаны признать время одним из измерений пространства, а скорость света — просто константой связи между измерениями длины в трех пространственных направлениях и одним временным направлением. По Дж. Уиллеру: скорость света имеет такой же смысл, как, например, число 5280, которое связывает число английских ярдов с английской милей. Это просто вопрос договоренности: когда мы вводили единицы измерения, мы не подозревали, что время является формой пространства, и введи для измерения пространства и времени разные эталоны.

Далее физика начинает применять принцип относительности к ускоренному движению, что приводит к принципу эквивалентности, указывающему на калибровочный характер гравитационного поля: невозможно отличить равноускоренную систему отсчета от покоящейся — но в гравитационном поле. В перспективе принцип калибровочной инвариантности распространяется на другие физические поля и дополняется принципом спонтанного нарушения симметрии.

Мы мысленно охватили путь, который физика проходила 2.500 лет — от Аристотеля до Дж. Уиллера. Он, конечно, намечен пунктиром: но, в общем, не представляет особого труда «заполнить лакуны». Заметим, что в этой работе нам, безусловно, понадобится только обыденное мышление (здравый смысл), наблюдательность и умение думать.

Данный подход не согласуется ни с натурфилософским преклонением перед опытом, ни с современным упованием на математику. В сущности, математика возникла на нашем пути, как чисто формальная справочная, служебная дисциплина, которую мы строили, исходя из здравого смысла и практических потребностей. А вместо экспериментального подхода «Базаров сделался чистым эмпириком…» мы стремились применять житейский опыт и, следуя Г.Галилею и А.Эйнштейну, мысленные эксперименты.

Подведем итоги. В релятивистской физике время принципиальное неотличимо от пространства и представляет собой одно измерение четырехмерного мира. Оно, впрочем, выделено, поскольку метрика пространства-времени является не эвклидовой, а псевдоевклидовой. Это хорошо понимал еще Г.Уэллс, автор «Машины времени», который заметил, что «Единственное различие между временем и любым из пространственных измерений заключается в том, что наше сознание движется вдоль него».

физике общей теории относительности пространство-время искривлено, что приводит не только в замедлению времени в гравитационном поле, но и к возникновению вокруг больших концентраций масс («черных дыр») «горизонта событий», на котором пространственная и временная компоненты меняются местами: за горизонтом можно двигаться во времени в любом направлении, но, вот, пространственно — только к центру гравитирующей массы, в сингулярность.

В ньютоновской физике время представляет собой единые «мировые часы», с которыми синхронизированы все системы отсчета. Такое время носит простой и формальный характер.

В квантовой физике и квантовой теории поля мы формально пользуемся эйнштейновским релятивистским временем (а иногда работаем даже в ньютоновском), но, в общем, без должных оснований. Не будет преувеличением сказать, что квантово-механическое время не понято нами до конца.