Контрольная работа: Пространство и время. Принципы относительности. Необратимость времени
Для измерения пространственных и временных величин пользуются системами отсчёта.
По мере углубления знаний о материи и движении углубляются и изменяются научные представления о П. и в. Поэтому понять физический смысл и значение вновь открываемых закономерностей П. и в. можно только путём установления их связей с общими закономерностями взаимодействия и движения материи.
Понятия П. и в. являются необходимой составной частью картины мира в целом, поэтому входят в предмет философии. Учение о П. и в. углубляется и развивается вместе с развитием естествознания и прежде всего физики. Из остальных наук о природе значительную роль в прогрессе учения о П. и в. сыграла астрономия и в особенности космология.
Развитие физики, геометрии и астрономии в 20 в. подтвердило правильность положений диалектического материализма о П. и в. В свою очередь диалектико-материалистическая концепция П. и в. позволяет дать правильную интерпретацию современной физической теории П. и в., вскрыть неудовлетворительность как субъективистского ее понимания, так и попыток «развить» её, отрывая П. и в. от материи.
Пространственно-временные отношения подчиняются не только общим закономерностям, но и специфическим, характерным для объектов того или иного класса, поскольку эти отношения определяются структурой материального объекта и его внутренними взаимодействиями. Поэтому такие характеристики, как размеры объекта и его форма, время жизни, ритмы процессов, типы симметрии, являются существенными параметрами объекта данного типа, зависящими также от условий, в которых он существует. Особенно специфичны пространственные и временные отношения в таких сложных развивающихся объектах, как организм или общество. В этом смысле можно говорить об индивидуальных П. и в. таких объектов (например, о биологическом или социальном времени).
2. Необратимость времени, как проявление асимметрии
Наибольший интерес исследователей в последние три десятилетия привлекает проблема направленности и необратимости (однонаправленности) времени, поскольку именно это свойство качественно отличает время от пространственных координат.
Необходимость исследования оснований однонаправленности времени следует из того, что все локальные (микроскопические) физические законы, известные на данный момент, симметричны по отношению к обращению времени. Однако на макроскопическом уровне наблюдается явная временная асимметрия всех явлений. Здесь необходимо заметить, что "жесткая" связь между существованием необратимых процессов и необратимостью времени не вполне корректна. Современная теоретическая физика, основанная на симметричных по времени уравнениях, дает множество модельных процессов, необратимое поведение которых сохраняется и при обращении времени. Так стационарная генерация второй гармоники волны, распространяющейся в среде с квадратичной нелинейностью, независимо от направления времени идет в сторону полного преобразования первой гармоники во вторую. Обратный же процесс распада второй гармоники не идет ни при каком направлении времени. Поскольку единственной причиной подобного поведения является нелинейность системы, можно было бы считать, что нелинейность возникает за счет необратимости времени, однако для возникновения нелинейности существует множество значительно менее экзотических причин, и приходится признать, что по крайней мере некоторые процессы могут быть необратимыми "сами по себе". Указанное обстоятельство не устраняет необходимости анализа оснований однонаправленности времени, поскольку необратимое поведение наблюдается и у систем, поведение которых достаточно хорошо описывается линейными уравнениями, и в этом случае о необратимости самих систем говорить не приходится. В современной литературе рассматриваются два возможных основания необратимости времени: номологическое и фактическое. В первом из них для обоснования однонаправленности времени считается необходимым физическое отличие его противоположных направлений. Причем это физическое отличие должно проявляться в асимметрии физических законов по отношению к обращению времени. Во втором из них однонаправленность наблюдаемых явлений (и, следовательно, однонаправленность времени) является следствием фактических условий протекания процессов. Физические законы в этом случае симметричны относительно обращения времени.
Позиция сторонников фактического основания необратимости времени достаточно полно сформулирована в /5/ следующим образом: "Из того, что законы физики не запрещают процессов, обратных данным, очевидно, логически не следует, что процессы эти фактически протекают. Последнее, видимо, зависит от определенных господствующих в мире или его части условий протекания процессов... Следовательно, время (номологически обратимое) является фактически обратимым тогда, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых все процессы являются фактически обратимыми... Напротив, время (номологически обратимое) является фактически необратимым, когда существуют такие начальные или предельные условия в мире, при которых по меньшей мере некоторые процессы, то есть процессы определенного типа, являются необратимыми". Таким образом, при этом подходе вместо требования асимметрии физических законов появляется требование несимметричности начальных и граничных условий. Основная же трудность этого подхода заключается в необходимости объяснить, почему эти условия асимметричны для всех известных нам классов необратимых процессов. Весьма вероятно, что поиск источника несимметричности фактических условий протекания всех классов необратимых процессов в конечном счете сведется к существованию некоторых несимметричных по времени физических законов, которые обуславливают асимметрию фактических условий протекания процессов и физическое отличие противоположных направлений времени, то есть к номологическому обоснованию направления времени. Любая же попытка номологического обоснования однонаправленности времени должна в первую очередь отталкиваться от критического анализа понятия времени в философии и физике. В зависимости от принятой концепции, постановка вопроса о необратимости времени должна приобретать специфические черты, отражающие специфику выбранной модели времени. Очевидно, что возможные решения проблемы однонаправленности времени также должны отражать специфические черты принятой концепции. Поскольку в современной литературе отсутствует анализ специфических черт проявления однонаправленности времени в различных его концепциях, попытаемся сформулировать постановку проблемы необратимости времени и возможные ее решения, возникающие в рамках субстанциальной и реляционной концепций. В рамках реляционной концепции, утверждающей, что время – система отношений между физическими событиями, постановка вопроса о необратимости самого времени является бессмысленной. Понятие необратимости времени в этой концепции связывается с существованием в окружающем мире необратимых изменений.
Hаправление времени определяется направлением протекания необратимых процессов. Основной трудностью этого определения направления времени является то, что существует по крайней мере три класса необратимых процессов: электромагнитные, термодинамические и космологические, а в работе Р. Пенроуза /6/ рассмотрены семь несводимых на данном этапе друг к другу "стрел времени". Результатом связи направления времени с каким-либо одним типом необратимых процессов являются многочисленные утверждения о возможном обращении времени. Однако, в силу отсутствия известной нам связи между классами необратимых процессов, из обращения одного из них не следует обращение остальных и, следовательно, обращение времени. Единственным путем преодоления указанной трудности является поиск связей между различными классами необратимых процессов и, в конечном счете - некоторого материального фактора (назовем его, к примеру тау-поле), который, принимая участие во всех или по крайней мере в некоторых необратимых явлениях, обуславливал бы их необратимость. Поведение же самого тау-поля, очевидно, должно описываться асимметричными по времени уравнениями. Из всего вышесказанного отнюдь не следует, что тау-поле обязательно должно являться какой-то новой формой материи. Вполне возможно, что роль тау-поля может играть какое-либо из уже известных полей, при условии, что именно это поле обуславливает необратимость наблюдаемых явлений.
В рамках субстанциальной концепции постановка вопроса о необратимости самого времени становится вполне корректной. Поэтому в рамках этой концепции принципиально возможны два пути обоснования однонаправленности времени. Первый путь аналогичен решению этого вопроса в реляционной концепции и не затрагивает определения времени. Второй же путь заключается в развитии субстанциальной концепции. Не затрагивая основы концепции, считающей время особого рода субстанцией, определяющей длительность всех явлений и упорядочивающей события, можно дополнить определение времени, постулируя наличие у него других свойств, проявление которых заключается в том, что время, "само по себе" необратимое, обуславливает необратимость всех или по крайней мере некоторых наблюдаемых явлений. То есть процессы происходят не только во времени, но и с участием времени /7/. Предположение о наличии у времени физических свойств, помимо длительности и упорядоченности, в рамках субстанциальной концепции является вполне естественным, хотя и несколько непривычным. Однако никто уже не считает странным, что, например, элементарные частицы могут обладать массой, зарядом, спином, магнитным моментом и т.д., являясь в то же время вполне определенными объектами.
Таким образом, существует два пути обоснования однонаправленности времени. Первый - поиск материального фактора, обуславливающего необратимость по крайней мере некоторых классов необратимых процессов; второй - предположение о том, что необратимость - это свойство самого времени и что само время обуславливает необратимость по крайней мере некоторых классов процессов. Рассмотренная специфика проявления однонаправленности времени не накладывает никаких ограничений на то, каким образом формируется необратимое поведение реальных систем. Однако ввиду объективности времени должны существовать некоторые, общие для всех концепций, основания его необратимости. Анализ этих оснований позволяет установить, что может быть источником необратимости процессов.
К общим основаниям необратимости времени следует, видимо, отнести асимметрию причинно-следственных (ПС) отношений, поскольку именно эта асимметрия в явном или неявном виде используется как независимый постулат в качестве критерия правильного временного порядка. Именно на основании принципа причинности, например, отбрасываются решения волновых уравнений в виде опережающих потенциалов. Однако, несмотря на то, что в философских исследованиях, за редкими исключениями, асимметрию ПС отношений однозначно связывают с направленностью и необратимостью времени, в существующих физических теориях ПС отношения симметричны, что и выражается симметрией локальных физических законов относительно обращения времени. Сам же принцип причинности используется только для упорядочивания во времени причинно связанных событий.
Тождественность причинного порядка явлений временному порядку стимулировала попытки свести временной порядок к причинному (так называемая "причинная теория времени" /2/). Неудача этих попыток, достаточно полно обоснованная в /8,9/, вполне понятна. Действительно, во-первых, в субстанциальной концепции времени временной порядок является первичным и вводится в качестве независимого постулата. Любая попытка свести временной порядок к причинному в рамках этой концепции должна в первую очередь основываться на ее модификации. В рамках реляционной концепции для установления временного порядка достаточно не существование, а принципиальная возможность причинной связи, то есть временной порядок опять-таки первичен. Во-вторых, если принимать современную трактовку принципа причинности в физике /10/, содержащую два утверждения: 1) материальное воздействие причины на следствие; 2) предшествование причины следствию, то становится очевидным, что для определения причинного порядка необходимо существование временного порядка, поскольку ничем другим, как порядком во времени, причина и следствие в этой трактовке принципа причинности не отличаются. Таким образом, о причинной теории времени можно было бы говорить, если определить количественное и качественное отличие причины от следствия, не зависящее от их временного порядка, и уже на основании этих отличий устанавливать временной порядок.
В современной литературе можно выделить две точки зрения на возможные пути номологического обоснования однонаправленности времени:1. "...для обоснования такого фундаментального определения, как направление времени, недостаточно одних только фактуальных утверждений и эмпирических данных, сколь бы достоверны и убедительны они ни были. Для этого необходимо номологическое обоснование направления времени, специальный закон, устанавливающий необратимость по крайней мере определенной группы физических процессов. По-видимому, это должен быть достаточно строгий принцип запрета, который исключал бы протекание физических процессов в обратном направлении. (...)...имеющиеся данные свидетельствуют о том, что необратимость физических процессов не является только эмпирически наблюдаемой и, видимо, скорее всего есть проявление и действие какого-то единого и всеобщего закона. Очевидно, однако, что такого рода принцип запрета нельзя ниоткуда вывести, а можно только постулировать." /1/.Соглашаясь с тем, что необратимость наблюдаемых явлений, скорее всего, есть проявление какого-то всеобщего закона, следует заметить, что никакой принцип запрета, не подкрепленный физической теорией, в которой этот принцип появлялся бы естественным образом (как следствие принятых постулатов) в виде отсутствия решений, обращенных во времени, не может быть достаточным для обоснования необратимости времени.
Наиболее ярким современным примером подобной недостаточности, пожалуй, является появление в СТО объектов, распространяющихся со сверхсветовыми скоростями. Несмотря на то, что один из основных постулатов СТО в ее первоначальной формулировке запрещал существование объектов, со скоростями больше скорости света, развитие теории показало, что в математическом формализме СТО сверхсветовые объекты возникают естественным образом, то есть сами уравнения не запрещают их существование. Обоснование же предельности скорости света в рамках СТО, как отмечено в /1/, содержит логический круг и не мо