Природа и свойства физического времени

2. Второй закон Ньютона

Время входит во множество закономерностей, являющихся предметом изучения разных отраслей науки. Например, метеорология вся построена на представлениях о неких атмосферных процессах, развивающихся во времени. Точно так же и геотектоника интересуется движением литосферных плит за промежутки времени, не сопоставимые по длительности с атмосферными процессами, но, тем не менее, столь же определенными, как и периоды изменения погоды. Химики интересуются не только направлением химических реакций, но и временем, за которое они происходят. Теплотехников интересует время сгорания топлива при заданных условиях, астрономов – время существования Вселенной. Даже такая столь далекая от непосредственных нужд современного общества наука, как палеонтология, не могла бы существовать, не имей она возможности использовать общепринятую шкалу времени. Классическая механика, термодинамика, электродинамика, ядерная физика – везде, в явном или скрытом виде, время используется не только как понятие, но и как равноправный параметр рассматриваемых процессов. Поэтому исследование свойств физического времени не должно осуществляться вне рамок подходов, уже оправдавших себя в физической науке. В принципе, анализ природы времени можно начать из любой, произвольно выбранной как исходная, точки современного научного знания, что и демонстрируют многочисленные попытки толкования его свойств учеными разных направлений, когда отправным материалом для высказываний о его природе служат данные того раздела науки, в котором они являются специалистами. В общем же смысле такой исходной точкой должны служить уже известные, твердо установленные закономерности, применяющиеся наукой для использования в своей повседневной практической деятельности. Однако закономерности, например, той же метеорологии, зависят от такого огромного количества одномоментно действующих факторов, что среди них свойства собственно времени теряются. Поэтому для наиболее ясного анализа его природы нужно выбирать, во-первых, закономерности наиболее простые и прозрачные, позволяющие связать время с небольшим количеством известных величин.

Во-вторых, имеющие максимально общий характер, так как время само является наиболее общей характеристикой бесчисленного количества процессов. В-третьих, достоверность которых не вызывает никаких сомнений.

Среди таких закономерностей вне конкуренции законы Ньютона. Во-первых, их простота не может не вызывать изумления. Во-вторых, всеобщность применения также не имеет себе равных среди физических законов. В-третьих, границы применения этих законов изучены наиболее полно и, оставаясь в пределах этих границ, за достоверность описываемых ими зависимостей можно уже не опасаться, так как за время, прошедшее с момента их обнародования, тысячи исследователей подвергли законы Ньютона придирчивой проверке на соответствие результатам адекватно поставленного эксперимента, который один только является судьей истинности любого физического закона. Следует особо отметить, что законы Ньютона объективно отражают свойства той физической реальности, пусть даже в абстрагированной форме и с некоторой долей условности, в которой мы находимся и одной стороной которой является время.

Первый закон Ньютона для анализа природы времени не дает почти ничего, кроме того, что движение тела в пространстве в отсутствие приложенных сил и сопротивления движению осуществляется бесконечно. Отсюда можно заключить, что время в конкретном факте движения имеет протяженность и эта протяженность может быть как бесконечной (точнее, достаточно большой), так и равной нулю (то есть исчезающе-малой). Тот же вывод можно сделать и из формулировки третьего закона, признав, что время взаимодействия двух тел также может быть равно как бесконечности (в ограниченном смысле), так и нулю (то есть промежутку ничтожной длительности). Знаменитый же закон всемирного тяготения является стационарным и поэтому пока не принимает участия в нашем анализе. И лишь формулировка второго закона Ньютона, содержащая время в неявном виде, позволяет, как мы увидим впоследствии, пролить свет на природу физического времени, в котором и происходит его – закона – действие.

Итак, рассмотрим второй закон Ньютона, действующий в нерелятивистском приближении и в макромире:

где F – сила, приложенная к материальному телу;

m – масса тела;

Несмотря на то что мы не знаем вполне определенно, вследствие каких причин при изменении скорости тела появляется сила или почему приложенная к нему сила вызывает соответствующее изменение его скорости, сам по себе факт таких последствий, происходящий во времени, не вызывает никаких сомнений. Точно так же – хотя мы не знаем достаточно достоверно, почему коэффициент, связывающий изменение скорости тела с приложенной силой, не является постоянным при подсчете разных значений силы и ускорения – существование такого изменяющегося коэффициента, сомнения не вызывает. И связь всех четырех величин, входящих в закон, поскольку многократно проверено, что он адекватно отражает положение дел в действительности, определяется лишь свойствами окружающей нас реальности (мировыми константами) в том месте пространства, где мы проводим эксперимент, и ничем другим. При этом необходимо учитывать, что абстрактное изображение реальных движений всегда описывает их с некоторой долей условности. То есть нужно учитывать, что между теоретическим описанием и реальными явлениями всегда стоит неполнота этих описаний. Объясняя движение тела с помощью законов Ньютона, мы должны были бы учитывать несовершенство этого описания и некоторые несоответствия его реальному положению дел. Например, учитывать сопротивление воздуха, если это полет снаряда, действие силы Кориолиса, если это полет ракеты-носителя, суточное движение точки земной поверхности, если мы ведем астрономические расчеты. Но всякий раз, применяя наши описания для вычисления реальных движений, мы вынужденно игнорируем многочисленные второстепенные несоответствия, заведомо не превышающие принятую погрешность расчетов, и оставляем только те обстоятельства, которые превышают эту погрешность, либо учитываем эту погрешность при определении окончательного результата. Именно в таком смысле и сделано заявление, что законы Ньютона многократно проверены на соответствие реальному положению дел. И отсутствие в действительности истинно инерциальных систем отсчета, в которых только и справедливы законы Ньютона, вовсе не препятствует применять их – законы – для использования в практической деятельности как раз в силу описанного здесь принципа.

Согласно Ньютону, время, использующееся в его втором законе, является абсолютным, а временной промежуток, отсчитываемый на некотором отрезке его «хода», имеет только одну характеристику, а именно длительность. Однако можно предположить, что одной этой характеристикой свойства времени, применяющегося в законах Ньютона, не исчерпываются, и, кроме нее, есть и другие, пока скрытые от нас, свойства. Для их определения воспользуемся методом самого Ньютона, о котором он так говорит в своем, уже упомянутом знаменитом сочинении «Математические начала натуральной философии»: «Силы природы и простейшие законы их действия они (последователи экспериментальной философии. – Л. М.) выводят аналитически из каких-либо избранных явлений, а затем синтетически получают законы остальных явлений».

Чтобы предполагаемые нами свойства времени, употребляемого в научных исследованиях и считающегося абсолютным, стали доступны для дальнейшего анализа, необходимо вывести во втором законе Ньютона время из-под знака дифференциала и представить в явном виде. Откажемся от представления времени в виде всеобщего аргумента и представим его в виде функции других величин, входящих во второй закон Ньютона. С этой целью рассмотрим простейшую задачу динамики.

Пусть материальная точка с постоянной массой m движется под действием постоянной по модулю и направлению силы F вдоль оси X. Несмотря на то, что сила и скорость – векторы, из-за совпадения направления движения с направлением действия силы эту задачу можно решать в скалярном представлении.

Пусть, если

Запишем второй закон в виде:

и найдем закон движения точки в виде

Так как

Помня, что

Умножая обе части полученного уравнения на dt и снова интегрируя, найдем:

Учитывая начальные условия, получим:

Заметим, что х в нашем случае – строго монотонная функция. Тогда, по соответствующей теореме, она имеет обратную функцию:

Рассмотрим квадрат этой функции:

Умножим числитель и знаменатель правой части на х и поделим на 2, учитывая при этом, что

Учтем, что произведение

С другой стороны, работа силы F равняется изменению кинетической энергии точки на пути х:

Учитывая, что при

В этом случае получим для квадрата функции Т:

или

где

m – масса;

x – пройденный путь;

Eкин – кинетическая энергия.

Заметим, что в условиях нашей задачи было постулировано постоянство массы точки и силы, приводящей ее в движение, что в общем случае необязательно. Однако на содержательности дальнейших выводов это обстоятельство, как мы увидим впоследствии, никак не отразится.

Временной интервал, найденный таким образом, определяет собой собственное (внутреннее) время процесса, которое в нашем случае не имеет никакого отношения к скорости движения тела в другой системе отсчета, потому что в начале нашего анализа мы приняли проводить его в нерелятивистском приближении. Впоследствии мы обстоятельно проанализируем теорию относительности Эйнштейна и соотношение ее периодов с нашим исследованием.

Но для относительных движений, тем не менее, нужно заметить, что в реальности могут быть более сложные случаи, чем мы рассматривали, для которых учитывать их (относительные движения) не только возможно, но и обязательно.

К примеру, возьмем движение двух небольших астероидов вдалеке от тяготеющих масс и на пересекающихся траекториях. Здесь, если учитывать движение только одного астероида на участке траектории до пересечения с траекторией другого, то мы должны принять вложенную энергию в этом движении равной нулю и временной интервал, соответствующий этому, равным бесконечности. То же самое относится и к движению другого астероида. Но если мы берем оба этих движения как один процесс, в совокупности, учитывая, что астероиды столкнутся, то должны принять, что каждый из них по отношению к другому обладает вложенной в процесс энергией, равной кинетической энергии его движения. Поэтому, когда в результате столкновения начинается процесс образования нового небесного тела или распыление астероидов с образованием пылевого облака, для этого процесса временной интервал будет определяться уже с использованием кинетической энергии обоих астероидов относительно друг друга. Могут существовать еще более сложные случаи, поэтому вывод относительно вложенной энергии должен делаться после рассмотрения всех деталей конкретной ситуации, в которой протекает процесс.

Таким образом, время (временной интервал) для каждого процесса имеет свое, определяемое только параметрами процесса значение и, кроме того, генерируется для каждого процесса своим, отличающимся от другого процесса способом, зависящим от особенностей его протекания.

Следует особо отметить то обстоятельство, что всякий раз, когда мы определяем временной интервал для независимого единичного движения, мы полагаем при этом

В этом случае временной интервал будет описывать тот же самый процесс, но уже относительно внешнего, общеупотребительного, счета времени.

В целом полученное выше выражение, во-первых, определяет физическое время через известные величины, во-вторых, позволяет понять природу времени, исходя из характеристик самого движения, и, в-третьих, дает возможность сделать некоторые выводы относительно свойств той физической реальности, в которой происходит движение.

Остается неясным, может ли выражение, полученное в результате решения частной задачи динамики, претендовать на какую-либо степень всеобщности. Если время, которое определяется в полученном выражении, действительно то физическое время, о котором речь шла вначале, то и в любом другом случае решение динамических задач всегда должно приводить к аналогичному виду зависимости для времени. То есть ее вид должен быть всегда один и тот же, независимо от того, из какого конкретного случая она выводится.

Чтобы убедиться в этом, рассмотрим следующую простую задачу динамики: определить период колебания материальной точки с постоянной массой m по прямой около положения равновесия под действием квазиупругой силы, считая, что в момент времени

По второму закону Ньютона

положив

Это дифференциальное уравнение второго порядка, известное как уравнение свободных колебаний материальной точки, общее решение которого имеет вид:

где x – смещение точки из положения равновесия;

a – амплитуда колебания;

ω – циклическая частота;

φ – начальная фаза.

В нашем случае

Свободные колебания имеют характеристическое время (период), через которое все элементы движения повторяются:

Для простоты картины будем рассматривать период в радианной мере.

Обозначим

Умножим и разделим выражение для Ŧ2 на x2, по-прежнему учитывая, что

Так как и в этом случае сила действует вдоль направления движения, то

где A – работа силы на пути x, равная изменению потенциальной энергии материальной точки.

так как

Заметим, что потенциальная энергия вкладывается в рассматриваемый процесс лишь в течение половины периода Ŧ. Чтобы учесть это, запишем

в результате получим:

Для окончательной уверенности во всеобщности полученной зависимости решим третью простую задачу динамики, рассмотрев движение физического маятника, колеблющегося вокруг оси.

Определим период колебаний тела с постоянным весом P, центр тяжести которого C расположен на расстоянии r от оси вращения. Угол отклонения тела от положения равновесия φ будем считать малым, когда можно принять

Тогда

Под влиянием этого момента тело приобретает угловое ускорение

где J – момент инерции тела относительно оси О.

Подставляя значения β и M, получим:

Полагая

Полученное уравнение также является уравнением гармонических колебаний с периодом

или в радианной мере

Подставив в уравнение для Ŧ значение ω, найдем:

Умножим числитель и знаменатель выражения на φ2 и, учитывая также, что

Заметим, что

а

Отсюда

но

Так как и здесь потенциальная энергия вкладывается в процесс только в течение половины периода, запишем:

В итоге получим:

Сопоставим все три выражения, полученные из трех различных задач динамики:

Поскольку в двух последних случаях за время развития процесса потенциальная энергия полностью переходит в кинетическую и обратно, а в первом случае (при торможении) кинетическая может переходить в тепловую, то есть в процессе могут участвовать различные виды энергии, обобщим найденные зависимости, записав:

где E – сторонняя энергия, участвующая в процессе.

Рассмотрим выражение

Здесь хорошо видно, что масса есть численная характеристика степени противодействия сил инерции работе внешней силы.

В итоге для искомой функции получаем:

где

Ĵ – обобщенный момент инерции;

E – сторонняя энергия.

Заметим, что в нашем случае Е есть сторонняя энергия, относящаяся исключительно к отдельному процессу, рассматриваемому нами изолированно, поэтому ее соотношение с энергиями других процессов принципиально не рассматривается.

Система единиц выбирается всякий раз таким образом, чтобы не пришлось вводить ненужные коэффициенты.

Особо отметим, что момент инерции тела

Рассмотрим также случай, когда энергия извлекается из инерциального движения. В этом случае при торможении тела появляется сила инерции, которая производит работу против сил сопротивления движению. Несмотря на то, что эта сила непосредственно выводится из рассматриваемого движения, в данном случае она все равно является сторонней силой и работа, производимая этой силой, также является работой сторонней силы. Объяснить это возможно следующими обстоятельствами. Во-первых, при истинно инерциальном движении тела в самом движении мы не можем обнаружить никаких побуждающих сил – ни внутренних, ни внешних. Во-вторых, сила инерции возникает лишь тогда, когда изменяется скорость тела, а это возможно в рассматриваемом случае лишь при внешнем изменении условий движения тела, т. е. при торможении. Сила инерции, которая и производит работу против сил сопротивления, тем самым определяется внешними причинами, хотя и действует в самом движении. Противодействие этой силы силам торможения становится возможным лишь потому, что тело имеет запас кинетической энергии, полученной вследствие того, что ранее сторонняя энергия была вложена в процесс движения. Отсюда видно, что изменение энергии, получающееся вследствие работы этой силы, есть изменение ранее вложенной сторонней энергии, извлекаемой в данном случае из движения. И всякий раз, когда мы вычисляем временной интервал, необходимо сопоставлять с этой энергией обобщенный момент инерции, соответствующий тем условиям, при которых именно эта энергия извлекается.