Пространство и время глазами дилетанта

Это как температура воздуха: мы же не анализируем скорость движения молекул воздуха, их столкновение, изменение траекторий; мы ориентируемся на ощущение, порождаемое всем этим движением – ощущение тепла или холода, то есть на виртуальное понятие «температура». И что в том, что этой сущности не существует в реалиях? Использование означенного термина несравненно более удобно, чем анализ движения материальных сущностей – молекул (да и возможен ли вообще такой анализ?).

А если шары на бильярдном столе оставить в покое, то когда и по какой причине они могут начать двигаться, то есть, при каких условиях к ним можно применить формулу «всё меняется»? Ну, пролежали они на столе неделю, месяц, год, – да хоть сто лет! – что может вывести их из состояния покоя? Течение времени? Ну, предположим. А как такое можно представить? Вот течёт себе время, течёт, течёт, и когда-нибудь бац! – шары не выдержали этого течения и начали кататься. Конечно же, такого не будет никогда. И что, шары останутся неподвижными вечно? Нет, оставаться в покое вечно они не будут, но только по той причине, что в нашем реальном мире нет ничего идеального и вечного, и рано или поздно возникнут какие-нибудь силы, нарушающие покой шаров. И это будет, конечно, не сила времени, а нечто совсем другое – пожар, землетрясение, наводнение. А может, ножки бильярдного стола подгниют, и он перекосится, или кому-то потребуется перестроить это здание с бильярдным столом, и он всё передвинет-вынесет-увезёт или продаст куда-то. А может, просто кто-то подойдёт и ударит кием по шарам, – и вот тогда под воздействием возникшей силы (причём, опять же, сила эта возникнет вовсе не от течения времени) шары начнут менять своё положение. Пока не возникнет каких-либо сил, воздействующих на шары, они будут оставаться в покое, и никакое время само по себе не выведет их из этого состояния.

Пример с движением бильярдных шаров это, конечно, один из самых простых примеров взаимодействия сил, изменяющих протекание наблюдаемого процесса. В окружающем нас мире большинство процессов неизмеримо более сложны с точки зрения возникновения и взаимодействия различных сил. Но общим во всех ситуациях является то, что здесь нет места никакому времени, любое изменение чего бы то ни было определяется исключительно воздействием каких-либо сил, а не временем. Природа и характер действия этих сил для нашего сознания в большинстве случаев непонятны, но мы можем наблюдать их результирующее действие, порождающее иллюзию действия времени.

3

И всё-таки нашему сознанию трудно смириться с мыслью, что время само по себе ни на что не воздействует. Это противоречит нашему повседневному опыту, ведь мы постоянно наблюдаем, что если не всё, то очень многое со временем меняется само по себе, без видимого воздействия каких-либо сил. А любые процессы, без подпитки их энергией извне, со временем затухают. Автомобиль при заглохшем моторе останавливается, вентилятор без электричества перестаёт работать, а тележка, если её перестать толкать, очень быстро перестаёт катиться. Всепроникающее время воздействует на всё без всякой пощады.

Зададимся вопросом: что будет, если вагончику, одиноко стоящему на узкоколейке, каким-либо образом сообщить движение? Он, понятное дело, покатится по рельсам, но со временем, конечно, остановится. Что здесь интересного?

Давайте используем любимый приём Эйнштейна, то есть проведём мысленный эксперимент. Представим себе идеально прямую, идеально горизонтальную и бесконечно длинную узкоколейку, на рельсах которой стоит вагончик, который, разумеется, тоже идеальный: его колёса имеют идеальную смазку, полностью исключающую трение осей. Толкнём этот вагончик, и он, получив первоначальное ускорение от толчка, покатится по рельсам равномерно и прямолинейно. Трение в колёсах отсутствует, исключим также и силу сопротивления воздуха. Тогда, согласно первому закону Ньютона, вагончик будет двигаться равномерно и прямолинейно, и никогда не остановится.

Напомним, что первый закон Ньютона гласит, что всякое тело сохраняет состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения, пока сила или влияние со стороны других тел не заставят его поменять это состояние.

Итак, вагончик могут остановить «сила или влияние со стороны других тел». А как же фактор времени? Когда мы говорили про реальный вагончик, то отметили, что он «со временем, конечно, остановится». А почему «со временем»? Какую роль здесь играет время? В законе Ньютона ничего не говорится о времени, оно никак не может быть причиной прекращения движения чего бы то ни было. То есть, в нашем мысленном эксперименте действие времени мы не обнаруживаем, а в реалиях оно как бы есть. В чём же тут дело?

Всё просто: в реалиях, как и в мысленном эксперименте, время тоже никакого воздействия на вагончик не оказывает, просто в реальном мире существуют силы, препятствующие движению. Это, прежде всего, сила трения и не идеальная горизонтальность рельсов. То есть, в реалиях существуют силы, на преодоление которых тратится энергия катящегося вагона. К тому же, могут возникнуть и всякие неожиданные факторы: наш вагончик может просто столкнуться с другим вагоном или докатиться до конца пути. В реалиях обязательно возникают те или иные физические силы, которые «заставляют» вагончик остановиться. Но вот время само по себе никакой силой не обладает и на движение вагончика никак не влияет.

А как же знакомые нам выражения типа: «Всё на свете подвластно времени», «Ничто не может противостоять времени», «Время безжалостно», «Время это такой ураган, который сметает все на своем пути» и т.п.?

Всё дело в том, что эти выражения есть не что иное, как обыкновенные метафоры. Но для нашего сознания они так привычны, что зачастую воспринимаются буквально, то есть, так, будто время само по себе обладает какой-то силой, которой ничто не может противостоять. Да и простой жизненный опыт показывает, что всё вокруг со временем изменяется, рушится, исчезает. Тем не менее, время само по себе ни на что не воздействует, ничего не рушит и не изменяет. А если уж совсем точно, – времени как такового не существует, это обыкновенная иллюзия.

Окружающий нас мир весь состоит из бесчисленного множества самых разных взаимосвязанных процессов, протекающих под воздействием самых разных сил. Именно эти силы и меняют всё вокруг, создавая иллюзию какой-то глобальной силы, незримо пронизывающей все закоулки мироздания и неотвратимо изменяющей всё, что нас окружает. Именно эту глобальную силу мы и называем словом «время». Но при ближайшем рассмотрении любого конкретного изменения, никакого влияния мифического времени мы не обнаружим. Именно этот факт мы наблюдали в примере с вагончиком, находящимся в идеальных условиях. И с бильярдными шарами мы видели ту же ситуацию. Но там всё понятно из-за примитивности протекающих процессов. А вся окружающая нас реальность это сложнейший клубок постоянно сталкивающихся и взаимодействующих между собой сил. Разобраться во всём их бесконечно огромном разнообразии, причинах возникновения и взаимодействия мы не в состоянии.

В большинстве случаев невозможно даже в общих чертах рассмотреть действие всех сил, приводящих к изменению-трансформации-преобразованию-разрушению чего бы то ни было. Но мы можем путём наблюдения за суммарным результатом их взаимодействия устанавливать закономерности наступления тех или иных событий. В частности, нам доступно наблюдение регулярной смены дня и ночи, смены времён года, процесса роста и созревания различных сельхозкультур и т.д. Нам удобно ввести понятие «время» и ориентироваться на конечный результат наблюдаемых изменений, а не разбираться с хитросплетением бесчисленного количества различных сил и порождаемых ими процессов. Время это очень удобная иллюзия для ориентации в событиях окружающего нас мира.

Но дотошный читатель может обратить внимание на то, что в примере с вагончиком мы умышленно рассматривали ситуацию, где применим первый закон Ньютона, в котором нет ничего, связанного с временем. А вот во втором законе Ньютона, который тоже применим к движению, уже есть такой параметр. Формулируется этот закон так: «Ускорение, приобретаемое материальной точкой, прямо пропорционально вызывающей его силе, совпадает с ней по направлению и обратно пропорционально массе материальной точки». А ведь вагончик в нашем мысленном эксперименте начал двигаться под воздействием приложенной к нему силы, то есть, прежде чем начать двигаться равномерно, он какое-то время двигался с ускорением. Есть ускорение, – есть фактор времени, влияющий на приобретаемую вагончиком скорость. Так что же, время в некоторых ситуациях обладает силой?

Нет, это просто игра слов. Запись формулы второго закона Ньютона (основное уравнение динамики) выглядит так: F = ma. Или другая запись: a = F/m.

Эта формула устанавливает взаимосвязь видимого изменения движения материальной точки (или, применительно к нашему варианту, вагончика) с приложенной силой. Ну, или зависимость изменения скорости движения от приложенной силы. Изменения производит сила, но никак не время. А временнОй параметр «ускорение», это, по факту, характеристика изменений, произошедших под воздействием приложенной силы. Время само по себе никаких сил не порождает и никаких изменений не производит.

4

Итак, время это иллюзия, не существующая в реалиях и не оказывающая ни на что никакого влияния. Но как же часто нам не хватает именно этого несуществующего в реалиях ресурса – времени! Всем знакомы крылатые выражения «Время – деньги», «Куй железо, пока горячо», или даже «Время дороже золота». Скажем сразу: это всё метафоры, или образные выражения, используемые в переносном смысле. Даже когда мы используем понятие «время» практически как что-то основное, как своеобразный стержень наших действий, тем не менее, в самих наших действиях понятию «время» практически нет места.

Допустим, мы планируем построить дом. Для этого теми или иными средствами мы рассчитываем, сколько ВРЕМЕНИ нам потребуется на рытьё котлована, сколько ВРЕМЕНИ потребуется для заливки фундамента, сколько ВРЕМЕНИ для возведения стен, сколько ВРЕМЕНИ для установки перекрытий и т.д. Буквально на каждом шагу используем это слово – «время», – но в самих наших действиях по возведению дома никакое время само по себе не участвует и никакого влияния ни на что не оказывает, ничего не преобразует и не порождает. Понятие «время» мы используем только для определения последовательности и согласованности наших действий. Это как разработанный чертёж здания, который сам по себе ни на что не воздействует, но даёт нам информацию о необходимой организации деятельности для достижения результата (постройки дома). С временем практически то же самое. Котлован мы будем вынуждены рыть вовсе не столько-то времени, а до той поры, пока не закончим. Можем начать позже, или по каким-то причинам затянем с этими работами, – течение времени здесь ни на что не повлияет. Если оказалось, что котлован не готов к запланированной дате, то это могло произойти из-за самых разных объективных или субъективных причин, но только не из-за действия непосредственно самого времени. А пока не будет готов котлован, не может начаться другой процесс – закладка фундамента. То есть, закладка фундамента начнётся не тогда, когда «время подошло», а когда котлован будет готов. А стены будем возводить только тогда, когда будет готов фундамент. Начало-завершение-прерывание любого процесса определяется началом-завершением-прерыванием других процессов, составляющих в совокупности некую единую взаимосвязанную структуру. Но время само по себе ни на что не влияет.

Да, мы в процессе строительства можем оказаться в ситуации, когда «ВРЕМЯ поджимает», или когда не удаётся «уложиться в рамки отведённого ВРЕМЕНИ». Выражение «время» постоянно используется при подготовке и осуществлении задуманных действий. Но ведь все выражения с использованием этого слова по своему смыслу указывают на состояние дел (на согласованность этапов взаимосвязанных процессов), но никак не на действие некой субстанции, именуемой нами словом «время». Буквально во всём нам важны только согласованность и нормальное протекание процессов, а время как что-то самостоятельно существующее здесь нигде не присутствует и само по себе ни на что не влияет.

Когда вы едете на автомобиле, чтобы попасть в нужный пункт назначения к такому-то времени, то и здесь время само по себе ни на что не влияет, всё определяется исключительно имеющимися обстоятельствами. Вы в процессе езды притормаживаете не тогда, когда «время настало» тормозить, а когда обстоятельства вынуждают (например, попадаете в пробку, или когда встречается «лежачий полицейский»). Вы поворачиваете, опять же, не тогда, когда «время настало» повернуть, а когда доехали до нужного поворота. И даже когда приезжаете в пункт назначения к «такому-то времени», то и здесь время никакой роли не играет, это просто словесный оборот. Вы приезжаете к началу определённого процесса – к отправлению поезда, к началу деловой встречи, к началу рабочего дня и т.д. То есть, ваши действия направлены на то, чтобы «вписаться» в структуру определённых процессов. А время это лишь один из ориентиров на пути к достижению желаемого результата. И даже когда вы перед началом поездки оцениваете её длительность, то есть, думаете, вроде бы, непосредственно о времени, вы, тем не менее, думаете не о времени как таковом, а об условиях поездки, которые могут повлиять на эту самую длительность. Например, оценив обстановку, в которой будет протекать этот процесс (поездка), и, учтя возможность попасть в пробку, вы можете выехать намного раньше, чем необходимо. Но на это ваше решение повлияло не время, а существующие условия поездки. Время и здесь само по себе никакой силой не обладает и само по себе ни на что не влияет.

А давайте проанализируем смысловое значение слова «успевать». Мы это слово употребляем, когда нам надо «вписаться» в определённые обстоятельства. То есть успеть на поезд-автобус-самолёт, или, например, успеть сделать такую-то работу к назначенному сроку. Можно привести много примеров, где используется это слово, но везде оно обозначает необходимость «встроить» процесс своих действий в сложившуюся к настоящему моменту структуру процессов.

Хорошо, а представим себе, что обстоятельства не вынуждают нас делать что-то к определённому сроку. Допустим, что нужный нам автобус не уедет без нас, а будет дожидаться, когда мы соизволим явиться к нему, усесться в кресло и разрешить поездку. Или представим, что работу надо сделать не к такому-то сроку, а просто тогда, когда мы её закончим. И так во всём. Что тогда? Тогда слово «успевать» сделается совершенно лишним, ненужным, да и просто бессмысленным.

Всё это понятно. Но ведь и слово «время» имеет смысл только в том случае, когда у нас есть необходимость «встраиваться» в определённые процессы, то есть, как бы успевать сделать что-то к началу определённого процесса (процессов). Даже когда мы делаем что-то не срочное, например, покупаем продукты в магазине, то всё равно эти действия направлены, в конечном итоге, на то, чтобы быть «встроенным» в определённые жизненные процессы. Слишком долго затягивать с покупкой продуктов нельзя, иначе потом проблемы возникнут.

Если бы не было необходимости «встраиваться» в происходящие процессы, то и понятие «время» потеряло бы всякий смысл. В реальной жизни у нас нет возможности ощутить это состояние в полной мере, мы можем попадать в такие обстоятельства лишь кратковременно. Например, когда бесцельно гуляем по парку, не ограничивая себя конкретной длительностью этого процесса. Но, понятное дело, слишком длительным процесс прогулки быть не может: другие процессы рано или поздно вмешаются и вынудят нас завершить это занятие. И снова обратим внимание, что само по себе время здесь ни на что не влияет, да и не может влиять. Влияют на всё те или иные силы, порождающие определённые процессы. Если дать волю фантазии и попытаться представить себе, что никакие процессы ни в чём нас не ограничивают, то понятие «время» становится просто бессмысленным.

Тогда почему же мы не можем обойтись без этого понятия, обозначающего загадочное нечто, ни на что не влияющее?

Да, время само по себе действительно ни на что не влияет. Но оно является для нас информацией о состоянии окружающих нас процессов (иногда разделённых большими расстояниями), их взаимосвязи и, как следствие, даёт возможность формирования в нашем сознании представления о состоянии текущей ситуации и определении необходимых действий. Точно так же, например, флюгер, сам по себе никак не влияющий на ветер, служит нам для получения информации о ветре и понимания состояния атмосферных явлений. И теодолит никак не влияет на горизонтальные и вертикальных углы, но посредством его мы получаем информацию о них. Кстати, понятие «угол» тоже нематериально, он ни в каком виде не существует как самостоятельная субстанция, но ведь обойтись без этого понятия никак нельзя. (Вообще-то, вся математика состоит исключительно из несуществующих в реалиях понятий, но можно ли без них обойтись?)

Как это ни банально, но следует признать, что само по себе время ничего не преобразует, не изменяет и не порождает каких-либо сил. Это, по сути, информация, позволяющая нам ориентироваться в процессах окружающего нас мира и совершать осознанные действия.

5

Давайте дадим такое определение времени:

Время это восприятие нашим сознанием информации о взаимном состоянии и взаимосвязи наблюдаемого процесса с другими процессами.

На первый взгляд правомерность такого определения может вызвать сомнения, ведь в большинстве случаев мы не думаем о какой-то там взаимосвязи чего-то с чем-то, а просто как бы ощущаем течение некой непонятной субстанции, вызывающей изменение всего наблюдаемого нами мира. Тем не менее, именно взаимосвязь наблюдаемых нами процессов порождает в нашем сознании ощущение чего-то реально существующего, называемого словом «время».

Допустим, мы конструируем двигатель внутреннего сгорания. Мы знаем, что в тот момент, когда поршень находится в верхней части цилиндра, должна воспламениться горючая смесь. А другие поршни двигателя в этот же момент должны находиться в других, но тоже строго определённых положениях. Да, мы сейчас использовали «временнОй» термин («момент»), но по смыслу-то мы сейчас говорили вовсе не о времени, а о необходимой согласованности разных этапов взаимосвязанных процессов (взаимном положении поршней и воспламенении горючей смеси). А само по себе время здесь ничего не движет, не преобразовывает и не порождает никаких сил. Здесь время это просто информация о рассматриваемых процессах, но никак не причина их порождения и протекания.

Извините за тавтологию, но время даёт нам понятие одновременности. То есть, если что-то где-то располагается вот так, то при этом его положении нечто другое, находящееся в другом месте, будет располагаться вот этак. Правда, при конструировании двигателя и без всякого времени можно наблюдать, где, что и как расположено, потому что всё сосредоточено в одном месте. Но вот когда процессы разнесены в пространстве, то для определения одновременности без понятия «время» никак не обойтись.

С проблемой определения одновременности человечество остро столкнулось много веков назад, когда мореплавателям требовалось знать долготу для определения своего местоположения. Морякам необходимо было сравнить время в той точке, где они в данный момент пребывают, с временем в другой точке, координаты которой известны, и тогда можно легко вычислить, насколько западнее или восточнее этой точки они находятся. Проблема была решена, когда часовщик Джон Харрисон сумел сконструировать очень точный хронометр, который моряки брали с собой. Хронометр был настроен на время по Гринвичу, и моряки, зная какое время в данный момент на Гринвичском меридиане, и своё местное время, могли определить долготу, на которой они в данный момент находятся.

Аналогичная проблемы была у железнодорожников. Особенно критично это было, когда поезда шли по одной железнодорожной ветке попеременно в одну и другую сторону. Случались аварии, когда предполагалось, что встречный поезд в данный момент стоит где-то на разъезде, хотя он находился на том же пути.

Точно так же проблемой определения одновременности являлось отсутствие часовых поясов. Когда-то даже в пределах одной страны разные административные единицы могли иметь своё, местное время. Это, естественно, вносило путаницу в общий ритм жизни.

Заметим, что при всех этих проблемах, связанных, вроде бы, непосредственно с временем, само по себе время не играет никакой роли. Роль играет лишь способ обмена информацией о происходящих в разных местах процессах. Время это один из способов получения информации о событиях и процессах, происходящих на расстоянии и, вследствие этого, недоступных для непосредственного наблюдения.

«А в тюрьме сейчас макароны дают», – сказал персонаж фильма «Джентльмены удачи», хотя находился за многие километры от того места, о котором говорил и, естественно, не мог непосредственно наблюдать происходящих там процессов. Но ему известно понятие «время», и пользуясь им, он легко определил стадию того процесса, которого не видел.

Возвращаясь к примеру с конструированием двигателя, отметим, что помимо понятия «время», мы используем множество других нематериальных понятий – «диаметр» (поршня или цилиндра), «масса», «длина» (например, шатуна или цилиндра), «размер» и т.д. Использование понятий, не являющихся чем-то материальным, это для нас что-то обычное, даже не замечаемое сознанием. А главное – эти понятия вовсе не вызывают неясностей. С понятием «время» всё по-другому, всяких неясностей здесь больше, чем достаточно. Но при ближайшем рассмотрении, выясняется, что большинство неясностей надуманные, и их причиной является банальное нежелание разобраться с ними, потому что много здесь не интересного и не интригующего. Очень похоже, что у нас в сознании просто кроется тайная потребность постоянно искать что-то загадочное в этом понятии. Ну, а как же – от одного только предположения о возможности путешествия во времени дух захватывает! А если чуть-чуть пофантазировать и предположить, что существует возможность каким-то образом управлять временем, то это, по сути, означает, что есть неизвестный пока способ оставаться вечно молодым, здоровым и красивым. Ну как можно отказаться от таких сладких мыслей и начать пытаться зачем-то осознать такую будничную и обыденную реальность?

6

Все используемые нами для расчётов нематериальные понятия – угол, диаметр, масса и т.д. – имеют единицу измерения. Время тоже имеет свою единицу измерения, но здесь есть один очень важный нюанс, который надо обязательно учитывать, и мы поговорим о нём ниже. А сейчас пока в общих чертах рассмотрим, как мы вообще ориентируемся во времени.

Издревле люди пользовались природными циклами – годами и сутками. Из литературы нам всем хорошо известны выражения «Отряд выступил в поход на рассвете», «Давайте встретимся там на закате», «Приходи, как стемнеет, к старому дубу», «Мы выезжаем завтра в полдень» и т.д.

Но все эти «в полдень», «на закате», «на рассвете» слишком неточны, сама жизнь требует точного «разбиения» суток на некие мелкие «кусочки», указывающие более конкретные этапы этого природного цикла. Другими словами, нам требуется устройство, в котором организован равномерно протекающий процесс с соответствующей разметкой для оценки этапов его протекания. Таким устройством являются, конечно, часы.

А как сделать часы? Что принять за эталон равномерно протекающего изменения, вернее, какие факторы могут гарантировать равномерность? Если в качестве равномерного изменения рассмотреть равномерное перемещение (это ведь тоже изменение) чего-либо, то тут всё ясно: если все силы, действующие на движущееся тело, уравновешивают друг друга, и при этом данное тело движется, а не покоится, то такое движение является равномерным. В принципе, это вполне объективная оценка равномерности движения. Но равномерно-прямолинейное движение крайне неудобно использовать в качестве эталонного изменения (долго ли может хоть что-то двигаться прямолинейно?), в качестве эталона изменений удобнее всего использовать циклические изменения. Проще говоря, удобно использовать циклические колебания. Но что может служить «гарантом» равномерности колебаний? Напрашивается мысль, что здесь, как и при равномерно-прямолинейном движении, что-то должно уравновешивать друг друга. Ну, или в более общей формулировке, такие колебания должны определяться какими-то стабильными факторами.

Давайте рассмотрим колебания маятника, то есть, движение какого-то грузика, подвешенного на нити. Предположим, что всё идеально, то есть, нет никакого трения и сопротивления воздуха. Тогда колебания будут иметь постоянную амплитуду и период. А какие факторы гарантируют нам это? Есть ли здесь аналогия с равномерным прямолинейным движением, где «гарантом» равномерности является равновесие действующих на движущее тело сил? Да, такая аналогия есть, только со своими особенностями.

В момент, когда грузик маятника находится в крайней боковой точке, он обладает максимальной потенциальной энергией. Затем, как и положено, под действием гравитации он начинает падать вниз, но нить искривляет траекторию его движения, то есть, на грузик действуют несколько сил, причём, их величина и направление меняются. Долетел грузик до самой нижней точки, – и под действием разных (по величине и направлению) сил начал подниматься вверх, растрачивая накопленную кинетическую энергию. Где же здесь постоянство?

Дело в том, что силы, действующие на грузик, хоть и не уравновешены в каждый отдельно взятый момент, но под их воздействием кинетическая энергия грузика перетекает в такую же по величине потенциальную энергию и наоборот. То есть, силы, воздействующие на грузик, «консервируются» в энергии грузика, а затем снова «возрождаются» в прежнем виде. И так при каждом колебании. Здесь существует своеобразное динамическое равновесие сил. В этом сходство колебательного процесса с равномерно-прямолинейным движением тела. Только при равномерном движении действующие силы компенсируют друг друга статически, а при колебательном процессе динамически (с некоторой «отсрочкой»). Из курса физики мы знаем, что полная механическая энергия маятника (сумма кинетической и потенциальной энергий) в любой точке траектории его движения постоянна. А это и есть гарантия равномерности циклических колебаний.

Итак, если маятник находится в состоянии свободных колебаний, то мы смело можем считать его своеобразным генератором колебаний постоянной частоты. Это постоянство частоты (то есть, динамического понятия) обусловлено постоянством чисто физических воздействий, – постоянством силы притяжения Земли и постоянством длины нити маятника.