Понятие времени. Окружающий мир находится в процессе постоянных изменений. Процессы следуют в определенной последовательности; каждый из процессов имеет определенную длительность. В мире происходит постоянное развитие. Эти общие свойства развивающегося, изменяющегося мира в сознании человека отразились в виде понятия времени.

Под временем понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности и развиваться по этапам и стадиям.

Таким образом, время не может быть отделено от материи и ее движения, оно является формой существования материи. Так же как не имеет смысла говорить о пространстве самом по себе, не имеет смысла говорить о времени самом по себе. Представление о течении времени вне связи с материальными процессами является бессодержательным. Лишь изучение этих процессов и их взаимосвязей и соотношений наполняет понятие времени физическим содержанием.

Периодические процессы. Среди многообразных процессов, происходящих в природе, обращают на себя внимание в первую очередь повторяющиеся процессы: повторение дней и ночей, времен года, движение звезд по небесному своду, биение сердца, дыхание и т.п. Изучение и сравнение их между собой приводит к идее длительности материальных процессов, а сравнение длитедьностей – к идее их измерения. Практика измерения всевозможных процессов позволяет выделить те из них, которые обладают наилучшим постоянством длительности, и тем самым уточнить выбор процесса, принимаемого за эталон измерения. Ситуация здесь совершенно аналогична той, которая в § 5 была довольно подробно описана относительно протяженности, и нет необходимости повторять уже сказанное.

Принятый за эталон измерения периодический процесс называется часами. Прежде всего возникает вопрос: что зиачит, что часы в различных точках отсчета идут одинаково? Это означает следующее. Пусть некоторый физический процесс может переносить информацию из одной точки в другую. Такой процесс называется сигналом. Им может быть световая вспышка, пуля, выпущенная из одной точки в другую, и т.д. Нет необходимости знать закон распространения этих сигналов; достаточно лишь знать, что посылка, распространение и прием сигналов проходят в неизменных и, следовательно, одинаковых условиях. Тогда будем из одной точки посылать сигналы через одинаковые промежутки времени. Если в другую точку сигналы приходят через те же одинаковые промежутки времени, то можно сказать, что темп хода часов в различных точках одинаков. Такую проверку в принципе можно провести для всевозможных пар точек; при этом выполняется условие, что если темп хода часов в точке $A$ одинаков с темпом хода часов в точке $B$, а темп хода часов в точке $B$ одинаков с темпом хода часов в точке $C$, то темпы хода часов в точках $A$ и $C$ также одинаковы. Конечно, не следует ограничиваться каким-либо одним видом сигналов; проверка одинакового темпа хода часов в различных точках тела отсчета должна быть проведена с помощью всевозможных имеющихся в распоряжении экспериментатора сигналов.

Эти опыты могут в принципе дать два результата: либо окажется, что такая одинаковость хода часов в различных точках рассматриваемой системы отсчета возможна, либо окажется, что часы в различных точках системы отсчета имеют различный ход. Оба мыслимые в принцие результата могут, как показывает эксперимент, иметь место в действительности. Например, возьмем в качестве эталонных процессов (часов) некоторые внутриядерные процессы, которые заведомо не зависят от давления, воздействия температуры и т. д., и будем проверять указанным выше способом одинаковость их хода. Пусть в начале рассматриваемого процесса из точки на некоторой высоте над поверхностью Земли посылается сигнал в точку на поверхности Земли, где происходит такой же процесс, и этот сигнал приходит в точку на поверхности Земли в тот момент, когда в этой точке начинается такой же процесс. Следующий сигнал посылается из первой точки в тот момент, когда в ней рассматриваемый процесс заканчивается. Не имеет значения закон движения сигнала из первой точки во вторую. Важно лишь, чтобы он был совершенно одинаков для всех сигналов, т.е., иначе говоря, чтобы все условия посылки, движения и приема сигнала были совершенно одинаковыми для всех последовательных сигналов. Эксперимент показывает, что второй сигнал придет в точку на поверхности Земли не в момент окончания происходящего там процесса, а несколько раньше.

Такие эксперименты были поставлены лишь сравнительно недавно и будут более подробно описаны позднее. Здесь же нам важно лишь отметить, что в принципе возможна такая ситуация, при которой темп хода физических процессов различен в различных точках тела отсчета. Эта возможная экспериментальная ситуация выражается в виде утверждения, что в данной системе отсчета нет единого времени, в каждой точке скорость течения времени различна. Строго говоря, такая ситуация существует, например, в системе отсчета, связанной с Землей. Но отличие в темпе хода часов в различных точках вблизи поверхности Земли оказывается весьма малым. Например, если разность в высоте часов над поверхиостью Земли составляет около $10 \mathrm{M}$, то длительность некоторого процесса в этих точках отличается друг от друга примерно иа $10^{-15}$ его величины. Это совершенно ничтожное отличие удалось впервые экспериментально наблюдать лишь в 1960 г. Если пренебречь столь малыми различиями в длительностях, то можно сказать, что в системе отсчета, связанной с Землей, существует с большей точностью единое время.

В дальнейшем будут рассматриваться только такие системы отсчета, в которых возможно введение единого времени если не в абсолютном смысле, то хотя бы с достаточной точностью. Заметим, что невозможность введения единого времени у поверхности Земли в приципиальном смысле обусловлена наличием поля тяготения. Но это поле тяготения невелико и с болышой степенью приближения можно говорить о едином времени.

Однако поле тяготения не является единственным фактором, затрудняющим введение единого времени. Пусть, например, система отсчета находится во вращательном движении относительно пеподвижных звезд или движется как-либо ускоренно относительно них. В такой системе отсчета также нельзя ввести единое время. Это утверждение в настоящее время не проверено экспериментом, но его справедливость следует из имеющихся миогочисленных данных. Такие системы отсчета называются неинерциальными. В них единое время можно ввести лишь с определенной точностью. Это обстоятельство будет использовано в гл. 14.

Спрашивается, а существуют ли вообще системы отсчета с единым временем? Ответить на этот вопрос можно так: существуют системы отсчета, в которых возможно введение единого времени с достаточной для практики точностью; основанные на введенном таким образом едином времени теории достаточно хорошо подтверждаотся экспериментом; более того, теория позволяет предсказать отклонения от единого времени, которые проверяются экспериментально.

Синхронизация часов. Длительность физического процесса, происходящего в некоторой точке, измеряется по часам, находящимся в той же точке, прямым сравнением, т. е. путем сравнения длительности физических процессов, происходящих в одной и той же точке. Измерение длительности сводится к фиксации начала и конца измеренного процесса на шкале процесса, принятого за эталонный. Об этом говорится как о фиксации показаний часов в моменты начала и конца процесса, хотя, конечно, это не имеет никакого отношения к фактическому нахождению часов (процесса) в рассматриваемой точке. Результаты измерений дают возможность сравнивать длительности процессов, происходящих в различных точках, но при условии, что каждый процесс от начала до конца происходит в одной и той же точке. Но как быть с физическим процессом, который начинается в одной точке, а оканчивается в другой? Что следует понимать под длительностью этого процесса? По каким часам эту длительность измерять? Ясно, что эту длительность нельзя измерить по каким-либо одним часам. Можно липь зарегистрировать начало и конец процесса по часам, находящимся в различных точках. Однако эта фиксация ничего не дает, поскольку начало отсчета времени на различных часах пока еще никак не согласовано, или, как говорят, часы не синхронизованы между собой.

Простейшим способом синхронизации является такой: «одновременно» у всех часов поставить стрелки на одно и то же деление. Но это бессмысленно, потому чंто неизвестно, что́ такое «одновременно». Поэтому необходимо дать определение синхронизации часов не через какие-нибудь другие известные понятия, а путем ссылки на физические процедуры, с которыми связана эта синхронизация. Прежде всего надо установить физическую связь между часами в различных точках, т. е. снова обратиться к сигналам. Однако теперь важно не только чтобы сигналы распространялись в неизменных физических условиях, но и закон их распространения, который неизвестен и без синхронизации часов не может быть установлен.

Синхронизация часов и изучение законов распространения различных физических сигналов и исторически, и логически развивались параллельно, дополняя и уточняя друг друга. Существенную роль сыграло здесь очень большое численное значение скорости света. Дело в том, что свет с самого начала являлся естественным сигналом для синхронизации часов, причем его скорость в сравнении со всеми другими известными скоростями принималась практически эквивалентной бесконечности. Поэтому возникла идея о синхронизации часов с помощью сигналов, распространяющихся с бесконечно большой скоростью. Она осуществляется так: стрелки часов во всех точках устанавливаются на одно и то же деление; затем из некоторой точки по всем направлениям испускаются сигналы, и каждые из часов запускаются в тот момент, когда сигнал проходит точку, где находятся часы. Эта синхронизация обладает очень важным свойством: если часы $A$ синхронизовать с часами $B$, а часы $B$ – с часами $C$, то часы $A$ оказываются синхронизованными с часами $C$ при любых взаимных расположениях часов $A, B, C$.

Вместо сигналов с бесконечной скоростью монно использовать световые сигналы. Конечно, это будет приближенная синхронизация с ошибкой, равной примерно времени распространения между наиболее удаленными точками рассматриваемой области. Например, для условий повседневной жизни на Земле эта синхронизация вполне удовлетворительна. Она также была долго удовлетворительна и для научных лабораторных исследований. В частности, она позволила изучить механические движения с малыми скоростями и выяпить понятие постоянной скорости. После этого стало возможным произвести синхронизацию часов с помощью сигналов, распространяющихся с конечной скоростью. По существу это есть просто использование определения постоянной скорости: если из точки, тасы в которой показывают $t_{0}$, испускается сигнал с постоянной скоростью $v$, то в тот момент, когда он придет в точку на расстоянии $s$, часы в этой точке долюны показывать $t=t_{0}+s / v$. Нетрудно видеть, что эта синхронизация полностью согласуется с синхронизацией при помощи световых сигналов.

Увеличение точности измерений промежутков времени и увеличение области, в которой производятся измерения, позволяют установить, что скорость света не бесконечна, и измерить эту скорость. После этого сама скорость света включается в совокупность сигналов с конечной скоростью распространения. На этой стадии часы синхронизируются с помощью световых сигналов по формуле $t=$ $=t_{0}+s / c$, где $c$ – скорость света.

При синхронизации с помощью сигнала с постоянной скоростью $v$ всегда возникает вопрос, чему равна эта скорость и действительно ли она постоянна. В частности, этот вопрос относился и к скорости света: как она зависит от направления распространения, скорости источника света, скорости приемника и других физических условий. Исследование этого вопроса в конце концов привело к следующему фундаментальному результату:

Скорость света в инерциальных системах отсчета не зависит от скорости ни источника, ни приемника и по всем направлениям в пространстве одинакова и равна универсальной постоянной $c$.

Эта универсальная постоянная скорость света в вакууме недавно определена с точностью до $1,1 \mathrm{~m} / \mathrm{c}: c=299792,4562 \mathrm{~km} / \mathrm{c} \pm 1,1 \mathrm{~m} / \mathrm{c}$. Путь, приведший к этому заключению, будет более подробно рассмотрен несколько позднее, а сейчас нам нужен лишь результат для определения правила синхронизации часов: любые двое часов $A$ и $B$, находящихся на расстоянии $s$ друг от друга, синхронизованы, если разность показаний часов в момент прихода светового сигнала в точку нахождения одних часов и его испускания из точки нахождения других равна $s / c$. Физический смысл этого утверждения состоит не в том, что двое часов могут быть синхронизованы таким образом, а в том, что эта синхронизация возможна и непротиворечива для всех пар точек системы отсчета.

Практически эта синхронизация осуществляется следующим образом. В некоторой точке, принимаемой за начальную, стрелки часов устанавливаются на 0 , и из нее испускается световой сигнал в виде сферической волны. На часах на расстоянии $r$ в момент прихода фронта этой волны стрелки должны показывать время $r / c$.

Таким образом, когда говорится, что в некоторой точке произошло событие в момент $t$, то имеется в виду, что в момент этого события стрелка часов, находящихся в этой точке, указывала на $t$. Конечно, нет необходимости, чтобы в каждой точке были часы. Это просто краткое выражение утверждения, что если бы в этой точке были часы, синхронизованные указанным образом, то они показывали бы время $t$.

Теперь выполнены все предпосылки для описания движения в системах отсчета, в которых положение точек и время событий могут характеризоваться координатами и временем, точный смысл которых определен в предшествующих параграфах.