Временные отношения в природе

В материалистической картине мира понятие пространства возникло на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени возникло на основе восприятия человеком смены событии, последовательной смены состояний предметов и круговорота различных процессов. Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в при­роде и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о ка­ких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени.

Все процессы, которые происходят с материальными объектами, можно разделить на отдельные события. Событие – это то, что где-то и когда-то произошло, происходит или произойдет: каким-либо материальным объектом. То есть событие-это какая-то часть бытия объекта, смысл которой раскрывается через совокупность ответов на вопросы: что? где? когда? Можно сказать, что материя как целое существует в мире событий.

Эти наиболее общие свойства материи связаны с понятиями пространства и времени. Какие-либо представления о них есть у каждого человека. Пространство – это порядок взаимного расположения материальных объектов, выраженный отношениями «ближе – дальше», «право – лево». Время, или физическое время, – это порядок сменяющих друг друга элементов процесса или состояний материальных объектов, выраженный отношением «раньше – позже». Таким образом, пространство – это пространственные отношения между материальными объектами, а время – это временные отношения процессов друг к другу.

Отсюда следует первое общее свойство пространства и времени – их относительность. Этим термином обозначается тот факт, что моменты времени и пространственные координаты любого события всегда отсчитываются от некоторого другого события, принимаемого за начало отсчета. Именно поэтому всегда требуется указывать, откуда ведется отсчет времени и расстояния, ведь в зависимости от того мы будем получать разные показания. Например, мы говорим, что нечто произошло в 4 часа пополудни, однако тот же момент времени может быть обозначен иначе – 16 часов 00 минут. В последнем случае мы подразумеваем, что точкой отсчета времени стало условное событие – наступление новых суток.

Второе общее свойство пространства и времени – это их взаимозависимость. Мы не можем говорить о пространстве без материальных объектов и о времени без каких-либо процессов. Это не имеет никакого смысла. Не существует пространственных и временных отношений по отдельности. Любой процесс в природе происходит в некоторой области пространства, а любой материальный объект как-то меняется со временем. Поэтому имеет смысл говорить лишь о единых пространственно-временных отношениях между событиями. Но для первого знакомства с их свойствами мы можем сначала рассмотреть временные отношения в данной точке пространства и пространственные отношения в данный момент времени порознь. Такое условное разделение допустимо, пока рассматриваемые нами объекты движутся медленно. Критерий малости скорости мы обсудим несколько позже.

Для описания временных отношений вводится эталонный процесс, который называют часами. В его качестве можно использовать любой процесс, в котором повторяется периодически одно и то же состояние материального объекта. Примерами таких процессов могут служить: колебания маятника, пульс у человека, движение Земли вокруг солнца (год) и вокруг своей оси (сутки).

Считается, что время одномерно. Это значит, что ответ на вопрос «Когда произошло событие А?» требует измерения и указания лишь одного числа – момента времени события t_A. Моменты времени различных событий могут быть упорядочены в соответствии с правилом «раньше – позже», после чего им могут быть сопоставлены геометрические точки на оси времени. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольный момент времени t₀. В силу того, что моменты времени одного и того же события относительны, т.е. зависят от выбора начала отсчета времени, сами по себе они не могут служить объективными характеристиками временных отношений.

Промежуток времени Dt, равный разности между двумя моментами времени, отвечающими началу и концу какого-либо процесса, принят в качестве объективной характеристики временных отношений. Этот промежуток времени Dt обладает тем свойством, что его значение уже не зависит от выбора начала отсчета времени.

Иными словами, в данной точке пространства промежутки времени инвариантны, т.е. неизменны по отношению к выбору начала отсчета времени. В этом проявляется важнейшее свойство времени – его однородность.Это свойство приводит к тому, что всякая физическая система обладает особой фундаментальной характеристикой, называемой энергией, которая сохраняется со временем в изолированных системах.

Вернемся к сравнительному анализу длительности различных природных процессов. Люди привыкли ощущать промежутки времени, встречающиеся в повседневной жизни. Кратчайший промежуток времени, который мы можем почувствовать, примерно равен одной десятой секунды. Это длительность щелчка пальцами. Человек прекрасно понимает, что такое сутки, т.е. 8,64×10⁴с или 24 часа, и год, равный примерно 3×10⁷с. Наконец, все мы можем представить себе, что такое продолжительность жизни человека, т.е. примерно 100 лет. Вся человеческая цивилизация существует не более десяти тысяч лет. Если считать, что средняя продолжительность жизни составляет даже 50 лет, то это смена всего лишь 200 поколений!

Более крупные промежутки времени связаны с существованием Земли, Солнца, звезд и, наконец, Вселенной. Так, длительность существования жизни на Земле составляет около 3,5×10⁹ лет, Солнечной системы – 5×10⁹ лет. Максимальный промежуток времени, о котором имеет представление наука – это возраст Вселенной, который составляет около 20×10⁹ лет (6×10¹⁷с).

Что касается известных на сегодня малых промежутков времени, то они таковы: длительность жизни атомов в возбужденном состоянии составляет примерно 10^-10с, такова же средняя продолжительность жизни большинства нестабильных элементарных частиц ядра в возбужденном состоянии живут примерно 10^-15с. Наконец, минимальные промежутки времени, измеренные до сих пор в физике, относятся к процессам, происходящим внутри ядер. Их длительность около 10^-23с. Таким образом, отношение максимального к минимальному из известных промежутков времени составляет примерно 10⁴⁰.

Обсуждавшиеся выше свойства относятся к модельному времени, называемому временем-параметром или геометризированным временем, так как его описание во многом напоминает описание свойств пространства. Но следует помнить, что реальное время обладает некоторыми своеобразными особенностями, в частности, если время-параметр не имеет выделенного направления, т. е. оно как бы не знает различия между прошлым и будущим, реальное время, или время-возраст, обладает «стрелой времени», т. е. изменяется только от прошлого к будущему. Именно такое время-возраст описывает эволюционные процессы в биологии, геологии, космологии. Пока мы будем рассматривать только время-параметр.