Время и его изучение в физике

Время и его изучение в физике ...

1. Введение
2. Понятие времени и его измерение
3. Взгляды ученых на понятие времени
4. Четырехмерное пространство и время Вселенной
5. Черные дыры и время. Обратимость
6. Возможно ли путешествовать во времени?
7.Заключение
8. Список использованной литературы

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»...

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.