Трудности классической механики в определении времени
В классической механике Ньютона была принята концепция абсолютного пространства и времени. Современная физика от этой концепции отказалась. Релятивистская теория показала, что пространство и время являются относительными.
Известно, что время можно измерить с помощью равномерного периодического процесса. Однако, если нет времени, как можно определить, что процесс является равномерным? Отсюда возникает очевидная трудность в определении первичных понятий. Равномерным течением времени можно называть равномерный ход часов. Например, при определении времени при помощи прямолинейного равномерного движения, первый закон Ньютона превращается в определение равномерного хода времени. Часы будут идти равномерно в том случае, если тело, на которое силы не действуют, движется равномерно и прямолинейно. Движение при этом рассматривается относительно инерциальной системы отсчета. Эта система отсчета также нуждается в первом законе Ньютона для своего определения.
Статья: Основы классической механики и их связь со свойствами пространства и времени
Еще одна трудность возникает в связи с тем, что два процесса, одинаково равномерных на заданном уровне точности, при более точном измерении могут быть неравномерными. Отсюда возникает необходимость выбора надежного эталона равномерности хода времени.
Существование этих трудностей было известно Ньютону. В своем труде «Математические начала натуральной философии» он ввел понятие относительного времени и абсолютного. Это сделано для того, чтобы выделить необходимость абстрагирования, определения абсолютного времени на основе относительного. Понимание сущности времени Ньютоном не отличается от современного, но определенная путаница возникает вследствие различия в терминологии.
Определение абсолютного и относительного времени в классической механике
Абсолютное время протекает равномерно без отношения к чему-либо внешнему. Относительное время является мерой продолжительности, которая постигается чувствами в процессе какого-либо движения.
Соотношение между понятиями абсолютного и относительного времени выражается в следующем пояснении. В астрономии абсолютное время отличается от относительного уравнением времени. Естественные солнечные лучи, которые при обыденном измерении считаются равными, на самом деле таковыми не являются. Астрономы исправляют это неравенство для того, чтобы применять более правильное время при измерении движения небесных тел. Не исключается возможность, что в природе не существует такого равномерного движения, которым можно было бы с абсолютной точностью измерять время. Все движения могут ускоряться либо замедляться, а течение абсолютного времени всегда неизменно.
Таким образом, относительное время Ньютона – это время измеряемое, а абсолютное время – это его математическая модель, которой присущи свойства, выведенные из относительного времени с помощью абстрагирования.
Пространство и время, как отмечал Ньютон, постигаются органами чувств человека и поэтому являются обыденному, то есть относительными. То есть относительные количества не являются теми самыми количествами, которыми они называются, а являются только лишь результатом измерений указанных количеств, которые постигаются чувствами и принимаются за сами количества.
Для построения модели этих понятий необходимо введение математических объектов, то есть абсолютных. Эти объекты являются некими идеальными сущностями, которые не зависят от неточности приборов.
Утверждение Ньютона о равномерном протекании времени без отношения к внешнему обычно понимают как независимость времени от движения. Однако для Ньютона абсолютное время и математическое являются синонимами.
В классической механике подразумевается одинаковая равномерность течения времени для всех систем отсчета. Это свойство считается очевидным, поэтому Ньютон его не обсуждает и не формулирует в качестве одного из определений либо законов механики. И именно это свойство времени в теории относительности было отброшено. Абсолютное время в том понимании, в каком его определил Ньютон, в современной физике присутствует.
Пространство в классической механике
Если под абсолютным пространством рассматривать существование определенной системы отсчета, то в классической механике его не существует. Примером этому является описание Галилеем невозможности определения абсолютного движения корабля. Таким образом, в релятивистской теории невозможно было отказаться от того, что отсутствовало в классической механике.
Однако, у Ньютона недостаточно ясно определено соотношение абсолютного пространства и относительного. С одной стороны, и для времени, и для пространства термин относительный рассматривается в качестве измеряемой величины, а абсолютный – в качестве ее математической модели.
Абсолютное пространство является безотносительным к чему-либо внешнему, оно всегда неизменно и неподвижно. А относительное пространство – это какая-либо ограниченная подвижная часть, определяемая человеческими чувствами по положению его относительно каких-либо те. В обыденной жизни относительное пространство принимается за неподвижное.
В то же время, в описании есть рассуждения о корабле и моряке, которые можно рассматривать как описание выделенной системы отсчета: если Земля тоже движется, то абсолютное движение тела определяется по движению Земли в неподвижном пространстве и по относительному движению корабля по отношению к Земле и тела по отношению к кораблю. То есть, появляется понятие абсолютного движения, которое является противоречащим принципу относительности Г. Галилея.
Математическая структура классической механики, так же, как и релятивистской теории, достаточно хорошо известны. Из этой структуры следуют свойства, которыми наделяются пространство и время в этих теориях.
Теория относительности продемонстрировала, что те вещи, которые при небольших скоростях кажутся абсолютными, при больших скоростях такими не являются.
