Речь тут не столько о времени, сколько о движении, об относительности скоростей, вернее, об отношении метров и секунд. Думаю, материал будет интересен тем, кто плохо знает о сути релятивизма, и тем, кто считает, что знает об относительности всё.
Было время, когда у механических маятниковых часов, придуманных человеком в 17-м веке, не было ни минутной, ни секундной стрелки, была одна часовая стрелка. Но циферблат был тот же – 12 делений по кругу, иначе – 12 часов. 12 часов дня и 12 часов ночи. Всего – 24 часа в сутках, что соответствовало полному обороту Земли вокруг своей оси. С усовершенствованием механизма часов, во второй половине 17-го века, на часах появились и минутная, и секундная стрелки. Почему? Людям пришла простая идея – разбить каждый час на 60 минут, а каждую минуту – на 60 секунд. Один полный период колебания маятника часов соответствовал двум секундам (длина маятника – 0,994 м; для периода колебания в одну секунду длина маятника – 0, 25 м). Таким образом, длительность секунды, как и минуты, и часа, не даны нам Богом или иным мистическим способом, а придуманы человеком, и основываются на скорости вращения Земли вокруг своей оси. Исток нашего времени – скорость осевого, периодического вращения Земли! В 1940-х годах 20-го века секундой назвали 1/86 400 долю средних солнечных суток. Но в 1960 году секунду привязали к орбитальному вращению Земли вокруг Солнца. Секунда стала 1/31 556 925, 9747 долей тропического года. Сегодня секунда в атомных часах привязана к частоте излучения атома цезия. И всё равно решающим в нашей жизни остаётся астрономическое время, и потому даже атомные часы нужно периодически подстраивать.
Справедливо допустить, что если бы наша Земля имела иной радиус (больше-меньше), иную массу, иной период осевого обращения, то длительность секунды была бы иной. Конечно, при условии, что люди на такой Земле точно также придумали такую же систему исчисления времени (24, 60, 60), как у нас. И ещё. Чтобы изменить скорость осевого вращения нашей массивной планеты, ускорить или замедлить, нужно затратить очень большую энергию. Скорость, стало быть, а значит и время, это ещё и энергия! Движение, скорость – исходны! Скорость – неразрывная связь пространства и времени. Через скорость можно выразить и секунды, и метры. Но главное – наше время завязано на скорости периодического, циклического движения! При изменении физических параметров планеты, у секунды, как производной от скорости, может изменяться интервал, как увеличиваться, так и уменьшаться.
На этом фоне ясностей и понятностей вдруг возникает скорость света, которая как бы никак не связана с цикличность, периодичностью. К тому же свет распространяется от источника во все стороны равномерно, с одинаково большой скоростью – 300 тысяч км/сек. Скорость света не зависит от движения или покоя источника света. По здравому разумению, такие особенности распространения света говорят о том, что свет распространяется в однородной, изотропной материальной среде с очень большой плотностью. Позднее выяснилось, что свет соединяет в себе корпускулярные и волновые свойства. Энергия световых частиц прямо пропорциональна частоте: чем больше – тем больше. Т. е. свет всё-таки связан с периодичностью движения, где скорость – постоянная, неизменная величина! Но скорость света измеряется в секундах, придуманных человеком, выведенных из осевого вращения Земли! Если скорость света сделать в физике эталоном, абсолютом, то наши принятые строгие единицы измерения времени и пространства (секунды и метры) автоматически перестают быть абсолютами! Ведь при рождении секунды абсолютом скорости была осевая скорость вращения Земли! Все прочие скорости объектов и так считались относительными, но здесь их относительность становилась принципом, законом. Глупо оспоривать относительность скоростей, чем, собственно, и является теория относительности. Скорость – неразрывная связь пространства и времени. Изменяется скорость – изменяется собственное время движущегося объекта. Однако постулирование постоянства, неизменности скорости света в среде физ. вакуума автоматом постулирует неизменность секунды, потому что скорость света измеряется именно в «наших» метрах и секундах!..
В своё время И. Ньютону даже в голову не могло прийти, что скорость света может стать эталоном скорости в физике! Однако ему хватило смелости – совершенно безосновательно постулировать абсолютность нашего земного времени на всю вселенную. Точно также он абсолютизировал и пространство, чему, конечно, были основания, ведь свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью. Но «наше» время – совсем другое дело! «Наше» время производно от осевой скорости вращения Земли. И уверять других, что течение его справедливо для всей вселенной, по крайней мере – неосторожно. С этими ньютоновскими абсолютами времени и пространства физика жила до конца 19-го века. Но потом учёные стали задумываться – а прав ли Ньютон в абсолютизации времени и пространства?! В сущности, вот тут и начались пляски вокруг секунды, потому что для измерения всех скоростей, больших и малых, используется, повторяю, только она, «наша» секунда, другой единицы измерения времени нет!
Почему произошла абсолютизация скорости света? Потому что это – универсальная скорость взаимодействия и в электромагнетизме, и в гравитации. Потом сюда же добавятся слабые и сильные взаимодействия, но это будет лишь в 20-м веке. В первой половине 19-го века, с введением М. Фарадеем в обиход науки представлений о поле, учёные со страстью занялись изучением этой новации. Жаль, что в школах не рассказывают ученикам, как физики в середине 19-го века «издевались» над магнитами и магнитными полями, пытаясь понять их природу. Сегодня так, вероятно, «издеваются» над бедным протоном в Большом адронном коллайдере. Если магнитное поле (как и поле электрического заряда) есть истечение или втечение некой субстанции, то можно ли влиять, изменять скорость этих истечений-втечений?! Магниты ускоряли во всех возможных направлениях, вдвоём и поодиночке, раскручивали, поднимали в горы, бросали с больших высот, бросали с ускорением вверх, жгли огнём, топили в воде, в кислоте, в щёлочи и многое другое. И всё в надежде на то, что характеристики магнитного поля как-то изменятся, магнитные связи ослабнут, разорвутся. Но ничего подобного не происходило! Магнитное поле оставалось неизменным.
В механике Г. Галилея, в механике малых скоростей, всё было просто и понятно. Сложение и вычитание относительных скоростей объектов не составляет большого труда и объяснимо. Но то, что творилось со светом и магнитными полями и взаимодействиями полей, не шло ни в какие ворота! Теорема о сложении и вычитании относительных скоростей тут не работала! И действительно, если бы магнитные и электрические поля были подвержены изменению при всех видах ускорений, торможений, воздействии, то как могли устойчиво сохраняться связи и взаимодействия в веществе, в средах, в работе электрического генератора и электрического двигателя?! Передумав обо всём этом, Дж. Максвелл написал свои уравнения электромагнитного поля в кватернионной форме, где учитывались все подобные моменты. В уравнения вошла величина c (це), как некая инвариантная константа скорости взаимодействия. Она была необходима, без неё ничего не клеилось. К тому же величина це оказалась неразрывно связанной с величинами магнитной и электрической проницаемости (способностью вещества поляризоваться под действием магнитного или электрического поля). Уравнения Максвелла в кватернионной форме были инвариантны относительно преобразований Галилея. Они хорошо объясняли нерушимость электромагнитных связей в телах, неизменность взаимодействий при иных скоростях объектов и отношениях скоростей, неизменность природы магнитных полей. Но объясняли на основе материальной среды эфира, в котором кольцевые, вращательные движения атомных частиц вызывали вращательные поля левого и правого винта. Скорости кольцевых вращений атомных частиц у разных веществ различны, потому и длины вихревых волн отличаются. Вот почему постоянный магнит, простите, магнитно взаимодействует с железом, но не магнитит медь или алюминий, тоже металлы. Ключевым моментом теории Максвелла было вращение поля, вызванное кольцевым движением атомных частиц (по теории Ампера). Эти вихревые поля вокруг частиц имели не только ориентацию в пространстве, но и градиенты скоростей, разность скоростей. Но учёных бесило то обстоятельство, что среда эфира есть, но никак невозможно обнаружить движение объектов относительно эфира! Эфир был неуловим. Тогда стали искать эфир с помощью света, точнейших прецизионных опытов с интерференцией света. Ничего!..
Г. А. Лоренц и другие учёные причину нашли в изменении линейных размеров объекта в направлении движения. Т. е. метр перестаёт быть стандартным метром. Работы А. Пуанкаре добавили к этому, что, с точки зрения покоящегося наблюдателя со стороны, на собственных часах движущегося объекта время как бы отстаёт от часов покоящегося наблюдателя. Нет, это не потому, что часы пошли там медленней, а потому что сказывается разность, относительность скоростей. Путь, измеренный в одной системе координат, будет совсем другим в другой системе координат из-за сокращения линейных размеров движущегося тела. Но надо понимать, что на самом деле изменяется не путь в другой системе координат, а изменяется скорость! Изменения относительных скоростей и дают фокусы с изменением метров и секунд. Повторю, изменения скорости объектов всегда связано с изменением энергии. А в релятивизме нет никаких изменений энергии, а есть лишь относительность скоростей; ну, можно сказать, относительность энергий движения. И такие впечатляющие результаты! Абсолютность времени и пространства Ньютона с грохотом рухнула! Абсолютность, которой никогда на самом деле и не было! Об относительности всякого движения и покоя понимали неплохо ещё древние натурфилософы. Но понимание природы времени, утверждение единицы измерения времени шло долгие столетия.
Релятивистские преобразования координат и времени в окончательном виде выведены Лоренцом и Пуанкаре, как частный случай относительности скоростей, и где время выступает в качестве четвёртой координаты пространства (ct), что подчёркивает неразрывность пространства и времени в скорости. Эйнштейн позднее вывел эти же преобразования Лоренца, как всеобщий принцип природы, основываясь на двух постулатах о свете и инерциальных системах. Пуанкаре первым отметил, что преобразования Лоренца есть группа симметрий, есть гиперболические повороты в четырёхмерном пространстве вокруг начала координат. От себя добавлю: и не просто повороты, а вращения, если перейти на язык физики движения, физики нелинейной динамики! Вращения отличаются как угловой скоростью, так и направлением, ориентацией. Вот так, не мытьём, так катаньем, учёные вернулись к похеренным кватернионным уравнениям Максвелла. Но только не спешат это видеть! Мол, преобразования Лоренца не вписываются в уравнения Максвелла, и из них нельзя получить периодические функции синуса и косинуса. Но, как сообщают некоторые нынешние исследователи, «если вместо преобразований Лоренца использовать преобразования по геометрии Минковского, то гиперболический синус и косинус легко переходят в синус и косинус при смене действительного аргумента на противоположный мнимый аргумент. Это как раз и соответствует переходу от прямолинейного движения к замкнутому движению…». К слову сказать, Минковский заимствовал эту идею у Пуанкаре, и в 1908 году опубликовал статью «Фундаментальные уравнения электромагнитных процессов в движущихся телах». Именно тогда Минковский ввёл в обиход науки пространство скоростей, где время и пространство перестали быть независимыми понятиями, а объединились в единое.
Если сказать обо всём этом простыми словами, то везде и всюду мы видим именно вращательную, циклическую динамику, будь то в малом, будь то в большом. Натурфилософы древности видели и понимали, что все устойчивые движение цикличны, периодичны. Но в пору Г. Галилея, когда учёные занялись математическим анализом этих периодических динамик, в науку нежданной гостьей вошла линеаризация (выпрямление). Утвердилось представление о равномерном и прямолинейном движении, чего на самом деле нет и никогда не было. Да, линеаризация сыграла свою положительную роль. Однако полномочия её вышли далеко за пределы допустимого. Линеаризация стала тормозом и обузой в понимании важнейших моментов физики. Но, вскрывая природу времени, природу секунды, природу скорости и относительности скоростей, мы приходим с неизбежностью к ведущей роли вращательных, периодических, циклических динамик. Причина всякого движения, изменения скорости, есть взаимодействие. А где есть взаимодействие – там нет линейности движения.