Реферат: Время и его изучение в физике

Реферат

"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 часам[1] , 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 инерции[2] , 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 назад[4] .

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 Фридмана[5] , 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 уравновешиваемая[6] , 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 времени[7] .

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 пустоту[8] , 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.

[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.

2Появление которого, кстати, принадлежит не Ньютону, а Галилею; Ньютон лишь уточнил его формулировку.

3Известно 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.

[4] Поэтому 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.

[6] Механика 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.