понедельник, 8 августа 2011 г.

О том, как понимается "время" сегодня и почему именно так

Общие слова


Неспешно читаю книгу From eternity to here. Книга о том, что такое время в современном понимании и почему оно (время) обладает такими свойствами, что мы наблюдаем/ощущаем. Дабы структурировать полученные знания и уложить всё "по полочкам", я буду делать краткие выжимки о прочитанном, может и ещё кого-нибудь сподвигну на чтение, книга в высшей степени интересная. Сегодня - вводная часть.

Слово time является наиболее употребительным в английском языке.   Мы играем со временем на перегонки, чувствуем как оно быстро или медленно идет. А теперь зададимся вопросом, а что же такое "время"? Какое определение ему можно дать? Казалось бы, время - это то, с чем мы имеем дело каждый день. Но уверен, что выразить мысль в словах будет непросто. А все потому, что определение многогранно и охватывает разные аспекты бытия.

Главное свойство времени - направленность. Оно всегда направлено из прошлого в будущее. "Стрела времени" имеет такое направление потому что вселенная развивается в определённом направлении - это основная мысль, которая будет доказываться в дальнейшем.

Время направленно ВСЕГДА в одном направлении потому что наш мир полон необратимых процессов. Т.е. заранее предопределённой последовательности событий. К примеру у нас есть куринное яйцо. Из него мы можем сделать омлет (или сварить его), но никогда и ни у кого не получится сделать из омлета изначальный продукт - это и есть необратимый процесс. Конечно, у нас есть некоторая свобода: будем мы делать омлет, варить или дождёмся пока оно стухнет, но это лишь расширяет варианты развития событий, последовательность которых всегда остаются неизменными.

Почему же существуют такие необратимые процессы? Наверное, многие слышали о таком определении, как энтропия. Одно из определений энтропии - это мера разупорядоченности (хаоса); чем выше её значение, тем больше объект теряет свою структуру, теряет себя. Например, энтропия бумаги, лежащей в ровной стопке на столе минимальна, тогда как раскиданная по всему столу бумага будет обладать большим значением энтропии -). В других постах я остановлюсь на этом понятии подробнее, ибо как будет показано ниже - это один из важнейших принципов, определяющих то, что мы называем временем. Энтропия имеет свойство возрастать (согласно второму закону термодинамики).

Т.о. мы можем сказать, что движение из прошлого в будущее обусловлено возрастанием энтропии и всё закончится ("конец времён") когда энтропия всего универсума будет максимальна. Отсюда можно сделать вывод, что был такой момент, когда энтропия была минимальна. И этот момент называют Большим Взрывом (Big Bang). Именно с момента Большого Взрыва и начинается  наша вселенная (универсум) и время, как неотделимое её свойство.

Время можно рассматривать в 3-х аспектах:
  • Время, как маркер событий наравне с пространственными координатами
  • Время, как измерение промежутков между событиями
  • Время, как субъективное ощущение человека
Время, как маркер событий

Все мы знаем, что наше пространство трёхмерно, т.е. существует 3 пространственные координаты, которыми можно описать местоположение любого объекта или системы объектов. Однако мы живём в динамическом, изменяющемся мире и при использовании только 3-х пространственных координат мы не можем описать событие в полной мере. В этом нам помогает время, которое является 4-ой координатой пространства-времени или - более понятно - маркирует событие в пространстве. Аналогом времени может служить кадр фильма.

В этом смысле наша вселенная представляет собой фильм, где мы имеем пространственные координаты (эту роль выполняет сюжет, запечатлённый в кадре) и временную (сам кадр). Фильм движется из прошлого (начало фильма) в будущее (финал). И подобно фильму в кинотеатре мы не в силах смотреть фильм от конца к началу или с произвольного места. Кстати, из этой аналогии следует ещё одно интересное свойство времени - оно делает последовательность событий имеющими смысл (важно не только наличие кадров, но и их порядок!). Согласитесь, что никто не будет смотреть кино состоящее из разрозненного набора кадров, никак не связанных друг с другом.

Аналогично и в реальном мире время является маркером события в пространстве, формируя вместе с 3-мя измерениями континуум пространства-времени. А так же делает осмысленным наше существование -).

Время, как измерение промежутков между событиями

Другой аспект времени (с которым знакомы абсолютно все) - это способность времени измерять промежутки между событиями. Когда мы говорим, что телеперадача длится 1 час - это значит, что от события А (начальные титры) и до события Б (финальные титры) прошёл промежуток 1 час. Но что такое "1 час"? Ранее я говорил, что мир полон необратимых процессов, но есть и ещё одна классификация - повторяющиеся. Земля делает один оборот вокруг Солнца за 365,26 оборотов вокруг оси. Округлив для удобства значения, мы получаем 1 год и 1 сутки. Если говорить о том, что в сутках 24 часа (а не 16 или 100), то этому мы, по видимому обязаны системе счисления древних шумеров, ибо деление суток на 24 равных промежутка (часа) в которые входит 60 других промежутков (секунд) - это выбор человека, не подкреплённый какими-либо внешними причинами.

Как измерять время не в сутках, а в часах человечество научилось давно. Первыми скорее всего были солнечные часы. Принцип был основан на отслеживании равномерного и повторяющегося перемещения Солнца по небосводу. Сейчас мы используем кварцевые часы, в которых используется свойство кварцевого кристалла сжиматься и разжиматься под воздействием электрического тока. Кристалл вибрирует 2831155200 раз, пока Земля делает оборот вокруг оси (это 32768 вибраций в секунду).

Таким образом ключевая концепция измерения времени в синхронных повторениях - разнообразные процессы повторяются снова и снова. Число повторений одного процесса всегда согласуется с числом повторений другого. В этом ключ. Поэтому, когда мы говорим, что что то является хорошими часами, имеется в виду, что какой то процесс повторяется предсказуемым образом относительно другого процесса.

Поняв это, мы уже сможем ответить на вопрос: "что будет, если в универсуме замедлится время"? Ответ: "это некорректный вопрос". Замедлится относительно чего? Если время - это то, что измеряют часы и все они замедлятся, то не будет абсолютно никакого эффекта.

Будучи людьми, мы "ощущаем" как проходит время. Всё потому, что с нашим телом связано много периодических процессов: дыхание, сердцебиение, электрические импульсы. Мы очень сложная система взаимосвязанных часов -). Наши внутренние ритмы не такие точные, как гармонические колебания и могут подвергаться воздействию внешних факторов (эмоциональное состояние, стрессы и т.д.) и приводить к ощущению, что время "замедляется" или "ускоряется". Но самые точные часы нашего организма (вибрирующие молекулы, химические реакции) не происходят быстрее или медленнее.

Теперь зададимся вопросом: что будет если какая то часть часов рассинхронизируется (замедляться, ускоряться)? Если это будет единичный экземпляр, то такие "часы" следует перестать считать часами. Другой вопрос если подобное случиться с группой объектов. В том случае, если группа объектов рассинхронизируется с остальными - это будет означать, что все процессы (начиная от квантовых свойств элементарных частиц) также изменились. НО! мы будем иметь дело с изменением физических параметров микромира, но не с концепцией времени как таковой.

По этой причине более корректно говорить о возможность "ускорять время", когда все процессы происходят быстрее внутри человека. Поэтому то, что раньше проходило за секунду или доли секунды и просто не замечалось может стать "осязаемым". В отличии от "остановки времени" вокруг. Ибо в противном случае ни свет, ни воздух не достигали бы героя.

Тут следует сказать о ещё одном свойстве - "относительности" времени. До Энштейна считалось, что время - абсолютно во всей вселенной, в каждой точке. Однако, после разработки специальной теории относительности стало ясно, что это не так и два важнейших аспекта времени (маркировка событий и измерение промежутков между событиями) не эквивалентны и более того - не сравнимы.

Более подробно - поискать про парадокс близнецов. Но основная идея состоит в том, что невозможно создать универсальное время во всей вселенной по причине невозможности синхронизировать все часы из-за физических ограничений (для движущегося объекта время будет замедляться относительно "неподвижного"), влияние гравитационных сил.

Время, как субъективное ощущение человека


Третий аспект - субъективное ощущение времени. Наверное, каждый чувствовал, как иногда томительно ожидание и, кажется, что время "тянется". Или наоборот "пролетает" незаметно. Часто, люди, описывая, что для них является время, делают сравнение с потоком. Он может проходить через нас, или мы, можем плыть как по реке, где то ускоряясь, где то замедляясь.

Т.е. время - это некоторый объект и он может изменяться: двигаться относительно нас. Но определение времени, как некой субстанции, обладающей собственной динамикой и, возможно, способностью к изменению в зависимости от условий - очень важный вопрос.

Вернёмся к аналогии с рекой. Река течёт, в этом нет никаких сомнений. Это также означает, что каждая капля воды в реке изменяется с течением времени - вот она сейчас, а вот немного позже. И мы можем рассуждать о мере движения воды - скорости или, другими словами, расстояние, которое проходит вода за определённый промежуток времени. Скорость, как мы понимаем, измеряется в км (метрах, сантиметрах) в час (минуту, секунду). Скорость может изменяться от места к месту: где то быстрее, где то медленнее. Всё понятно и всё логично.

Но когда мы примеряем глагол "текёт" ко времени, мы упираемся в противоречие. Течь для реки - это изменение с течением -)) времени. Но что это будет значить, если мы скажем, что "время изменяется с течением времени", ведь у времени нет местоположения, относительно чего бы можно было произвести измерение?

Итог рассуждений таков: не вполне корректно думать о времени, как о некоем "потоке" который движется относительно нас (или мы движемся относительно него). Это метафора не более. Тогда как же "правильно" представить, что такое время?

Взгляд из ниоткуда


Для этого совершим мысленный эксперимент и "выйдем" за пределы нашего универсума. Как это представить? Необходимо думать о вселенной как о четырёхмерном пространстве-времени. Унивёрсум - это не просто набор объектов распределённый в пространстве. Это всё, что существует (включая и пространство, и время). Конечно, в реальности мы не можем узнать, как выглядит наша вселенная "со стороны", но мы можем это представить, основываясь на имеющихся данных. Взглянуть из "места", отделённого от любого события во времени.

Что же мы увидим (или не увидим)? Во-первых, мы не увидим никаких изменений (т.к. мы за пределами времени). В то же время, мы увидим все события (историю) одновременно: прошлое, настоящее, будущее. Будем представлять пространство-время, как о книгу, которую мы можем, в принципе открыть на любой странице. В том числе прочитать то, что было "до нас" (в отличии от фильма, где задана последовательность событий (кадры) и мы не можем произвольно вернуться в начало, чтобы узнать, что же мы пропустили). Очень хорошо о подобном "видении" написано в романе Курта Воннегута "Бойня номер 5...".

В литературе по философии есть такое понятие: "блок времени" (block time). Из которой проистекает видение универсума, как набора "блок-универсума", где пространство и время являются единым элементом. Для наших целей очень важно, что мы можем рассуждать о времени в этом ключе. И вместо того, чтобы представлять время, как некую субстанцию, которая изменяет своё положение относительно нас (или мы относительно неё), мы можем думать об упорядоченной последовательности взаимосвязанных событий, которые вместе и формируют вселенную. Врем в этом случае - это то, что мы реконструируем из взаимосвязей в этих событиях. "Этот кубик льда растворился в течение 10 минут" будет эквивалентно "часы отсчитали 10 минут с момента погружения льда в стакан с водой".

Это не "не правильно" думать о времени "как о потоке". Но так будет полезно, когда мы будем задаваться вопросами, почему время и универсум такие, какие есть, чтобы выйти за "грани" и посмотреть на картину "целиком" из ниоткуда.

Но, конечно, есть разные мнения. Понимание того, что "полезно", а что "реально" - это большая тема для дебатов. Один из влиятельных мыслителей о природе времени - святой Августин, возможно, наиболее известен как Отец Церкви и разработчик догмата о "первородном грехе", так же задумывался и о вопросах времени. Он был сторонником теории "презентизма" (presentism), которая утверждала, что реально только настоящее. Есть реальная точка (настоящее) которая течёт из прошлого в будущее. В противовес ей существует теория этернализма, которая основана на принятой в физике методике описывать время как одно из 4-х измерений: измерение времени всего лишь одно из похожих по свойствам четырёх физических измерений, что будущие события "уже существуют" и что "течение" времени не существует.

На подобные философские споры (что реально) физик ответит: "Да какая разница!". Физикам не важно, что является правильным с философской точки зрения, им важно как функционирует реальный мир и как это можно описать и согласовать с эмпирическими данными.

Таким образом, наша задача (как и у учёных) - сформировать такую модель реальности, которая  будет органично включать в себя все эти определения времени: время, как маркер событий, время как измерение промежутков между событиями и субъективное ощущение течения (движения) времени у человека. Первые 2 на самом деле очень хорошо понимаются в терминах теории относительности (как будет показано позднее). А вот 3-е имеет таинственный покров. Причина, по которой я призывал использовать понятие "быть вне времени", чтобы созерцать всю вселенную, как единое целое, заключается в том, что мы должны различать понятие времени само по себе от восприятия времени, как опыта настоящего момента. Наша задача - примирить эти 2-е точки зрения.
Отправить комментарий