Единая модель циклической единицы времени в астрономии

В предыдущих разделах мы довольно свободно обращались с такими фразами, как «процесс и его собственное время», «процесс генерирует собственную единицу времени», «моменты времени определяются через состояние процесса» и т. п. Поскольку в надлежащих местах не приводились необходимые пояснения, то у читателя вполне естественно могли возникнуть затруднения в том, как следует воспринимать понятие собственного времени процесса и каким образом определять его единицу измерения. Восполняя этот пробел, прежде всего, обратимся к опыту астрономической науки в этой области знания.

В астрономии за два с половиной тысячелетия своего развития выявлено и изучено большое количество циклических процессов, происходящих в космическом пространстве. Среди них вращения Солнца и планет Солнечной системы вокруг своих осей; обращения спутников вокруг планет; движения планет, астероидов, комет, метеорных тел и космической пыли вокруг Солнца, а также Солнца вокруг центра Галактики; всевозможные сближения, противостояния, группирования и даже пересечения траекторий больших и малых материальных объектов Солнечной системы; пульсация яркости звезд, солнечная активность, вариации галактических космических лучей и др.

В сущности, каждый из упомянутых циклических процессов можно было бы положить в основу определения понятия времени и его единиц измерения. Однако на историческом пути развития человеческого разума предпочтение было отдано трем процессам — вращению Земли вокруг своей оси, движению Луны вокруг Земли и обращению Земли вокруг Солнца. Эти процессы настойчиво напоминали о себе всему живому и столь же настойчиво подсказывали, с чего именно следует начинать учет природных явлений. Древние люди правильно поняли подсказки Природы и успешно справились с решением этой задачи, выделив три натуральные единицы времени — сутки, лунный месяц и год. Поначалу, опираясь только на визуальные наблюдения, они, по существу, придерживались следующих определений:

сутки — это единица счета для перечисления восходов или же заходов Солнца;

лунный месяц — единица для перечисления новолуний или же полнолуний;

год — это единица, предназначенная для перечислений таких событий, как первые снегопады, наступления весен, разливы реки Нил, восходы звезды Сириус над горизонтом и др.

Легко понять, что данные определения носят качественный характер. В них не оговаривается, каким образом следует интерпретировать соответствующие природные явления для того, чтобы иметь их однозначное толкование с точки зрения различных наблюдателей. Например, под восходом Солнца можно понимать и появление зари, и рассвет, и т. п. А как быть, если небо покрыто черными непроницаемыми тучами? Или же то, что в следующий раз Солнце поднимается из другой точки горизонта. Это то же самое событие или же нечто иное?

Несовершенство определений суток, месяца и года не помешало древним астрономам создать календарь — единую шкалу времени для упорядочения природных явлений, возникновение которой стимулировало человеческую мысль к дальнейшим глубоким исследованиям понятия времени. Оставляя в стороне эти вопросы, обратим внимание на схожесть трех определений, которая представляет возможность сформулировать более общее определение, приемлемое для произвольного циклического процесса.

Натуральной мерой времени циклического процесса назовем единицу исчисления последовательности повторяющихся «одинаковых» состояний процесса.

Такая формулировка охватывает не только приведенные нами несовершенные определения суток, месяца и года, основанные на визуальных наблюдениях. В ней содержатся также и их новые определения, принятые в современной астрономии. Для того чтобы убедиться в этом, напомним определения звездных суток и тропического года (см., например: Л.С. Xренов, И. Я. Голуб. Время и календарь.— М.: Наука, 1989).

«Звездные сутки — это промежуток времени между двумя последовательными верхними кульминациями на одном и том же географическом меридиане одной и той же звезды или точки весеннего равноденствия».

«Тропический год — промежуток времени между двумя последовательными прохождениями центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия».

Может показаться, что оба определения не очень-то подходят для наших целей. Вместо того чтобы характеризовать соответствующие понятия в качестве первоосновы для развития представлений о времени, генерируемом каждым процессом, они задают правила измерения продолжительности протекания процесса между его одинаковыми состояниями. Однако все станет на свои места, если мы изменим направленность этих определений. И тогда получим следующее.

Звездные сутки — это единица исчисления последовательности повторяющихся верхних кульминаций на одном и том же географическом меридиане одной и той же отмеченной звезды.

Тропический год — это единица исчисления последовательности повторяющихся прохождений центра диска Солнца через точку весеннего равноденствия.

Итак, из двух различных, вообще говоря, несвязанных между собой процессов — вращения Земли вокруг своей оси и движения Земли вокруг Солнца — получены их собственные единицы исчисления, названные нами натуральными мерами времени. Конечно, эти меры можно сравнивать друг с другом и даже объединять в единую шкалу. Однако, когда речь идет об исследовании и прогнозировании каких-либо процессов, обусловливаемых по отдельности или вращением Земли, или ее движением вокруг Солнца, кажется вполне обоснованным использовать только одну соответствующую меру времени. Что же касается тех процессов, протекание которых зависит и от вращения и от движения Земли, то представляется естественным давать их описание не в единой шкале времени, а в сочетании двух независимых собственных времен, в основу определения которых положены натуральные меры — сутки и год. Такая точка зрения не бесспорна и может стать предметом специальной дискуссии.

Вернемся к определениям звездных суток и тропического года как натуральных мер времени соответствующих процессов. Несмотря на то что определение звездных суток формулировалось с позиции наблюдателя, расположенного на Земле, оно дословно применимо для произвольного космического материального объекта, для которого имеет смысл рассматривать его собственное вращение. Почти аналогичная ситуация имеет место для применений определения тропического года. Оно автоматически переносится на такие объекты Солнечной системы, как планеты, астероиды, кометы и метеорные рои. Для спутников, обращающихся вокруг планет и тем самым подсказывающих нам своим движением еще одну единицу времени — месяц, а также для Солнца и звезд, обращающихся вокруг центра нашей Галактики, определение натуральных мер времени по подобию тропического года не вызывает особых затруднений, и мы не будем останавливаться на этом.

Итак, с каждым космическим материальным объектом, точнее с двумя типами его движений — собственным вращением и обращением вокруг центрального тела, связаны две натуральные меры времени — собственные сутки и собственный год. Каждая мера служит основой для создания Специализированных часов, предназначенных для измерения собственного времени соответствующего процесса. Такие часы, наравне с часами вращающаяся Земля или ЗемЛя, обращающаяся вокруг Солнца, могут быть использованы-для описания любых механических движений во Вселенной. Однако более естественно — ориентировать их на изучение явлений, динамика которых наряду с работой самих часов зависит от" протекания одного и того же процесса. В связи со сказанным вновь вернемся к понятию единого универсального времени. По крайней мере, в мире разнообразных механических движений его существование воспринимается как факт само собой разумеющийся. Заслуга в этом принадлежит, прежде всего, ньютоновой концепции абсолютного времени, господствовавшей в науке в течение трех веков и укоренившейся в сознании многих поколений ученых. Серьезным подспорьем в теоретическом обосновании универсального времени оказался закон всемирного тяготения, объяснивший с единой позиции причину происхождения всех механических движений. Мощная практическая поддержка исходила со стороны часовых механизмов, которые использовались для описания динамики каких бы то ни было процессов независимо от того, насколько обоснованно это, можно было делать. И наконец, выдающиеся открытия невидимых невооруженным глазом планет Солнечной системы — Нептуна и Плутона. Предсказанные на основе закона всемирного тяготения, они были обнаружены в наперед указанном месте небосвода и, что не менее важно, в заранее отмеченный момент времени на циферблате механических часов. Последнее обстоятельство являлось как бы наглядным доказательством того, что на множестве механических движений небесных тел существует единое универсальное время. С математической точки зрения это означает, что между двумя, произвольными собственными временами, порождаемыми соответствующими механическими процессами; устанавливается, взаимооднозначное и взаимонепрерывное соответствие. В таком случае собственные времена становятся равноправными, и потому любое из них можно трактовать в качестве независимой переменной, а все прочие представлять себе как функционально связанные с ним. Механические движения, объединяемые в один класс универсальным временем, не исчерпывают, конечно, всего многообразия процессов, происходящих во Вселенной. Возьмем, к примеру, солнечную активность. Большинство явлений солнечной активности наблюдается в так называемых центрах активности, или же активных областях. Они определяются как участки поверхности Солнца, в которых происходит нарастание магнитного поля. Этот процесс сопровождается яркой вспышкой — взрывоподобным выделением энергии, и тогда в околосолнечное пространство выбрасывается облако плазмы, устремляются потоки ускоренных частиц, космических лучей и др. Затем в активных областях появляются пятна — темные образования на фоне фотосферы, в которых температура газа ниже по сравнению с окружающей средой. Пятна постепенно увеличиваются в площади, достигают максимума, дробятся на части, потом уменьшаются в размерах и в конце концов исчезают. Активная область прекращает свое существование. Определяется ли циклическая солнечная активность механическим движением небесных тел или нет? Современная наука не дает окончательного ответа на поставленный вопрос, ограничиваясь пока что изучением этих процессов как независимых друг от друга. Добавим к сказанному, что тем более не открыт закон, который смог бы с единых позиций объяснить причины происхождения солнечной активности и движения небесных тел. Но тогда на данном уровне знаний собственные времена этих процессов также следует считать независимыми. Следовательно, описание солнечной активности в часах, настроенных на показания универсального времени механических движений, необходимо воспринимать не столько как объективно обусловленный, сколько вынужденный акт в связи с тем, что еще не разработано конструктивное понятие собственного времени процесса солнечной активности. Возможно поэтому число Вольфа — один из наиболее употребительных индексов солнечной активности, характеризующий относительное число солнечных пятен, — в астрономических часах подвержено не строго периодическим, а всего лишь циклическим изменениям с периодом приблизительно 11 лет.

В аналогичной ситуации оказывается любой процесс, протекание которого не зависит от движения небесных тел. В частности, это относится к восьми перечисленным ранее глобальным процессам, которые А. Е. Ферсман предложил рассматривать в качестве источников измерения времени в планетарном масштабе. Все они нуждаются в разработке глубокого и эффективного понятия собственного времени. И в этом деле особенно полезным может оказаться уникальный опыт астрономии в формировании натуральных единиц времени — суток, месяца и года. В настоящем разделе этот опыт был подытожен в виде определения натуральной меры времени произвольного циклического процесса. На множестве механических движений небесных тел это определение является не чем иным, как единой моделью циклической единицы времени. Сфера ее применений может быть достаточно широкой, выходящей далеко за пределы одной астрономии. Для того чтобы воспользоваться такой моделью с целью определения единицы времени конкретного циклического процесса, необходимо четко оговорить, какой смысл вкладывается в понятие «одинаковых» состояний процесса. В дальнейшем мы расскажем об одном естественном и достаточно общем варианте реализации этого понятия, а также о том, каким образом оно будет использовано в развитии представлений о собственном времени процесса.