§ 2. Природа физического времени и характер соотношения равномерности времени и закона сохранения энергии.

Анализ истории формирования идеи абсолютного времени классической физики привел нас к выводу, что ньютоновское “абсолютное, истинное математическое время” абстрагировано от суточного вращения Земли. Однако в силу ряда обстоятельств генетическая связь абсолютного времени с суточным вращением Земли вокруг оси оказалась основательно забытой и на протяжении более чем двух столетий после И. Ньютона в естествознании господствовало представление о времени как о некоторой равномерно текущей и ни от чего не зависящей субстанции.

С возникновением теории относительности физикам пришлось отказаться от идеи абсолютного времени. В современной физике общепринятым является предложенное А. Эйнштейном операциональное определение времени как измеряемого обычными часами физического параметра. Но такое определение времени сугубо феноменологично. Здесь, по сути дела, абсолютизируется общепринятый способ измерения времени и предлагается, не задаваясь метафизическими вопросами о природе и сущности времени, довольствоваться результатами его измерения.

При этом, однако, время превращается в чисто локальную характеристику мира, жестко привязанную к той точке мирового пространства, в которой находятся измеряющие время часы.

Для того чтобы преодолеть локальность измеряемого конкретными часами физического параметра “времени”, в специальной теории относительности (СТО) предполагается возможность существования в любой точке инерциальной системы отсчета стандартных часов, которые в силу идентичности своего устройства способны идти абсолютно одинаково, и вводится особая процедура “синхронизации” пространственно разобщенных часов. Таким образом, в СТО удается ввести представление о едином времени данной инерциальной системы отсчета.

Онтологическая неопределенность введенного таким образом понятия времени большинством естествоиспытателей, и в том числе физиков, преодолевается не всегда осознаваемыми квазиньютоновскими представлениями о времени как о некотором повсеместно происходящем в объективном мире равномерном движении. Но то обстоятельство, что это “равномерное течение”, т.е. “время”, непременно измеряется “секундами”, представляющими собой одну из шести фундаментальных единиц общепринятой Международной системы единиц физических величин СИ, свидетельствует о том, что выявленная нами генетическая связь абсолютного времени классической физики с суточным вращением Земли остается справедливой и для общепринятых ныне представлений о времени.

Дело в том, что “секунда” до 1956 года определялась как 1/86 400 часть средних солнечных суток. Однако в 50-х годах с помощью кварцевых часов была выявлена неравномерность вращения Земли вокруг оси, происходящая из-за сезонных перераспределений водных и воздушных масс Земли и других причин. Поэтому было принято новое определение “секунды” через период обращения Земли вокруг Солнца как 1/31 556 925, 9747 часть определенного тропического года. Правда, в 1967 году XIII Международная конференция по мерам и весам связала единицу измерения времени с атомным стандартом и определила секунду как 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия-133, но, как совершенно справедливо замечает А.Б. Щеголь, “единица осталась той же, но найден способ более точного и надежного воспроизведения” /Щеголь, 1988, с. 14/.

Таким образом, хронометрируя тот или иной процесс или теоретически описывая его “во времени”, мы, по сути дела, как и во времена И. Ньютона, продолжаем сравнивать его с вращением Земли вокруг оси или с обращением ее вокруг Солнца и анализировать характер отклонений от соравномерности с указанными механическими движениями.

Чем же обусловлена столь великая роль вращения Земли вокруг оси и обращения ее вокруг Солнца – этих механических движений – в познании законов природы?

Вращение Земли вокруг оси и ее обращение вокруг Солнца входят в весьма обширный класс соравномерных процессов, к которому, помимо вращательных движений небесных тел и космических систем типа Солнечной, относятся прямолинейные инерциальные движения масс в инерциальных системах отсчета, колебательные движения физических маятников, кристаллических, молекулярных и атомных осцилляторов. Все эти движения являются движениями закрытых консервативных динамических систем, т.е. таких систем, которые не обмениваются с окружающей средой массой и энергией и у которых в процессе движения сохраняется постоянной механическая энергия, или энергия движения. Именно сохранение неизменной величины механической энергии приводит к тому, что эти движения могут неограниченно долго длиться без каких-либо изменений характеристик, что и обусловливает их объединение в один класс соравномерных процессов. При этом говорить о соравномерности позволяет то обстоятельство, что в каждом из них имеется, по крайней мере, один параметр, величина которого нарастает равномерно “во времени”, если только “время” измеряется одним из входящих в этот класс “равномерных” или “строго периодических” процессов. Так, при прямолинейном инерциальном движении масс в инерциальной системе отсчета равномерно нарастает длина пройденного пути; при свободном “твердотельном” вращении небесного тела аналогичным образом нарастает угол поворота, а также число полных оборотов тела вокруг оси; при обращении одного небесного тела вокруг другого в таких космических системах, как Солнечная система, равномерно нарастает, во-первых, величина площади, заметаемой радиусом-вектором орбиты данной планеты, а во-вторых, число полных оборотов планеты вокруг центрального тела; у физических маятников, как и у других колебательных систем, равномерно “во времени” нарастает число полных периодов колебаний.

Рассматриваемый класс соравномерных процессов мы будем условно именовать классом “инерциально-равномерных” движений.

Таким образом, равномерность общеизвестного времени обусловлена тем, что оно измеряется при помощи таких закрытых динамических систем, у которых механическая энергия в процессе движения сохраняется постоянной. Более лаконично данный вывод можно сформулировать следующим образом: равномерность времени обусловлена законом сохранения (механической) энергии. Однако такой вывод находится в явном противоречии с широко распространенным представлением о том, что основные законы сохранения классической физики, и в том числе закон сохранения энергии, являются следствиями свойств симметрии пространства и времени.

В современной физике такая точка зрения на характер соотношения однородности (или, иначе, равномерности) времени и закона сохранения энергии общепринята, не подвергается сомнению и в учебных пособиях по физике для вузов излагается как незыблемая истина. “Метрические свойства пространства и времени - однородность и изотропность, - пишут авторы одного из учебников для вузов, - обусловливают фундаментальнейшие законы природы, имеющие решающее значение для всех разделов физики, а именно, следствием однородности пространства является закон сохранения импульса, изотропности - закон сохранения момента импульса, а следствием однородности времени - закон сохранения энергии” /Наркевич и др., 1992, с. 225/. Аналогичная точка зрения содержится и в других учебных пособиях (см., например: /Ландау , Лифшиц, 1989, с. 45, 61, 109/). Вслед за физиками такого же мнения придерживаются и многие философы. См, например: /Ахундов, 1982 а, с. 176/.

Справедливости ради следует отметить, что в ходе дискуссии по проблеме взаимосвязи и соотношения свойств симметрии пространства и времени и основных законов сохранения механики, состоявшейся среди отечественных философов в 60-70-е годы, отстаивались и иные точки зрения. Так, например, Н.Ф. Овчинников и Ю.Б. Румер обосновывали мнение, согласно которому не законы сохранения следуют из симметрии пространства и времени, а наоборот, законы сохранения обусловливают свойства симметрии пространства и времени (см.: /Овчинников, 1960, с. 177; Румер, Овчинников, 1968; Румер, 1971/). Ряд авторов, исходя из общефилософских соображений, доказывали, что поскольку пространство, время и движение суть основные однородные атрибуты материи, то “формы симметрии и соответствующие им законы сохранения в рамках существующей между ними связи” следует рассматривать “не в плане причинно-следственных отношений, а как однопорядковые, но различные стороны единой закономерности материального мира” /Абасов, 1980, с. 74/. Аналогичную точку зрения отстаивали В.С. Готт, А.Ф. Перетурин, А.Н. Шатохин и др. (См.: /Готт, 1972; Перетурин, Сидоров, 1968; Шатохин, 1968/).

Распространенность представления о том, что закон сохранения энергии обусловлен однородностью времени, объясняется прежде всего идущей со времен становления классической физики традицией выводить законы сохранения из общих аксиом движения. Эта традиция, как отмечают Ю.Б. Румер и Н.Ф. Овчинников /Румер, Овчинников, 1968/, была обусловлена тем, что основными понятиями классической механики первоначально были пространство, время и масса, а понятия импульс, момент импульса и энергия появились позднее и на протяжении длительного времени не воспринимались как фундаментальные понятия механики. Соответственно и математический аппарат классической механики строился таким образом, что закономерности движения выводились из фундаментальных свойств пространства и времени. Лишь постепенно, в ходе дискуссий о мере движения и о сохранении количества движения появляется введенное Г. Лейбницем понятие “энергия” как некоторая сохраняющаяся “живая сила” /Лейбниц, 1908, с. 145/, в противовес ньютоновским и декартовским представлениям о мере движения и его сохранении.

Определенную дань традиционному решению вопроса о характере взаимосвязи свойств симметрии пространства и времени и законов сохранения классической физики отдала Эмми Нётер, которая, доказав возможность математического вывода всех законов сохранения из свойств симметрии динамических систем, казалось, окончательно подтвердила истинность традиционного решения рассматриваемой проблемы. Именно так были восприняты результаты исследований Э. Нётер большинством ученых в начале нашего столетия, и такая оценка ее знаменитой теоремы продолжает господствовать по настоящее время. Некоторым авторам кажется особенно сильным аргументом в пользу традиционных представлений то обстоятельство, что обратная теорема Нётер, как выяснилось, в общем случае несправедлива. Этим авторам дело представляется таким образом, будто прямая теорема Нётер устанавливает реально существующее в действительности следование законов сохранения из свойств симметрии пространства и времени. Поэтому для того, чтобы в реальной действительности свойства симметрии пространства и времени следовали из законов сохранения, считают они, должна быть справедлива обратная теорема Нётер, позволяющая из законов сохранения выводить свойства симметрии динамических систем. А поскольку обратная теорема Нётер в общем случае неверна, то отсюда, с их точки зрения, следует справедливость традиционных представлений о фундаментальности свойств симметрии пространства и времени по сравнению с соответствующими законами сохранения.

Однако теорема Нётер сама по себе не устанавливает никаких отношений субординации между свойствами симметрии динамических систем и законами сохранения физических величин, характеризующих движение этих систем, и тем более не указывает на существование каких-либо причинно-следственных связей между ними. В.С. Барашенков, обсуждая физический смысл прямой и обратной теорем Нётер, приходит к выводу, что согласно этим теоремам “каждому типу симметрии соответствует свой закон сохранения и, наоборот, каждому закону сохранения может быть сопоставлена вполне определенная симметрия. В рамках современных физических теорий нельзя установить, что является более фундаментальным - симметрия или же неразрывно связанный с ней закон сохранения” /Барашенков, 1980, с. 336/. Здесь мы имеем чисто математическую теорему, устанавливающую только функциональные связи и дающую в руки исследователей математический аппарат, позволяющий из свойств симметрии выводить законы сохранения. Но ни функциональные связи, существующие между теми или иными свойствами исследуемых объектов, ни возможность математического вывода характеристик или параметров одних свойств из характеристик или параметров других - сами по себе не свидетельствуют о каких-либо причинно-следственных связях или отношениях субординации. Для того, чтобы иметь возможность существующие между свойствами реальной действительности функциональные связи толковать как причинно-следственные, необходимо обратиться к самой реальной действительности и выяснить характер зависимостей, существующих между соответствующими свойствами ее объектов.

Содержательный анализ взаимосвязи однородности (равномерности) времени и закона сохранения энергии требует выяснения сущности того независимого физического параметра t, который под названием “ время” фигурирует в физических теориях. В самой физике, как мы видели, понятие “ время” , по сути дела, не определяется, а параметр t вводится операционально. Существующие же философские концепции времени также не могут служить достаточным основанием для содержательного анализа взаимосвязи свойства однородности (или, точнее, равномерности) времени и закона сохранения энергии. Действительно, согласно современным представлениям, “время” – это либо некоторая неопределенной природы равномерно текущая сущность, либо некоторое столь фундаментальное свойство движущейся материи, что о нем нельзя сказать ничего более определенного, кроме как указать на связь с движением материи; либо сам процесс “становления” материального мира; либо, наконец, вовсе нечто сугубо субъективное, имеющее место в человеческом или в некотором Мировом, надчеловеческом сознании. Ни в одном из этих вариантов определения времени мы не можем найти даже намека на возможность содержательного анализа, во-первых, свойства равномерности и, во-вторых, характера взаимосвязи между свойством однородности (равномерности) времени и законом сохранения энергии. В такой ситуации поневоле приходится придерживаться традиционно сложившихся представлений о характере взаимосвязи между свойствами симметрии пространства и времени и основными законами сохранения классической физики.

Физический смысл параметра t раскрывается в том случае, если учесть, что самоконгруэнтные единицы физического времени задаются теми или иными “равномерными” или “строго периодическими” процессами класса “ инерциально-равномерных” движений. “ Физическое время” (физический параметр t) при этом оказывается метризованной при помощи класса “ инерциально-равномерных” движений длительностью бытия материальных процессов. Поскольку класс “ инерциально-равномерных” движений состоит из движений закрытых консервативных динамических систем, то можно утверждать, что соравномерность монотонных и эквивалентность периодических процессов этого класса, а следовательно, и равномерность физического времени, обусловлены тем, что движения закрытых консервативных систем неограниченно долго (в идеале) остаются неизменными в силу подчинения их закону сохранения (механической) энергии.

И, наконец, отметим, что повышение точности измерения физического времени означает ничто иное, как использование в качестве часов таких динамических систем, которые все более строго удовлетворяют критериям закрытости и консервативности, а также выявление и учет факторов, нарушающих закрытость и консервативность динамических систем, используемых в качестве часов.