Почему время относительно


В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно. Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.


Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.  

2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).

Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных.

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная. Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты. 

Однородность пространства и времени


В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке ниже представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею. Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует. 

Почему время относительно
Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.


Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным. 

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее. 

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.


Почему время относительно
©deviantART/ RowanPhoenix

Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными. Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

Источник: naked-science.ru

​Почему время относительно – объяснение менее, чем за 3 минуты


Одна из самых революционных концепций, о которых мы узнали в 20-м веке, заключается в том, что время не является универсальной величиной – оно относительно. Скорость его хода полностью зависит от вашей скорости и ускорения в любой конкретный момент.

Но как время может идти одновременно быстрее и медленнее? – Как объясняется в одном из последних эпизодов MinutePhysics, чем больше вы двигаетесь, тем более замедляется темп времени. И речь идет не о нашем восприятии времени, а о скорости реального времени, которое, например, замедляют в экспериментах с помощью ускорения таких частиц, как мюоны и фотоны.

В теории относительности Эйнштейна замедление времени описывается как разница во времени между двумя событиями, измеренная наблюдателями, которые движутся относительно друг друга – в одну сторону или в разные, в зависимости от их приближения к гравитационной массе. В принципе, оно гласит, что чем быстрее мы идем, тем больше влияем на время. Но если время так относительно, как мы предполагаем, это может показаться противоречивым.

Представьте, если двое из нас движутся по пустому пространству в противоположных направлениях, а потом вдруг проходят мимо друг друга.

«С моей точки зрения кажется, что ты движешься, и, соответственно время должно идти медленнее для тебя. Но с твоей точки зрения двигаюсь я, так что время должно замедлиться для меня,» – говорится в ролике.


Но мы же не можем считать, что время идет медленнее для обоих? В действительности оно должно идти медленнее для кого-то одного, верно? Нет, не все так просто.

Посмотри на жирафа. Его высота 3 метра. И высота твоего жирафа для тебя тоже будет 3 метра. Однако поскольку ты повернут по отношению ко мне, для тебя высота моего жирафа будет только 2 метра. Я также повернут по отношению к тебе, и для меня высота твоего жирафа будет 2 метра. Таким образом, каждый думает, что другой определяет свою дистанцию как более длинную, но в этом нет противоречия. Это говорит только о том, что мы поворачиваем высоту и ширину относительно друг к друга.

Со временем происходит похоже: когда вы изменяете скорость, вы поворачиваете направление времени. Выглядит это так: если каждую пройденную секунду я двигаюсь налево, тогда время будет двигаться вправо и наоборот (см.видео, 1:24). Соответственно, когда на моих часах пройдет 3 секунды, я намеряю только 2 секунды на твоих. А когда 3 секунды пройдет на твоих часах, ты насчитаешь только 2 секунды у меня. Получается, каждый думает, что второй измеряет дистанцию времени у другого как более короткую, и здесь снова нет противоречия. Это лишь говорит о том, как ведет себя время, когда его поворачивают, и это влияет не только на отрывок времени, но и на наше понятие «одного и того же времени».

Источник: futurist.ru

Тестирование онлайн


материал из книги Стивена Хокинга и Леонарда Млодинова «Кратчайшая история времени»

Относительность

Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Если скорость света постоянная величина, то любой свободно движущийся наблюдатель должен фиксировать одно и то же значение независимо от скорости, с которой он приближается к источнику света или удаляется от него.

Требование, чтобы все наблюдатели сошлись в оценке скорости света, вынуждает изменить концепцию времени. Согласно теории относительности наблюдатель, едущий на поезде, и тот, что стоит на платформе, разойдутся в оценке расстояния, пройденного светом. А поскольку скорость есть расстояние, деленное на время, единственный способ для наблюдателей прийти к согласию относительно скорости света – это разойтись также и в оценке времени. Другими словами, теория относительности положила конец идее абсолютного времени! Оказалось, что каждый наблюдатель должен иметь свою собственную меру времени и что идентичные часы у разных наблюдателей не обязательно будут показывать одно и то же время.

Говоря, что пространство имеет три измерения, мы подразумеваем, что положение точки в нем можно передать с помощью трех чисел – координат. Если мы введем в наше описание время, то получим четырехмерное пространство-время.


Другое известное следствие теории относительности – эквивалентность массы и энергии, выраженная знаменитым уравнением Эйнштейна Е = mс2 (где Е– энергия, m – масса тела, с – скорость света). Ввиду эквивалентности энергии и массы кинетическая энергия, которой материальный объект обладает в силу своего движения, увеличивает его массу. Иными словами, объект становится труднее разгонять.

Этот эффект существенен только для тел, которые перемещаются со скоростью, близкой к скорости света. Например, при скорости, равной 10% от скорости света, масса тела будет всего на 0,5% больше, чем в состоянии покоя, а вот при скорости, составляющей 90% от скорости света, масса уже более чем вдвое превысит нормальную. По мере приближения к скорости света масса тела увеличивается все быстрее, так что для его ускорения требуется все больше энергии. Согласно теории относительности объект никогда не сможет достичь скорости света, поскольку в данном случае его масса стала бы бесконечной, а в силу эквивалентности массы и энергии для этого потребовалась бы бесконечная энергия. Вот почему теория относительности навсегда обрекает любое обычное тело двигаться со скоростью, меньшей скорости света. Только свет или другие волны, не имеющие собственной массы, способны двигаться со скоростью света.

Искривленное пространство

Общая теория относительности Эйнштейна основана на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство-время не является плоским, как принято было думать раньше. В общей теории относительности пространство-время изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией. Тела, подобные Земле, движутся по искривленным орбитам не под действием силы, именуемой гравитацией.


Так как геодезическая линия – кратчайшая линия между двумя аэропортами, штурманы ведут самолеты именно по таким маршрутам. Например, вы могли бы, следуя показаниям компаса, пролететь 5966 километров от Нью-Йорка до Мадрида почти строго на восток вдоль географической параллели. Но вам придется покрыть всего 5802 километра, если вы полетите по большому кругу, сперва на северо-восток, а затем постепенно поворачивая к востоку и далее к юго-востоку. Вид этих двух маршрутов на карте, где земная поверхность искажена (представлена плоской), обманчив. Двигаясь «прямо» на восток от одной точки к другой по поверхности земного шара, вы в действительности перемещаетесь не по прямой линии, точнее сказать, не по самой короткой, геодезической линии.

Почему время относительно

Если траекторию космического корабля, который движется в космосе по прямой линии, спроецировать на двумерную поверхность Земли, окажется, что она искривлена.

Почему время относительно

Согласно общей теории относительности гравитационные поля должны искривлять свет. Например, теория предсказывает, что вблизи Солнца лучи света должны слегка изгибаться в его сторону под воздействием массы светила. Значит, свет далекой звезды, случись ему пройти рядом с Солнцем, отклонится на небольшой угол, из-за чего наблюдатель на Земле увидит звезду не совсем там, где она в действительности располагается.


Почему время относительно

Напомним, что согласно основному постулату специальной теории относительности все физические законы одинаковы для всех свободно двигающихся наблюдателей, независимо от их скорости. Грубо говоря, принцип эквивалентности распространяет это правило и на тех наблюдателей, которые движутся не свободно, а под действием гравитационного поля.

В достаточно малых областях пространства невозможно судить о том, пребываете ли вы в состоянии покоя в гравитационном поле или движетесь с постоянным ускорением в пустом пространстве.

Представьте себе, что вы находитесь в лифте посреди пустого пространства. Нет никакой гравитации, никакого «верха» и «низа». Вы плывете свободно. Затем лифт начинает двигаться с постоянным ускорением. Вы внезапно ощущаете вес. То есть вас прижимает к одной из стенок лифта, которая теперь воспринимается как пол. Если вы возьмете яблоко и отпустите его, оно упадет на пол. Фактически теперь, когда вы движетесь с ускорением, внутри лифта все будет происходить в точности так же, как если бы подъемник вообще не двигался, а покоился бы в однородном гравитационном поле. Эйнштейн понял, что, подобно тому как, находясь в вагоне по-езда, вы не можете сказать, стоит он или равномерно движется, так и, пребывая внутри лифта, вы не в состоянии определить, перемещается ли он с постоянным ускорением или находится в однородном гравитационном поле. Результатом этого понимания стал принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности и приведенный пример его проявления будут справедливы лишь в том случае, если инертная масса (входящая во второй закон Ньютона, который определяет, ка-кое ускорение придает телу приложенная к нему сила) и гравитационная масса (входящая в за-кон тяготения Ньютона, который определяет величину гравитационного притяжения) суть одно и то же.

Использование Эйнштейном эквивалентности инертной и гравитационной масс для вывода принципа эквивалентности и, в конечном счете, всей общей теории относительности – это бес-прецедентный в истории человеческой мысли пример упорного и последовательного развития логических заключений.

Замедление времени

Еще одно предсказание общей теории относительности состоит в том, что около массивных тел, таких как Земля, должен замедляться ход времени.

Теперь, познакомившись с принципом эквивалентности, мы можем проследить ход рассуждений Эйнштейна, выполнив другой мысленный эксперимент, который показывает, почему гравитация воздействует на время. Представьте себе ракету, летящую в космосе. Для удобства будем считать, что ее корпус настолько велик, что свету требуется целая секунда, чтобы пройти вдоль него сверху донизу. И наконец, предположим, что в ракете находятся два наблюдателя: один – наверху, у потолка, другой – внизу, на полу, и оба они снабжены одинаковыми часами, ведущими отсчет секунд.

Допустим, что верхний наблюдатель, дождавшись отсчета своих часов, немедленно посылает нижнему световой сигнал. При следующем отсчете он шлет второй сигнал. По нашим условиям понадобится одна секунда, чтобы каждый сигнал достиг нижнего наблюдателя. Поскольку верхний наблюдатель посылает два световых сигнала с интервалом в одну секунду, то и нижний наблюдатель зарегистрирует их с таким же интервалом.

Что изменится, если в этом эксперименте, вместо того чтобы свободно плыть в космосе, ракета будет стоять на Земле, испытывая действие гравитации? Согласно теории Ньютона гравитация никак не повлияет на положение дел: если наблюдатель наверху передаст сигналы с промежутком в секунду, то наблюдатель внизу получит их через тот же интервал. Но принцип эквивалентности предсказывает иное развитие событий. Какое именно, мы сможем понять, если в соответствии с принципом эквивалентности мысленно заменим действие гравитации постоянным ускорением. Это один из примеров того, как Эйнштейн использовал принцип эквивалентности при создании своей новой теории гравитации.

Итак, предположим, что наша ракета ускоряется. (Будем считать, что она ускоряется медленно, так что ее скорость не приближается к скорости света.) Поскольку корпус ракеты движется вверх, первому сигналу понадобится пройти меньшее расстояние, чем прежде (до начала ускорения), и он прибудет к нижнему наблюдателю раньше чем через секунду. Если бы ракета двигалась с постоянной скоростью, то и второй сигнал прибыл бы ровно настолько же раньше, так что интервал между двумя сигналами остался бы равным одной секунде. Но в момент от-правки второго сигнала благодаря ускорению ракета движется быстрее, чем в момент отправки первого, так что второй сигнал пройдет меньшее расстояние, чем первый, и затратит еще меньше времени. Наблюдатель внизу, сверившись со своими часами, зафиксирует, что интервал между сигналами меньше одной секунды, и не согласится с верхним наблюдателем, который утверждает, что посылал сигналы точно через секунду.

В случае с ускоряющейся ракетой этот эффект, вероятно, не должен особенно удивлять. В конце концов, мы только что его объяснили! Но вспомните: принцип эквивалентности говорит, что то же самое имеет место, когда ракета покоится в гравитационном поле. Следовательно, да-же если ракета не ускоряется, а, например, стоит на стартовом столе на поверхности Земли, сигналы, посланные верхним наблюдателем с интервалом в секунду (согласно его часам), будут приходить к нижнему наблюдателю с меньшим интервалом (по его часам). Вот это действительно удивительно!

Гравитация изменяет течение времени. Подобно тому как специальная теория относительности говорит нам, что время идет по-разному для наблюдателей, движущихся друг относительно друга, общая теория относительности объявляет, что ход времени различен для наблюдателей, находящихся в разных гравитационных полях. Согласно общей теории относительности нижний наблюдатель регистрирует более короткий интервал между сигналами, потому что у поверхности Земли время течет медленнее, поскольку здесь сильнее гравитация. Чем сильнее гравитационное поле, тем больше этот эффект.

Наши биологические часы также реагируют на изменения хода времени. Если один из близнецов живет на вершине горы, а другой – у моря, первый будет стареть быстрее второго. В данном случае различие в возрастах будет ничтожным, но оно существенно увеличится, коль скоро один из близнецов отправится в долгое путешествие на космическом корабле, который разгоняется до скорости, близкой к световой. Когда странник возвратится, он будет намного моложе брата, оставшегося на Земле. Этот случай известен как парадокс близнецов, но парадоксом он является только для тех, кто держится за идею абсолютного времени. В теории относительности нет никакого уникального абсолютного времени – для каждого индивидуума имеется своя собственная мера времени, которая зависит от того, где он находится и как движется.

C появлением сверхточных навигационных систем, получающих сигналы от спутников, разность хода часов на различных высотах приобрела практическое значение. Если бы аппаратура игнорировала предсказания общей теории относительности, ошибка в определении местоположения могла бы достигать нескольких километров!

Появление общей теории относительности в корне изменило ситуацию. Пространство и время обрели статус динамических сущностей. Когда перемещаются тела или действуют силы, они вызывают искривление пространства и времени, а структура пространства-времени, в свою очередь, сказывается на движении тел и действии сил. Пространство и время не только влияют на все, что случается во Вселенной, но и сами от всего этого зависят.

Источник: fizmat.by

«Признаюсь тебе, Господи, я до сих пор не знаю, что такое время. Детства моего, например, уже нет, оно в прошлом, которого тоже уже нет, но когда я о нем думаю и рассказываю, будто вижу его в настоящем, ибо оно до сих пор живет в моей памяти. Ты, Господи, дашь мне озарение, ты будешь моим светильником, ты освятишь мою тьму — все ярче, и ярче, и ярче…»

Аврелий Августин

 

Этимологически слово «время» происходит от индоевропейского корня, что значит вращаться, вертеться. Первое серьезное осмысление феномена времени возникает в период ранней христианской философии у блаженного Августина Аврелия в 4 веке нашей эры. В трактате «О Государстве Божьем» и в «Исповеди» Августин рассматривает человеческую историю как драму, которая началась с грехопадения. Бог тогда наказал людей, заставив их жить во времени, лишив бессмертия. Но позднее Иисус Христос, искупив человеческие грехи, вновь повернул время вспять, в сторону искупления. После смерти Иисуса Христа время пошло по двум противоположным направлениям: для праведников — в сторону Града Божьего, вневременного рая; для грешников — в направлении разрушимого града земного, который после развязки исторической драмы (Второго Пришествия и Страшного Суда), должен был превратиться в ад. Проблемы с физическим временем (в работах блаженного Августина мы говорим прежде всего о семиотическом, или культурном понимании времени) начались еще во времена Исаака Ньютона. Время в мире Ньютона течет над вещами – вот есть объективная арена пространства, а вот объективная арена времени. Ньютон понял: движение звезд и планет обусловлено тем, что все тела притягиваются друг к другу. И притягиваются тем сильнее, чем больше их массы и чем меньше расстояние между ними. Эти свои выводы он оформил в так называемый закон всемирного тяготения. Теория Ньютона никак не объясняет данное явление. Позже Лаплас формулирует знаменитый принцип научного детерминизма («демон Лапласа»): для данного состояния Вселенной в конкретный момент времени существует комплект законов, позволяющий полностью определить как будущее, так и прошлое ее состояния. Но без гипотезы Бога система законов нуждается в постоянной коррекции в связи с новыми физическими открытиями, и это уже нельзя препоручить «часовщику». Строгость классической физики отныне рушится. Отказавшись от абсолютного покоя, Ньютон лишает абсолюта и пространство. Движение отныне понимается как движение относительно наблюдателя: оба наблюдателя — в вагоне поезда и на перроне — одинаково правы в своих оценках. В покосившемся пространстве Ньютон сохранял абсолютность времени — новая революция оставалась за Альбертом Эйнштейном. Кроме того в классической картине мира оставалась неразгаданной загадка света. Скорость света впервые измерил Оле Рёмер за 11 лет до публикации «Начал» Ньютона. Но из чего состоит свет и как он распространяется? Ньютон понимал свет как поток частиц, и некоторые его опыты этому соответствовали, а другие — противоречили. Кроме того, движение этих частиц невозможно было объяснить гравитацией. Для классической теории возникли две неразрешимые проблемы: как свет может вести себя то как частица, то как волна? Опыты, в том числе явление рефракции и интерференции, показывали, что свет — и то, и другое. Вторая проблема связана со скоростью распространения световых волн. Если свет распространяется с постоянной скоростью, то относительно чего и как эта скорость не меняется при сближении или удалении? Из первого вопроса развилась в итоге квантовая механика и физика субатомных частиц, где действуют чуждые миру Ньютона принципы дуальности (или дополнительности) и неопределенности. Из второго вопроса выросла теория относительности. Максвелл пытался снять парадокс, предположив существование эфира, относительно которого свет и движется с постоянной скоростью. Но в 1887 г. опыт Майкельсона-Морли показал, что скорость света с точки зрения наблюдателя на Земле остается постоянной вне зависимости от того, приближается ли Земля к источнику света или движется ему перпендикулярно. Эту проблему и решил в 1905 году Эйнштейн, сформулировав теорию относительности: все законы физики одинаковы для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Скорость света постоянна для движущегося наблюдателя, но возникает парадокс времени: если скорость одинакова, а расстояние, которое проходит тело, с точки зрения двух наблюдателей (в поезде и на платформе) различно, значит, они по-разному оценивают и время. Так время тоже стало относительным — четвертой координатой. Теперь время под влиянием общей теории относительности понимается как четвертое измерение, главное отличие которого от первых трех (пространства), заключается в том, что время необратимо (анизотропно). Когда физики исследуют пространство – время с помощью экспериментов и расчетов, то приходят к выводу, что пространство и время во многом схожи. Простой пример: куда бы мы ни смотрели, мы смотрим в прошлое, поскольку свету нужно время, чтобы дойти до наших глаз. Наблюдая квазар, находящийся в миллиарде световых лет от нас, мы видим, каким он был миллиард лет назад, когда лучи света, пришедшие в наш телескоп, только начали свой путь. Такое смешение пространства и времени может показаться сложным для понимания, но оно лежит в основе природы нашей Вселенной. Теория относительно установила — только те события, которые можно мгновенно связать информационно, являются одновременными. Единое «настоящее», то есть часы, синхронно идущие в различных точках пространства, можно ввести только в рамках конкретной инерциальной системы отсчёта. Однако этого нельзя сделать одновременно для двух различных, или неинерциальных систем отсчёта. В течение долгих лет физики пытались объединить две несоответствующие друг другу теории путём составления Великого Объединяющего Уравнения, полагая, что всё во Вселенной должно быть связано между собой – от частиц до галактик. Такое уравнение было создано: его разработали физики Джон Уилер и Брайс-Де Витт. Тем не менее, их открытие сразу показалось спорным, потому что если уравнение правильное, то на самом фундаментальном уровне материи такого понятия, как время, вообще не существует. В 20 веке появляются концепции многомерного статичного времени. В работах философа Джона Уильяма Данна утверждается, что все события во Вселенной существуют одновременно — и прошлое, и настоящее, и будущее. Поэтому по времени можно пропутешествовать так же, как по пространству. Данн проанализировал феномен пророческих сновидений, когда на одном конце планеты человеку снится событие, которое через год происходит наяву на другом конце планеты. Объясняя это загадочное явление, он пришел к выводу, что время имеет как минимум два измерения для одного человека. В одном измерении человек живет, а в другом он наблюдает. И это второе измерение времени является пространственноподобным, по нему можно передвигаться в прошлое и в будущее. Проявляется это измерение в измененных состояниях сознания, когда влияние интеллекта на человека меньше, например, во сне или в трансе. Согласно некоторым из солидных научных теорий (этого взгляда, например, придерживается Стивен Хокинг) всё, что когда–либо существовало или когда-либо будет существовать, действительно существует — не здесь и сейчас, но на каком–то пространственно–временном расстоянии от здесь и сейчас. Реальность вещей прошлого и будущего ничуть не уступает и ничем не отличается от той реальности, которой вы обладаете сейчас. Такое представление о времени называют этернализмом; это один из вариантов четырехмерности — теории, согласно которой реальность существует в виде четырехмерного пространства-времени. Главным соперником этернализма является презентизм — представление о том, что существуют только настоящее. Согласно презентизму, уже нет будущих или прошлых вещей и невозможно указать, в каком смысле они существуют теперь. В классической физике, располагая полными данными о настоящем (вспомним Лапласа), можно восстановить картину прошлого. Это соответствует интуитивному убеждению в существовании определенного прошлого. Но квантовая физика утверждает, что при самом детальном наблюдении настоящего ненаблюдаемое прошлое неопределенно и представляет собой сумму предысторий. В середине 1940-х годов это коренное отличие квантовой механики от Ньютоновской сформулировал Ричард Фейнман: в Ньютоновской механике движущиеся предметы проходят через фильтр с двумя отверстиями строго определенным путем. Но если на фильтр направить пучок частиц (или даже одну частицу), они пройдут через эти отверстия всеми мыслимыми путями, и прямым, и через Проксиму Центавра, и через соседний гастроном, пройдут в одно отверстие, выйдут через другое и снова войдут. Вместо классического детерминизма современная физика имеет дело со случайностью и вероятностью. Но эта фундаментальная случайность, так беспокоившая Эйнштейна, все же поддается математическому описанию. Фейнман ввел понятие «суммы предысторий» — это все возможные пути частиц, по итогам которых мы наблюдаем результаты эксперимента. Мы не можем предсказывать не только будущее, но и прошлое — как именно частица попала в конечную точку, но мы можем рассматривать совокупность всех возможных путей. В итоге основным методом квантовой физики становится «сумма альтернативных историй», то есть учет всех путей с расчетом вероятности каждого. Поскольку ненаблюдаемое прошлое неопределенно, а наблюдение меняет поведение системы, то выводимое из наблюдений прошлое еще и изменено по сравнению с ненаблюдаемым: наблюдая за системой, мы меняем не только ее настоящее, но и прошлое (Да, прошлое можно изменить, по крайней мере физика этого не запрещает!). Но на повседневном уровне, имея дела с достаточно крупными (по сравнению с частицами) объектами, мы пользуемся законами Ньютона или теорией относительности, где прошлое неизменно – есть только один вариант того, как события развивались до настоящего времени. Как же возможно сочетание классической физики с неопределенностью и непредсказуемостью квантовой механики? Вероятно, происходит примерно то же, что и в специальной теории относительности: теория начинает действовать в «экстремальных обстоятельствах». Для движущегося объекта влияние скорости на массу становится заметным при приближении к скорости света, а время замедляется вплоть до полной остановки. В каком экстремуме квантовые законы и, как следствие, исчезновение времени могут проявиться на уровне Вселенной? Очевидно, когда вселенная сравнима размерами с атомным ядром. Именно это подразумевает теория Большого взрыва: все начинается с сингулярности — точки, в которой температура, плотность и искривление Вселенной были бесконечны. Из этой точки Вселенная начинает расширяться, и расширение (инфляция) продолжается до сих пор. Обратив вспять расширение, мы увидим, как содержимое Вселенной сближается, все более сжимаясь. В конце концов, в самом начале космической истории, весь мир находится в состоянии бесконечного сжатия и стянут в точку – в «сингулярность». Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что форма пространства-времени определяется распределением энергии и материи. И когда энергия и материя бесконечно сжаты, то пространство-время тоже сжато – оно просто исчезает. Предположение, что Вселенная расширяется (вопреки прежней статичной модели) было подтверждено в 1929 году астрономом Хабблом на основании наблюдений за спектром звезд. Окончательным подтверждением инфляции Вселенной стало обнаруженное в 1965 году реликтовое излучение, которое осталось со времен Большого взрыва. Если проследить историю расширяющейся Вселенной вспять, Вселенная будет уменьшаться, пока в момент Большого взрыва не обратится в сингулярность. Здесь теория Эйнштейна прерывается и не может предсказать начало Вселенной и начало времени — только как она развивалась позже. В этой точке действуют законы квантовой механики: частицы движутся всеми возможными путями, и Вселенная может иметь бесконечное множество предысторий. Что же происходит со временем? Общая теория относительности объединяется с квантовой теорией: искривление времени-пространства настолько велико, что все четыре измерения ведут себя одинаково. Иными словами, времени как особого параметра нет. А если времени нет, то нет и возможности говорить о начале Вселенной во времени, что устраняет проблему творения из ничего или первопричины. По поводу конечности мира во времени давно идут горячие споры между западными мыслителями. Аристотель считал, что космос вечен и не имеет начала во времени. В 13 веке Католическая Церковь объявила возникновение мира догматом веры. Хотя Фома Аквинский, проявляя приверженность к учению Аристотеля, настаивал, что с философской точки зрения это недоказуемо. Иммануил Кант утверждал, что мир без начала приводит к парадоксу: как может наступить сегодня, если сначала должно пройти бесконечное число дней? Парадокс бесконечного прошлого в том, что в таком случае к настоящему моменту должен был быть совершен бесконечный ряд действий. Хотя нет ничего невозможного в совершении бесконечного ряда действий, если вы располагаете бесконечным временем для их совершения. Да и математически возможно совершить бесконечный ряд действий за конечное время при условии, что вы совершаете их все быстрее и быстрее. Допустим, вы можете завершить первое действие за час, тогда второе займет у вас половину часа, третье – четверть часа, четвертое – одну восьмую часа и так далее. В этом темпе вы завершите бесконечный ряд действий всего лишь за два часа. На самом деле, каждый раз, прочитывая предложение этой статьи, вы совершаете маленькое чудо – поскольку, как заметил античный философ Зенон, пройденное расстояние можно разделить на бесконечное число все более крохотных интервалов. Поэтому нет ничего абсурдного в бесконечном прошлом. Теоретически вполне могла быть бесконечная последовательность дней до сегодняшнего утра – при условии, что у нас был бесконечный промежуток времени, в течение которого они могли пройти. Таким образом, сингулярность в начале Вселенной является не событием во времени, а скорее временной границей или краем. До t = 0 никакого времени не было. Поэтому не было и времени, когда преобладало Ничто. И не было никакого «возникновения» – по крайней мере, во времени. Вселенная имеет конечный возраст, хоть и существовала всегда, если под «всегда» подразумевать все моменты времени. Вековой парадокс разрешается! Существует даже точка зрения на появление человека, по которой эволюция сознательной жизни на нашей планете обусловлена подходящими мутациями, происходившими в различное время. Предположительно это были квантовые события, поэтому они могли бы существовать только в виде линейной суперпозиции до тех пор, пока они не довели эволюцию до мыслящих существ, самое существование которых зависит от всех «правильных» мутаций, имевших место в действительности. Именно наше присутствие, согласно этой идее, вызывает к существованию наше прошлое. Эта концепция называет теорией «партисипаторной» Вселенной, она выдвинута физиком Джоном Уилером в 1938 году. Есть еще более радикальная и поэтичная идея, которую отстаивает химик из Оксфорда Питер Эткинс. По словам Эткинса, «противоположности различаются направлением движения во времени». Например, -1 есть то же самое, что 1, только движущаяся из будущего в прошлое. При отсутствии времени -1 и 1 взаимоуничтожаются, объединяясь в ноль. Время позволяет двум противоположностям отделиться друг от друга, что таким образом и отмечает появление времени. Эткинс предполагает, что именно так спонтанно зародилась Вселенная. Американский писатель Джон Апдайк был настолько поражен этой идеей, что использовал ее в романе «Россказни Роджера» в качестве альтернативы теистическому объяснению бытия. 25 лет назад в «Краткой истории времени» Стивен Хокинг предложил свою версию теории Большого взрыва и расширения Вселенной, однако он признавал, что вопрос о возникновении Вселенной в рамках современной физики остается нерешенным. Соблазнительна надежда, что через несколько лет или десятилетий все ответы будут получены, не оправдала возложенных на нее ожиданий — траектория науки последнего времени убеждает, что поиск едва ли когда-нибудь остановится. Да и сами представления об Теории Всего успели несколько измениться: если Эйнштейн надеялся на несколько изящных уравнений, увязывающих все силы природы (а лучше бы — одно, как у него), то современная космология предполагает комплект законов, которые будут перекрываться и дополнять друг друга, как проекции Земли на плоской карте. Применив квантовую механику, то есть теорию «бесконечно малого мира», к огромным пространствам Вселенной, физики приходят к выводу, что Вселенная имеет не одну историю, как в классической картине мира, но все возможные истории существуют одновременно. Однако мы присутствуем в той конкретной вселенной, где возможно присутствие человека — а значит, все законы этой вселенной подстроены под возможность существования планет, жизни, разумной жизни, и именно такой формы жизни, и из всех предысторий выбираются те, которые приводят к появлению человека. Но «привилегия», дарованная человеку в этой вселенной, не должна, как это было в древности, подводить нас к мысли об уникальности нашего мира. В «Исповеди» еще до появления научного способа познания мира Аврелий Августин написал: «Признаюсь тебе, Господи, я до сих пор не знаю, что такое время. Детства моего, например, уже нет, оно в прошлом, которого тоже уже нет, но когда я о нем думаю и рассказываю, будто вижу его в настоящем, ибо оно до сих пор живет в моей памяти. Ты, Господи, дашь мне озарение, ты будешь моим светильником, ты освятишь мою тьму — все ярче, и ярче, и ярче…». Теперь феномен времени не кажется столь загадочным, стоило только науке заглянуть в него глубже.

Список литературы.

1. Рейхенбах Г. Направление времени — М., 1962

2. Руднев В. Текст и реальность: Направление времени в культуре // Wiener slawistisher Almanach, 1986. — В. 17.

3. Тейяр де Шардем П. Феномен человека. — М, 1987.

4. Уитроу Дж Естественная философия времени. — М., 1964.

5. Анри Бергсон «Творческая эволюция»

6. Лейбниц Г. В . Начала природы и благодати, основанные на разуме /Пер. с франц. Н. А. Иванцова // Сочинения в четырех томах. Т. I / Ред., сост., вступит. ст. и примеч. B. В. Соколова; перевод Я. М. Боровского и др. М.: Мысль, 1982.

7. Хайдеггер М. Введение в метафизику / Пер. с нем. Н. О. Гучинской. СПб, «Высшая религиозно-философская школа», 1997.

8. Хокинг С. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр.

9. Шопенгауэр А . Мир как воля и представление.

10. Dunne J. W. An Experiment with Time : [англ.]. — L. : A & C Black, Ltd, 1927. — 208 p.

Источник: snob.ru

Главные принципы теории относительности

Первое, что нужно понять для освоения теории относительности: движение относительно.

Это значит, что наличие или отсутствие движения всегда определяется относительно других объектов. Движение и его скорость зависят от наблюдателя (того, кто смотрит на объект) и системы отсчёта (того, откуда он смотрит).

Представьте, что пассажир едет в поезде и читает книгу. Для него книга неподвижна, как неподвижны и кресла в поезде, и другие пассажиры (если они сидят на своих местах, а не пробираются к вагону-ресторану, конечно). Скорость всех неподвижных объектов в поезде, с точки зрения нашего пассажира-читателя, будет равна нулю.

В это время на платформе стоит другой человек, мимо которого со свистом пролетает поезд. Для него и пассажир с книгой, и кресла движутся со скоростью поезда — допустим, 200 км/ч. А вот пассажиры на пути в вагон-ресторан, расположенный в голове состава, будут двигаться ещё быстрее: их скорость сложится со скоростью поезда.

Так происходит при любом сложении скоростей, но есть одно исключение: скорость света. Свет от прожектора на носу нашего поезда будет двигаться всегда с одинаковой скоростью — 300 000 км/с.

Здесь мы вплотную подошли к базовым принципам, на которых строится теория относительности:

  • Принцип относительности: для тех тел, которые относительно друг друга движутся на постоянной скорости или неподвижны (как пассажир и его книга), физические процессы протекают одинаково.
  • Принцип постоянства скорости света: скорость света постоянна для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. То есть свет от фонаря на носу поезда или свет от прожектора на космическом корабле имеют одинаковую скорость.

Свет движется так быстро, что его распространение кажется нам мгновенным. Но на космических расстояниях всё выглядит совсем по-другому. К примеру, расстояние от Солнца до Земли, составляющее 150 миллионов километров, свет проходит примерно за 8 минут. А значит, что если Солнце когда-нибудь потухнет, то мы увидим это только через 8 минут.

Следствия теории относительности

Что же следует из описанных выше принципов и как они связаны со временем и пространством? Теория относительности имеет три основных следствия: пространство расширяется, время сжимается, масса увеличивается. Разберёмся с каждым по порядку.

Время сжимается

Эйнштейн первым понял, что время не абсолютно и зависит от системы отсчёта, в которой мы его наблюдаем. Земля и далёкая галактика на другом конце Вселенной находятся в разных точках не только пространства, но и времени.

Относительно движущихся объектов время идёт медленнее. Этот факт был проверен Around-the-World Atomic Clocks: Predicted Relativistic Time Gains с использованием двух одинаковых атомных часов: один прибор оставили на Земле, а другой отправили на сверхзвуковом самолёте вокруг планеты. При посадке было отмечено, что часы, которые летали, на несколько тысячных секунды отстают от часов в состоянии покоя.

Чем ближе скорость объекта становится к скорости света, тем медленнее для него течёт время. В теории, если астронавт отправится в путешествие на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, он попадёт в будущее. Для него пройдёт несколько недель, а на Земле — несколько десятилетий. Это и есть относительность времени.

Пространство сжимается

Ещё одно удивительное следствие относительности: когда мы видим объект в движении, то можем наблюдать, что он становится всё более коротким с увеличением его скорости. С точки зрения наблюдателя, при приближении к скорости света объект становится всё короче и короче по направлению движения, а перпендикулярно ему остаётся в прежних размерах.

Допустим, мы сажаем астронавта в космический корабль, который может двигаться со скоростью света, а сами отправляемся в уютную обсерваторию наблюдать за его путешествием. По мере приближения к скорости света с кораблём начнёт происходить что-то странное. Мы заметим, что он становится всё короче. Но изменения происходят только в отношении направления движения, ширина корабля остаётся постоянной. Достигнув скорости света, он станет практически неразличим в длину.

Наверное, нашему астронавту сейчас не очень весело? Не беспокойтесь за него: для астронавта никаких изменений не происходит. Он всё так же радостно несётся навстречу космическим просторам и ничего не замечает. Пространство сжимается только относительно наблюдателя.

Масса увеличивается

Ещё одним поразительным следствием относительности является то, что по мере увеличения скорости объекта его масса тоже увеличивается.

Масса и энергия неразрывно связаны. Именно это выразил Эйнштейн в знаменитом уравнении E = mc². Эта формула показывает, что энергия тела пропорциональна его массе. При передаче телу энергии (то есть его ускорении) увеличивается и масса. Выходит, что часть энергии идёт на увеличение скорости, а другая часть увеличивает массу.

Вспомним о нашем астронавте, который приближается к скорости света в своём корабле. Наблюдая с Земли, мы видим, что по мере увеличения скорости корабля становится всё труднее ускорить его, то есть всё больше и больше энергии требуется, чтобы его подтолкнуть. Наступает момент, когда корабль достигнет такой массы, что никакая энергия во Вселенной больше не сможет его двигать. Вот поэтому на практике путешествия во времени пока невозможны.

Источник: Lifehacker.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.