Время с точки зрения физика
Время — это то, с чем мы имеем дело каждый день и характеризуем как прошлое, настоящее и будущее. Прогрессия времени воплощается в наш опыт, и будущее становится настоящим, а настоящее — прошлым. Фактически невозможно говорить о движении и динамике без концепции времени и его прогрессии. Это похоже на наше восприятие пространства. Говоря о каком-то событии, вполне реально спросить, где оно произошло и когда. Время, так же как и пространственные координаты, — это маркер для определения событий. Однако вполне ясно, что время отличается от пространства тем, как мы его воспринимаем в повседневной жизни. Если по пространственным координатам мы можем ходить свободно в любом направлении, то в случае со временем мы вынуждены двигаться вперед и все время в одном и том же темпе. Как бы мы ни старались, часы всегда будут тикать в одном темпе. Будущее будет приходить на смену настоящему, которое, в свою очередь, будет становиться прошлым. Это восприятие времени как следования одному направлению странным образом не подтверждается фундаментальным описанием природы, и этот вопрос остается одной из самых сложных загадок теоретической физики.
Время в классической физике и квантовой механике
В классической физике время абсолютно и неизменно. Все часы тикают с одной и той же скоростью, и все люди воспринимают время одинаково. Концепция времени очень похожа на наше ежедневное восприятие его. Однако важно, что классическая физика не выбирает ось времени. Течение времени в обратную сторону — явление в физике, полностью равносильное обычному его течению. Согласно классической физике, идти по улице вперед — это то же самое, что идти по улице назад.
Три парадокса квантовой механики
Физик Эмиль Ахмедов о вероятностной интерпретации, открытиях Ньютона и известных спорах в области квантовой механики
Что касается понятия времени, квантовая механика согласна с классической физикой. Время тикает с постоянной скоростью и используется для обозначения маркеров событий. Вместе с центральным уравнением квантовой механики, уравнением Шредингера, которое Т-симметрично, идет концепция коллапса волновой функции. Именно идея о том, что состояние системы определяется только тогда, когда внешний наблюдатель начинает ее наблюдать, и отличает квантовую механику от классической. Таким образом, коллапс волновой функции — это процесс, путем которого квантовая неопределенность разрешается. Это кажется Т-симметричным процессом. Однако, так как механизм коллапса волновой функции плохо изучен, сложно утверждать, что это механизм, который определяет ось времени. В частности, есть убедительные аргументы для того, чтобы предполагать, что это Т-симметричный процесс.
Время и теория относительности
Теория относительности Эйнштейна полностью меняет нашу парадигму понимания времени. Она утверждает, что прогрессия времени неуниверсальна и зависит от того, кто ее изменяет. Согласно такой картине реальности часы тикают с разной скоростью в зависимости от того, кто их носит.
Принимая большое ускорение или находясь вблизи сильных гравитационных сил (например, рядом с черными дырами), можно изменить скорость течения времени или даже остановить его, повернуть вспять. Так гласит теория. Например, для человека, который находится внутри черной дыры, пространство и время кажутся взаимозаменяемыми, поэтому спуск в черную дыру становится неизбежным, так же как и последующее течение времени вне черной дыры. С другой стороны, время становится просто еще одним направлением, как право или лево. Относительность ставит время в равное положение с пространственными ориентирами, к которым мы привыкли. Впоследствии время может быть «изогнутым», так же как пространственные ориентиры, которые неуниверсальны. Мера этого искривления — это скорость, с которой время протекает. Тем не менее в теории относительности уравнения тоже Т-симметричны. Это значит, что они не оказывают предпочтения какой-либо оси времени.
Ось времени
Одна из общих черт классической, квантовой и релятивистской механики, касающаяся времени, — это то, что ни одна из теорий не дает определение оси времени. Конечно, решения этих уравнений могут нарушить Т-симметрию, но сами теории Т-симметричны. Так откуда же взялась Т-симметрия? Большая часть Т-симметрии — это результат термодинамики. В частности, второй закон термодинамики гласит, что энтропия системы возрастает с течением времени. Вследствие этого закона вы, к примеру, никогда не увидите, как лужа воды, тающая на солнце, формирует кусок льда и нагревает округу. Следует подчеркнуть, что этот закон — это скорее статистическое утверждение, чем строгий математический результат, полученный из уравнения фундаментальной физики. Почему такой статистический закон должен быть правдой и как он связан с фундаментальными законами физики? Этот вопрос сейчас является «проблемой оси времени».
Особенностью физики является то, что она оперирует поня-тиями, которым соответствуют измеримые, характеризуе-мые числом величины. Многие важные понятия обыденного языка (например, ум, справедливость), а также и белее утон-ченные философские категории не таковы. Это существен-ное самоограничение, но благодаря ему физические выска-зывания приобретают четкий и однозначный смысл и, что не менее важно, могут быть подвергнуты экспериментальной проверке.
Измеримые величины называются наблюдаемыми, и утверждения относительно наблюдаемых величин проверяе-мы. Физика старается избегать высказываний, которые са-ми либо выводимые из них следствия не могут быть в принципе проверены и либо подтверждены, либо опро-вергнуты (важна именно принципиальная возможность проверки, независимо от того, осуществима ли она имею-щимися в данный момент средствами).
Понятия «пространство » и «время » — это одновременно и понятия обыденного язык а, и важные философские катего-рии, но также и исходные фундаментальные понятия физи-ки . Окружающий нас мир — это множество событий, происходящих в пространстве и времени.
Понятие «пространство » связано с протяженными телами. Тела находятся в пространстве. И это понятие наглядней и кажется более простым, чем «время», но и здесь есть свои трудности.
Простейшее изменение, происходящее в окружающем ми-ре, — это движение, когда объект, оставаясь тождествен-ным самому себе, перемещается из одного места в другое, и не случайно математическое описание реальности начина-лось именно с описания движения. Когда мы говорим о дви-жении, то подразумеваем движение в пространстве. Поня-тие «движение» соединяет между собой понятия «пространство » и «время », и часто они и связанные с ними проблемы рассматривались вместе. В физике эти два поня-тия слились в одно — «пространство-время».
Мысленно легко абстрагироваться от предметов, заполня-ющих пространство, и представить себе «чистое» (абсолютное — по терминологии Ньютона) пространство, в ко-тором нет ничего. Точно так же можно абстрагироваться от конкретных процессов, протекающих во времени, и сфор-мировать представление о «чистом» времени, о времени «самом по себе». «Абсолютное, истинное, математическое время, само по себе и по самой своей сущности, без всяко-го отношения к чему-либо внешнему протекает равномер-но и иначе называется длительностью» — определение, данное Ньютоном в его знаменитом труде «Математиче-ские начала натуральной философии». Пространство — это та арена, на которой происходят все явления окружаю-щего нас мира, и они протекают во времени. Именно эти представления лежали в основе ньютоновской механики . Но постепенно стало ясно, что такие абстракции, как «чис-тое пространство» и «чистое время», не могут быть предме-том научного объяснения. Точки «чистого пространства» не наблюдаемы. Они неотличимы одна от другой. Невоз-можно говорить о движении относительно абсолютного пространства, потому что утверждения о движении или покое непроверяемы. Материал с сайта
С античных времен, однако, считали, что свойства «чистого» пространства правильно списываются специальной матема-тической дисциплиной — евклидовой геометрией , которую до сих пор изучают в школе. Утверждения геометрии (теоре-мы) можно было непосредственно проверить. Например, рассматривая конкретные прямоугольные треугольники и измеряя их стороны линейкой, можно убедиться в правиль-ности теоремы Пифагора. Но главным достоинством теорем считали то, что они не нуждаются в экспериментальной про-верке, потому что они «доказываются». Геометрия создавала и поддерживала иллюзию того, «то могут быть осмысленные, содержательные и «правильные» (проверяемые) высказыва-ния о некоторых свойствам реального мира, полученные чис-то умозрительно, иллюзию, которая веками укрепляла фило-софию и метафизику в их поисках умопостигаемых истин. Уверенность в том, что утверждения геометрии относятся к реальному пространству, была поколеблена лишь в середине XIX в., после создание неевклидовых геометрий (Лобачевский, Больяи и Гаусс). И нелегко и не сразу пришло осознание того, что теоремы геометрии как математической дисципли-ны не есть утверждения о свойствах реального физического пространства, в котором мы живем. Его свойства — предмет изучения физики , а не математики. Математик может работать с абстрактным пространством, потому что он сам наделя-ет его определенными свойствами. Физик имеет дело с ми-ром, который существует сам по себе, и его свойства не могут быть установлены умозрительно.
Время и его изучение в физике
Размещено на /
"Время и его изучение в физике"
Введение
Если современному человеку задать вопрос о том, как течет время, то большинство людей уподобит это понятие некой реке, текущей только вперед, из прошлого в будущее. Но, например, древние греки полагали, что время не является бесконечной прямой, а соединяет конец с началом. Взаимодействие бесконечных пространства и времени, оказывается, делает их не бесконечными, поскольку есть определенный предел. А когда известному в древности любителю парадоксов Зенону Элейскому задали 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 сможет ответить на все вопросы о времени, ключевой из которых «что такое время?». Но все же современная наука знает о сущности времени немало. Более того, даже известны некоторые виды «машин времени», издавна существующие в природе.
Как же они работают? Что же все-таки такое время? Как оно движется? Существует ли обратимость 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 конкретными законами физики. Например, согласно законам физики, период вращения Земли должен оставаться постоянным. Этот факт позволяет определить единицу измерения времени, называемую солнечными сутками. Или, например, законы физики утверждают, что период колебания кварцевой пластинки в генераторе с кварцевой стабилизацией тоже можно применять для измерения времени, причем очень точно. Можно добиться еще более точного подсчета времени, если использовать частоты колебаний электронов в атомах. Наиболее точными считаются атомные часы, основанные на частоте излучения атомов цезия-133.
В настоящее время используются три основные системы измерения времени. В основе каждой из них лежит конкретный физический периодический процесс: 1).вращение Земли вокруг своей оси, 2).обращение Земли вокруг Солнца и 3).излучение (или поглощение) электромагнитных волн атомами или молекулами некоторых веществ (например, того же цезия) при определенных условиях.
Чаще всего, в повседневной практике используют такую единицу измерения, как «среднее солнечное время», основой которой являются «средние солнечные сутки», которые, в свою очередь, делятся следующим образом: 1 средние солнечные сутки = 24 средним солнечным часам1, 1 средний солнечный час = 60 средним солнечным минутам, 1 средняя солнечная минута = 60 средним солнечным секундам. Одни средние солнечные сутки содержат 86 400 средних солнечных секунд.
В то же время отметим, что основывая понятие времени на физических законах, мы не можем быть точно уверены в их абсолютной правильности.
Взгляды ученых на понятие времени
Время является одним из понятий, которое повсеместно применяется в физике. Развитие взгляда на понятие времени связано с именами нескольких известных ученых: Галилей, Ньютон и Эйнштейн. Начнем с Галилея.
Глубокие размышления о движении тел в природе привели его к принципу относительности, где все зависит от точки отсчета. Например, путешественник, находящийся в каюте плывущего корабля, может точно сказать, что книга на его столе в каюте находится в состоянии покоя. Но в то же время человек на берегу видит, что корабль плывет, а потому книга внутри корабля также совершает движение вместе с кораблем. Галилею удалось выявить силу инерции, которая объединяет тела в абсолютном и относительном покое. Эта сила не проявляет себя, пока тело находится в состоянии покоя или в равномерном прямолинейном движении. Но стоит чуть притормозить его, как начинает проявляться ускорение, а тело по инерции стремится восстановить утраченный покой.
С этой отправной точки отправился дальше Ньютон, родившийся в год смерти Галилея. Ньютон установил, что существует связь между силой и ускорением, но чтобы сделать эту связь полностью определенной пришлось ввести понятие массы тела. Тогда появился второй закон Ньютона, выражаемый формулой F=ma. Первым законом был закон инерции2, а третий – сила действия равна силе противодействия. Из этих законов и появилась классическая механика Ньютона. Но чтобы знать скорости и ускорения в этой механике, надо было знать время, в течение которого они действовали. Механика не может существовать без времени, как геометрия без пространства.
Измерять времени было бы хорошо идеально точными часами, ход которых не зависел бы от какого либо движения, а потому нельзя определить, находятся они в покое или движутся. Такие часы принято называть инерциальными. Они смогли бы показывать некое абсолютное время, одинаковое для всей Вселенной.
Основываясь на трудах Ньютона и Галилея, А. Эйнштейн принялся исследовать Вселенную по своему разумению. Эйнштейн задавался вопросами, течет ли время одинаково везде и кто это контролирует. Ответ помогла дать созданная им теория относительности, ядром которой стала аксиома о там, что в пустоте скорость света одинакова во всех 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 логических построений Эйнштейна последовали практические расчеты зависимости течения времени от скорости движения. В движущейся системе координат время замедляется по отношению к неподвижной системе в зависимости от близости скорости движения объекта к скорости света. Отсюда вытекает знаменитый парадокс близнецов.
Этот парадокс выглядит так. Представим себе двух братьев-близнецов. Если один из близнецов отправится в возрасте, например, 20 лет в космическое путешествие к какой-либо звезде со скоростью света, то, пролетев, скажем, туда и обратно за 40 световых лет, он вернется через примерно 11 лет по корабельному времени. На Земле же за это время пройдет примерно 80 лет! Поэтому тот из братьев, который отправился в путешествие к звезде окажется моложе своего брата почти на 80 лет! Почему, спросите вы? В этом и заключается одна из загадок времени.
Расстояние в космосе не случайно измеряется в световых годах. Световой год – это путь, который световой луч может преодолеть, пока на Земле пройдет год. Исходя из этого, можно точно сказать, что глядя на звезды в ночное небо мы видим их не такими, какие ни есть в настоящий момент, а такими, какими они были 40 и более световых лет назад4.
Четырехмерное пространство и время Вселенной
Оказывается, математикам удобно пользоваться понятием четырехмерного пространства, где помимо длины, ширины и высоты присутствует еще одно направление – время. Да и мы сами зачастую прибегаем к этому четвертому направлению в повседневной практике. Например, когда пешеход переходит дорогу, а мимо него по ней проезжает автомобиль, то три из четырех координат пространства совпадают, когда автомобиль, а затем человек (или наоборот) проходят через одну и ту же точку. Не совпадает лишь четвертая координата – время, поскольку кто-то из них - либо автомобиль, либо пешеход – должны перейти раньше через это место. Отсюда следует интересный вывод: классическая физика «объединяет» пространство и время при помощи движения.
Есть и другой интересный вывод, исходящий из теории относительности Эйнштейна и знаний о скорости света. Как уже сказано выше, звезды мы можем видеть не такими, какие они есть в данный момент. Свет распространяется не сразу, а за определенный, пусть и ничтожно малый промежуток времени, и потому воспринимается человеческим глазом 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 помощью света мы можем видеть окружающий нас мир. Выходит, мы видим только то, что уже произошло, поскольку пока световые лучи донесут до глаза какую-то информацию, пройдет определенное время. Стало быть, мы живем в прошлом. А раз мы видим прошлое, то время как одна из координат пространства может быть отрицательной. По сути, мы живем в прошлом.
А каково же тогда время во Вселенной? И есть ли там вообще время?
Долгое время считалось, что Вселенная статична и неизменна, а все тела в ней находятся в состоянии покоя.
Из созданной теории относительности Эйнштейн составил свою модель Вселенной. Одним из постулатов в его модели был постулат о том, что Вселенная однородна и пребывает в неизменном состоянии. Если, например, где-то погасла звезда, то на смену ей в другом месте появляется новая. Это также соответствовало классической механике Ньютона – Галилея.
Оказалось, однако, что это не так. Вселенная не статична, а наоборот, динамична. Вещество Вселенной, как показали формулы и математические выкладки Фридмана5, должно либо расширяться, либо сжиматься. Кроме того, не может Вселенная быть статичной и потому, что на все тела во Вселенной действует сила небесного тяготения, ничем не уравновешиваемая6, а потому тела во Вселенной находятся в состоянии движения: планеты, звезды, галактики и т.д. Значит, это движение можно измерять с помощью четырех мерной системы координат.
Таким образом, время во Вселенной есть, но движется оно неспешно. Проходят миллиарды и миллионы лет, пока становятся видны какие-то изменения. Но если Вселенная имеет тенденцию к расширению (ведь давно установлено, что галактики в космосе отдаляются друг от друга), то где-то в далеком прошлом был момент, когда вся Вселенная была сжата в одну точку (это состояние называется «комической сингулярностью»). Момент начала расширения Вселенной и есть начало отсчета времени в ней. Есть ли предел этого расширения? Ответ на этот вопрос мы вряд ли когда-нибудь узнаем. Хотя существует предположение, что время само по себе циклично, а значит все события повторяются. Поэтому вполне вероятно, что в какой-то момент Вселенная начнет сжиматься в точку. Что при этом произойдет с Землей и с человечеством на ней, не знает никто.
Черные дыры и время. Обратимость
Представим себе такую картину. В яблоке поселился червяк. Вместо того чтобы перемещаться из одной точки в другую по поверхности яблока, он просто прогрызает ходы внутри него, делая более короткий путь. Оказывается, подобные туннели существуют во Вселенной.
Суть теории относительности 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 в нашем понимании теряют свой привычный вид. Появляется понятие искривленности пространства и времени7.
В то же время возникает возможность соединить две точки, которые не имеют собой пространственно-временной связи. Суть же «туннеля», который может соединить их, заключается в возможности сокращения себе пути.
Существование таких «туннелей» было предсказано теоретиками еще в 1916 году, а в конце 50-х. гг. физик Джон Уиллер впервые ясно обрисовал, что такие «мосты» могут быть найдены в тех районах Вселенной, где пространство сильно изогнуто. Такие туннели получили название «черные дыры».
Возможна ли их 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 также не известна природа этих дыр. Не известен механизм их образование и не известно, пожалуй, главное: какая сила действует внутри дыры, если она затягивает в себя даже свет?
Черные дыры предоставляют возможность путешествия во времени. Но здесь возникают две сложности. Первая: чтобы попасть в прошлое, придется предварительно двигать черную дыру с околосветовой скоростью в течение примерно 100 лет. И вторая сложность – это нарушение причинно-следственной цепи. Никто не знает, что произойдет, если следствие повлияет на причину…
Есть предположение, что процесс поглощения вещества черными дырами может прекратиться. То, что нам известно о строении Вселенной сегодня, позволяет считать, что энергия не уходит безвозвратно. Если черные дыры перестанут поглощать вещество, то, очевидно, будет происходить обратный процесс – выход энергии и вещества наружу. Может возникнуть и такое невообразимое в физике явление, как отрицательная масса. Возможно, что и время тогда пойдет назад, поскольку оно тоже станет отрицательным.
Однако наша повседневная жизнь свидетельствует о том, что никакие события не обладают обратимостью. Но почему же тогда обратимы законы движения? Вопрос непростой. Поэтому о нем говорят не иначе, как о парадоксе обратимости.
Но в то же время хаотичное броуновское движение молекул вещества, как и любое движение, вполне обратимо. Поэтому также вполне вероятно, что, например, разделение газов, смешанных из двух сосудов в одном, тоже может быть возможно, т.е. процесс смешивания газов обратим. Если имеется хаотичное движение молекул вещества, то, значит, имеется обратимость всего их сообщества. Поэтому возможна обратимость различных процессов. Значит, «черную дыру», как и свет, также можно считать природной «машиной времени».
Возможно ли путешествовать во времени?
Выше мы уже говорили о том, что своеобразной «машиной времени» является телескоп, через который мы смотрим на звезды. А можно ли реально перемещаться во времени в будущее или прошлое? Для ответа на этот вопрос понадобится разобраться с некоторыми природными частицами.
Всем известно, что свет состоит из фотонов. Причем в одних случаях фотон – это материальная частица, а в других – электромагнитная волна. Но вообще говоря, эти понятия о свете как частице или электромагнитной волне введены для удобства расчетов. На самом деле положение света здесь до сих пор спорно. А как быть с гравитацией и временем?
Существует предположение, что существуют гравитационные волны – волнообразные колебания пространства-времени, которые придают времени искривленность и которые распространяются в четырехмерном пространстве также, как распространяется в воздухе звук. При этом гравитационные и электромагнитные волны распространяются с одинаковой скоростью – 300 000 км/с.
Однако зарегистрировать гравитационные волны пока не удалось. Есть пока только предположения, что гравитационные волны могут вполне вести себя как потоки частиц. Поэтому гравитационные волны могут быть родственны электромагнитным колебаниям.
Далее нам следовало бы искать кванты (частицы) времени. Но мы не можем ни подтвердить, ни опровергнуть их наличие. Опираясь на опыт физики, можно лишь сказать, что нет никакого времени, существующего само по себе. Оно всегда связано с каким-либо явлением.
Для того чтобы говорить о возможности путешествий во времени, необходимы эксперименты. Причем поставить такой эксперимент мы пока тоже не можем. Дело в том, что для проведения подобного эксперимента каждая из микрочастиц должна обладать энергией примерно в 109 джоулей! А все земные ускорители могут обеспечить лишь одну миллиардную долю этой энергии. Впрочем, если мы не можем провести эксперимент на Земле, то надо искать условия для его проведения во Вселенной. Многие исследователи здесь предлагают обратить пристальное внимание на вакуум – космическую пустоту8, окружающую тела в космосе. Поняв механизм превращений, происходящих внутри вакуума, мы, возможно, в отдаленной перспективе сумеем путешествовать во времени.
Заключение
Любой человек наверняка прекрасно знает, что такое время, пока не думает о нем. Но стоит задуматься, и сразу же перестаешь понимать, что время из себя представляет. Но это вовсе не означает, что не надо думать о нем. Совсем наоборот! Именно на этом пути и лежит возможность создания фантастических машин времени.
Нам еще очень многое предстоит понять в сущности окружающего нас мира, в том числе такой странной и загадочной на сегодняшний день единицы, как время. И в этом нам всегда будут помогать знания и опыт предыдущих поколений и, конечно же, наука. Поэтому, двигаясь каждую минуту вперед, мы будем углубляться в суть времени все глубже.
время черный дыра четырехмерный
Список использованной литературы
1. Чернин А.Д. Физика времени. – М.: Наука, 1987.
Размещено на
1 Вообще говоря, солнечные сутки на самом деле не составляют ровно 24 часа, а составляют примерно 23 ч. 58 мин. 43 с. Понятие двадцатичетырехчасовых суток является округленным, а значит, более простым в использовании.
22Появление которого, кстати, принадлежит не Ньютону, а Галилею; Ньютон лишь уточнил его формулировку.
33Известно также, что древние вообще считали скорость света бесконечной. Например, Герон Александрийский рассуждал так: «Поднимая голову ночью к небу, вы увидите звезды. Закроете глаза – они исчезнут. Откроете – сразу появятся. Поскольку между моментом открытия глаз и видением звезд нет никакого промежутка времени, то свет распространяется мгновенно». Современное же значение скорости света удалось выявить с помощью экспериментов с применением атомных часов. По результатам этих экспериментов составляет 299 799 456 м/с.
4Поэтому телескоп может служить своеобразной «машиной времени», через который мы видим именно прошлое, а не нынешнее состояние звезд.
5 Александр Александрович Фридман – советский ученый-математик. В 1924-1925 гг. руководил Главной геофизической обсерваторией. Известен за создание математических соотношений для атмосферных вихрей, имеющие главное значение в теории прогноза погоды. В то же время известен по работе над теорией хаотичных турбулентных движений. В то же время внес большой вклад в дело исследования Вселенной и времени в ней.
6Механика Ньютона – Галилея предполагает, что тело находится в состоянии покоя тогда, когда на него либо не действуют никакие силы, либо силы, действующие на него, уравновешивают друг друга.
7 Лучше всего этот факт демонстрирует неевклидовая геометрия Лобачевского. В ней, к примеру, сумма углов треугольника может не ровняться 180 градусам, или, например, кратчайшим расстоянием между двумя точками необязательно может быть отрезок. Однако такая геометрия неудобна для стандартного понятия пространства.
8 Судя по некоторым данным, эта пустота может оказаться вовсе не пустотой. Под вакуумом понимают состояние физической системы, при которой в ней нет ни полей, ни частиц. Это состояние наименьшей возможной энергии, но это не значит, что в системе энергии нет вовсе. В вакууме также протекают различные процессы.
Похожие рефераты:
Явление тяготения и масса тела, гравитационное притяжение Земли. Измерение массы при помощи рычажных весов. История открытия "Закона всемирного тяготения", его формулировка и границы применимости. Расчет силы тяжести и ускорения свободного падения.
Время-объект физического исследования. Время и движение, машина времени. Время и тяготение. Черные дыры: время остановилось. Время осуществляет связь между всеми явлениями Природы. Время обладает разнообразными свойствами, которые можно изучить опытами.
Министерство образования РФ Камский государственный политехнический институт РЕФЕРАТ НА ТЕМУ: ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ И МЕХАНИЧЕСКИЙ ДЕТЕРМИНИЗМ» Выполнил студент:
Министерство науки, высшей школы и технической политики Российской федерации Саратовский ордена трудового красного знамени государственный университет им. Н. Г. Чернышевского
Контрольная работа по концепции современного естествознания. "Парадокс близнецов" Государственная академия сферы быта и услуг Уфимский технологический институт сервиса
Время с точки зрения физика
До 1905 года, когда А. Эйнштейн (1879–1955) опубликовал свою специальную (частную) теорию относительности, общепринятой являлась ньютоновская концепция времени как некая абсолютная длительность, не зависящая от материи. (Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения рассматривает общая теория относительности (теория тяготения Эйнштейна); специальная (частная) теория относительности исследует свойства пространства-времени в приближении, когда эффектом тяготения можно пренебречь, то есть это частный случаи общей теории относительности. Пространство и время рассматривались как некий ящик, в который вложена материя и свойства которого не зависят от наличия вещества. Кроме того, время считалось однородным, одинаковым во всех точках пространства и от пространства не зависящим.
Специальная теория относительности показала тесную связь пространства и времени, образующих единый четырехмерный мир (мир Эйнштейна-Минковского), а также времени с движением. В частности, оказалось относительным понятие одновременности. Момент времени наступления какого-либо локализованного события не является свойством этого события самого по себе, но характеризует отношение его к некоторой системе отсчета. Поэтому и одновременность двух событий относительна. Она справедлива только для событии в одной и той же точке отсчета. Такой же относительный смысл имеют и промежутки времени: длительность процесса, наблюдаемого в одной системе отсчета, может не совпадать с длительностью того же процесса, наблюдаемого в другой системе. Доказательством относительности временных промежутков в разных системах отсчета может служить распад элементарных частиц. Покоящийся пи-мезон живет 10-8 секунд. При движении даже с максимально возможной в природе скоростью - 300 000 километров в секунду - он успел бы до своего распада пройти путь порядка нескольких десятков метров. Тем не менее мезоны, рожденные в верхних слоях атмосферы космическими лучами, проходят путь до поверхности Земли, исчисляемый десятками километров. Этот факт объясняется именно увеличением времени жизни мезона вследствие скорости движения, близкой к скорости света.
Представления о связи времени с пространством и движущейся материей были развиты в общей теории относительности, согласно которой в заполненном материей пространстве-времени невозможно ввести глобальную систему координат, то есть в принципе нельзя синхронизировать часы во всем пространстве. Из этого следует, что одновременность событий зависит не только от системы отсчета, но также, например, и от гравитационного потенциала материи.
Промежуток времени между двумя событиями в точке пространства с одним гравитационным потенциалом не равен промежутку времени между двумя эквивалентными событиями в точке с другим потенциалом. С увеличением гравитационного потенциала течение времени замедляется, что было подтверждено экспериментально.
Положения общей теории относительности сделали более понятной материальную обусловленность пространства-времени. Попытки применить уравнения Эйнштейна для описания всей видимой Вселенной привели к открытию новых неожиданных свойств пространства-времени. В общей теории относительности сформулировано десять уравнений для некой величины, определяющей свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества. В настоящее время нет математического аппарата, позволяющего получить решение в общем виде для любого распределения материи. Поэтому все существующие решения основаны на некоторых упрощающих соображениях о распределении материи, например: материя предполагается распределенной равномерно (изотропно) или же предполагается точечное распределение масс. Первые решения, полученные Эйнштейном и де Ситером исходя из предположения о стационарности Вселенной (то есть в среднем Вселенная неизменна во времени), приводили к замкнутости пространства.
Эйнштейн получил цилиндрическую Вселенную, то есть мир, в котором пространство обладает положительной кривизной и замкнуто, а время незамкнуто. У де Ситера получился сферический мир, в котором и время замкнуто.
Современные космологические представления основываются на решениях, найденных советским исследователем А. А. Фридманом в 1924 году. Он описывает полностью однородный и изотропный мир Основным свойством этих решений является их нестационарность. Возникающие отсюда представления о расширяющейся Вселенной полностью подтверждаются астрономическими данными. Первым подтверждением этого факта было открытие Э. Хабблом в 1929 году красного смешения в спектрах удаленных галактик. Если считать, что это следствие так называемого эффекта Доплера, то красное смещение доказывает удаление галактик. Таким образом, в настоящее время можно считать, что изотропная модель дает, в общем, правильное описание Вселенной.
Другим важным свойством изотропной модели является наличие в ней особой точки пространственно-временной метрики (формулы) по oтношению ко времени. Присутствие такой точки означает, другими словами, конечность времени. Вопрос о конечности времени продолжает дискутироваться и пока остается открытым. Общая теория относительности допускает в принципе не только бесконечные, но и конечные решения. Существуют модели, допускающие замкнутость линии времени, но если замкнутое пространство еще можно трактовать как конечное, то переход от замкнутости времени к заключению о его конечности наталкивается на значительные трудности. Дело в том, что замкнутое время означает повторение циклов событии. При этом для описания последовательности циклов событий возникает необходимость ввести некое промежуточное мета-время. Попытки же его введения наталкиваются на неизбежность пересмотра самого понятия времени, характерного для общей теории относительности. Поэтому представляется наиболее вероятным, что в рамках этой теории логическая конструкция замкнутого времени как раз и есть форма замкнутого времени.
Бесконечность времени имеет два аспекта, количественный и качественный. Количественный аспект бесконечности времени соответствует бесконечности моментов времени. Но момент времени не является некой самостоятельной субстанцией, а представляет собой форму бытия совокупности событий, состояний движущейся материи, причем специфика каждого из временных моментов есть выражение качественно различного характера этих совокупностей.
Бесконечность времени обусловливается постоянным развитием материи, переходом возможностей в действительность. Время есть форма существования материи, выражающая процесс становления, процесс появления нового.
Таким образом, согласно современным представлениям в физике, бесконечность времени состоит в постоянном движении, изменении, развитии материи. Что касается единственности времени или множественности времен, общая теория относительности позволяет для описания некоторых систем ввести несколько существенно различных, но одинаково объективных времен. Это так называемый гравитационный коллапс. Коллапсирующая система характеризуется обычным мировым временем, определяемым в интервале от минус до плюс бесконечности. Однако полное описание всего процесса коллапса невозможно с использованием только этого времени. Для частиц, падающих в гравитационном поле, существует свое собственное время, причем настолько замедленное, что его конечный отрезок описывает бесконечным, с точки зрения стороннего наблюдателя, процесс падения частицы на звезду. Для описания же всего процесса эволюции вводится третье, глобальное время (время Крускала), где есть возможность для пространства и времени как бы меняться местами.
Было бы, однако, неправильно полагать, что только в теории относительности прослеживается глубокая связь между материей и временем. Один из основных законов движения материи, закон сохранения энергии, можно вывести из свойства однородности времени. В теории взаимодействия элементарных частиц существует так называемая СРТ-теорема, которая гласит, что законы движения частиц, выведенные наукой, не меняются, если воздействовать комбинацией трех операций, называемых также тремя симметриями. Операция С - это замена частицы на античастицу. Операция Р, когда левое и правое меняются местами, как это происходит при возникновении отражения в зеркале. Операция Т - изменение направления движения всех частиц на обратное.
Сначала предполагалось, что все три преобразования оставляют физическую систему неизменной, но затем убедились, что законы, управляющие поведением материи, не меняются после действия только двух операций - С и Р.
Как полагает крупнейший современный математик, внесший большой вклад в разработку проблем гравитации и космологии, автор книги "Краткая история времени" Стивен Хокинг, в случае С-Р-симметрии жизнь будет одинакова и для нас, и для обитателей другой планеты, которые являлись бы нашим зеркальным отражением и состояли бы из антиматерии. Но вот попытка осуществить Т-симметрию наталкивается на непреодолимое различие между движением во времени вперед и назад. Проделать Т-операцию, согласно Хокингу, то же самое, как если бы заснять на кинопленку падение стакана на пол, а затем прокручивать ее задом наперед, тогда зрители увидят, как осколки собираются в виде целого стакана, а стакан запрыгивает обратно на стол. Но такое запрыгивание равносильно созданию порядка (стакана) из беспорядка (осколков), что противоречит второму закону термодинамики, который вытекает из того, что состоянии беспорядка всегда гораздо больше, чем состоянии порядка. Рост беспорядка (энтропия) прослеживается всюду. Даже чтобы выжить, люди употребляют пищу, которая выступает как носитель упорядоченной формы энергии, и превращают ее в тепло, то есть в неупорядоченную форму энергии.
Стивен Хокинг полагает, что именно рост энтропии со временем является иллюстрацией стрелы времени, которая разрешает различать прошлое и будущее, придавая времени направление. Но при этом он считает, что существуют по крайней мере три стрелы времени, совпадающие по направлению: термодинамическая, указывающая направление времени, в котором растет беспорядок, психологическая - ощущение направления хода времени, память о прошлом, космологическая - направление, в котором Вселенная расширяется.
Совпадение направления термодинамической и космологической стрел Хокинг видит в том, что разумные существа, способные спросить, что такое время, могут жить только в фазе расширения Вселенной.
Что же касается совпадения направления психологической и термодинамической стрел времени, Хокинг полагает, что субъективное ощущение времени задается в мозгу человека термодинамической стрелой времени, поскольку мозг фиксирует события в их естественном порядке, то есть в порядке возрастания энтропии. Заканчивая книгу "Краткая история времени", он пишет, что читатель, запомнивший каждое слово из его книги, получит около двух миллионов единиц информации и ровно настолько же возрастет порядок в его голове. Но пока книга читается, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, полученной в виде пищи, превратится в неупорядоченную энергию, переданную во внешнюю среду в виде тепла. Беспорядок во Вселенной при этом должен достичь гигантских размеров.
Наконец, одним из основных аргументов в защиту необратимости времени является необратимость причинно-следственных отношений. При обратном ходе времени причинно-следственная связь оказывается нарушенной и невозможно никакое взаимодействие. Следовательно, отсутствует движение, а значит, и время.
Что касается времени в микромире, в современной физике при исследовании взаимодействия элементарных частиц используется процедура квантования пространства-времени. При этом обычно вводится минимальная длина 10–13 сантиметров и минимальная длительность 10–24 секунд. Направление времени не рассматривается.
В заключение этого раздела хотелось бы коснуться вопроса, который фантасты очень часто решают легко и просто. Это вопрос возврата во времени. Поскольку в мире Эйнштейна - Минковского время и пространство равноценные координаты, возвращаемся мы в покинутую нами точку пространства легко и постоянно. Но не даром. За возврат в пространстве (так же, как и за движение вперед) мы заплатим временем. Мы вернулись туда же, но не тогда же, а позже, в другое время. Тем самым вернулись уже в иную мировую точку. Если теоретически мы могли бы двинуться по временной координате назад, в прошлое, то должны были бы за это тоже заплатить. Заплатить пространством, то есть попали бы в другую точку Вселенной, где-то вне земной поверхности, и к тому же, весьма вероятно, кем-то уже занятую, что привело бы к немедленной гибели.
Каждый из нас ежедневно использует в своей жизни такое понятие, как время. Что такое время? Сначала этот вопрос может показаться очень легким, так как мы все привыкли связывать время непосредственно с нашей повседневной деятельностью, но при более детальном рассмотрении, описать время как некое отвлеченное понятие не так-то и просто.
Итак, что значит время в нашей жизни? Существует множество определений времени, но основными аспектами этого понятия являются следующие характеристики:
- время определяется координатами временной оси;
- время составляет интервал между событиями;
- время используется как параметр при сравнении двух и более разночастотных процессов.
Время обладает следующими свойствами:
- Направленностью (из прошлого в будущее через настоящее);
- Время имеет определенную систему отсчета (либо равномерную, либо неравномерную);
Мы можем с точностью сказать, что нет того, от чего зависит время, поскольку все состояния мира зависят от него самого. Но все же в некоторых случаях зависимость какой-нибудь величины от самого времени может оказаться очень слабой, вследствие чего ее можно будет считать независимой от времени. Исходя из этого, все явления можно разграничить на 3 группы:
- стационарные (не меняются со временем);
- нестационарные (меняются со временем);
- квазистационарные (масштаб эволюции этих явлений намного больше того периода времени, который рассматривается в поставленной задаче).
Научные концепции времени
В науке не существует единой теории, которая бы описывала время единообразно. Выдвигается очень много предположений, каждое из которых может претендовать на отдельное существование. Рассмотрим, что означает время в следующих научных исследованиях:
- В физике время – это обратимая мера движения материи, одна из координат векторов пространства и времени. Основой измерения времени служит некая периодическая последовательность событий (на этом основана работа часов). Время определяет течение всех процессов, но при этом все последние не оказывают влияния на течение времени.
- В психологии время – это субъективное ощущение, зависящее от состояния наблюдателя. Эта наука выделяет циклическое и линейное время.
- В философии время – это необратимое течение, протекающее в одной направленности (из прошлого в будущее через настоящее), внутри которого находятся все существующие факты. Вот какие определения времени были даны в разные эпохи: время циклично и представляет собой повторение пройденного (мифология); время является субъективным способом восприятия монад (Лейбниц); время существует как априорная форма чувственного созерцания (Кант); время представляет собой категорию абсолютного духа (Гегель); время является одним из способов проявления длительности (Бергсон); время представляет собой реальную форму движущейся материи (диалектический материализм).
- В истории время - это основная величина, характеризующая те или иные события на определенном промежутке существования общества. В зависимости от этого в исторической науке выделяют эпоху, эру, период и век.
- В интернете время – это величина равная биту по концепции альтернативной системы отсчета времени суток, предложенной швейцарской компанией SWATCH (1/1000 суток).
Отсчет времени на Земле
Что обозначает время в астрономии? Здесь это понятие связано с суточным вращением Земли, поэтому существует несколько временных типов:
- истинное местное солнечное время (это время показывают солнечные часы);
- средне местное солнечное время (отличается от истинного с разницей ±15 минут);
- гринвичское время (одинаково принятое для всего земного шара);
- поясное время (24 часовых пояса, принятые для удобства);
- декретное время (система времени по типу «поясное время плюс один час» - вот что такое декретное время, которое было принято в 1930 году в СССР по декрету правительства и отменено лишь 27 марта 2011 года);
- летнее время (перевод стрелок на час вперед и на час назад);
- звездное время (кульминация точки весеннего равноденствия).
Единицы измерения времени
Чему равно время? В общепринятом смысле существует целая шкала определений времени:
- тысячелетие (1000 лет);
- век (100 лет);
- год (365/366 суток);
- месяц (31/30 дней);
- неделя (7 дней);
- сутки (24 часа);
- час (60 минут);
- минута (60 секунд);
- секунда.
В зависимости от этого время принято измерять при помощи календаря (год/день), часов (час/минута/секунда), таймера и секундомера (измерение временных интервалов). Для того, чтобы узнать точное время, достаточно позвонить по телефону в службу точного времени, включить радиоприемник, телевизор или компьютер. Теперь вы точно знаете, для чего нужно время в нашей жизни.
