Механические часы поначалу имели только часовую стрелку. В XVI веке к ней добавилась минутная, и только в XVIII веке – секундная.
В 1584 году двадцатилетний Галилео Галилей усовершенствовал маятник. Один из первых экспериментов в истории новой физики подарил миру новый часовой механизм. Идея Галилея заключалась в том, чтобы измерять время путем счета колебаний маятника. Периоды колебаний можно регулировать и делать их достаточно малыми для более точного счета времени. Однако изобретение Галилея начали использовать в часах лишь спустя много лет, в 1656 году.
Сегодня самые точные маятниковые часы вовсе не являются эталоном точности. Достижения физики наших дней позволили создать часы, способные измерять время с почти фантастической точностью – до миллиардных долей секунды в сутки. Это уже не механические часы, а атомные – плод современной науки.
Абсолютное время
Можно остановиться в пространстве, но остановиться во времени невозможно. Его течение увлекает за собой все и вся. Линия времени непрерывно продолжается, что бы мы ни делали. У нее нет разрывов, она не создает петель. Нельзя оказаться в будущем, минуя то, что отделяет нас от него. Равно как нельзя дважды побывать в одном и том же моменте. Время, как известно, не повернуть вспять. Что было, то произошло.
Очередность следования событий вдоль нашей ми- ровой линии не относительна, она абсолютна. Поэтому абсолютно и разделение событий на прошлое и будущее. Абсолютное время отсчитывается для всей Вселенной, и ход его везде и всегда одинаков.
Важнейшим результатом классической механики стало открытие абсолютного времени, которое по определению И. Ньютона, «само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно, и иначе называется длительностью». Фактически при построении классической механики Ньютон исходил из идеи абсолютного времени как из рабочей гипотезы. К этой гипотезе он подводил весь накопленный опыт механики, и в первую очередь идеи Галилея, открытие им законов движения маятника, изобретение на их основе надежных маятниковых часов. Можно сказать, что именно под их мерный ход зрела мысль о непрерывном и всеобщем мировом времени.
Абсолютность времени в классической механике Галилея – Ньютона отчетливо проявляется при взгляде на одновременность событий. Если существует полная согласованность хода всех часов, то два события, одновременность которых мы установили по каким-то одним часам, будут одновременны и по всем другим часам тоже. Одновременность – факт, не зависящий от системы отсчета. Это понятие абсолютное, а не относительное: что одновременно, то одновременно с любой точки зрения.
Искривление времени
Время течет как река. От момента к моменту. И непременно в направлении будущего. Это так?
С незапамятных времен люди взирали на небо, на мир мерцающих звезд, как на что-то вечное и непоколебимое. И действительно, если судить о небе по человеческим меркам, оно неизменно. Можно следить за космосом всю жизнь и не увидеть никаких изменений в очертаниях созвездий, в расстояниях до галактик или скоплений. Перемены на небе происходят настолько медленно, что их невозможно увидеть невооруженным глазом. Здесь требуются совсем другие мерки времени, существенно превышающие дни, месяцы, возраст человека.
Сколько же времени может понадобиться, чтобы произошли заметные изменения расстояний между галактиками в постоянно расширяющейся Вселенной? За какой период времени эти расстояния увеличатся, предположим, вдвое, по сравнению с нынешними?
Речь идет о поистине космическом времени, которое и представить себе трудно. Что может сравниться с ним? Только другие астрономические времена, такие как возраст Солнца, близкий к пяти миллиардам лет, или возраст Земли. Старейшим звездам Галактики около четырнадцати миллиардов лет. Свет от квазаров (самых далеких из наблюдаемых небесных тел) идет к нам примерно пятнадцать миллиардов лет. Современная наука не знает длительностей, превосходящих космическое время.
В механике Галилея – Ньютона время предстало непрерывным плавным потоком, скорость которого не зависела ни от чего в мире и везде и всюду считалась одинаковой. Те свойства времени, которые поддаются непосредственному восприятию в повседневном опыте, были осмыслены и описаны классической механикой.
Но это время макромира – мира, доступного наблюдению невооруженным глазом. О микромире – мире атомов и элементарных частиц, и о мегамире – мире огромных космических масштабов и скоростей в те времена можно было только строить предположения. Между тем классическая механика разобралась и сумела точно объяснить множество явлений макромира, связанных с движениями тел. Понимание времени, сложившееся у Галилея и четко сформулированное Ньютоном, легло в основу этих объяснений.
Абсолютное время, не подвластное никаким воздействиям, с раз и навсегда заданным темпом – вот исходная аксиома ньютоновской механики. Установленные и проверенные классической механикой свойства времени – это достижение, которое останется в науке навсегда. Однако и основоположникам классической механики было очевидно, что от четкого выяснения проявляющихся в макромире свойств времени до понимания его глубинного физического содержания еще очень далеко. Лишь в начале XX века, спустя почти триста лет, благодаря усилиям Альберта Эйнштейна и других ученых был сделан следующий крупный шаг на этом пути. Появляется теория относительности, которая впоследствии станет основой современного физического миропонимания.
Ньютоновская механика главенствует в макромире и применима только в нем. Как выяснилось, область ее ограничивается двумя важнейшими положениями:
1. Скорости движений, исследуемые классической механикой, должны быть малы по сравнению со скоростью света.
2. Силы тяготения, управляющие движениями тел, должны быть слабыми, чтобы эти тела не могли разогнаться до скоростей, сопоставимых со скоростью света.
Преодолеть эти границы и расширить поле деятельности физики удалось благодаря теории относительности. Она не отменила классическую механику, а вместила ее в себя как частную теорию, действующую при должных обстоятельствах в условиях ограниченной скорости и сил тяготения. Теория относительности выявила новые свойства времени.
Эти новые свойства, как и в классической механике, проявляются, в первую очередь, в движении физических тел. При этом время оказалось тесно связанным с пространством. Вместе они образуют единый четырехмерный мир, где и происходят все физические явления. Сцепленность времени и пространства, их единство обнаруживается тогда, когда скорости движения тел приближаются к скорости света.
Теория относительности не признает абсолютность времени. Во-первых, понятие одновременности становится совершенно бессмысленным. В ньютоновской механике два события, одновременность которых зафиксирована по каким-то одним часам, остаются одновременными и по всем другим часам, движущимся относительно первых и относительно друг друга. Теория относительности же опровергает это. Безусловно, существует приближенная одновременность, при условии, что скорость часов мала по сравнению со скоростью света – собственно, это и есть сфера применения ньютоновской механики. Но когда скорость достигает скорости света, два события, зафиксированные как одновременные по одним часам, оказываются случившимися в существенно разные моменты времени по другим часам, очень быстро движущимся относительно первых.
