Что такое время и можно ли изменить его скорость

Что такое время и можно ли изменить его скорость?

Время — оно как воздух. Мы живем в нем и даже не задумываемся над тем, что это такое и как им пользоваться. Тем не менее, это очень сложная вещь, которая лежит в основе всего. Не зря же есть словосочетание ”пространство и время”. С пространством все понятно — вот оно. До работы 10 километров на машине, а до магазина 300 метров пешком. Вот только время в этом пути будет очень относительным. Но что это вообще такое и справедливо ли говорить о том, что время бесконечно и оно было всегда? Можно ли потрогать время? Может быть его можно остановить или повернуть вспять? Все эти вопросы люди часто задают друг другу и сами себе. Давайте попробуем ответить хоть на какие-то из них.

Время есть у всех. Но только что такое время?

Что такое время?

Течение времени – совершенно естественное явление. Время идет, все вокруг меняется, происходят разные события. Именно поэтому о времени с точки зрения физики, в первую очередь, стоит говорить в контексте событий.

Если бы вокруг ничего не происходило, понятие времени не имело бы традиционного смысла. Другими словами, без событий времени не существует. Итак:

Время – мера того, как меняется окружающий мир. Время определяет длительность существования объектов, изменение их состояний и процессы, протекающие в них.

В системе СИ время измеряется в секундах и обозначается буквой t.

Что такое время?

Почему мы живем от рождения до смерти, а не от смерти до рождения? Почему время на работе идет так медленно, а на вечеринке — так быстро? Что такое «сейчас» и сколько именно оно длится? Николай Кукушкин — о времени, главной иллюзии живой природы.

Чем прошлое отличается от будущего?

Прошлое уже произошло, а будущее еще нет. Прошлое напоминает о себе на каждом шагу: помятым лицом в зеркале, следами позора на кухне, свербящим чувством стыда за бесцельно прожитые годы. Будущее загадочно и непредсказуемо. Оно скрывается за толстым слоем ожиданий, прогнозов, страхов и надежд.

Но представьте на минуту, что вы фотон, летящий сквозь межзвездное пространство созвездия Андромеды в сторону беты Кассиопеи. Летите вы уже несколько миллиардов лет, и за это время ничего особо интересного с вами не случилось. И вряд ли скоро произойдет. Помятого лица у вас нет, равно как и надежд на будущее, полет ваш протекает с постоянной скоростью в одном направлении, бояться вам нечего, ожидать — тоже. Чем отличается прошлое от будущего для вас? В сущности, ничем.

С точки зрения теории относительности время не существует независимо от пространства, а образует с ним единую четырехмерную систему — пространство-время. Пространство не движется из прошлого в будущее — и время, и пространство просто есть.

Для физики прошлое и будущее, в принципе, эквивалентны — как и направления в пространстве. Магниту, например, все равно, в какую сторону его повернут, — он действует влево и вправо одинаково; точно так же для физической силы (например, гравитации или электромагнетизма) нет разницы, действует ли она в сторону прошлого или в сторону будущего. Этот принцип называется «Т-симметрией». Вы как фотон не отличаете полет Андромеда — Кассиопея из прошлого в будущее от полета Кассиопея — Андромеда из будущего в прошлое.

Будущее и прошлое появляется, когда фотонов, других частиц или вообще чего угодно становится много. Потому что когда чего-то много, срабатывают не столько физические, сколько статистические законы — начала термодинамики.

Второе правило Сани

Когда я учился в средней школе, у нас в классе бытовал довольно богатый фольклор, со своими мудростями и ценностями, в котором особой популярностью пользовалось «второе правило Сани»: «Если что-то долго крутить, то оно отвалится». Первое правило Сани не имеет к теме отношения, там нецензурно объяснялись правила осторожного поведения «в чужом районе» (дело было в Купчине). Но оно всегда шло в дополнение ко второму.

Второе правило Сани — это емкая, даже метафорическая формулировка второго начала термодинамики. Если что-то долго крутить — то оно отвалится. Если что-то долго трясти, то оно перемешается (это уже мои сочинения по мотивам). Если что-то долго делать — все что угодно — то беспорядка и хаоса становится больше. Мусор копится в углах, стаканы бьются, мороженое тает, а все, что может крутиться, подчиняется второму правилу Сани. Я не знаю, кстати, при каких обстоятельствах Саня его придумал, — вполне возможно, что изначально это мнемоническое правило с урока физики, но вообще могло иметь место и чисто практическое наблюдение по результатам кручения предметов быта.

Более известная бытовая формулировка второго начала термодинамики: «Беспорядок всегда возрастает». Беспорядок, он же энтропия — то, что отличает омлет от яйца, горячее от холодного, мертвое от живого, отвалившееся от прикрученного.

Почему беспорядок всегда побеждает порядок? Теория вероятностей. Книги на полке в правильном порядке — одно-единственное состояние книг. Книги на полу — тысячи возможных комбинаций, и любая из них — уже беспорядок. Жизнь существует в узких и шатких границах температуры, влажности и освещения, а тлен, хаос и пустота занимают всю Вселенную. Если не прилагать усилий, все упорядоченное рано или поздно становится неупорядоченным: беспорядок всегда вероятнее порядка.

При чем тут прошлое и будущее? Когда мы говорим «беспорядок всегда возрастает», мы имеем в виду «беспорядок возрастает в будущем». И дело не в том, что будущее магически притягивает к себе беспорядок, а прошлое его отталкивает. Просто беспорядок возрастает в одном из направлений времени, и это направление мы, люди, называем «будущим».

Химические процессы, которые ежесекундно необходимы для работы каждой клетки нашего организма, пользуются повышением энтропии, как движущей силой. Повышая хаос вокруг себя — обычно путем выделения тепла, — молекула может сделать продуктивное усилие и запустить, например, нервный импульс по нейрону. Поскольку ощущение, что время куда-то идет, — продукт химических реакций в голове, оно тоже подчиняется законам термодинамики.

Человеческое сознание — следствие работы нервных клеток в головном мозгу. Работа нейронов, в свою очередь, определяется химическими процессами внутри них. Химические процессы движутся параллельно возрастанию энтропии. Поэтому наше сознание тоже направлено «вдоль» повышения беспорядка: будущее для нас лежит там, где энтропии больше.

Мы воспринимаем логичным тот мир, в котором разбитый стакан следует после целого стакана. Второе правило Сани, таким образом, можно переформулировать следующим образом: «Будущее — это когда отваливается то, что ты крутишь».

Где спрятаны часы?

Человеческое восприятие времени представляет собой несколько разных независимых явлений.

Во-первых — ощущение, что прошлое и будущее имеют направление, так называемая стрела времени. Это и есть тот термодинамический вектор, который определяется молекулами нашего тела. Во-вторых, оценка интервалов: сколько времени, по нашим ощущениям, прошло от момента А до момента Б. В-третьих, восприятие последовательности и одновременности: что за чем произошло и в какой момент. Наконец, ощущение «сейчас» — определенного промежутка времени как единого текущего момента.

Из всех этих аспектов только стрелу времени можно считать более-менее объективной. Она в нас заложена на физико-химическом уровне. Все остальное — субъективные ощущения, генерируемые мозгом. Иллюзия, иными словами.

Главная сложность измерения времени мозгом заключается в том, что нервные клетки работают с миллисекундными скоростями, а воспринимаем мы промежутки от секунд до лет. Чтобы быстрым нейронам ориентироваться в нашем «медленном» времени, им нужна особая накопительно-измерительная система, внутренние часы, отсчитывающие, сколько времени прошло.

Существует две основных версии. Согласно первой, у мозга есть одни центральные часы, которым все подчиняется. По другой — каждая функция мозга ориентируется во времени самостоятельно: у слуховых отделов свои часы, у двигательных — свои. Точно известно одно: ощущение времени зависит от количества поступающей в мозг информации и от внимания, на нее направленного.

Когда вам скучно, время тянется часами, а когда весело — пролетает быстро, но потом в памяти, наоборот, кажется длиннее. Чем больше информации поступает в мозг и чем сильнее вы на ней концентрируетесь, тем меньше замечаете время.

Но память в дальнейшем растягивается, чтобы вместить все, что произошло за истекший период. По этой же причине под воздействием многих психотропных веществ кажется, что проходит час, когда на самом деле проходит пять минут: просто за эти пять минут вы получаете в несколько раз больше впечатлений, чем обычно, и, когда вы вызываете эти впечатления в памяти, они заполняют целый час «обычного» времени.

С последовательностью и одновременностью тоже не все однозначно. Два звука, разделенные промежутком в 1 — 2 мс, распознаются как последовательные, а два изображения с тем же интервалом — как одновременные. Слух — самое быстрое из наших чувств. Возможно, эволюционно это связано с тем, что наш слуховой аппарат — самый эффективный орган чувств для защиты от внезапного нападения: обоняние принципиально работает слишком медленно (молекулам запаха нужно физически долететь до носа), осязание — когда уже поздно, а зрение — плохой помощник в ночном лесу или если хищник хорошо прячется.

Интересно и то, что, хотя отличить одновременное от последовательного мы можем за 2 мс, на восприятие конкретного порядка событий нужно в 10 раз больше времени — около 20 мс. В этом случае различий в скорости между органами чувств уже не наблюдается. Видимо, создание «списка событий» — это более сложная операция, чем простая регистрация «неодновременности» этих событий. Мозг сначала собирает информацию от всех органов чувств и только потом анализирует ее, утверждая конкретную последовательность.

Не исключено, что для этого используется та же самая система, что и при производстве речи. Когда мы говорим или воспринимаем речь, мозгу приходится очень быстро планировать или расшифровывать сложные последовательности звуков: от их перестановки может измениться смысл слова или предложения. У некоторых пациентов одновременно с нарушениями речи (в частности, при повреждении левого полушария мозга) наблюдаются и проблемы с воспроизведением последовательностей — например, им труднее вспомнить, в каком порядке им показали пять картинок.

Наконец, ощущение «сейчас», или субъективное настоящее, тоже иллюзия. Наше настоящее — это на самом деле короткий промежуток прошлого. Психологи обычно называют интервал примерно от 4 — 5 секунд назад до текущего момента, если точнее — от 4 — 5 секунд назад до 80 мс назад. Наше сознание существенно отстает от происходящего вокруг: чтобы сориентироваться в настоящем, мозгу нужно время. Поэтому когда нам кажется, что событие произошло, на самом деле с этого момента минула почти десятая доля секунды.

Субъективное настоящее отличается от более далекого прошлого тем, что мы воспринимаем его как единый блок ощущений. По прошествии нескольких секунд он превращается в набор отдельных образов в памяти. Есть данные, которые позволяют заключить, что у галлюцинирующих шизофреников субъективное настоящее ужато по сравнению с «сейчас» здоровых людей. Возможно, у таких пациентов «образное» прошлое как бы наползает на «ощущаемое» настоящее, и в результате человек видит и слышит результаты своего мышления.

Время кажется нам незыблемым и объективным, но на самом деле незыблема только наша уверенность в собственных чувствах. С точки зрения физики будущее есть то же самое, что прошлое. С точки зрения мозга недавнее прошлое — это настоящее. С точки зрения большинства людей время направлено вперед, потому что так принято говорить. Но у южноамериканского народа аймара прошлое, наоборот, впереди, а будущее сзади, а у некоторых полинезийцев прошлое на востоке, а будущее на западе. Как и весь остальной мир, время — это иллюзия, данная нам в ощущениях.

Так что же такое время?

Доказано, что прописанные в теории относительности предсказания (замедление времени, уменьшение размера предмета и увеличение его массы при увеличении скорости) верны. Однако в данной теории также заявляется, что движение относительно. А это ведет к дилемме, связанной с замедлением времени, — парадоксу близнецов, который ученые пытаются объяснить уже не один десяток лет. Источником возникшего затруднения является слово «относительность», которое было использовано Эйнштейном намеренно, чтобы избежать проблем с движением против некой фоновой структуры, ведь меньшее сопротивление движению массивных объектов объяснить невозможно.

Согласно общей теории относительности (ОТО), пространство может искривляться и деформироваться, а в его структуре существуют черные дыры. Нам также известно, что вращающиеся объекты отличаются от невращающихся. Поэтому понятие пространства без какой-либо структуры проигнорировать не так уж и просто. А это вновь возвращает нас к вопросу: как огромные планетарные тела движутся сквозь пространство, не встречая никакого сопротивления? Приняв во внимание все вышесказанное нетрудно осознать, что проблема нашего понимания пространства и времени на самом деле гораздо глубже.

Вернемся к упомянутому выше парадоксу. Итак, один из близнецов («путешественник») отправляется в космический полет, а второй («домосед») — остается на Земле. С точки зрения домоседа часы путешественника должны будут идти медленнее, ведь он будет двигаться на своем космическом аппарате относительно Земли, а значит, по возвращении его часы должны отстать от часов домоседа. Но и домосед двигался вместе с Землей относительно путешественника, следовательно, это его часы должны отстать. Выходит, что часы братьев по возвращении путешественника должны показывать одно и то же время.

В те времена, когда сформулирована была только специальная теория относительности (СТО), физики утверждали, что замедление времени у брата-путешественника происходит за счёт ускорения, ведь наличие именно этого параметра отличает его движение от движения домоседа. Но теперь, благодаря ускорителю частиц, мы знаем, что для расчета замедления времени нам необходимо знать только скорость объекта, ускорение в данных вычислениях не играет никакой роли. Кроме того, мы до сих пор не знаем, почему время замедляется при увеличении скорости, и что оно (время) в принципе из себя представляет.

Если ускорение является объяснением парадокса близнецов, то оно же должно объяснять гравитационное замедление времени в ОТО. Но замедление времени в ОТО рассчитывается путем добавления к уравнению СТО второй космической скорости, данные по ускорению здесь вновь не учитываются. Значит, ускорение в гравитации также не может быть использовано для объяснения гравитационного замедления времени. Это позволяет нам забыть об ускорении и начать поиски реальной причины замедления времени как в движении, так и в гравитации.

Еще одно предсказание ОТО, заключающееся в том, что масса искривляет пространство, тоже не до конца понятно. Если бы Эйнштейн, работая над ОТО, знал о расширении Вселенной, он, возможно, использовал бы эту концепцию, чтобы объяснить феномен искривления пространства, представив его в качестве области с более медленным расширением, возникающей из-за присутствия массы. Это могло бы помочь Эйнштейну связать замедление времени с более медленным расширением пространства и, в конечном счете, понять саму суть времени.
Подведем итоги. На данный момент ни СТО, ни ОТО не объясняет феномен замедления времени в движении и гравитации. Но если нам удастся добавить к теориям Эйнштейна тот факт, что мы живем в расширяющейся Вселенной, мы сможем найти ответы не только на вопросы, поставленные в данной статье, но и разгадать многие другие загадки Вселенной.