Дыбала Сергей Леонидович : другие произведения.

Время в формулах физики. Часы. Эталон времени.

   Множественные попытки дать определение времени так и не привели к положительному результату - до сих пор не существует канонического, удовлетворяющего всех такого определения. Очень много авторов считает, что такового, определения, быть не может в принципе, поскольку время - это первичное неопределимое понятие. Тем не менее понятие времени широко распространено как в науке, так и в повседневной жизни человека. Несмотря на то, что определения времени не существует, этому понятию всё же придаётся определённый смысл - ведь иначе получается, что мы оперируем бессмыслицей. Так же отметим, что и те, кто верит в существование времени, как физического явления, так и те кто считает время субъективным изобретением человека, должны признать, что все свойства времени ему ПРИПИСЫВАЮТСЯ, т. е. они не объективно установлены. Здесь мы попытаемся выяснить какой смысл придаётся времени в физических формулах.

   С точки зрения математики физические формулы - это уравнения. Эти уравнения имеют геометрическую интерпретацию в определённой системе координат, где аргументами и функциями могут выступать различные физические параметры, например, пространство, время, температура, потенциал и т.д. и т.п.

   С точки зрения физики формулы - это математические выражения (математические модели) физических взаимодействий, т. е. взаимодействий тел, полей, сред и прочих физических сущностей. Математическая система координат, с точки зрения физики, становится системой отсчёта, если начало координат привязывается к какому-то физическому телу и метризируется, т. е. делается измерительным инструментом. По Эйнштейну для этого пространство размечается по протяженности и в нём расставляются часы, которые синхронизируются с помощью определённой процедуры. Заметим так же, что системой отсчёта может быть как любая установка в лаборатории, сама лаборатория, планета Земля, так и вся вселенная.

   Для простоты ограничимся формулами механики, а точнее кинематики, как наиболее наглядными и понятными, содержащими время, как аргумент, а функцией выступает протяжённость пространства, т. е. пройденный путь. Механическое движение, в этом случае, рассматривается относительно выбранной системы отсчёта.

   Рассмотрим элементарную формулу равномерного прямолинейного движения:

s = vt

   где s - пройденный путь;

   v - некоторая постоянная, называемая скоростью движения;

   t - текущее время движения.

   С точки зрения математики время t в формуле обозначает текущую координату времени.

   С точки зрения физики t в формуле - обозначает текущий момент времени, отсчитываемый от условно выбранного нулевого момента времени (нуля системы отсчёта). Физический смысл времени t в формуле - это длительность движения, прошедшая от нулевого момента времени до момента текущего.

   Если рассмотреть формулу равноускоренного прямолинейного движения:

s = at²/2

   то, несмотря на нелинейную зависимость пройденного пути от времени, мы придём к тем же выводам - физический смысл времени t в формуле - это длительность движения.

   В физике великое множество формул, описывающих взаимодействия совершенно разных величин, в том числе и в зависимости от времени. Поскольку изменение чего-то во времени есть движение, то можно утверждать, что во всех формулах физики, содержащих время, оно имеет смысл длительности движения.

   Время же системы отсчёта - это ничто иное, как Ньютоновское абсолютное математическое время, т. е. длительность, протекающая сама по себе, независимо ни от какого движения. Важнейшим свойством времени, характеризующим его, является единство времени во всём пространстве системы отсчёта. Это значит, что секунда прошедшая в начале системы отсчёта ТА ЖЕ САМАЯ и в любой другой точке пространства системы. Подчеркну - НЕ ТАКАЯ ЖЕ, а именно ТА ЖЕ. Единство времени системы отсчёта в классической физике подразумевается и не выделяется как самостоятельное свойство времени. В релятивистской физике единство времени системы отсчёта устанавливается с помощью "мысленных" процедур, изобретённых Эйнштейном, синхронизации часов световыми лучами, расставленных в пространстве системы отсчёта, что в принципе, не меняет сущность этого свойства. Время принадлежащее системе отсчёта, протекающее само по себе, служит для измерения длительности движений, отражающихся физическими формулами, в которых обозначение времени t имеет смысл длительности этих движений. Длительность движений принадлежит этим же движениям, а не внешнему для них времени системы отсчёта, от которого они не зависят. Таким образом, длительность движения не является временем движения, поскольку последнее отличается тем, что принадлежит системе отсчёта. Не всякая длительность есть время. Физическое явление существования длительности движения назовём "дление движения".

   Теперь попробуем разобраться, что же такое часы, что они показывают и что измеряют.

   Как считается, часы - это прибор для измерения времени. Часы различаются по своей конструкции - есть механические, электронные, электронно-механические, атомные. Водяные и песочные, а так же солнечные не рассматриваем из-за их архаичности.

   Все часы состоят из достаточно стабильного генератора незатухающих колебаний (колебательного движения), устройства суммирующего периоды этих колебаний и устройства отсчёта. У механических часов генератором незатухающих колебаний являются маятник или балансир, в зависимости от конструкции. Далее конструкция из шестерней преобразует колебательные движения этих элементов в прерывисто-вращательное, суммируя этим самым длительности колебаний генератора. Далее вращение передаётся на стрелки, которые с циферблатом образуют устройство отсчёта.

   В электронных часах используется электронный генератор, частота которого стабилизируется, как правило, кварцевым резонатором. Суммирование длительностей колебаний и индикация показаний времени осуществляется электронными схемами.

   В электронно-механических часах сумматор длительностей и отсчётное устройство выполнено как у механических часов, а генератор имеет различные электронно-механические конструкции.

   В атомных часах в качестве периодического процесса используются собственные колебания, связанные с процессами, происходящими на уровне атомов или молекул. Генератор атомных часов электронный, частота его задаётся вышеназванными колебаниями. Сумматор и отсчётное устройство тоже электронные.

   Теперь попробуем ответить на вопросы, что показывают и что измеряют часы. Отсчётные устройства часов (циферблаты со стрелками и электронные индикаторы) показывают текущий момент времени суток, отсчитываемый от условно принятого нулевого момента - начала суток в случае формата 24 часа (ноль часов ночи), или ноль часов ночи и ноль часов дня в случае формата 12 часов.

   А что же измеряют часы? Исходя из вышеописанных общих принципов работы часов, можно заключить, что часы измеряют суммарную длительность колебаний генератора, начиная от какого-то условного нуля. Т.е. часы измеряют длительность движения. Показания же часов интерпретируют как моменты времени. Другими словами, для измерения времени используются приборы, измеряющие длительность движения.

   Тут же в тему будет коснуться и эталона времени. Конструктивно эталон времени представляет собой высокоточные атомные часы. На основании вышеизложенного можно утверждать, что эти часы измеряют длительность движения, а не время. Поэтому, правильнее эталон времени следует называть эталоном длительности. И действительно, ведь никому не приходит в голову эталон метра называть эталоном пространства, на основании того, что метр можно рассматривать, как протяжённость и на самом деле он и есть эталон протяжённости. Почему же эталон длительности называют эталоном времени?