Без формул

Электронный учебник, в котором изложены основы физики для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по физике и не только.

С формулами

Базовые понятия, законы и формулы из основных областей физики.

Глава 14. Откуда берется время

Те, кто не поленился и прочитал информационный блок о теории относительности, наверняка остался впечатлен фокусами со временем. Как это так – время замедляется при росте скорости?! Что это означает? А это означает, что все процессы в месте замедления времени идут медленнее.

– Но позвольте! – скажет умный человек в круглых очках. – Если все процессы идут медленнее, и часы в том числе, то откуда мы знаем, что время замедлилось? Мы этого просто не заметим, ведь замедлились все процессы!

Верно. Внутри такой системы, в которой замедлилось время, никто ничего не заметит. Это будет заметно только снаружи. Ведь все познается в сравнении! Размеры предметов измеряются методом сравнения их с линейкой, временные промежутки – путем сравнения их с промежутками времени, отмеряемыми часами. А если не с чем сравнивать, то как узнаешь?

Поэтому о замедлении времени в какой-то системе может судить только внешний наблюдатель, находящийся вне этой системы. Вот он как раз и может сказать:

– Ой! А у вас часы идут медленнее. И стареете вы как-то медленнее, чем я. И двигаетесь. И думаете. Вы, наверное, тормоз!

В общем, теория относительности показала, что относительны не только масса и пространство, но и время: масса тела с увеличением скорости растет, линейные размеры тела (то есть само пространство) сокращается, а время замедляется.

Но что такое время?

Немало философов ломало голову о природе времени. Физики ньютоновской эпохи полагали: вот есть материя, из которой сделано все; есть пространство как вместилище всех вещей; и есть время как мера длительности происходящих процессов. Материя – это актеры, сцена – это пространство, а длительность спектакля – это время. Причем пространство и время останутся, даже если из мира убрать материю.

Современная физика полагает иначе: есть только квантовое сущее, которое проявляет себя в трех ипостасях – как материя, пространство и время. Есть бескрайний океан вакуума, в котором все происходит и волнения которого мы воспринимаем как вещество и поле.

На бытовом уровне с веществом все понятно. Мы и сами вещество и имеем дело с веществом всю жизнь. С пространством тоже нет непоняток – если далеко, то лучше лететь на самолете: он быстрее перемещается в этом самом пространстве. И вообще, если бы не пространство, где бы тогда помещалось вещество? Тут у нас непонимания нет. Все очень просто.

А вот время…

Оно – что? Как его пощупать? Можно ли его выделить в некую отдельность? Почему люди говорят о стреле времени, о том, что оно проходит безвозвратно, и что прошлого не вернуть?

Я вам на эти вопросы отвечу сразу: никакого «отдельного» от материи времени нет. Есть только происходящие процессы.

Мы говорим о наличии времени только тогда, когда происходят события. Нет событий – нет времени.

Столкнулись позитрон с электроном, превратившись в кванты электромагнитного излучения – это событие. Каркнула ворона – это событие. Умер человек – это событие. Поскольку в мире все время что-то происходит, мы и говорим о наличии времени.

Время, как и массу, как и расстояние, мы отсчитываем по калиброванным отрезкам. Мы договорились: вот такой вот отрезок пространства считать метром, вот такой вот кусок массы – килограммом, а вот такой отрезок времени – секундой. Эталоны метра и килограмма хранятся в парижской Палате мер и весов. Эталонный метр сделан из твердого и почти не подверженного температурным расширениям платино-иридиевого сплава. Эталон килограмма сделан из того же материала и представляет собой цилиндр высотой и диаметром в 39 мм.

А вот секунду в Палату мер и весов не положишь. Ее эталон овеществлен в особо точных атомных часах – чертовски сложном приборе, в котором используются неизменные природные процессы – электромагнитные колебания возбужденного атома цезия, например.

Эталонные метры имеют в сечении сложную форму. Это чтобы не гнулись!
Эталонный килограмм накрыт колпаками, чтобы уменьшить все воздействия, включая оседающую пыль.
Атомные часы

В быту для измерения времени нами используются приборы попроще – обычные механические или электронные часы, которые из-за их примитивности все время приходится подстраивать под сигналы точного времени. А некоторые электронные наручные часы уже умеют ловить сигналы точного времени, передающиеся по радио, и сами подстраиваются.

Мы смотрим на круговое движение стрелок и так определяем время. Раньше люди измеряли время по течению песка в песочных часах или воды в водяных, по движению тени в солнечных часах. В общем, всегда люди отмеряют время по какому-то равномерному движению.

Потому что времени, как отдельной субстанции нет, есть только движение материальных объектов в пространстве, которое мы и воспринимаем, как время.

– Но если времени нет, почему тогда у времени есть свойства? – спросит тот же умник в круглых очках. – Такое, например, свойство, как однонаправленность. В пространстве можно перемещаться во все стороны. А во времени – только в будущее.

Верное замечание. Но что мы понимаем под однонаправленностью времени? Что значит «нельзя переместиться в прошлое»?

А это значит, что нельзя стать моложе, например. Мы все своим чередом идем от детства через юность и молодость к зрелости и старости. И остановить этот процесс не можем. Если стакан разбился, мы не можем вернуться в прошлое и переставить его от края стола подальше. Если у нас кончились деньги или другие ресурсы, мы не можем вернуться в прошлое, когда они у нас еще были, и перепланировать траты.

Почему в пространстве путешествовать можно, а во времени нельзя?

Да потому и нельзя, что пространство есть, а времени нет – не в чем путешествовать! Мы видим, как перемещаются в пространстве предметы – вот и вся иллюзия времени. Хотите попасть в «прошлое», просто переместите все предметы, все поля, все частицы в мире в то положение, которое они в прошлом занимали, и задайте им те скорости, которые они имели тогда – вот и все. Можно это сделать?

Нельзя.

Потому что стакан уже разбился, а мы состарились – и не можем повернуть эти процессы вспять. Вот в этом и заключается весь фокус: не время необратимо! Необратимы некоторые физические процессы – вот в чем кажущийся феномен необратимости времени.

Мы не можем повернуть вспять некоторые формы движения материи.

Мы не может омолодиться. Мы не можем потраченную из батарейки карманного фонарика энергию вернуть обратно, потому что она уже превратилась в свет и тепло – и фотоны излучения безвозвратно рассеялись в пространстве. Как их теперь собрать по квантам во вселенной и засунуть обратно в батарейку? Да никак! Поэтому время, точнее, большинство процессов движения необратимы.

Причем с точки зрения физики они необратимы принципиально! И отсюда вытекает много следствий – например, невозможность создания вечного двигателя второго рода, то есть такого двигателя, который бы преобразовывал зряшное тепло в полезную работу.

Непонятно?

Что ж, придется поговорить про вечные двигатели. Это будет крайне занимательная и весьма поучительная беседа!

Эта идея – сделать вечно крутящееся колесо – занимала человечество сотнями лет. Еще древние… нет, на сей раз не греки, а индусы мечтали построить такую штуку, чтобы она крутилась вечно и сама по себе. Однако самый пик изобретательства пришелся на европейское Средневековье и эпоху Возрождения. Тогда как раз вовсю строились мельницы, вот европейские механики и задумались: а нельзя ли такое приспособление соорудить, чтобы никакой внешний привод – ни от течения реки, ни от ветра – не был ему нужен. Ведь не везде есть ручьи и речки, не везде дуют постоянные ветра. Как хорошо было бы – построил, запустил один раз такое колесо, присоединил к нему мельничные жернова для помола муки, и оно само крутится. «Перпетуум мобиле» – вечное движение на латыни.

Вот один из самых известных проектов вечного двигателя. «Раз справа шарики расположены дальше от центра колеса, то по закону рычага они будут сильнее давить вниз, чем шарики слева, находящиеся ближе к оси. И колесо начнет безостановочно крутиться!» – рассуждал изобретатель. Однако на деле никакого вечного кручения не будет, поскольку хоть левые шарики и ближе к оси, то есть давят вниз с меньшей силой, зато их там больше.

Наивные были люди! Это мы с вами сегодня умные, это нам с вами понятно, что халявы в мире не бывает, за все надо платить – в физике сей бытовой принцип носит название закона сохранения массы-энергии. А сотни лет назад тысячи изобретателей всерьез пытались получить патент на создание вечного двигателя.

Засилье этих идиотских проектов так утомило ученый мир, что Парижская академия наук еще в конце XVIII века приняла решение не рассматривать больше проекты вечных двигателей.

Потому что вечный двигатель невозможен! Его существование противоречит закону сохранения энергии. И баста.

Но это изобретателей не остановило. С течением времени они придумывали все более сложные конструкции, а с наступлением эпохи паровых машин начали проектировать вечные двигатели второго рода. Что это значит? Объясню…

Вечными двигателями первого рода называют механические устройства, которые, по замыслу изобретателя, должны работать вечно. Типа того колеса, что на рисунке.

Вечные двигатели второго рода – это тепловые машины, которые умеют превращать в полезную работу окружающее нас тепло. Это требует некоторого пояснения. Но сначала давайте вместе немного порассуждаем о вечных двигателях в принципе.

Допустим, что вечный двигатель возможен. Придумали мы такое колесо или конструкцию, которая может вечно крутиться. В конце концов, природа знает примеры «вечного движения» – Земля крутится вокруг своей оси и вокруг Солнца миллиарды лет и даже не думает останавливаться! Чем не вечный двигатель? Более того, законы механики гласят, что любое тело, если на него не действуют никакие силы, будет либо покоиться, либо двигаться равномерно и прямолинейно. И даже не всегда прямолинейно, как мы видим на примере кружащейся вокруг Солнца Земли. Так чего ж ученые морочат нам голову, будто вечное движение невозможно? Возможно!

Вечное движение, конечно, возможно. Более того, движение из вселенной устранить никак нельзя, оно от природы присуще материи, которая только и существует в движении. И самый простой вечный двигатель – обычное колесо на оси. Если его раскрутить хорошенько, то есть придать ему энергию, то теоретически колесо будет крутиться вечно, как и наша планета. Потому что существует закон сохранения энергии, и коль уж мы энергию к телу приложили, бесследно никуда она исчезнуть не может – колесо обязано крутиться вечно!

Но мы знаем из опыта, что оно крутиться вечно не будет, а вскоре остановится. Значит, какие-то силы на колесо все же действуют, а энергия, запасенная нами, куда-то утекает, как вода из худого ведра.

Что за паразитные силы такие действуют на наше колесо? Да обычные силы трения! То есть силы сопротивления движению. Колесо трется об ось, постепенно стачивая ее и нагревая. Потрите сильно-сильно ладони друг о друга, они нагреются и покраснеют. Вот вам типичный пример действия трения – ваша механическая энергия переходит в дурное тепло. А еще колесо трется о воздух, нагревая его и гоняя ветер. Поэтому самолеты и автомобили стараются сделать более обтекаемыми, чтобы на сопротивление воздушным потокам не пришлось тратить лишнее топливо. А движущиеся детали – колеса и шестерни – сажают на специальные подшипники и смазывают, чтобы уменьшить потери энергии на трение.

Ну, а если бы наше гипотетическое раскрученное колесо вращалось без всякой оси и в космосе, где нет воздуха? Тогда бы оно вращалось вечно, как вращаются планеты.

О-кей. Допустим, нам удалось создать идеальный подшипник без трения, поместить колесо в вакуумную камеру и как-то его там раскрутить – тогда у нас получится вечный двигатель. Но очень глупый! Потому что ведь нам нужно не само по себе вечное движение, а полезная работа! Что мы будем делать с этим вечным двигателем? Глазеть на него, моргая?

Как только мы присоединим к этому вечному колесу какую-нибудь ось с жерновом и заставим молоть зерно, то есть будем наше колесо активно тормозить работой, так оно тут же и затормозится! И нам снова придется его раскручивать, преодолевая сопротивление. Не проще ли тогда крутить жернов вручную? На фига промежуточное колесо-то?

Работающий механизм не может добывать энергию «из ниоткуда».

Жизнь так сложилась, что если нужна полезная работа, то необходимо где-то добывать для нее энергию. Или хорошенько покушать и самим крутить, или пусть ветер крутит мельницу, или пусть река крутит турбину электростанции. А еще много скрытой энергии содержится в топливе. Если его сжечь, получится куча тепла, с его помощью можно нагреть воду в котле, превратив ее в пар, а уже сжатый пар может толкать поршень или крутить какой-нибудь агрегат. Именно это и происходит на тепловых электростанциях, где перегретый пар крутит ротор электрогенератора.

Но потом, когда топливо сгорит, все выделенное им тепло, вылетев в трубу, рассеется в пространстве. И тепло от трения тоже рассеется в пространстве. И вообще любая-любая работа, которую мы производим, в конечном итоге сводится только к одному – к безвозвратной потере энергии в виде рассеянного тепла. Такова природа: все высокоорганизованные виды энергии (механическая, электрическая, кинетическая) в конце концов превращаются в низкоорганизованное бросовое тепло.

– А нельзя ли его обратно собрать из окружающей среды? Тогда получится вечный двигатель второго рода! Мы не нарушим закон сохранения энергии, ведь мы не будем брать энергию из ничего. Мы просто соберем ту энергию, что уже рассеялась, и заново заставим работать! – задумались изобретатели. И начали конструировать разные фантастические проекты. Вся суть которых в конечном счете сводилась к сбору рассеянного тепла из окружающей среды с целью его концентрации (нагрева чего-то конкретного) для совершения в последующем полезной работы.

Однако строгие физики каждый раз указывают таким вот горе-изобретателям:

– Ребята! Принципиально невозможно тепло от более холодного тела передать более горячему, сделав его еще горячее. Тепло может переходить только от горячего к холодному, а не наоборот!

Почему это так, мы скоро поймем, а пока послушаем дальше физиков:

– Для совершения любой работы нужна разность потенциалов, разность энергий. Это может быть разность электрических потенциалов в электротехнике. Или разность потенциальной энергии тел, находящихся на разной высоте – например, поднятая над уровнем пола гиря в часах с кукушкой имеет больше энергии, чем та же гиря на полу. Или текущая сверху вода – за счет разницы высот она может крутить турбину или водяное колесо. А если разницы высот и, соответственно, течения нет, колесо не будет крутиться. Точно так же и с тепловыми машинами – там вся полезная энергия добывается из разницы температур между горячим телом (например, горящим топливом) и холодной окружающей средой.

Если нет разницы потенциалов (электрических, температурных или высотных), будет полный покой и никакого движения, способного совершить полезную работу. Нужен поток! Поток энергии (электронов в виде тока, текущей воды, передающегося от горячего тела к холодному тепла). Нет потока – нет работы.

А передача тепла от холодного тела к горячему так же невероятна, как вода, сама по себе текущая в гору! Поэтому вечный двигатель второго рода и невозможен. Да, вокруг нас полно паразитного тепла – оно и в воздухе, и в воде, но попробуй его собери! Попробуй-ка организуй «кучку тепла», из которой потом можно будет организовать обратный поток в окружающую среду для пользы дела.

Представьте себе большой баллон с газом, разделенный пополам перегородкой. В левой половинке баллона у нас газ под большим давлением, а в правой половинке – под малым. Температура газа одинакова. Это значит, что скорости молекул в обеих частях одинаковы, просто слева (где высокое давление) молекул больше и их пробег между соударениями короче.

Разница потенциалов налицо – с одной стороны высокое давление, с другой низкое! Что теперь произойдет, если мы уберем заслонку между половинками баллона или откроем на ней какой-нибудь вентиль?

Давление выровняется. И в обеих частях баллона будет мельтешить одинаковое количество молекул.

Пока давление выравнивается, мы можем поставить под дутье турбинку и получить кручение – полезную работу. А вот когда давление выровняется, турбинка крутиться перестанет.

Может ли так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа в баллоне вдруг сами по себе совершенно случайно соберутся в одной части баллона? Да нет конечно! Чисто статистически это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!

Теперь представим другую ситуацию. Тот же баллон, только теперь в левой части газ нагретый, а в правой – холодный. Убираем перегородку, и что происходит? Энергичные и быстрые («горячие») молекулы из левой части начинают сталкиваться с «холодными», то есть медленными молекулами из правой части, подталкивая и подгоняя их. А сами при этом будут свою скорость терять. И в результате через некоторое время скорости молекул усреднятся.

Может теперь так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа вдруг как-нибудь сами по себе совершенно случайно разделятся на две группы – очень быстрых и очень медленных? Да нет конечно! Это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!

Вот в этом и заключается феномен однонаправленности времени. Он носит чисто статистический характер. Просто большинство происходящих в мире процессов статистически необратимы!

Выравнивание температуры (вверху) и давления (внизу) в баллоне

Времени как такового нет. Есть только необратимые с точки зрения теории вероятности процессы. Нет, они не невозможны! Они просто настолько маловероятны, что для их реализации не хватит времени существования всей вселенной.

Это значит, что все в нашем мире ведет к усреднению и деградации. Когда-нибудь все запасы энергии во вселенной будут потрачены и превращены в рассеянное тепло. Все неравномерности и разности потенциалов усреднятся, и в мире просто ничего не будет происходить. Эта печальная картина получила в науке название тепловой смерти вселенной.

Глава 14. Откуда берется время
5 (100%) 3 votes

Добавить комментарий

avatar
480
Владимир
Владимир

А как же газокомпрессорные охладители, типа холодильников и кондиционеров? Они переносят тепловую энергию от холодного тела к горячему, затратив меньше энергии, чем переносят. При потребляемой мощности менее киловатта кондиционер охлаждает на несколько киловатт(точнее, переносит тепло).

Димитрий
Димитрий

Скорее наоборот) Потребляет несколько киловатт и охлаждает на мощность менее киловатта… Несостыковок нет)

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить