Перемещение во времени и пространстве: возможно ли? — Naked Science

Будет ли возможным путешествие во времени в рамках теории всего?

Изучение способов посетить прошлое может помочь нам
понять космос, — пишет sciencenews.org со
ссылкой на sciencenews.org.

Во многих вселенных, как правило, в телевизионных шоу или в
фильмах, путешествие во времени не намного сложнее, чем ехать по
центру любого крупного города в час пик. Конечно, движение может
стать грубым, но никакой закон физики не мешает вам в конечном
итоге добраться до пункта назначения.

В реальной жизни путешествие во времени не так просто. Эта
фантазия может оказаться еще более невозможной, чем посещение
Страны чудес Алисы, поиск золота в конце радуги или очищение
Facebook от ненавистнических высказываний.

И все же путешествие во времени не обязательно нарушает законы
физики. В теории гравитации Эйнштейна — общей теории
относительности — пространство и время объединяются в
пространство-время, что дает возможность для путей, которые могут
повернуть назад в прошлое и вернуться в будущее.

Такие пути известны как замкнутые временные кривые. Они немного
похожи на большие круги вокруг поверхности Земли — если вы
начинаете в одном направлении и продолжаете идти прямо, в конце
концов вы возвращаетесь туда, откуда начали. В этом случае
искривление Земли возвращает вас к вашей предыдущей точке в
пространстве. В случае с замкнутыми временными кривыми геометрия
пространства-времени возвращает вас к более раннему моменту
времени.

Никто не думает, что петли времени общей теории относительности
будут практичны для путешествий во времени, даже если они
возможны. С одной стороны, они могут существовать только при
определенных обстоятельствах — Вселенная должна была бы
вращаться, а не расширяться — как показал математик Курт Гедель в
1940-х годах. Но Вселенная расширяется и, вероятно, не вращается,
так что это ослабляет перспективы повторного посещения каменного
века или приобретения домашнего динозавра.

Кроме того, даже если бы такие пути существовали, строительство
корабля для их пересечения стоило бы дороже, чем любые другие
транспортные средства. Для этого потребуется крейсерская скорость
140 000 миль в секунду, а топливный бак должен быть в триллион
раз больше нефтяного танкера.

Поэтому для практических целей время путешествий во времени еще
не наступило. Но даже если это возможно только в теории,
потенциальные последствия для базовой физики Вселенной могут
стоить времени для ее изучения. Временные петли могут не
позволить вам пройти через космос в машине времени, но, возможно,
все же могут помочь вам глубже понять космос.

Первым шагом будет попытка выяснить, какие именно законы физики
действительно существуют. Общая теория относительности Эйнштейна
– великая вещь, но она, например, с трудом сосуществует с
квантовой механикой, которая управляет субатомным миром и,
по-видимому, поскольку все состоит из субатомных веществ, в том
числе и остальной Вселенной. Поэтому, чтобы понять, можно ли
путешествовать во времени, нужно найти окончательно верную
теорию, объединяющую обе эти теории.

Было написано несколько кандидатских работ для объединения общей
теории относительности и квантовой механики в единую теорию. Пока
остается открытым вопрос, можно ли будет, согласно этим теориям,
путешествовать во времени.

«Хотя фундаментальная теория в таком случае оставалась бы
неприемлемой для путешествий во времени, она допускала бы
возможность путешествий во времени в каком-то другом, менее
фундаментальном масштабе, — пишет Кристиан Вютрих из Университета
Женевы в своей статье, опубликованной в июне в Интернете. — В
зависимости от того, какими могут быть отношения между
фундаментальной теорией и возникающим пространством-временем в
каждом случае, мы можем обнаружить, что возникающая
макроскопическая структура пространства-времени позволяет
путешествовать во времени».

Однако рассмотрение основных предложений по теории квантовой
гравитации не дает больших надежд. Один подход, известный как
теория причинных множеств, требует упорядочения множеств событий
в правильной причинно-следственной связи. Таким образом, его
центральная идея, кажется, исключает замкнутые кривые времени.

Другой популярный подход, известный как петлевая квантовая
гравитация, предполагает, что пространство будет построено из
фундаментальных петель (вроде «атомов пространства»). Эта точка
зрения столкнулась с техническими трудностями, одна из которых
заключается в том, как перевести время в картину с пространством.
«Таким образом, мы, похоже, столкнулись с временно безобидной
структурой, в которой не допускается осмысленное путешествие во
времени», — пишет Вютрих.

Возможно, что сети этих «атомов пространства» могли бы создать
пространственно-временное пространство высокого уровня, которое
содержало бы замкнутые временоподобные кривые. Но анализ деталей
на этой стадии развития петлевой квантовой гравитации не дает
особых оснований для оптимизма, заключает Вютрих.

Будущее путешествия во времени может выглядеть немного ярче, если
правильным подходом к квантовой гравитации окажется теория струн,
которая в настоящее время является самым популярным претендентом.
В теории струн основные частицы материи представляют собой
крошечные вибрирующие фрагменты энергии, называемые «струнами»,
потому что они распространяются в одном измерении. Несколько
версий теории струн были построены, предполагая, что они являются
различными проявлениями более фундаментальной основной теории,
известной как М-теория.

«Поскольку M-теория еще не существует, невозможно определить ее
вердикт по поводу путешествий во времени», — пишет Вютрих. Но
исследования различных сценариев теории струн действительно
предполагают, что окончательная теория будет включать в себя
замкнутые кривые времени.

Даже если в фундаментальной теории существуют временные петли,
все еще нет гарантии, что они будут сохранены в возникающем
крупномасштабном пространстве-времени, которое будет актуально в
реальной жизни. В этом отношении Вютрих отмечает, что
предсказание существования петель путешествий во времени может
быть взято в качестве доказательства против теории, учитывая
серьезную вероятность того, что путешествие во времени
действительно вообще невозможно.

Так что, сохранятся ли петли времени общей теории относительности
в более глубокой теории, остается открытым вопросом. «Более
фундаментальная теория вполне может допускать структуры,
составляющие замкнутые кривые, подобные времени, и, таким
образом, допускающие путешествие во времени, — утверждает Вютрих.
— На современном этапе познания это остается возможным
вариантом».

В любом случае, исследование того, сохраняют ли теории квантовой
гравитации лазейку для путешествия во времени в общей теории
относительности, может пролить свет на многие сложные вопросы, на
которые необходимо ответить, чтобы разработать успешную теорию и
понять, как она связана с общей теорией относительности.

[Фото: sciencenews.org]

Путешествие во времени | это… Что такое Путешествие во времени?

Путешествия во времени — гипотетическое перемещение человека или другого объекта из настоящего в прошлое или будущее. Зачастую такие путешествия предполагают осуществлять с помощью технического устройства — «машины времени».

Способы путешествия в будущее

Современная наука допускает несколько возможных способов путешествия в будущее (строго говоря, любой человек путешествует в будущее, даже когда он просто лежит на диване, так что речь идет об ускоренном путешествии):

1. Физический (на основе следствий теории относительности):
   • Движение со скоростью, близкой к скорости света. Время путешествия, измеренное по часам того, кто двигался с такой скоростью, всегда меньше измеренного по часам того, кто оставался неподвижен («парадокс близнецов»).
   • Нахождение в области сверхвысокой гравитации, например, вблизи горизонта событий чёрной дыры.
2. Биологический — остановка метаболизма тела с последующим восстановлением (например, криоконсервация).

Способы путешествия в прошлое

Путешествовать в прошлое значительно сложнее, чем в будущее, однако есть несколько гипотетически возможных способов попасть в прошлое:

1. Общая теория относительности допускает возможность существования «кротовых нор» (английский термин wormhole — червоточина). Это нечто вроде туннелей (возможно, очень коротких), соединяющих удалённые области в пространстве. Разрабатывая теорию кротовых нор, К. Торн и М. Моррис заметили, что, если перемещать один конец (А) короткой норы с большой скоростью, а потом приблизить его к другому концу (Б), то — в силу парадокса близнецов — объект, попавший в момент времени T во вход А, может (см. ниже) выйти из Б в момент, предшествующий T (однако таким способом невозможно попасть во время, предшествующее созданию машины времени).
   Из уравнений Эйнштейна следует, что кротовая нора закроется раньше, чем путешественник сумеет пройти через неё (как, например, в случае «моста Эйнштейна-Розена» — первой описанной кротовой норы), если её не будет удерживать от этого так называемая «экзотическая материя» — материя с отрицательной плотностью энергии. Существование экзотической материи подтверждено как теоретически, так и экспериментально^[1][2]. (эффект Казимира).
2. В 1936 г. Ван Стокум обнаружил, что тело, вращающееся вокруг массивного и бесконечно длинного цилиндра, попадёт в прошлое (позже Ф. Типлер предположил, что это возможно и в случае цилиндра конечной длины^[3]). Таким цилиндром могла бы быть так называемая космическая струна, но нет надёжных свидетельств, что космические струны существуют, и вряд ли есть способ создавать новые.
3. Можно, наконец, вообще ничего не предпринимать, а просто дождаться, пока машина времени образуется сама собой. Не видно никаких оснований ожидать, что это произойдёт, но важно, что, если она всё же образуется, то это не войдет в противоречие ни с какими известными законами природы. Простейшая модель такой ситуации — машина времени Дойча-Политцера

Парадоксы путешествий во времени

Есть несколько часто упоминаемых аргументов против путешествий в прошлое:

1. Нарушение причинно-следственных связей.
2. «Парадоксы». Допустим, некто в 11 утра заряжает пистолет, в 11.30 создаёт машину времени и в полдень (12.00) входит в неё. Затем, пользуясь свойствами машины времени, он возвращается к моменту 11.50, поджидает, пока его более молодая версия приблизится ко входу, и пытается её убить. Он, конечно, не может в этом преуспеть — человек способен выстрелить только при условии, что он пережил состоявшееся час назад (по его часам) покушение. Возникает, однако, вопрос: что именно помешает ему (и всем его последователям)? Не приходим ли мы в некоторое противоречие с привычными представлениями о свободе воли?
   Иногда парадоксом называют и другую ситуацию, которая формулируется, например, так («парадокс убитого дедушки»): если внук вернётся в прошлое и убьёт собственного деда, его рождение окажется невозможным; но если он не родится, то деда никто не убьёт, и его рождение окажется возможно. Что же произойдёт в действительности? Здесь, однако, никакого парадокса нет, также как и никакой неопределённости. Слова «человек» (или «внук») и «человек, чей дедушка не был убит в колыбели» суть синонимы.
3. Отсутствие документированных общедоступных фактов пребывания в нашем времени пришельцев из будущего.

В науке первая проблема не рассматривается (машина времени и нарушение причинно-следственных связей — это просто синонимы, здесь нет темы для обсуждения). Решение второй было найдено лишь недавно, см. S. Krasnikov, Phys. Rev. D 62 (2000) 084028. Суть идеи в том, что при создании машины времени возникает крайне нетипичная для классической физики неопределённость: как бы хорошо мы ни знали начальные данные, мы не можем однозначно предсказать эволюцию пространства-времени. Причём среди бесконечно большого числа возможных вариантов всегда есть такой, в котором машина времени не появляется. Таким образом, если мы видим человека, пытающегося построить машину времени, то тот факт, что он вооружён и полон решимости через час выстрелить, не означает, что свободная воля этого человека будет вскоре чем-то ограничена. В лучшем случае он означает лишь, что одна возможность (из бесконечного количества) исключена — в течение часа машина времени в этом месте не появится.

Путешествия во времени в научной фантастике

Описание путешествий во времени является распространённым приёмом, используемым в научно-фантастической литературе. В фантастике идея таких путешествий и специального устройства («машины») для этой цели приобрела популярность во многом благодаря известному роману Герберта Уэллса «Машина времени» (1895).

Однако эта идея использовалась в литературе и ранее. Путешествие в будущее описано Фаддеем Булгариным в его очерке «Правдоподобные небылицы, или Странствования по свету в двадцать девятом веке», 1824 год (возможно, это первое описание путешествия во времени в мировой литературе). Идею продолжил Александр Вельтман, в романе «Александр Филиппович Македонский. Предки Калимероса» (1836), описавший путешествие в прошлое на волшебном гиппогрифе.

Путешествия главного героя во времени в собственном теле без помощи технических приспособлений описаны в «классических» произведениях Марка Твена «Янки при дворе короля Артура», Джека Лондона «Межзвёздный скиталец», Сватоплука Чеха «Путешествие пана Броучека в XV столетие», Лазаря Лагина «Голубой человек» и многих других. О путешествиях во времени писали Клиффорд Саймак, Артур Кларк, Гарри Гаррисон, Антон Грановский, Кир Булычёв. Известная кинотрилогия Роберта Земекиса и Боба Гейла о путешествиях во времени «Назад в будущее». О путешествиях во времени рассказывается и в научно-фантастическом телесериале «Доктор Кто».

Классическим описанием нарушения причино-следственных связей является рассказ Роберта Хайнлайна «Все вы зомби». Его главный герой — девушка, которую соблазнил незнакомец. Через девять месяцев она рожает ребёнка, причем врачи выясняют, что она гермафродит, и удаляют женский комплект органов. После этого главный герой — теперь мужчина, завербовывается в службу патруля времени. Сначала он отправляется в прошлое, где соблазняет некую девушку (Которая и является им самим в прошлом). Отправившись на девять месяцев вперед, он похищает ребёнка и отправляется в далекое прошлое, где оставляет в приюте похищенного ребёнка, из которого потом вырастет он сам. Таким образом, получается, что человек сотворил самого себя из ничего. Иначе говоря, встает вопрос об изначальном появлении материи. Ибо остаётся неясным откуда появился главный герой, чтобы создать самого себя.

Упомянутые выше парадоксы «решаются» в фантастике огромным числом способов. Вот некоторые (подробнейшее исследование на эту тему с сотнями ссылок можно найти в P. Nahin «Time machines»):

1. Последовательность событий неизменна.
   1. Путешествия в прошлое управляемы, но никакими действиями изменить ход истории невозможно. Примером такого подхода является «Ошибка Риллена Ли» Юрия Нестеренко. «Если некоторый факт существует во времени, то как бы вы ни старались его изменить, результатом всех ваших усилий оказывается именно этот факт.» Такое явление фантаст Джон Уиндем назвал «хроноклазм». Например, в романе Л. Лагина «Голубой человек» (1964) на интересы, воспитание, судьбу главного героя — воспитанника советского детского дома — в 1959 году оказывает влияние старая большевичка-преподавательница; герой попадает в Москву 1894 года и сам, в свою очередь, воспитывает и определяет судьбу девятилетней девочки в революционных интересах; она становится революционеркой и потом воспитывает его самого в детском доме. Аналогичным «хроноклазмом» можно считать «Парадокс Фрая», в котором человек, отправившись в прошлое, становится биологическим дедом самому себе. Также в книге Гарри Гаррисона «Фантастическая сага» викинги в XI веке открывают Америку только потому, что в XX веке находящаяся на грани банкротства киностудия решает срочно снять «с натуры» фильм про открытие Америки викингами. Ещё одним показательным примером, с использованием данного подхода, может служить фильм «Двенадцать обезьян» режиссёра Терри Гиллиама.
   2. Путешествия в прошлое неуправляемы. Например, в цикле «Конец Времени» Майкла Муркока при попытке нарушить причинно-следственную связь путешественник возвращается в своё время. В повести Сергея Лукьяненко «Пристань жёлтых кораблей» результатом путешествий во времени становятся временные разломы, внезапно и непредсказуемо перебрасывающие область пространства в прошлое или будущее.
   3. При перемещении во времени путешественник ещё и перемещается в пространстве. Например, при перемещении на 1 год назад он перемещается на 1 световой год (ровно то расстояние, с которого он не сможет повлиять на события точки отправления). Из этих рассуждений следует, что путешествовать можно только через искривления пространства-времени, то есть через червоточины.
2. Последовательность событий изменяема.
   1. Каждое путешествие в прошлое создает новую реальность, так что парадоксы не имеют места. В старой реальности ничего не меняется, кроме того, что путешественник во времени бесследно исчезает. Так, убийство дедушки приведёт к тому, что возникнет новая реальность, где путешественник во времени не рождался, а его дед был убит; параллельно ей останется старая реальность, где с дедом ничего не случилось.
   2. Путешествие во времени создаёт такую реальность, в которой путешественнику как бы нет места, то есть он стирается из своего времени. Так, в фильме «Проект Нострадамус» детектив Майкл Ностранд, вернувшись в своё время, обнаруживает, что его никто не знает.
   3. Каждый вариант развития событий уже существует и изменение прошлого просто отправляет путешественника на другую мировую линую (в другую вселенную), соответствующую данному развитию событий. При изменении прошлого без физического путешествия во времени, никто не будет знать об изменении прошлого, за исключением тех людей, кто может сохранять воспоминания при сдвиге мировых линий. Такой подход использовался в японском визуальном романе «Steins;Gate».
   4. Вариант предыдущего: новая реальность появляется при изменении, но через какое-то время события естественным образом приводят измененную реальность в соответствие с неизмененной. Таким образом, в истории появляется не «стрелка», а «параллельный отрезок», который в какой-то момент снова стыкуется с основным путём. Наглядный пример — смерть героини в фильме «Машина времени» («Time machine»). Впрочем, с точки зрения современной физики наличие возможности соединить несколько прошлых в одно будущее весьма сомнительно.
   5. Каждое путешествие в прошлое мгновенно переписывает старую реальность в новую. Люди и предметы из старой реальности бесследно исчезают (если они не существуют в новой реальности) или изменяются (если они в ней существуют). Сам путешественник во времени не меняется. Примерами такого подхода являются «Конец вечности» Айзека Азимова «Патруль времени» Пола Андерсона, «Палимпсест» Чарльза Стросса или серия «Южного парка» «Вперёд, Бог, вперёд XII» или визуальный роман Steins;Gate. Фантаст^[4]Ларри Нивен высказал идею, что в этом случае реальность будет изменяться до тех пор, пока не достигнет состояния, при котором путешествия во времени никогда не будут открыты. Такое состояние является стабильным и достигается в «Конце вечности», образуя базовую историю вселенной Основания и Галактической Империи. Стросс, в свою очередь, отмечает, что в рамках технологии перемещений во времени, использующей «кротовые норы», путешественник может рассматриваться как волновой пакет излучения Хокинга. В системе отсчета, связанной с переписываемой версией реальности, этот пакет возникает из короткоживущей сингулярности и в ней же затем исчезает, причем вся заключённая в нём информация не обязана удовлетворять принципу причинности для подвергнутой «корректорским правкам» вселенной. Вследствие этого путешественник (или любой регистрирующий прибор, которым он располагает) в принципе способен сохранить воспоминания об уничтоженном варианте реальности. Такой набор свидетельств у Стросса называется «не-историей» (unhistory), а совокупность наборов образует Последнюю Библиотеку (Final Library) и подчиненные ей, доступные для редактирования Отраслевые Библиотеки (Branch Libraries). Последняя Библиотека в некотором смысле является фейнмановской суммой по мировым линиям всех возможных вариантов человеческой документированной истории.
      1. Перезапись может действовать и на самих путешественников во времени, как это происходит в рассказе Юрия Нестеренко «Клятва Гиппократа»^[5]. Поскольку меняются и их воспоминания, сами они не замечают ни изменения внешнего мира, ни собственные изменения.
      2. Перезапись может быть не мгновенна, а занимать некоторое время. Такой вариант показан в фильме «Назад в будущее» и игре «Chrono Trigger». В данной теории человек, отправившийся в прошлое и сделавший своё рождение невозможным, через некоторое время исчезнет, причем не его двойник, а именно он сам.
3. Последовательность событий ограниченно изменяема: лишь до тех пор, пока события не влияют на самого путешественника во времени. Так, путешественник во времени не может убить своего деда, либо окажется, что в действительности его дедом был другой человек. Он также не может изменить те события, которые, как ему известно, произошли. Роберт Хайнлайн в романе «Дверь в лето» развил эту идею. У него закон причинности работает, но по отношению к последовательности действий самого человека, независимо от его перемещений во времени: путешественник свободен в своих действиях, но с ним в принципе не может произойти ничего такого, что сделает невозможной уже состоявшуюся для него лично последовательность событий, независимо от того, происходили эти события в прошлом или будущем относительно текущего момента в «глобальном» времени. В результате из прошлого возможно изменить события, но только те, о которых путешественник ранее не знал, и воздействовать на будущее, но только то, которое для путешественника ещё не наступило.

Вот некоторые способы решить третью проблему (впрочем, на этот «парадокс» всегда можно возразить тем, что мы не можем знать наверняка о несуществовании чего-либо).

1. Предполагается, что в будущем путешествия в прошлое запрещены, а те люди, кто всё-таки попадает в наше время, стараются ничем не выдавать своего присутствия (Асс, Бегемотов «Вперёд в прошлое»).
2. Согласно ещё одной гипотезе, путешествовать в прошлое можно лишь после времени изобретения машины времени, но не раньше. И то, что наше время не заполнено пришельцами из будущего, свидетельствует лишь о том, что машина времени пока ещё не изобретена, а не о том, что путешествия в прошлое невозможны.
3. Путешествия в прошлое не запрещены и путешественников из будущего в нашем времени много, но они не могут или скорее не хотят изменять прошлое, поскольку единственным следствием этого будет размножение реальностей, что не позволит путешественникам вернуться в свою исходную реальность в будущем. Таким образом, внесение изменений в прошлое просто бессмысленно, за исключением случаев специального проектирования нужной реальности. Этот вариант рассматривается, например, в фантастическом романе А. Махрова «В вихре времён».

Нравственный аспект проблемы путешествия во времени (в будущее, с помощью засыпания под действием специального газа и пробуждения через много лет практически в том же физическом состоянии, что и в момент погружения в сон) поднимает фильм «Бегство мистера Мак-Кинли» по сценарию Леонида Леонова. Песня Владимира Высоцкого «Баллада об уходе в Рай», использованная в этом фильме, адресована главному герою произведения: «Разбудит вас какой-то тип и впустит в мир, где в прошлом войны, вонь и рак. Где побежден гонконгский грипп. На всем готовеньком… Ты счастлив ли, дурак?»

В кино

• «Сквозь червоточину с Морганом Фрименом. Путешествие во времени — фантазия или реальность?» — научно-популярный фильм, снятый Discovery в 2010 г.
• 31 июня
• Корпорация «Бессмертие»
• Мы из будущего
• Назад в будущее 1,2,3
• Мы из будущего 2
• Машина времени (фильм) 1960
• Машина времени (фильм) 2002
• Доктор Кто
• Донни Дарко
• Лангольеры
• Пришельцы в Америке
• Гостья из будущего
• Стрелец неприкаянный
• Ангел из будущего
• Steins;Gate
• Девочка, перепрыгнувшая время
• Бегство мистера Мак-Кинли
• В ловушке времени
• Провал во времени
• Проект «Нострадамус»
• Машина времени в джакузи
• Патруль времени
• Люди в чёрном 3
• Жена путешественника во времени
• Временная петля
• Терминатор
• Терминатор 2
• Терминатор 3
• Спасатели во времени
• Исходный код
• Терра Нова
• Гарри Поттер и узник Азкабана

См.

также

• Нерешённые проблемы современной физики

Примечания

1. ↑ M.S. Morris, K.S. Thorne, U. Yurtsever «Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition», Phys. Rev. Lett. 61, 1446—1449 (1988)
2. ↑ G. Bressi, G. Carugno, R. Onofrio, G. Ruoso, «Measurement of the Casimir force between Parallel Metallic Surfaces», Phys. Rev. Lett. 88 041804 (2002)
3. ↑ F. J. Tipler «Rotating cylinders and the possibility of global causality violation», Phys. Rev. D. 9, 2203—2206 (1974)
4. ↑ Lib.Ru: Ларри Нивен
5. ↑ http://yun.complife.ru/hypocrat.txt

Ссылки

• Stockum, W. J. van (1937). «The gravitational field of a distribution of particles rotating around an axis of symmetry.». Proc. Roy. Soc. Edinburgh A 57: 135.
• С. Цветков. Танки при дворе короля Артура: список фильмов, в котором путешественники во времени пытаются изменить историю с помощью современного оружия.
• Статья Time Machines в Стэнфордской философской энциклопедии. (англ.)
• Обзорная статья Time machine (1988—2001). (англ.)
• Мартин Гарднер. Путешествие во времени. Перевод с англ. Ю. А. Данилова. М.: Мир, 1990.
• Хокинг С. Глава 5. Защищая прошлое // Мир в ореховой скорлупке
• Фильмы о путешествиях во времени // Журнал «Экранка.ру».
• Шпильман А., Дворецкая М. «Путь в надвремени». Книга I. Герой путешествует в прошлое и будущее. Используется идея «Волнового времени».
• Американский профессор хочет построить Машину Времени

Что означает движение сквозь пространство-время?

Вопрос: Окей, мой вопрос касается теории о том, что если бы объект двигался со скоростью, превышающей скорость света, то он фактически «путешествовал бы во времени». Я слышал, как люди пытались объяснить это по-разному, но я никогда не видел в этом логики… В общем, мне было интересно, вы, ребята, могли бы дать ответ с простым объяснением? Asked By: Chris Palmer

Not-So-Simple Physics

Я склонен думать, что слово «простой» в сочетании с «физикой» имеет тенденцию быть оксюмороном, но я попытаюсь объяснить некоторые термины так же просто, как и Можно. Во-первых, чтобы понять, как это возможно, я должен привести вам отрывки из теорий специальной и общей теории относительности Эйнштейна. Подписывайтесь на меня.

Авторы и права: NASA/JPL

Итак, когда Эйнштейн впервые собрал воедино свои теории, он пришел к выводу, что пространство и время — это одна сущность, а не две отдельные, действующие независимо друг от друга. Сейчас это называют пространственно-временным континуумом. Итак, мы также знаем, что свет распространяется с почти идеально постоянной скоростью на огромном пространстве, состоящем в основном из пустого пространства. Поскольку фотоны не имеют массы, они могут двигаться с универсальной скоростью, которая составляет около 300 000 километров в секунду (или 186 000 миль в секунду). Это то, что мы знаем как «скорость света». Буквально ничто (о чем мы знаем) не может двигаться быстрее этой скорости. 92, в котором было сделано одно из самых глубоких, изменивших жизнь открытий всех времен. Вы можете знать об этом как об эквивалентности массы/энергии. По существу, материя равна энергии (это разные выражения одного и того же). Когда что-то ускоряется, его энергия тоже будет увеличиваться, поскольку энергия равна массе (и наоборот). Чем тяжелее объект, тем больше энергии требуется для его ускорения. Следовательно, со временем вам потребуется все больше и больше энергии, чтобы объект продолжал двигаться со скоростью света.

Авторы и права: Илиас Страхинис/Shutterstock

Наиболее интересной частью специальной теории относительности Эйнштейна, вероятно, является объяснение того, что происходит с частицами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или со скоростью, близкой к ней. В нем говорится, что время для частиц, движущихся со скоростью света, имеет тенденцию идти намного медленнее, чем для постороннего, наблюдающего за движением фотона издалека. Интересно, что это один из аспектов специальной теории относительности, который можно проверить здесь, на Земле! Наши спутники на НОО (низкой околоземной орбите) должны учитывать эффекты специальной теории относительности при калибровке своих бортовых часов, которые тикают с точностью до одной наносекунды (около одной миллиардной секунды).

Концепция в действии

Например, спутники GPS способны определять ваше точное положение на Земле с точностью от 5 до 10 метров, но для достижения такого уровня точности часы на борту должны быть точными до 20-30. наносекунды. Поскольку наблюдатель на земле (в данном случае в вашей машине) видит спутник в космосе в движении относительно него, часы на борту будут идти медленнее, чем часы в вашей машине, что приведет к их отклонению примерно на 7 микросекунд в день. из-за эффекта замедления времени относительного движения двух.

Изображение предоставлено НАСА

Все еще подписаны? Хорошо. Предполагая, что ВЫ можете путешествовать со скоростью, близкой к скорости света, вы будете ощущать время гораздо иначе, чем кто-то, наблюдающий за вашим движением с Земли. Гипотетически то, что вы воспринимаете как секунду, может показаться наблюдателю минутой, это называется замедлением времени. Теоретически это может привести к тому, что вы повернете время вспять, что нарушит причинно-следственную связь (хронологический порядок влияния вещей во вселенной), не говоря уже о том, как мы воспринимаем вещи из плавучей скалы, к которой мы сейчас прикованы.

Вам, наверное, интересно, как это будет работать, но детали для нас тоже неясны, поскольку большинство законов физики указывают на то, что это очень маловероятно (если не невозможно). Если бы это было возможно, по мере того, как вы приближались бы к скорости света, внешняя вселенная начала бы замедляться по отношению к вам (или чему-то еще, что движется со скоростью света), прежде чем остановиться. Для тебя; то есть. Наблюдатель будет воспринимать время так, как обычно. Как только вы превысите скорость света, внешний мир замедлится до такой степени, что пространство/время будет двигаться назад по отношению к вам.

Кредит: Р.Т. Wohlstadter

Опять же, мало свидетельств, позволяющих предположить, что путешествие со скоростью, превышающей скорость света, возможно для начала, и это только для субатомных частиц, у которых нет такой массы, как у нас (людей). Если бы это было так, это имело бы невероятно удивительные последствия в мире физики. Одна гипотеза постулирует, что можно было бы общаться с прошлым, используя нейтрино, которые, как известно, вторглись в новости на несколько месяцев в 2011 году; после того, как физики подумали, что у них есть доказательства того, что нейтрино двигаются чуть быстрее скорости света. Как оказалось, были проблемы с оборудованием, и они фактически не наблюдали нейтрино, движущихся быстрее универсального ограничения скорости. Даже если бы мы могли, маловероятно, что сообщение было бы получено, поскольку они мало взаимодействуют с обычной материей. Унизительно отметить, что прошлое является такой же частью вселенной, как и настоящее.

Поделиться этой статьей

Относительность

Относительность
Относительность :

Теория относительности Эйнштейна имеет дело с ньютоновской физикой, когда энергии или
скорости близки к скорости света. Относительность обычно рассматривается как
современная физика, так как она была разработана в начале 20-го века и
могут быть проверены только в области, доступной ученым с помощью высоких технологий.
Однако теория относительности прежде всего завершает ту революцию, которую начал Ньютон.
также в высшей степени детерминистична, как и большая часть классической физики.

С целостной точки зрения
В теории относительности такие понятия, как длина, масса и время, приобретают гораздо большее значение.
более туманный аспект, чем в кажущейся жесткой реальности нашего
повседневный мир. Однако то, что относительность отнимает одной рукой, она
отдает в виде новых и действительно фундаментальных констант и
концепции.

Теория относительности
традиционно разбивается на две части: специальную и общую теорию относительности. Специальный
теория относительности обеспечивает основу для перевода физических явлений и законов в
формы, подходящие для любой инерциальной системы отсчета. Общая теория относительности
решает проблему ускоренного движения и гравитации.

Специальная теория относительности :

К концу 1800-х годов стало очевидно, что существуют серьезные
проблемы ньютоновской физики, касающиеся необходимости абсолютного пространства и
время, когда речь идет о событиях или взаимодействиях (системы отсчета). В
В частности, вновь сформулированная теория электромагнитных волн потребовала
что распространение света происходит в среде.

В ньютоновской Вселенной не должно быть разницы ни в пространстве, ни во времени.
независимо от того, где вы находитесь или как быстро вы двигаетесь. Во всех местах а
метр это метр, а секунда это секунда. И вы должны быть в состоянии
путешествуйте так быстро, как вы хотите, с достаточным ускорением.

В 1890-х годах два физика (Майкельсон и Морли) пытались
измерить скорость Земли вокруг Солнца относительно ньютоновской
Абсолютное пространство и время. Это также позволит проверить, как распространяются световые волны.
так как все волны должны проходить через среду. Для света эта среда была
называется эфиром.

Результаты теста Майкельсона-Морли.
Эксперимент состоял в том, что скорость света была постоянной независимо от
как эксперимент был наклонен по отношению к движению Земли. Этот
подразумевал, что не было эфира и, следовательно, абсолютного пространства. Таким образом,
объекты или системы координат, движущиеся с постоянной скоростью (называемой
инерциальные системы отсчета) относились только к себе.

В ньютоновской механике такие величины, как скорость и расстояние, могут быть
трансформируется из одной системы отсчета в другую при условии, что
кадры находятся в равномерном движении (т. е. не ускоряются).

Рассмотрение результатов эксперимента Майкельсона-Морли привело Эйнштейна к
развивать теорию
специальная теория относительности. Ключевая предпосылка специальной теории относительности состоит в том, что
скорость света (называемая c = 186 000 миль в секунду) постоянна в
все системы отсчета, независимо от их движения. Что это значит может
лучше всего демонстрируется следующим сценарием:

Это устраняет парадокс по отношению к ньютоновской физике и
электромагнетизм того, как «выглядит» световой луч, когда наблюдатель
движется со скоростью света. Решение состоит в том, что только безмассовое
фотоны могут двигаться со скоростью света, и эта материя должна оставаться ниже
скорость света независимо от того, какое ускорение приложено.

В специальной теории относительности существует естественный верхний предел скорости.
скорость света. И скорость света одинакова во всех направлениях с
отношение к любому кадру. Удивительный результат ограничения скорости света
что часы могут идти с разной скоростью, просто когда они движутся
разные скорости.

Это означает, что время (и пространство) различаются для систем отсчета, движущихся со скоростью
с разной скоростью относительно друг друга. Изменение во времени есть
называется замедлением времени, когда кадры, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, имеют
медленные часы.

Точно так же пространство укорачивается в высокоскоростных кадрах, что называется
Лоренцево сокращение.

Замедление времени приводит к знаменитому парадоксу близнецов, который не является
парадокс, а скорее простой факт специальной теории относительности. Поскольку часы идут
медленнее в системах отсчета при высокой скорости, то можно представить себе
сценарий был возрастом близнецов с разной скоростью, когда они были разлучены при рождении из-за
путешествие к звездам.

Важно отметить, что все предсказания специальной теории относительности, длина
сжатие, замедление времени и парадокс близнецов были подтверждены прямыми
эксперименты, в основном с использованием субатомных частиц в ускорителях высоких энергий.
Эффекты относительности драматичны, но только когда скорости приближаются к скорости
света. При нормальной скорости изменения часов и линеек слишком
маленький для измерения.

Пространство-время :

Специальная теория относительности показала, что существует связь между пространственными
координаты и временные координаты. Что мы больше не можем ссылаться, где
без какой-либо ссылки на то, когда. Хотя время остается физически отличным от
пространство, время и трехмерные пространственные координаты так тесно связаны
вместе в их свойствах, что имеет смысл описывать их только совместно
как четырехмерный континуум (см. гиперкуб).

Эйнштейн ввел новую концепцию, согласно которой существует неотъемлемая связь между
Геометрия Вселенной и ее временные свойства. Результат — четверка
пространственный (три пространства, один временной) континуум, называемый пространством-временем, который лучше всего
продемонстрировано с помощью диаграмм Минковского и мировых линий.

Пространство-время имеет смысл из специальной теории относительности, поскольку было показано, что
пространственные координаты (лоренцево сокращение) и временные координаты (время
расширение) различаются между системами отсчета. Обратите внимание, что под пространством-временем время
не «происходит» в восприятии людей, а все время существует,
растянутый, как пространство во всей своей полноте. Время просто «там».

Конечным результатом пространственно-временного взгляда на Вселенную является осознание того, что
все объекты движутся с одной «скоростью», скоростью света в пространстве и времени. Рассмотрим объект с массой в состоянии покоя
против
объект с нулевой массой (фотон). Объект с массой движется во времени, но не в пространстве (покоится).
Это «движение» сквозь пространство-время есть все время, а не пространство. Если вы переместите объект из состояния покоя, то специальная теория относительности
заявляет, что его часы замедляются. Другими словами, он отказался от части своей «скорости» времени, чтобы пройти через
пространство. Сумма пространственной и временной скорости всегда равна скорости света. Вы либо потратили эту скорость все
во временном направлении (в покое) или некой смеси времени и пространства.

Точно так же у фотона нет времени. Он использует всю свою пространственно-временную скорость в пространственном направлении и
не имеет остатка на время. Нет времени на энергию. Прошло нулевое время для фотона, созданного в
начало Вселенной.

Массово-энергетический эквивалент :

Поскольку специальная теория относительности показывает, что пространство и время являются переменными понятиями,
тогда скорость (которая представляет собой пространство, деленное на время) также становится переменной. Если
скорость изменяется от системы отсчета к системе отсчета, а затем понятия, которые включают
скорость тоже должна быть относительной. Одним из таких понятий является импульс, энергия движения.

Импульс, согласно определению Ньютона, не может сохраняться от кадра к кадру при
специальная теория относительности. Пришлось определить новый параметр, названный релятивистским.
импульс, который сохраняется, но только если масса объекта добавляется к
уравнение импульса.

Это оказывает большое влияние на классическую физику, поскольку означает, что существует эквивалентность
между массой и энергией, выраженной знаменитым уравнением Эйнштейна:

Последствия этого не осознавались в течение многих лет. Например,
было показано, что производство энергии в ядерных реакциях (т.е. делении и синтезе)
превращение небольшого количества атомной массы в энергию. Это привело к
развитие ядерной энергетики и оружия.

Когда объект разгоняется до скорости, близкой к скорости света, начинаются релятивистские эффекты.
доминировать. В частности, добавление большего количества энергии к объекту не заставит его двигаться.
быстрее, так как скорость света является пределом. Энергия должна куда-то деваться, поэтому она
добавляется к массе объекта, если смотреть из остальной системы отсчета. Таким образом, мы говорим
что наблюдаемая масса объекта поднимается с повышенной скоростью. Итак,
космический корабль, казалось бы, набирает массу города, затем планеты, чем звезды, поскольку
его скорость увеличилась.

Точно так же эквивалентность массы и энергии позволила Эйнштейну предсказать, что
фотон имеет импульс, хотя его масса равна нулю. Это позволяет развивать
световые паруса и фотоэлектрические детекторы.

Пространство-время и энергия :

Специальная теория относительности и E=mc ² привели к
мощнейшее объединение физических понятий со времен Ньютона.
Были связаны прежде отдельные представления о пространстве, времени, энергии и массе.
специальной теорией относительности, хотя и без ясного понимания того, как они
были связаны.

Вопрос о том, как и почему, остался в сфере того, что называется общим
относительность, полная теория гравитации, использующая геометрию пространства-времени.
Происхождение общей теории относительности лежит в попытке Эйнштейна применить
специальная теория относительности в ускоренных системах отсчета. Помните, что
выводы теории относительности были основаны для инерциальных систем отсчета, т.е.
двигаться только с постоянной скоростью. Добавление ускорения было усложнением
на формулировку которой у Эйнштейна ушло 10 лет.

Принцип эквивалентности :

Эквивалентность
Принципом было эйнштейновское понимание гравитации как «яблока Ньютона». Его
мысленный эксперимент состоял в следующем: представьте себе два лифта, один в
Поверхность Земли, ускоряющаяся в космосе. Наблюдателю внутри лифта
(без окон) нет физического эксперимента, который он мог бы провести, чтобы
различать два сценария.

Непосредственным следствием принципа эквивалентности является то, что гравитация искривляет свет. Чтобы представить, почему это
верно, представьте себе фотон, пересекающий лифт и ускоряющийся в космос. Как
фотон пересекает лифт, пол ускоряется вверх и фотон
кажется, падает вниз. То же самое должно быть верно и в гравитационном поле
принцип эквивалентности.

Принцип эквивалентности делает гравитационное поле принципиально
отличается от всех других силовых полей, встречающихся в природе. Новый
теория гравитации, общая теория относительности, принимает это
характеристика гравитационного поля как его основы.

Общая теория относительности :

Вторая часть теории относительности – это общая теория относительности.
и основывается на двух эмпирических выводах, которые он возвел в ранг основных
постулаты. Первый постулат — это принцип относительности: локальная физика
руководствуется специальной теорией относительности. Второй постулат –
Принцип эквивалентности: наблюдатель не может различить локально
между гравитацией и ускорением.

Эйнштейн обнаружил, что существует связь между массой,
гравитация и пространство-время. Масса искажает пространство-время, заставляя его искривляться.

Гравитацию можно описать как движение, вызванное искривленным пространством-временем.

Таким образом, основной результат общей теории относительности состоит в том, что гравитация является чисто
геометрическое следствие свойств пространства-времени. Специальная теория относительности
разрушил представление классической физики об абсолютном пространстве и времени, общую теорию относительности
опровергает идею о том, что пространство-время описывается евклидовой или плоской геометрией.
В этом смысле общая теория относительности — это теория поля, связывающая закон Ньютона с
гравитации к полевой природе пространства-времени, которое может быть искривлено.

Гравитация в общей теории относительности описывается в терминах искривленного пространства-времени.
Идея о том, что пространство-время искажается движением, как в специальной теории относительности,
распространяется на гравитацию по принципу эквивалентности. Гравитация исходит из материи,
поэтому присутствие материи вызывает искажения или искривления пространства-времени. Иметь значение
говорит пространству-времени, как искривляться, а пространство-время говорит материи, как двигаться (по орбитам).

Было два классических теста общей теории относительности, первый заключался в том, что свет
следует отклонить, пройдя близко
к массивному телу. Первая возможность появилась во время полного затмения
Солнца в 1919.

Измерения положения звезд вблизи затемненного края Солнца доказали
Эйнштейн был прав. Прямое подтверждение гравитационного
линзирование было получено космическим телескопом Хаббла в прошлом году.

Второй тест состоит в том, что общая теория относительности предсказывает замедление времени в
гравитационное поле, так что по отношению к кому-то вне поля,
часы (или атомарные процессы) идут медленно. Это было подтверждено атомной
часы летающих самолетов в середине 1970-х годов.

Общая теория относительности построена таким образом, что ее результаты
примерно такие же, как и в теориях Ньютона, пока скорости
всех тел, взаимодействующих друг с другом гравитационно, малы по сравнению
со скоростью света, т. е. до тех пор, пока задействованные гравитационные поля
слабый. Последнее требование можно грубо сформулировать в терминах скорости убегания. А
гравитационное поле считается сильным, если скорость убегания приближается к
скорость света, слабая, если она намного меньше. Все гравитационные поля
встречающиеся в Солнечной системе, в этом смысле слабы.

Заметьте, что при малых скоростях и слабых гравитационных полях общие и специальные
относительность сводится к ньютоновской физике, т.е. к повседневному опыту.

Черные дыры :

Тот факт, что свет искривляется гравитационным полем, приводит к следующему
мысленный эксперимент. Представьте, что вы добавляете массу телу. По мере увеличения массы, т.
требуется ли гравитационному притяжению и объектам больше энергии, чтобы достичь побега
скорость. Когда масса достаточно велика, чтобы скорость, необходимая
чтобы убежать больше, чем скорость света, мы говорим, что была создана черная дыра.

Другой способ определить черную дыру состоит в том, что для данной массы существует
радиус, где, если вся масса сжимается в пределах этого радиуса, кривизна
пространство-время становится бесконечным, а объект окружается горизонтом событий.
Этот радиус называется радиусом Шварцшильда и
изменяется в зависимости от массы объекта (у объектов большой массы большие значения Шварцшильда).
радиусы, объекты малой массы имеют малые радиусы Шварцшильда).

Радиус Шварцшильда отмечает точку, где формируется горизонт событий, ниже
этот радиус ни один свет не ускользает. Визуальный образ черной дыры — один из
темное пятно в космосе без излучения. Любое излучение, попадающее на
черная дыра не отражается, а поглощается, и звездный свет из-за
черная дыра линзирована.