Время и современная физика - Зайцева Г.А.
Скачать (прямая ссылка):
Скорость мезонов космических лучей, попадающих на поверхность Земли, приближается к скорости света. Мезоны образуются в верхних слоях атмосферы и прежде, чем достичь Земли, проходят несколько десятков километров, причем их скорость можно приблизительно определить. Поскольку она ,очень близка к скорости света, для таких частиц эффект релятивистского замедления часов должен быть чрезвычайно большим. Кроме того,, известно, что мезон радиоактивен, то есть он не стабилен и самопроизвольно распадается. Замедлив такие мезоны до очень малых скоростей, можно измерить их среднюю продолжительность жизни. В результате удалось измерить время жизни покоящегося мезона, которое оказалось равным 2 миллионным долям секунды. Если мезон будет двигаться даже со скоростью света с, то при таком времени жизни до своего распада он не прошел бы более 500 или 600 метров. Однако опыт показывает, что он проходит в 20 раз большее расстояние. Дело в том, что здесь нужно учитывать релятивистский эффект замедления часов, и только теория относительности дает возможность объяснить опытные факты. Пусть, например, в результате наблюдения за мезоном физик находит, что время жизни мезона в покое равно 2-Ю-6 секунд, а при движений со скоростью, с которой он проходит через атмосферу, оно возрастает до 4 • 10~6 секунд. Рассмотрим теперь часы, .связанные с движущимся мезоном. Вследствие их движения показываемое ими время течет медленнее, чем время у наблюдающего их физика. Поэтому, когда на часах физика пройдет время, равное 40- 10~6 секунды, на часах, связанных с мезоном, пройдет лишь 2-10~6 секунды. Для наблюдателя, связанного с мезоном, время жизни последнего всегда будет равно 2•10~6 се-
145
кунды, так как для него мезон находится в покое. Однако для физика, который связан с Землей и по отношению к которому мезон движется, времени жизни мезона, равному 2-Ю-6 секунды, будет соответствовать по земным часам 40-Ю-6 секунды. Получается непосредственное, очень интересное подтверждение закона замедления времени в движущейся системе отсчета.
Не касаясь других следствий теории относительности, мы в нескольких словах обрисуем возникшее положение. Дорелятивистская физика исходит из представления об абсолютном универсальном времени, не зависящем от пространства и от движения. Теперь эти представления существенно меняются — время становится величиной, тесно связанной с движением и с пространством: существует столько же различных времен, сколько имеется различных движений и точек пространства. При этом различные локальные времена являются временами в математическом смысле, в точности соответствующими постулатам об инвариантности законов динамики и неизменности скорости света при переходе от одной гали-леевой системы отсчета к любой другой галилеевой системе.
Теперь посмотрим, каким образом это релятивистское время становится неприемлемым в квантовой физике.
Время в квантовой физике
В основе современной физики лежит понятие квантования. Кратко напомним его смысл. Любая физическая система характеризуется некоторым числом сопоставленных с ней величин: положением в пространстве, скоростью, энергией и т. д. Именно с этими величинами имеет дело экспериментатор, причем любой опыт заключается в измерении одной или нескольких подобных величин. В классической физике принималось, что при соответствующим образом* подобранных внешних условиях величины, сопоставленные с системой, могут принимать произвольные значения, по крайней мере в определенных пределах. В противоположность этому новая физика основывается на принципе, подтвержденном на опыте, согласно которому физическая величина в общем случае может принимать лишь дискретную последовательность значений. Поэтому физическая система, например атом,
146
не может переходить из одного состояния в любое другое состояние.
Волновая механика ставит своей целью:
1. Определять, какие возможные значения может принимать рассматриваемая величина для заданной системы.
2. Зная состояние системы в заданный момент, а также воздействия, которым она подвержена, предсказывать ее состояние в последующий момент
Ответ на второй вопрос в общем случае не вполне определен и не однозначен. Можно делать лишь статистические предсказания — находить вероятности того, что в конечном итоге система окажется в том или ином квантовом состоянии. Система может оказаться в любом состоянии, вероятность которого отлична от нуля. В результате законы новой физики уже не будут детерминистскими законами в обычном смысле этого слова, а лишь вероятностными законами. Статистические законы приводят к вполне определенным результатам только в том случае, когда мы выходим за пределы микроскопических масштабов и рассматриваем систему из очень большого числа элементарных систем; когда вступает в силу закон больших чисел, вероятностные распределения переходят в обычные распределения по состояниям.
Если нарушение классического детерминизма в микроскопическом масштабе столь существенно, как это, по-видимому, следует из современных представлений, то в микроскопическом масштабе необходимо отказаться от старого представления о времени. Фактически в физике время тесно связано с детерминизмом, и любое изменение подхода к одному из этих понятий должно приводить также к изменению подхода к другому понятию.
