Как устроено время: факты, о которых мы не задумываемся
Время может не совпадать
Единого определения времени нет. Хотя каждый уверен, что оно существует. Измеряют время часы. По сути они отсчитывают периодические повторяющиеся процессы — такие, как колебания маятника, например. Из этих периодов и складывается измеряемое время.
«Есть время биологическое, которое течет внутри нас, те самые часики, которые тикают. Есть время астрономическое. И есть время, я бы сказал, психическое, то есть, то, как мы оцениваем и чувствуем, как идут эти биологические и астрономические часы. И все это может не совпадает», — говорит Роман Бузунов, президент Российского Общества Сомнологов, заведующий Центром медицины сна.
Сначала время было Большое
Представления о времени развивались параллельно с тем, как люди осознавали повторяемость каких-то процессов. По восходу и заходу Солнца люди научились исчислять дни, затем, по изменениям в поведении Солнца и звезд, и заодно смене сезонов — годы. Оказалось, что и Луна задает важные периоды времени. Так люди начали считать месяцы, а впоследствии и составлять календари. Составление календаря было чуть ли не первой научной задачей: пришлось иметь дело с «экспериментально» наблюдаемыми периодами, и каким-то образом погрузить их в теоретическую схему.
С развитием науки стало понятно, что вся история человечества — только малая часть истории планеты. Несколько миллионов лет, которые существует род homo, в жизни планеты срок совсем небольшой.
Чтобы понять, как же на самом деле соотносятся миллион и миллиард, вспомним, что миллион секунд — это 11,5 дней, тогда как миллиард секунд — это без малого 32 года. Добро пожаловать в миллиарды лет.
«Земля существует около 4,5 миллиарда лет, где-то около 3,5 миллиардов лет назад мы уже видим следы жизни на Земле», — рассказывает Михаил Федонкин, директор Геологического института, академик РАН.
Когда появилось Маленькое время
В Древнем мире и в Средневековье люди не обращали внимание на минуты. Но когда Галилей начал ставить физические опыты, для уточнения законов движения ему понадобилось измерять малые промежутки времени. Ничего похожего на секундомеры под рукой не было. Галилей использовал собственный пульс, или отсчитывал падающие капли воды.
«В Древнем мире могли делать хорошие часы, но не делали. Просто нужды не было. Точные часы начали делать во время Великих географических открытий. Когда корабли вышли в открытое море. Понять свое местоположение по широте можно по высоте солнца, для определения долготы нужны часы», — поясняет Сергей Вятчанин, заведующий кафедрой физики колебаний физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Корабельный хронометр Харрисона в XVIII веке ошибся только на 15 секунд за пятимесячное плавание. Этого оказалось достаточно, чтобы хорошо определять координаты на глобусе с точностью до нескольких миль.
В середине XX века появились атомные часы — самые точные на сегодняшний день. В них в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. С 1967 года международная система единиц СИ определяет одну секунду как 9 192 631 770 периодов электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Время идет в одну сторону
Стрела времени в классической, не квантовой, физике летит в одном направлении из прошлого через настоящее в будущее. (О возможностях путешествий во времени почитайте здесь.) Важное свойство времени — его связь с причинностью. Все, происходящее в наблюдаемом нами мире имеет причину, и причина всегда появляется во времени раньше, чем следствие.
При этом с точки зрения квантовой физики все уравнения симметричны по обращению времени — законы природы сохраняются. Но мы этого не видим. Чашка упала со стола — разбилась. Но никогда осколки с пола не подпрыгивают и не собираются назад в чашку. И четкого ответа, почему это так, пока нет. Возможно, дело в колоссальной сложности нашей материи и процессов, протекающих в ней.
Время и события относительны
Время соотносится с пространством: в зависимости от скорости. Два наблюдателя, движущиеся относительно друг друга, даже могут по-разному представлять себе порядок событий, происходящих в разных точках.
Пространство и время в некотором роде «разговаривают» с материей. Масса и энергия искривляют пространство-время. Каждое массивное тело, каждый сгусток энергии делает «вмятину» в пространстве-времени. Именно из-за искривления пространства и замедления времени самая быстрая из планет Солнечной системы, Меркурий, вращается вокруг Солнца не так, как остальные планеты: не в точности по эллипсу, а по эллипсу, который с течением времени сам поворачивается — пусть и на совсем малый угол.
«Вблизи Солнца этот эффект слаб, хотя и измерим, но вблизи черных дыр он становится настолько сильным, что там движение космических тел абсолютно не похоже на движение наших планет», — говорит Владимир Сурдин, старший научный сотрудник Государственного Астрономического Института им. Штернберга.
Вообще, то, что мы воспринимаем как эффект гравитации — и есть искривление пространства и замедление времени, вызванные наличием материи. Чтобы замедлить время заметно, нам потребуется что-то с очень сильной гравитацией. Черные дыры — области пространства, где гравитация столь сильная, что не дает вырваться наружу даже свету. (А мы помним, что свет — самое быстрое во Вселенной). Поверхность, ограничивающая эту область пространства, называется горизонтом событий. Пространство и время там перемешаны.
«То есть рассматривать время отдельно можно только при слабом гравитационном поле или при небольших скоростях. С нашей точки космонавт никогда не пересечет горизонта событий черной дыры. Его космический корабль остановится — с нашей точки зрения время там остановилось, и космонавт бесконечно долго живет в этом растянутом для нас, замедленном времени. При этом со своей точки зрения космонавт свободно падает в центр черной дыры, а поскольку в центре черной дыры находится сингулярность, приливные силы возрастают до бесконечности, он будет разорван. И получается, что с нашей точки зрения космонавт жив, а с его собственной — мертв», — объясняет заведующий кафедрой астрофизики и звездной астрономии астрономического отделения физического факультета МГУ Анатолий Черепащук.
Начало времени, или Вселенная размером с яблоко
При таких плотностях материи время, по-видимому, перестает существовать. Мы ведь помним, что говорить о времени — значит иметь способ его измерения. А это требует наличия некоего физического процесса. Оказывается, есть сверхмалый масштаб, в который никакие физические процессы не вмещаются — планковское время.
«Ничего в мире не может быть короче, чем 10 в минус 43 степени секунды. Это безумно маленькое время, но меньшего не бывает. Нет процессов, которые протекают быстрее, в принципе. Квантовая механика не позволяет это делать, — ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН Борис Штерн.
Глядя на разбегающиеся прочь галактики и на характер реликтового излучения, заполняющего космос, ученые сделали вывод о том, что вся наблюдаемая Вселенная некогда занимала очень малый объем. Скажем размером с яблоко. А незадолго до того — с вишню. Мысленно идя вспять, мы подбираемся к тем самым планковским, сверхвысоким, плотностям материи и энергии. И заодно к вопросу о начале времени.
«Чтобы говорить о времени, нам нужно, чтобы была некая его процедура измерения. Для того, что было до Большого Взрыва, таковой неизвестно. Начиная с Большого Взрыва, у нас появляются частицы и поля, поэтому, с точки зрения физики, логично говорить, что время, видимо, появилось в момент Большого Взрыва», — объясняет старший научный сотрудник отдела теоретической физики ФИАН Илья Типунин.
Время в параллельных вселенных — не одинаково
Время может еще и «расщепиться» для разных наблюдателей, если они оказываются в областях, которые никак и никогда не могут быть друг с другом связаны. Такие области часто называют параллельными вселенными. Если там, в других вселенных, есть время, то оно никак не связано с нашим, не может быть никак с ним сопоставлено.
«Во Вселенной есть достаточно сильно гравитационно связанные области, типа нашей галактики. Конечно, внутри таких областей мы прекрасно можем пользоваться обычными, общими понятиями времени. Если у нас будет потеряна между какими-то областями Вселенной связь, с помощью света или физических взаимодействий, например, — то мы, соответственно, ничего не сможем сказать и о течении времени там», — Илья Типунин.
Параллельные вселенные могли бы не иметь времени вовсе (там было бы скучно: ничего не происходило) или, скажем, иметь два времени.
Всему приходит конец. И времени — тоже
Более ясные представления есть о том, что же случится в конце концов с окружающей нас Вселенной. Судьба ее, вероятно, — стать почти пустой, когда материя разлетится на атомы и кварки со все возрастающей скоростью. В такой Вселенной будет не просто скучно — там в конце концов исчезнет и время.
«Если обсуждать ситуацию, когда все продолжает экспоненциально расширяться и остались только частицы, которые разлетелись так далеко, что одна на другую повлиять не может, тогда непонятно, зачем вводить время. Что характеризовать, ведь нет изменений. Значимость времени пропадает с упрощением системы», — рассказывает профессор кафедры физики частиц и космологии физфака МГУ Дмитрий Горбунов.
В древности время воспринималось как спокойное и неизменное, одно для всех. Как же все изменилось! Можно, пожалуй, вспомнить фразу одного компьютерно-фантастического персонажа: «Большинство людей полагают, что время — это река, которая всегда течет в одном направлении. Но я видел истинное лицо времени, и могу уверить вас, что они ошибаются. Время — это бушующий океан».
Подготовлено по материалам цикла программ «Время» телеканала «Наука».
Что, если инопланетяне существуют?
