Пространство и время глазами дилетанта - Сергей Сергеевич Сергеев

того, чтобы иметь эталон равномерно протекающего процесса, относительно которого можно было бы судить о скорости протекания других процессов. (Ну, и об их ускорении-замедлении, если таковые имеются.) А ещё, что не менее важно, чтобы находясь в любом месте огромного механизма и непосредственно наблюдая положение лишь видимых нами шестерён, можно было определить положение других шестерён, которые мы не видим в силу их удалённости от нас. Если сказать проще, то используя иллюзорное понятие «время» мы можем, наблюдая одни процессы, знать о других процессах, которые недоступны для непосредственного наблюдения. Даже о тех процессах, которые ещё не начались, но начнутся, когда непосредственно наблюдаемый нами процесс перейдёт в определённую стадию (когда наблюдаемые нами шестерни расположатся определённым образом).

Объяснение получилось несколько замысловатое, но давайте рассмотрим, как мы с помощью времени осуществляем наблюдение за процессами в повседневной жизни.

А в повседневной жизни все эти «наблюдения» и «анализы» происходящих процессов выглядят просто и буднично. Основные процессы для нашего сознания разбиты на циклы, и к этим циклам «привязаны» различные события. Главный для нас цикл это год. Один оборот Земли вокруг Солнца. Этот цикл естественным образом поделен на другие циклы – сутки. Ну, а час, минута, секунда – это всё чисто условные единицы, выдуманные для удобства, чтоб легче ориентироваться, на каком этапе находится наблюдаемый суточный цикл. И в этих единицах, как известно, нам показывает время известный всем прибор под названием часы. Посредством часов мы можем как бы видеть условные метки, на которые мы разбили наблюдаемый нами цикл – сутки. И по этим меткам мы можем судить о других процессах, которые не доступны нам для непосредственного наблюдения.

«А в тюрьме сейчас макароны дают», – сказал персонаж известного фильма, хотя находился за многие километры от того места, о котором говорил и, естественно, не мог непосредственно наблюдать происходящих там процессов (наблюдать расположение «шестерён» в том месте). Но ему известно понятие «время», и пользуясь им, он легко определил стадию того процесса, которого не видел.

Не менее важным является и тот факт, что через понятие «время» мы можем определять момент начала некоторых процессов, которые в данный момент не существуют и, естественно, никак себя не проявляют. Например, знаем, что когда стрелки часов покажут такое-то время (определённую метку происходящего сейчас процесса) то по телевизору начнётся такая-то передача (с вокзала отправится электричка, с такого-то аэродрома полетит самолёт, наступит рассвет и т.д.).

6

И всё-таки один очень важный момент мы не затронули. Что такое равномерно протекающий эталонный процесс? Или, применительно к нашему механизму, скорость вращения какой шестерни можно принять за эталон? Из наших рассуждений получилось, что это можно сделать просто «на глазок». Но чисто интуитивно возникает ощущение, что это не так: равномерное движение, равномерное колебание, должны обладать каким-то свойством, чем-то таким, что однозначно отличает его от неравномерного движения (колебания).

Вообще-то, с равномерным движением всё ясно: если все силы, действующие на движущееся тело, уравновешивают друг друга, тогда движение равномерное. В принципе, это вполне объективная оценка равномерности. А что с колебательным процессом? Напрашивается мысль, что и здесь что-то должно уравновешивать друг друга.

Давайте рассмотрим колебания маятника, то есть, движение какого-то грузика, подвешенного на верёвочке. Предположим, что всё идеально, то есть, нет никакого трения и сопротивления воздуха. Тогда колебания будут иметь постоянную амплитуду и период. Ну, постоянство амплитуды мы можем зафиксировать визуально, а как мы можем утверждать, что период колебаний тоже постоянен? Сравнить с каким-то эталоном? А эталон с чем сравнить?

А может, здесь можно найти аналогию с равномерным прямолинейным движением, где «гарантом» равномерности является равновесие действующих на движущее тело сил? Да, по сути, так оно и есть, только со своими особенностями.

В момент, когда грузик маятника находится в крайней боковой точке, то он обладает максимальной потенциальной энергией. Затем, как и положено, под действием гравитации он начинает падать вниз, но верёвочка искривляет траекторию его движения, то есть на грузик действуют несколько сил, причём, их величина и направление меняются. Долетел грузик до самой нижней точки, и под действием разных (по величине и направлению) сил начал подниматься вверх, растрачивая накопленную кинетическую энергию. Где же здесь постоянство?

Дело в том, что силы, действующие на грузик, хоть и не уравновешены в каждый отдельно взятый момент, но под их воздействием кинетическая энергия грузика перетекает в потенциальную и наоборот. То есть силы, воздействующие на грузик, «консервируются» в энергии грузика, а затем снова «возрождаются» в прежнем виде. И так при каждом колебании. То есть, здесь существует своеобразное динамическое равновесие сил. В этом сходство колебательного процесса с равномерным движением тела. Только при равномерном движении действующие силы компенсируют друг друга статически, а при колебательном процессе динамически (с некоторой «отсрочкой»).

А теперь представим себе, что рядом с рассматриваемым нами маятником качается точно такой же маятник, но не равномерно, а с ускорениями-замедлениями. Такое возможно? Возможно, но только если на этот маятник будут воздействовать внешние силы. Это будет уже не маятник.

Итак, если маятник находится в состоянии свободных колебаний, то мы смело можем считать его своеобразным генератором колебаний постоянной частоты. Это постоянство частоты (то есть, динамического понятия) обусловлено постоянством чисто физических воздействий, – постоянством силы притяжения Земли и постоянством длины верёвочки маятника.

Получается, что равномерность изменений (колебаний) маятника мы оцениваем вовсе не «на глазок», а по вполне объективным критериям.

Естественно, маятник это не единственная система, вырабатывающая какое-то равномерное изменение. Земля вращается вокруг Солнца тоже равномерно (естественно, с некоторыми допущениями, вызванными не идеальностью мироздания). И Луна вокруг Земли вращается с постоянным периодом. Здесь о равномерности периодов вращения мы тоже можем судить вполне объективно, основываясь на постоянной величине параметров, вызывающих вращение.

Вообще, всяких колебательных процессов в мире больше, чем достаточно. Например, есть известное практически всем устройство, называемое «колебательный контур». На маятник совсем не похоже, но принцип колебательного процесса, по сути, тот же. Та же замкнутая система с «динамическим равновесием» действующих в ней сил, и с постоянной величиной статических параметров (ёмкости и индуктивности), порождающих эти силы.

Так что, объективно выбрать эталон равномерного изменения не такая уж проблема. А имея такой эталон, можно вполне объективно судить и о скоростях-ускорениях-замедлениях всех прочих изменений. Эталон в виде колебаний удобен тем, что о «количестве» изменений легко судить по количеству полных периодов колебаний.

А вот в нашем выдуманном механизме мы не могли объективно выбрать эталон равномерного изменения. Уклончиво сформулировали, что за такой эталон можно принять шестерню по своей субъективной оценке. Но теперь-то мы знаем, что о равномерности изменений некоторых систем мы можем судить вполне объективно. Просто как-то не смогли в нашем мысленном эксперименте найти место маятнику