Непривычное о привычном

Современная наука располагает богатейшим материалом о разнообразных колебательных процессах, протекающих во Вселенной. Среди них особо выделяются периодические, ритмические и циклические процессы, которые обладают свойством обратимости, т. е. повторения, в определенном смысле, предыдущих состояний. Разъясним подробнее эти понятия.

Некоторый процесс является периодическим по отношению к наблюдаемой физической величине, если ее значение, измеренное в произвольный момент времени, будет повторяться через один и тот же промежуток времени, называемый периодом.

Что касается ритмического процесса, то его определение опирается на понятие вариации физической величины, т. е. разности между ее текущим и средним значением (рис. 3). Последнее подсчитыва.

ется путем осреднения значений наблюдаемой величины на большом интервале времени. Ритмический процесс — такое изменение физической величины, при котором вслед за промежутком времени с вариацией одного знака наступает промежуток времени с вариацией противоположного знака. В научной литературе ритмические процессы нередко интерпретируются как квазипериодические колебания, которые представляют собой суперпозицию конечного числа периодических колебаний.

В сравнении с предыдущим циклический процесс является более широким понятием. Предполагается, что такой процесс может быть разделен на подпроцессы Ai, i = 1,…, n, которые с течением времени следуют друг за другом, причем сразу же по окончании At начинается подпроцесс Л+1, если 1<�Сп, или же подпроцесс А, если i = n. Такой закономерный кругооборот подпроцессов А_ь повторяющийся в течение длительного промежутка времени, называется циклическим процессом.

В ритмических и циклических процессах период вычисляется как отношение длительного промежутка времени к числу ритмов или циклов, зарегистрированных за этот промежуток. Полученное значение иногда называют средним периодом. Отметим также, что определение таких процессов носит качественный характер. Более того, представляется вполне естественным, по крайней мере на интуитивном уровне, что в этих определениях конкретность природы времени не играет решающей роли. Иными словами, это означает, что колебательный процесс будет классифицироваться одинаково, независимо от того, в каких часах (астрономических, радиоактивных, атомных или каких-либо других) он будет измеряться.

Иное положение дел с периодическими процессами. Они чувствительны к природе времени, к его метрическим свойствам. Если, например, некоторый колебательный процесс является периодическим в астрономических часах, то в часах атомных он наверняка таковым не будет. Пожалуй, главная причина неинвариантности понятия периодичности по отношению к используемому времени состоит в том, что упомянутые часы показывают собственные времена двух совершенно различных процессов — вращения Земли вокруг своей оси и колебаний атомно-молекулярных систем. Эти процессы протекают соответственно в макрои микромире. Они никак не связаны между собой, их взаимовлияние пренебрежимо мало.

И если, тем не менее, предположить, что какой-либо процесс «одинаково хорошо» описывается и в астрономических и в атомных часах, то отсюда будет следовать функциональная зависимость двух времен. Действительно, достаточно поставить в соответствие те моменты астрономического и атомного времени, которые отвечают одному и тому же состоянию рассматриваемого процесса. С другой стороны, упомянутые моменты определяются через положения Земли во вращательном движении и атомно-молеку-лярной системы в колебательном процессе. Но тогда функциональная зависимость между астрономическим и атомным временем обусловит взаимосвязь порождающих их процессов. Таким образом, мы пришли к противоречию, которое можно преодолеть, признав исходное предположение неверным.

Рассуждения, проведенные нами на конкретном примере, остаются, очевидно, справедливыми для любых независимых процессов и порождаемых ими собственных времен. На этом фоне может показаться, что колебание атомно-молекулярной системы занимает особое положение среди других независимых процессов. Данная точка зрения подкрепляется тем, что в 1967 г. на XIII Международной конференции по мерам и весам атомные часы, а точнее цезиевый атомно-луче-вой стандарт, был предложен в качестве физического эталона времени. Определяемая с его помощью единица времени — секунда принята равной 9 192 631 770 периодам колебаний излучения, соответствующего резонансной частоте перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений от внешних полей.

В последние годы созданы еще более точные, так называемые оптические, часы с погрешностью хода в одну секунду за 10 миллионов лет. Но не это главное. Для наших целей важно отметить, что о каких бы высокоточных атомных, оптических или еще более совершенных часах ни шла речь, несомненным достоинством их является приспособленность к генерированию самого маленького промежутка времени, который укладывается во всех известных нам макроскопических единицах измерения времени, таких, как, например, минута, секунда и т. д. Это порождает иллюзию того, что мы имеем дело с универсальным временем, посредством которого можно измерять что угодно без всякого разбора. В частности, применение атомных часов к измерению продолжительности истинных солнечных суток, т. е. промежутка времени между двумя последовательно одинаковыми (например, верхними) кульминациями центра видимого диска Солнца, выявило непостоянство этой единицы времени. Оказалось, что июльские сутки короче апрельских и ноябрьских примерно на 0,001 с.

Однако обнаруживаемая атомными часами неравномерность вращения Земли вокруг своей оси есть факт, надо полагать, вполне естественный. Какой иной результат можно было ожидать, когда измерения характеристик одного процесса производятся мерками другого процесса, причем сами процессы независимы? Именно так мы поступаем. Но насколько это обосновано? Ведь с тем же правом мы можем поставить вопрос о продолжительности атомной секунды. Выбирая для этих целей в качестве мерила такую единицу времени, как истинные солнечные сутки, мы установим непостоянство атомной секунды и тогда сделаем заключение о том, что колебания атомно-молекулярной системы неравномерны в астрономических часах. Для того чтобы придать еще больший вес такому заключению, мы должны будем подчеркнуть, что астрономические часы обладают высокой стабильностью по отношению к атомным и молекулярным процессам, протекающим в микромире.

В более общем случае справедливо следующее утверждение. Пусть Pi, Р₂ — произвольные независимые между собой процессы, С, с₂ — часы, показывающие собственные времена этих процессов, и е, е₂ — некоторые единицы времени, используемые в часах С₁ и с₂. Тогда процессы Р_х в часах с₂ и Р₂ в часах С₁ протекают неравномерно. Или, по-другому, единица времени е₁ в часах с₂ имеет неодинаковую продолжительность. То же самое можно сказать о единице времени е₂ в часах С.

Из сформулированного утверждения следует, что оба процесса, так же как и их собственные времена, вполне равноправны. Однако на практике принято отдавать приоритет тому процессу, который обладает более мелкой натуральной единицей собственного времени. Выбор такого приоритета не вызывает особых возражений. Вместе с тем необходимо учитывать, что этот выбор соседствует с возможностью принятия ошибочного решения. Оно выражается в том, что собственному времени приоритетного процесса также приписывается приоритетная роль. Поясним эту мысль на конкретном примере.

Вновь обратимся к старым знакомым — вращению Земли вокруг своей оси и колебанию атомно-молекулярной системы. Мы уже знаем, что из этих двух процессов последний генерирует более мелкую натуральную единицу времени, и, следовательно, ему отдается приоритет. Предположим далее, что мы собираемся изучать динамику морских приливов. В этой связи поставим вопрос: каким временем следует воспользоваться? Кажется вполне естественным применить астрономическое время, ибо вращение Земли и морские приливы — взаимосвязанные процессы. Однако если мы автоматически предпочтем иметь дело с атомным временем, то тем самым в неявной форме примем предположение, что динамика макропроцесса определяется протеканием микропроцесса, каковым является колебание атомно-молекулярной системы. Мы не будем далее развивать дискуссию на эту тему, оставив открытым вопрос о том, насколько обоснованно пользоваться высказанным предположением. Напомним только, что совсем недавно, точнее в 1972 г., Советский Союз и ряд других стран отказались от эталонной секунды, основанной на движении Земли вокруг Солнца, и осуществили переход к новой системе всемирного координированного времени, показания которого определяются группой атомных часов. Легко понять, что такое событие создало благоприятную почву для того, чтобы независимо от области знания и природы изучаемого процесса принимать решение в пользу широкого применения атомного времени.