XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Эйнштейн показал, что время больше похоже на извилистую реку, которая пересекает Вселенную; петляя меж звезд и галактик, оно ускоряется и замедляется. Так что одна секунда на Земле вовсе не абсолютна. Время в разных точках Вселенной течет по-разному.          

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1]   Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда. Если двигаться рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает. Эйнштейн  обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.

В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле  равна одной секунде в любой точке Вселенной. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Марсе или на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени.

Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времен и зависит  от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Это  противоречит здравому смыслу.  Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. Объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, а  это значит, что энергия движения переходит в массу. Количество энергии, которая при этом превращается в массу, можно посчитать из знаменитого  уравнения Эйнштейна  Е = mc².

Революционные идеи учёного нашли подтверждение в экспериментах. Например, если не вводить в нее релятивистские поправки, то  система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать. Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн. В гигантском  ускорителе CERN  в Швейцарии — Большом адронном коллайдере  ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении            10^-6- 10^-15с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Это регистрируется измерительными устройствами по следам пробегов частиц. При движении мезона со скоростью, близкой к скорости света, время замедляется, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

Эйнштейн утверждал, что теоретически возможно замедлить для себя течение времени, покинуть Землю и вернуться, чтобы встретиться со своими внуками или даже правнуками, но гарантии на возвращение не дал. Однако физик Стивен Хокинг считает, что нельзя путешествовать в прошлое, поскольку можно случайно убить собственную бабушку еще до того, как родится мать или отец, и таким образом сделать невозможным собственное рождение, а следовательно, и возвращение. То есть возвращение невозможно при общепринятой модели мира. Но некоторые ученые считают, что во Вселенной существует бесконечное множество параллельных миров. При таком ее строении, попав в прошлое и убив собственную бабушку, человек просто создаст ответвление во времени, параллельный мир, в котором он уже не часть будущего. Но полноценные путешествия во времени требуют возможности возвращения назад, что равносильно путешествиям в прошлое.

         Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Она составляет 300 000 км/с.  Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии.  Поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”[2]. В этом состоит одна из проблем для достижения возможности перенестись в будущее. Теоретически, если отправиться к одной из ближайших звезд и засечь время, то если путешествие продлится, к примеру, год, то на Земле пройдет уже десять лет. Это и есть то, что ученые понимают под путешествием в будущее. Находясь в космическом корабле, человеком по-другому ощущается время. По сути, время на корабле течет медленнее, чем за его пределами. Однако экипаж при этом никакого замедления не ощущает, об этом они узнают лишь по возвращению на Землю. Для них это будет шоком, узнать, что за 20 лет путешествия, Земля «постарела» на 200 лет. С практической точки зрения, осуществить этот фокус с людьми не получится, так как эффект возникнет лишь при достижении кораблем скорости света, что потребует использования огромного количества энергии!

2.  Возможные способы путешествия в пространстве и времени в  общей  теории относительности и  некоторые нерешённые проблемы.

В 1915 г. Эйнштейн создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная теория относительности. Следует различать специальную и общую теории относительности. В специальной теории относительности законы природы считаются справедливыми относительно инерциальных систем отсчета, т.е. систем неподвижных или движущихся прямолинейно и равномерно. Но абсолютную инерциальную систему отсчета обнаружить не удается. В связи с этим и возникает проблема: построить такую общую физическую теорию, в которой законы природы были бы верны относительно любых систем отсчета, а не только инерциальных.

Если описание явлений и законы природы не должны зависеть от системы координат, то необходимо найти то связующее звено, которое существует между инерциальными и неинерциальными системами отсчета. Таким звеном служит сила тяжести. Эта сила образует поле тяготения, сходное с электромагнитным, но в то же время, отличающееся от него тем, что его действие не зависит ни от каких свойств и структуры тел, кроме их массы.

Слабые поля тяготения не оказывают существенного влияния на свойства окружающего пространства. Поэтому в них можно пользоваться евклидовой геометрией и специальной теорией относительности. В сильных полях тяготения, например в поле тяготения Солнца, приходится учитывать искривление световых лучей его полем и применять неевклидову геометрию и общую теорию относительности. Поскольку в общей теории относительности решающую роль играет именно тяготение, то ее называют новой теорией тяготения, чтобы подчеркнуть ее отличие от теории тяготения Ньютона.

Очевидно, что по отношению к неинерциальной системе отсчета движение тела описывается иначе, в чем мы можем убедиться, если сидим в вагоне поезда, который начинает тормозить. Там же, где появляется ускорение, возникает и соответствующее ему поле тяготения. В отличие от других полей поле тяготения сообщает всем, находящиеся в нем телам, ускорение, не зависящее ни от материала, ни от их физического состояния. Вблизи поверхности Земли ускорение равно 9,81 м/с².

Как будет двигаться световой луч в разных системах?  В инерциальной системе отсчета свет распространяется по прямой линии, с постоянной скоростью с = 300 000 км/с. Относительно системы отсчета, имеющей ускоренное движение, световой луч не будет двигаться прямолинейно, ибо в этом случае он будет находиться в поле тяготения. Следовательно, в поле тяготения световые лучи распространяются криволинейно. Этот результат имеет важнейшее значение для проверки и обоснования общей теории относительности. Для полей тяготения тел малых масс искривление световых лучей слишком мало, чтобы проверить его экспериментально, но если луч будет проходить, например, вблизи Солнца, обладающего огромной массой в сравнении с массой Земли, то его искривление можно измерить. Впервые такие измерения были проведены во время полного солнечного затмения в 1919 г., и они полностью подтвердили предсказание общей теории относительности.  Искривление светового луча в поле тяготения свидетельствует, что скорость света в таком поле не может быть постоянной, а изменяется от одного места к другому. Благодаря воздействию тел происходит искривление путей движения световых лучей. Следовательно, гравитационное поле, создаваемое телами с большими массами, определяет в конечном итоге пространственно-временные свойства мира.  Пространство и время тесно взаимосвязаны друг с другом, ибо только совместно они определяют положение движущегося тела. В общей теории относительности пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься и растягиваться.

Митио Каку отмечает, что специальная теория относительности применима только в ближайшей окрестности наблюдателя.  К примеру, в Солнечной системе она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но в масштабе Вселенной мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией относительности. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Один из способов путешествовать со скоростью больше скорости света — воспользоваться общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами:

Первый способ. Растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди. Создаётся впечатление, что происходит перемещение  из одного места в другое быстрее света. На самом деле движения нет. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.  В 1994 году физик Мигель Алькубьерре  предложил двигатель с использованием теории тяготения Эйнштейна. Прообразом является  двигатель в сериале «Звездный путь». Пилот звездолета находится в пузыре, который защищает его и звездолет от деформации пространства.  Даже когда звездолет преодолевает световой барьер внутри пузыря все выглядит обычно. Но вне пузыря пространство-время претерпевает сильные искажения: пространство перед пузырем сжимается. Внутри пузыря время не растягивается и продолжает идти нормально. Алькубьерре   считает, что экипаж, вероятно, должен увидеть как звезды впереди корабля превратятся в длинные линии, штрихи. «Позади не будет видно вообще ничего — только чернота, потому что свет звезд не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы догнать звездолет», — говорит ученый.

Чтобы двигаться быстрее света, придется поменять топливо. Учёные рассчитали, что топливом может стать «отрицательная масса» или «отрицательная энергия» — самые экзотические, вероятно, объекты во Вселенной, если они вообще существуют. Отрицательное вещество должно обладать необычными свойствами –  оно должно быть легче пустоты и  оно должно летать. В одном из проектов поиска отрицательного вещества в открытом космосе предлагается воспользоваться явлением, известным как линза Эйнштейна. При прохождении света  мимо звезды или галактики, его траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей теорией относительности. В 1912 г. Эйнштейн  предсказал, что галактика может работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую галактику, как если бы это была линза, собирается за ней в пучок и образует характерную интерференционную картину из концентрических окружностей. В таком виде он доходит и до Земли. Подобные явления называют кольцами Эйнштейна. Первая линза Эйнштейна была обнаружена астрономами в космосе в 1979 г.  Линзы Эйнштейна должны помочь ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор, которые должны искажать траекторию света. Космический телескоп имени Хаббла должен быть в состоянии зарегистрировать такие искажения. Пока же не удалось обнаружить отрицательного вещества. Поиски продолжаются.

         Второй способ.  Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие «кротовая нора» и теоретически обосновал возможность их существования. Термин “кротовая нора” предложил в 1950-х годах американский физик Джон Уиллер, хотя по-английски он звучит как wormhole - червоточина.

При мощных силах гравитации происходит замедление течения времени и искривление пространства. В литературе первое упоминание о кротовых норах принадлежит перу оксфордского математика Чарльза Доджсона, написавшего под псевдонимом Льюис Кэрролл сказку «Алиса в Зазеркалье». Зеркало Алисы и есть кротовая нора, которая соединила окрестности Оксфорда с волшебным миром Страны чудес. Алиса может мгновенно перенестись из одной вселенной в другую. У математиков они называются «многократно связанными пространствами». Чтобы попасть из одной из них в другую, в принципе можно воспользоваться разными путями. Кратчайшим будет, естественно, прямая линия. Есть путь  более короткий. Надо перегнуть лист так, чтобы две наши точки почти коснулись друг друга. А затем в каждой из них продавить, проколоть двумерное пространство так, чтобы образовавшиеся «воронки» были направлены навстречу друг другу. Соединив их, получим  канал, который позволит попадать из одной интересующей нас точки в другую практически мгновенно. Аналогичные тоннели  могут в принципе существовать и в нашем мире.

ОТО - сложная математическая наука и в ней возможны побочные решения. Вот и в случае с “кротовыми норами” они рассматривались как некое умозрительное построение. После Эйнштейна было много теоретических работ, и уже в наше время выяснилось, что “кротовые норы” могут соединять не только разные места нашей Вселенной, но через них есть выход и в другие Вселенные. Причем очень короткие ходы могут соединять между собой места, расположенные друг от друга очень далеко. Можно идти по поверхности Земли, а можно, как крот, прорыть нору. При этом длина тоннеля составляет всего несколько километров, а соединяет он места, удаленные друг от друга на миллионы и даже сотни миллионов световых лет. Но поскольку время и пространство в теории Эйнштейна тесно переплетены, эта же кротовая нора может и соединять две точки во времени. Упав в кротовую нору, можно переместиться (по крайней мере, математически) в прошлое. Но согласно существующим теоретическим представлениям, любые «кротовые норы» должны очень быстро «схлопываться». Настолько стремительно, что проскочить по такому тоннелю не успеет не только человек, но даже световой луч.  Вычисления, проведенные Торном, показали, что «кротовая нора», изготовленная из антигравитирующего материала, будет достаточно стабильной, вполне пригодной для путешествий по Вселенной. Согласно расчетам Торна, если каждую из «воронок», составляющих концы тоннеля, образованного в физическом вакууме, окружить шаровидными металлическими оболочками, то канал не «схлопнется» и будет, вполне проходим для необычных космических путешественников.

Вопрос – как построить вакуумный тоннель практически, какие для этого потребуются технологические операции и приемы? Сейчас перед учеными стоит задача экспериментально, в ходе наблюдений доказать, что “кротовые норы” реально существуют. Перед учеными стоит вполне практическая задача: если “кротовые норы” есть, то как они могут выглядеть, чем отличаются от черных дыр, как их можно найти, где они могут быть и что из этого следует. Может быть решение будет найдено с помощью Большого адронного коллайдера. Как ожидается, это устройство позволит получить новую информацию о частицах и силах, действующих в космосе, а также воспроизвести условия, которые возникли сразу после Большого взрыва, породившего Вселенную. И поскольку БАК призван, образно говоря, создать часть космоса на Земле, то с его помощью можно попробовать получить и часть этой темной энергии.  

Разработана теория возможного существования “кротовых нор”, но эти объекты пока считаются гипотетическими. Так было и с черными дырами. Эйнштейн, предсказавший их сразу после того, как сформулировал ОТО, сам относился к ним, к сожалению, скептически, как и многие другие великие ученые.  “Кротовые норы” и черные дыры могут быть очень похожими, но по существу - это принципиально разные объекты. Те и другие очень компактны, но в отличие от черных дыр масса “кротовых нор” может быть относительно маленькой и даже отрицательной. По-видимому, они обладают сильнейшим магнитным полем, причем силовые линии выходят из них радиально - это теоретически доказано и может служить важным признаком для внешнего наблюдателя.

Чёрные дыры – объекты совершенно фантастические по своим свойствам. Опи обладают настолько сильным гравитационным полем, что задерживают даже свет, искривляют пространство и тормозят время. Американский физик К. Торн сказал, что «…законы современной физики фактически требуют, чтобы чёрные дыры существовали. Возможно, только наша Галактика содержит миллионы их».  

 Внутри чёрной дыры удивительным образом меняются свойства пространства и времени.  Иными словами, путешествие в пространстве превращается в путешествие во времени.  Внутри чёрной дыры, за краем этой своеобразной гравитационной бездны, откуда нет выхода, текут удивительные физические процессы, проявляются новые законы природы.

 Для тех, кто будет находиться у чёрной дыры, время будет замедляться. Нужно только найти способ балансировать на волне гравитационных сил дыры. Гравитация настолько сильна, что может расщепить путешественника на отдельные частицы. Для этого необходимо антивещество, которое позволит уцелеть в сильнейшем гравитационном поле. Количество такого антивещества должно быть огромно. Возможно, что, попав в будущее таким способом, нельзя вернуться обратно.

Другим предположительным способом путешествия во времени является теория суперструн. По своей глубине и оригинальности она не менее важна, чем теория Эйнштейна. Струны - это длинные, тонкие объекты, которые, по мнению космологов, появились на самых ранних периодах образования Вселенной. Они бесконечно длинны и не шире атома, но настолько плотные, что несколько километров одной космической струны может перевесить Землю.

Для того, чтобы помочь путешествиям во времени, две идеально параллельные нити, двигающиеся почти со скоростью света, должны проноситься одна мимо другой, как автомобили, двигающиеся по шоссе в разных направлениях. По мере такого движения нитей пространство-время радикально деформируется под влиянием этих скоростных волокон. Опытный путешественник во времени, находясь в ожидании в расположенном поблизости космическом корабле, сможет воспользоваться этими искажениями, пролетая вокруг сдвоенных струн. Если он правильно рассчитает время, деформации в пространстве - времени позволят ему вернуться на место отправления до того, как он начал свое путешествие. Таким образом, получится поездка в одном направлении - в прошлое. Согласно законам физики, это означает допустимость путешествия во времени при всех трудностях его реализации. Все это может быть только вопросом времени. Но при этом «дорога» в прошлое откроется на очень короткий промежуток времени.

Физик Н. Гот говорит, что коллапсирующая струнная петля, достаточно большая, чтобы ее можно было обогнуть один раз и вернуться при этом на один год назад. По своей массе-энергии должна превосходить половину галактики.

По теории Эйнштейна гравитацию может создавать не только вещество, но и свет. Рональд Малет утверждает, что если гравитация может влиять на время, а свет способен создавать гравитацию, то закономерно, что свет также может влиять на время. Его машина времени выглядела бы как свет, цилиндр постоянно циркулирующего света. Расчеты Маллетта показывают, что энергия вращающегося лазерного луча способна деформировать пространство в световом кольце таким образом, что силы гравитации заставят любое тело, движущееся в нем, вернуться в прошлое.

Ученый пишет: «Представим себе, что кофе в этой чашке — это некоторое количество пространства, а ложка — циркулирующий сноп света. Теперь, когда я начинаю перемешивать кофе ложкой, видно, что происходит с кофе. То же самое делает с пространством движущийся по кругу луч света: пространство начинает заворачиваться вокруг него и создает воронку. Но если вращать достаточно быстро, то не только пространство, но и время будет вести себя так. По теории Эйнштейна время и пространство неразрывно связаны между собой, и то, что вы делаете с пространством, неизменно отразиться и на времени. Так что воронка будет не только пространственной, но и временной. Это позволит путешествовать во времени».

Рональд Малет говорит о том, что существуют определенные ограничения. Если бы  включить  устройство сегодня, временная петля начала бы формироваться. Нам нужно оставить ее на 10 лет в таком состоянии и тогда  кто-то смог бы отправиться в путешествие  на 10, на 7, на 5 лет назад, в то время, в которое машина была включена. Но нельзя переместиться в более ранние времена, потому что машины времени тогда не существовало. Таким образом, путешествия во времени возможны, но только из будущего, когда устройство будет включено, в тот период и никак не раньше. В связи с этим  вспоминаются скептическое высказывание Стивена Хокинга: «Если путешествия во времени возможны, то где же туристы из будущего?»

Заключение

Прошлый век - век бурного развития науки был наиболее плодотворным в плане познания времени и пространства. Появление в начале века сначала специальной, а потом и общей теории относительности заложило основу современного научного представления о мире, многие положения теории были подтверждены опытными данными. Тем не менее, вопрос познания пространства и времени, их природы, взаимосвязи и даже наличия во многом остается открытым. Перед учёными стоит задача понимания структуры пространства-времени.  По Эйнштейну: пространство и время увязаны в единый пластичный континуум - «пространство - время». Как пространство, так и время могут деформироваться, иногда весьма существенно. Путешествие во времени не требует ничего, кроме использования этих деформаций для создания пути во времени, пути, заканчивающегося раньше или, наоборот, значительно позже своего начала. В высказывании А. Эйнштейна, что  «пространство и время являются способом, которым мы мыслим, а не условиями, в которых мы живем» во многом отразилась противоречивость и нерешенность проблемы.

Список литературы

Аскин Я. Проблема времени. Её физическое истолкование. - М., 1986 г.

Арефьева И. Машина времени в ускорителях будущего!// Техника-молодёжи – 2010  [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://technicamolodezhi.ru/rubriki_tm/mashina_vremeni_v_uskoritelyah_buduschego/mashina_vremeni_v_uskoritelyah_buduschego

Стивен Хокинг.  Как построить машину времени?// [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.dailymail.co.uk/home/moslive/article-1269288/STEPHEN-HAWKING-How-build-time-machine.html

Крымова С. Нора - не дыра. Физики ищут ходы в другие вселенные// [Электронный ресурс] / Режим доступа:  http://www.lebedev.ru/ru/about_us/?id=298

Митио Каку. Физика невозможного. - М., 2011 г.