Реферат
«Времяи его изучение в физике»
Введение
Еслисовременному человеку задать вопрос о том, как течет время, то большинстволюдей уподобит это понятие некой реке, текущей только вперед, из прошлого вбудущее. Но, например, древние греки полагали, что время не является бесконечнойпрямой, а соединяет конец с началом. Взаимодействие бесконечных пространства ивремени, оказывается, делает их не бесконечными, поскольку есть определенныйпредел. А когда известному в древности любителю парадоксов Зенону Элейскомузадали вопрос о том, как, по его мнению, движется время: по кругу или по прямой,прозвучал интересный ответ: «Никак, поскольку никакого движения нет».
Конечно,древние во многом ошибались. Но и сейчас современная наука вряд ли точно сможетответить на все вопросы о времени, ключевой из которых «что такое время?». Новсе же современная наука знает о сущности времени немало. Более того, дажеизвестны некоторые виды «машин времени», издавна существующие в природе.
Как же ониработают? Что же все-таки такое время? Как оно движется? Существует лиобратимость времени? Возможны ли путешествия во времени? Каково время во Вселенной?Обо всем этом и пойдет речь ниже.
Понятие времени и его измерение
Прежде всего,отметим, что время – понятие физическое, а потому тесно связано с конкретнымизаконами физики. Например, согласно законам физики, период вращения Землидолжен оставаться постоянным. Этот факт позволяет определить единицу измерениявремени, называемую солнечными сутками. Или, например, законы физикиутверждают, что период колебания кварцевой пластинки в генераторе с кварцевойстабилизацией тоже можно применять для измерения времени, причем очень точно.Можно добиться еще более точного подсчета времени, если использовать частотыколебаний электронов в атомах. Наиболее точными считаются атомные часы,основанные на частоте излучения атомов цезия-133.
В настоящеевремя используются три основные системы измерения времени. В основе каждой изних лежит конкретный физический периодический процесс: 1).вращение Земли вокругсвоей оси, 2).обращение Земли вокруг Солнца и 3).излучение (или поглощение)электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ (например, тогоже цезия) при определенных условиях.
Чаще всего, вповседневной практике используют такую единицу измерения, как «среднеесолнечное время», основой которой являются «средние солнечные сутки», которые,в свою очередь, делятся следующим образом: 1 средние солнечные сутки = 24средним солнечным часам[1], 1 среднийсолнечный час = 60 средним солнечным минутам, 1 средняя солнечная минута = 60средним солнечным секундам. Одни средние солнечные сутки содержат 86 400средних солнечных секунд.
В то же времяотметим, что основывая понятие времени на физических законах, мы не можем бытьточно уверены в их абсолютной правильности.
Взгляды ученых на понятие времени
Времяявляется одним из понятий, которое повсеместно применяется в физике. Развитиевзгляда на понятие времени связано с именами нескольких известных ученых:Галилей, Ньютон и Эйнштейн. Начнем с Галилея.
Глубокиеразмышления о движении тел в природе привели его к принципу относительности,где все зависит от точки отсчета. Например, путешественник, находящийся в каютеплывущего корабля, может точно сказать, что книга на его столе в каютенаходится в состоянии покоя. Но в то же время человек на берегу видит, чтокорабль плывет, а потому книга внутри корабля также совершает движение вместе скораблем. Галилею удалось выявить силу инерции, которая объединяет тела вабсолютном и относительном покое. Эта сила не проявляет себя, пока телонаходится в состоянии покоя или в равномерном прямолинейном движении. Но стоитчуть притормозить его, как начинает проявляться ускорение, а тело по инерциистремится восстановить утраченный покой.
С этойотправной точки отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея.Ньютон установил, что существует связь между силой и ускорением, но чтобысделать эту связь полностью определенной пришлось ввести понятие массы тела.Тогда появился второй закон Ньютона, выражаемый формулой F=ma. Первым законом былзакон инерции[2], а третий –сила действия равна силе противодействия. Из этих законов и появиласьклассическая механика Ньютона. Но чтобы знать скорости и ускорения в этоймеханике, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механикане может существовать без времени, как геометрия без пространства.
Измерятьвремени было бы хорошо идеально точными часами, ход которых не зависел бы откакого либо движения, а потому нельзя определить, находятся они в покое илидвижутся. Такие часы принято называть инерциальными. Они смогли бы показывать некоеабсолютное время, одинаковое для всей Вселенной.
Основываясьна трудах Ньютона и Галилея, А. Эйнштейн принялся исследовать Вселенную посвоему разумению. Эйнштейн задавался вопросами, течет ли время одинаково вездеи кто это контролирует. Ответ помогла дать созданная им теория относительности,ядром которой стала аксиома о там, что в пустоте скорость света одинакова вовсех ИСО. В вакууме же, рассуждал Эйнштейн, скорость света абсолютна, а значит,равна 300 000 км/с [3]. Кроме того,скорость света является предельно возможной скоростью в природе.
Из логическихпостроений Эйнштейна последовали практические расчеты зависимости течениявремени от скорости движения. В движущейся системе координат время замедляетсяпо отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движенияобъекта к скорости света. Отсюда вытекает знаменитый парадокс близнецов.
Этот парадоксвыглядит так. Представим себе двух братьев-близнецов. Если один из близнецовотправится в возрасте, например, 20 лет в космическое путешествие к какой-либозвезде со скоростью света, то, пролетев, скажем, туда и обратно за 40 световыхлет, он вернется через примерно 11 лет по корабельному времени. На Земле же заэто время пройдет примерно 80 лет! Поэтому тот из братьев, который отправился впутешествие к звезде окажется моложе своего брата почти на 80 лет! Почему,спросите вы? В этом и заключается одна из загадок времени.
Расстояние вкосмосе не случайно измеряется в световых годах. Световой год – это путь,который световой луч может преодолеть, пока на Земле пройдет год. Исходя изэтого, можно точно сказать, что глядя на звезды в ночное небо мы видим их нетакими, какие ни есть в настоящий момент, а такими, какими они были 40 и болеесветовых лет назад[4].Четырехмерное пространство и время Вселенной
Оказывается,математикам удобно пользоваться понятием четырехмерного пространства, гдепомимо длины, ширины и высоты присутствует еще одно направление – время. Да имы сами зачастую прибегаем к этому четвертому направлению в повседневнойпрактике. Например, когда пешеход переходит дорогу, а мимо него по нейпроезжает автомобиль, то три из четырех координат пространства совпадают, когдаавтомобиль, а затем человек (или наоборот) проходят через одну и ту же точку.Не совпадает лишь четвертая координата – время, поскольку кто-то из них — либоавтомобиль, либо пешеход – должны перейти раньше через это место. Отсюдаследует интересный вывод: классическая физика «объединяет» пространство и времяпри помощи движения.
Есть и другойинтересный вывод, исходящий из теории относительности Эйнштейна и знаний оскорости света. Как уже сказано выше, звезды мы можем видеть не такими, какиеони есть в данный момент. Свет распространяется не сразу, а за определенный,пусть и ничтожно малый промежуток времени, и потому воспринимается человеческимглазом тоже не сразу. Свет от лампы распространяется за сотую долю секунды,свет от солнца доходит до нас за восемь минут и т.д. А ведь именно с помощьюсвета мы можем видеть окружающий нас мир. Выходит, мы видим только то, что ужепроизошло, поскольку пока световые лучи донесут до глаза какую-то информацию,пройдет определенное время. Стало быть, мы живем в прошлом. А раз мы видимпрошлое, то время как одна из координат пространства может быть отрицательной. Посути, мы живем в прошлом.
А каково жетогда время во Вселенной? И есть ли там вообще время?
Долгое времясчиталось, что Вселенная статична и неизменна, а все тела в ней находятся всостоянии покоя.
Из созданнойтеории относительности Эйнштейн составил свою модель Вселенной. Одним изпостулатов в его модели был постулат о том, что Вселенная однородна и пребываетв неизменном состоянии. Если, например, где-то погасла звезда, то на смену ей вдругом месте появляется новая. Это также соответствовало классической механикеНьютона – Галилея.
Оказалось,однако, что это не так. Вселенная не статична, а наоборот, динамична. ВеществоВселенной, как показали формулы и математические выкладки Фридмана[5],должно либо расширяться, либо сжиматься. Кроме того, не может Вселенная бытьстатичной и потому, что на все тела во Вселенной действует сила небесноготяготения, ничем не уравновешиваемая[6], а потомутела во Вселенной находятся в состоянии движения: планеты, звезды, галактики ит.д. Значит, это движение можно измерять с помощью четырех мерной системыкоординат.
Такимобразом, время во Вселенной есть, но движется оно неспешно. Проходят миллиардыи миллионы лет, пока становятся видны какие-то изменения. Но если Вселеннаяимеет тенденцию к расширению (ведь давно установлено, что галактики в космосеотдаляются друг от друга), то где-то в далеком прошлом был момент, когда всяВселенная была сжата в одну точку (это состояние называется «комическойсингулярностью»). Момент начала расширения Вселенной и есть начало отсчетавремени в ней. Есть ли предел этого расширения? Ответ на этот вопрос мы вряд ликогда-нибудь узнаем. Хотя существует предположение, что время само по себециклично, а значит все события повторяются. Поэтому вполне вероятно, что вкакой-то момент Вселенная начнет сжиматься в точку. Что при этом произойдет сЗемлей и с человечеством на ней, не знает никто.Черные дыры и время. Обратимость
Представимсебе такую картину. В яблоке поселился червяк. Вместо того чтобы перемещатьсяиз одной точки в другую по поверхности яблока, он просто прогрызает ходы внутринего, делая более короткий путь. Оказывается, подобные туннели существуют воВселенной.
Суть теорииотносительности Эйнштейна здесь заключается в том, что пространство не плоское,а изогнутое и деформированное под воздействием массы и энергии. Иначе говоря,наше пространство загибается в четвертое измерение. Пространство и время внашем понимании теряют свой привычный вид. Появляется понятие искривленностипространства и времени[7].
В то же времявозникает возможность соединить две точки, которые не имеют собойпространственно-временной связи. Суть же «туннеля», который может соединить их,заключается в возможности сокращения себе пути.
Существованиетаких «туннелей» было предсказано теоретиками еще в 1916 году, а в конце 50-х.гг. физик Джон Уиллер впервые ясно обрисовал, что такие «мосты» могут бытьнайдены в тех районах Вселенной, где пространство сильно изогнуто. Такиетуннели получили название «черные дыры».
Возможна лиих транспортная функция? Трудно дать однозначный ответ на этот вопрос.Во-первых, неизвестно, будет ли ощущать сопротивление внутри дыры предмет,попавший в нее. Во-вторых, неясно, куда этот туннель может привести. Нам такжене известна природа этих дыр. Не известен механизм их образование и неизвестно, пожалуй, главное: какая сила действует внутри дыры, если она затягиваетв себя даже свет?
Черные дырыпредоставляют возможность путешествия во времени. Но здесь возникают двесложности. Первая: чтобы попасть в прошлое, придется предварительно двигатьчерную дыру с околосветовой скоростью в течение примерно 100 лет. И втораясложность – это нарушение причинно-следственной цепи. Никто не знает, чтопроизойдет, если следствие повлияет на причину…
Есть предположение,что процесс поглощения вещества черными дырами может прекратиться. То, что намизвестно о строении Вселенной сегодня, позволяет считать, что энергия не уходитбезвозвратно. Если черные дыры перестанут поглощать вещество, то, очевидно,будет происходить обратный процесс – выход энергии и вещества наружу. Можетвозникнуть и такое невообразимое в физике явление, как отрицательная масса. Возможно,что и время тогда пойдет назад, поскольку оно тоже станет отрицательным.
Однако нашаповседневная жизнь свидетельствует о том, что никакие события не обладаютобратимостью. Но почему же тогда обратимы законы движения? Вопрос непростой.Поэтому о нем говорят не иначе, как о парадоксе обратимости.
Но в то жевремя хаотичное броуновское движение молекул вещества, как и любое движение,вполне обратимо. Поэтому также вполне вероятно, что, например, разделениегазов, смешанных из двух сосудов в одном, тоже может быть возможно, т.е.процесс смешивания газов обратим. Если имеется хаотичное движение молекулвещества, то, значит, имеется обратимость всего их сообщества. Поэтому возможнаобратимость различных процессов. Значит, «черную дыру», как и свет, также можносчитать природной «машиной времени».
Возможно ли путешествовать во времени?
Выше мы ужеговорили о том, что своеобразной «машиной времени» является телескоп, черезкоторый мы смотрим на звезды. А можно ли реально перемещаться во времени вбудущее или прошлое? Для ответа на этот вопрос понадобится разобраться снекоторыми природными частицами.
Всемизвестно, что свет состоит из фотонов. Причем в одних случаях фотон – этоматериальная частица, а в других – электромагнитная волна. Но вообще говоря,эти понятия о свете как частице или электромагнитной волне введены для удобстварасчетов. На самом деле положение света здесь до сих пор спорно. А как быть сгравитацией и временем?
Существуетпредположение, что существуют гравитационные волны – волнообразные колебанияпространства-времени, которые придают времени искривленность и которыераспространяются в четырехмерном пространстве также, как распространяется ввоздухе звук. При этом гравитационные и электромагнитные волны распространяютсяс одинаковой скоростью – 300 000 км/с.
Однакозарегистрировать гравитационные волны пока не удалось. Есть пока толькопредположения, что гравитационные волны могут вполне вести себя как потокичастиц. Поэтому гравитационные волны могут быть родственны электромагнитнымколебаниям.
Далее намследовало бы искать кванты (частицы) времени. Но мы не можем ни подтвердить, ниопровергнуть их наличие. Опираясь на опыт физики, можно лишь сказать, что нетникакого времени, существующего само по себе. Оно всегда связано с каким-либоявлением.
Для тогочтобы говорить о возможности путешествий во времени, необходимы эксперименты.Причем поставить такой эксперимент мы пока тоже не можем. Дело в том, что дляпроведения подобного эксперимента каждая из микрочастиц должна обладатьэнергией примерно в 109 джоулей! А все земные ускорители могут обеспечить лишьодну миллиардную долю этой энергии. Впрочем, если мы не можем провестиэксперимент на Земле, то надо искать условия для его проведения во Вселенной.Многие исследователи здесь предлагают обратить пристальное внимание на вакуум –космическую пустоту[8], окружающую телав космосе. Поняв механизм превращений, происходящих внутри вакуума, мы,возможно, в отдаленной перспективе сумеем путешествовать во времени.
Заключение
Любой человекнаверняка прекрасно знает, что такое время, пока не думает о нем. Но стоитзадуматься, и сразу же перестаешь понимать, что время из себя представляет. Ноэто вовсе не означает, что не надо думать о нем. Совсем наоборот! Именно наэтом пути и лежит возможность создания фантастических машин времени.
Нам еще оченьмногое предстоит понять в сущности окружающего нас мира, в том числе такойстранной и загадочной на сегодняшний день единицы, как время. И в этомнам всегда будут помогать знания и опыт предыдущих поколений и, конечно же,наука. Поэтому, двигаясь каждую минуту вперед, мы будем углубляться в сутьвремени все глубже.
время черный дыра четырехмерный
Список использованной литературы
1. Чернин А.Д. Физикавремени. – М.: Наука, 1987.