Время и Вселенная
Время дано и не подлежит обсуждению,
Обсуждаешься ты – Разместившийся в нём.
В современных теориях пространства-времени время рассматривается как четвёртое измерение, дополнительно к трем пространственным и все эти измерения каким-то образом связаны между собой. Однако теории не объясняют физический смысл времени и как оно связано с пространством. Если время – измерение, то почему невозможно перемещаться во времени в каком-либо направлении с какой-либо скоростью. Время непрерывно и его можно только отсчитывать относительно какого-либо выбранного начала отсчета. Вернуться к этому началу отсчета невозможно, как невозможно и забежать вперед, относительно текущего момента времени. Нам известны только некоторые свойства времени. Но насколько эти свойства объективны и постоянны и каким образом время влияет на процессы, происходящие в нашей Вселенной, неизвестно. В данной работе сделана попытка по-новому взглянуть на понятие время и объяснить его физический смысл. При этом не отрицаются существующие законы, описывающие известные нам процессы Вселенной. Под временем подразумевается скорость хода часов в конкретной точке пространства.
Основными свойствами времени являются: длительность, неповторяемость и необратимость. Известно также, что в различных точках пространства скорость хода часов неодинакова и зависит от гравитационной массы, вблизи которой происходит измерение времени, и расстояния до неё. Кроме этого, время участвует практически во всех уравнениях,описывающих какое-либо движение или процесс, как множитель. Вот практически и все, что нам известно о времени.
Чтобы понять физический смысл времени, необходимо ответить на следующие основные вопросы:
- Почему время непрерывно и однонаправленно?
- Какая связь существует между временем и пространством?
- Почему течение времени замедляется вблизи гравитационных масс и энергетических процессов? (Любой энергетический процесс можно выразить через массу или наоборот: E = mc 2 ).
Среди известных физических явлений и процессов, непрерывностью и однонаправленностью, при неизменных внешних условиях, характеризуются физические поля, которые вызывают четыре вида фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Если провести аналогию, то можно предложить следующую гипотезу:
Время – это величина, характеризующая воздействие физического поля на всю нашу Вселенную.
Такое поле можно назвать хронополем, а темп хода часов является величиной, характеризующей напряжённость хронополя – Ht
1/t, т.е. чем быстрее темп хода часов, тем больше напряжённость хронополя.
Экспериментальные данные показывают,что по мере удаления от гравитационной массы темп хода часов возрастает. Следовательно, можно с уверенностью предположить, что на достаточно большом удалении от гравитационных масс и при отсутствии энергетических процессов, напряжённость хронополя будет наибольшей. Т.е. в вакууме, при отсутствии всех физических полей и вещества, плотность энергии хронополя будет максимальной. (Т.к. хронополе охватывает всю Вселенную, то имеет смысл говорить только о плотности его энергии в конкретной точке пространства).
Для определения максимальной плотности энергии хронополя, примем за основу следующий постулат:
Энергия любого вида материи во Вселенной образуется за счёт энергии хронополя.
Таким образом, любой вид материи, обладающий внутренней энергией или энергией движения, а также любой процесс, сопровождающийся выделением или поглощением энергии, уменьшают энергию хронополя на соответствующую величину, что выражается в замедлении темпа хода часов. Если плотность энергии материи в какой-либо области пространства будет равна плотности энергии хронополя, то темп хода часов будет равен бесконечности,т.е. часы остановятся, а напряжённость хронополя будет равна нулю. Согласно существующим теориям строения Вселенной, такое явление должно происходить при образовании чёрной дыры.Из условия образования чёрной дыры, её гравитационный радиус равен:
где G – гравитационная постоянная; M – масса чёрной дыры; c – скорость света в вакууме.
Плотность энергии хронополя εt будет равна плотности энергии чёрной дыры:
Если принять, что критическая масса, при которой образуется чёрная дыра составляет две-три солнечных масс, то плотность энергии хронополя будет равна порядка εt
Влияние гравитационных масс на напряжённость хронополя давно известно. Для изучения влияния энергетического процесса на хронополе можно провести следующий эксперимент. Необходимо взять двое часов (например два атомных стандарта частоты), ход которых будет синхронизирован. Затем, вблизи одних из часов, провести какой-либо энергетический процесс (например зажечь электрическую дугу), что приведёт к замедлению их хода.
В качестве примечания необходимо отметить, что мысль о существовании во Вселенной «поля творения», энергия которого с течением времени переходит в энергию и массу элементарных частиц, уже высказывалась некоторыми учеными (P. Jordan).
Теперь попробуем ответить на вопрос: какая связь существует между хронополем и пространством, свободным от какого-либо вещества.
Рассмотрим известное выражение для интервала:
Примем, что dS 2 = 0 и решим выражение для интервала относительно постоянного коэффициента – скорости света в вакууме с 2 :
Т.к. ход времени непрерывен, то из полученного выражения следует, что для того, чтобы обеспечивалось постоянное значение скорости света, каждому приращению времени должно соответствовать приращение пространственных координат. Или, другими словами, с течением времени происходит равномерное расширение пространства таким образом, что отношение приращения пространства к соответствующему приращению времени всегда постоянно и равно скорости света.
Следовательно, можно предположить, что основная работа хронополя заключается в расширении пространства нашей Вселенной. Косвенным подтверждением такого расширения является закон Хаббла: галактики удаляются друг от друга со скоростями пропорциональными расстоянию между ними. Это явление связано с тем, что не галактики убегают друг от друга, а увеличивается пространство (расстояние) между ними. Однако галактики имеют собственные скорости движения относительно расширяющегося пространства. Это может привести к тому, что соседние галактики могут сближаться, если их суммарная скорость движения превысит скорость расширения пространства. По этой же причине постоянная Хаббла носит усреднённый характер и колеблется в пределах 50. 100 км/с Мпк.
Если предположение о хронополе и его воздействии на Вселенную верны, то возникает вопрос: откуда и куда расширяется наша Вселенная, т.е. из чего возникает и куда распространяется трёхмерное пространство?
Из всех известных констант Вселенной можно выделить две абсолютные величины: скорость света в вакууме и абсолютный ноль температур по Кельвину. Согласно существующим законам природы материя не может существовать при температурах ниже абсолютного нуля температур или двигаться со скоростью выше скорости света. Эти две абсолютные величины и являются границами нашей Вселенной. Можно предположить, что расширение пространства идёт из области лежащей ниже абсолютного нуля температур в область, где материя существует только при скоростях, больших скорости света. Эти области можно соответственно назвать подпространство и надпространство. Таким образом, чтобы покинуть нашу Вселенную не нужно искать её границ. Достаточно в любой точке пространства понизить температуру ниже абсолютного нуля температур или превысить скорость света и мы очутимся за пределами нашей Вселенной. Но материя, которая существует в нашей Вселенной, не может существовать в подпространстве или надпространстве. Для этого она должна преобразоваться в другой вид материи, который будет соответствовать законам существования материи в этих областях. Можно только предположить, что энергетический уровень материи подпространства ниже энергетического уровня материи нашей Вселенной (E = mc 2 ), а в надпространстве значительно выше. Поэтому мы и не в состоянии наблюдать как подпространство, так и надпространство.
Несмотря на недоступность подпространства и надпространства нашему восприятию, можно обнаружить следы их воздействия на нашу Вселенную. Это воздействие должно быть равномерным, без какого-либо выделенного направления и соответствовать для подпространства – низким температурам и энергиям, а для надпространства – высоким скоростям и энергиям.
Из экспериментальных данных, полученных при исследовании космоса в радиодиапазоне, известно фоновое излучение, приходящее со всех направлений из космоса с одинаковой интенсивностью, температура которого соответствует 3°К. Хотя это излучение и называют «реликтовым», возможно что оно и является результатом воздействия подпространства на нашу Вселенную, т.е. процесс расширения пространства из подпространства сопровождается низкотемпературным радиоизлучением.
В 1972 г. были открыты всплески гамма-лучей очень высокой мощности (
10 40 эрг). Вспышки равномерно распределены по небесной сфере без какого-либо выделенного направления. Эти вспышки могут быть следствием воздействия надпространства на нашу Вселенную при расширении пространства в область надпространства. К такому воздействию можно отнести и первичные космические лучи высоких энергий, которые также изотропны в пространстве и неизменны во времени. Целенаправленные исследования могут выявить и другие факторы воздействия подпространства и надпространства на нашу Вселенную.
Рассмотрим вопрос: как расширяется пространство вблизи гравитационной массы? Согласно общей теории относительности, гравитационная масса вызывает «искривление» пространства и за счёт этого возникает гравитационное притяжение. С точки зрения воздействия хронополя на пространство, при наличие гравитационной массы (m), плотность энергии хронополя уменьшается на соответствующую величину E = mc 2 . Это приводит к тому, что вблизи гравитационной массы пространство расширяется медленней, чем вдали от неё. Именно за счёт этого и возникает гравитационное притяжение, т.е. имеет смысл говорить не о «искривлении» пространства, а о его «разряжении». Тогда гравитационные волны будут представлять собой области пространства переменной «плотности», которые распространяются со скоростью света. Ход часов в области разряжения будет медленнее чем за её пределами.Чтобы обнаружить такие гравитационные волны, необходимо опять же синхронизировать двое часов и сравнивать их ход. При прохождении областей пространства переменной плотности, часы будут попеременно замедляться. Сложность заключается в том, что часы должны быть удалены друг от друга на значительное расстояние, т.к. волны пространства переменной плотности распространяется со скоростью света.
В данной работе сделана попытка по-новому взглянуть на строение Вселенной, объяснить известные явления с точки зрения существования хронополя. Остаются не выясненными много вопросов: что является источником хронополя; сколько измерений в подпространстве и надпространстве; как происходит расширение пространства и т.п. Возможно хронополе и возникает между двумя полюсами – надпространством и подпространством и наша Вселенная размещена во времени. Ответы на эти вопросы позволят создать теорию хронополя, которая, скорее всего, и будет единой теорией, объединяющей все взаимодействия в нашей Вселенной.
Источник
Относительность времени во Вселенной
Они были уверены, что изучение представлений о времени было бы невозможно, если бы человечество никогда не видело звезд, неба и Солнца. Лукреций в поэме «О природе вещей» писал: «Также и времени нет самого по себе, но предметы сами ведут к ощущению того, что в веках свершалось, что происходит теперь и что воспоследует позже. И неизбежно признать, что никем ощущаться не может время само по себе, вне движения тел и покоя». Философ древности Зенон высказал провокационную мысль, что движения нет вообще, так как его нельзя обнаружить в каждый отдельный момент времени.
Движение времени происходит по прямой или по окружности? Аристотель дал ответ, объединив прямую и окружность – получилась спираль. Гелиоцентрическая модель вселенной Коперника послужила толчком к развитию небесной механики Ньютона и принципа относительности Галилея, который пытался ответить на вопрос, движется ли спокойно лежащая на столе книга, находящаяся в каюте движущегося корабля. Однозначного ответа нет. Все зависит от точки отсчета. Путешественник, находящийся на корабле, видит книгу в состоянии покоя, но человек на берегу будет считать, что книга находится в состоянии движения. Из принципа относительности Галилея следует, что между движением и покоем нет принципиальной разницы. Галилей определил, что все тела, которые находятся в абсолютном и относительном покое, объединяет общая сила – инерция.
Символично, что Исаак Ньютон родился в год смерти Галилео Галилея, ведь он перенял у Галилео эстафету и продолжил исследования, в ходе которых и установил существование прямой связи между силой и ускорением. Три закона механики Ньютона упорядочили представления об окружающем мире, а сам ученый занялся поиском силы, которая приводит в движение небесные тела. Сила была найдена. Гравитационное воздействие. Но чтобы измерить ускорения и скорости, производимые этими силами, необходимо было точно знать время, в ходе которого эти силы действовали. Необходимо было измерить время идеально точными часами, ход которых не подвергался бы влиянию происходящих вокруг событий. Такие часы называют инерциальными, они показывают некое абсолютное время, одинаковое для всей Вселенной. Так появилась аксиома абсолютного времени в механике Ньютона. Цель Ньютона заключалась в поисках существования простого правила для вычисления движений небесных тел Солнечной системы по заданному состоянию движения всех тел в определенный момент времени.
Еще Галилей предпринимал попытки измерения скорости света, но датский астроном Олаф Ремер лишь в 1675 году подтвердил гипотезу Галилея о том, что скорость света — конечная величина, а Физо в 1849 году получил почти точную величину с помощью простого механического прибора.
Эйнштейн также придерживался мнения, что скорость света является постоянной величиной, и ничто не может двигаться быстрее света, меняется лишь скорость и течение самого времени.
Прочный фундамент для возникновения новой теории был заложен.
Гениальный физик-теоретик, Альберт Эйнштейн понимал, что механика Ньютона прекрасно работает на Земле, но не может объяснить многие космические процессы. Он создал новую теорию, общую теорию относительности (ОТО), законченную в 1916 году.
По ОТО все тела взаимодействуют с помощью гравитации в четырехмерном пространстве, у которого три геометрические координаты (длина, ширина, высота) и одна временная, что получило название пространство-время или пространственно-временной континуум. С точки зрения ОТО недостаточно просто указать время, нужно прибавить к нему и систему координат.
ОТО сложна для восприятия, поскольку описывает «относительные» процессы в масштабах Вселенной на всех этапах ее существования. Даже ученые долгое время считали ее непостижимой, утверждая, что во всем мире её понимают всего только три человека, включая Эйнштейна. В дальнейшем количество «понимающих» выросло, но из их числа выпал сам автор, который шутливо замечал: «С тех пор, как на теорию навалились математики, я сам перестал её понимать».
Сегодня последствиями, вытекающими из ОТО, пользуются на практике физики, астрономы, астрофизики и космологи. Они могут получать информацию о небесных телах, которых уже нет и моделировать развитие Вселенной на протяжении почти 14 миллиардов лет. Благодаря теории Эйнштейна самой достоверной на сегодняшний день считается теория образования Вселенной из одной точки сингулярности в результате Большого Взрыва. Взрыв сжатой до ничтожно малых размеров точки, состоящей из чистой энергии, высвободил огромное количество вещества, из которого и построена Вселенная. Стивен Хокинг полагает, что возможна и модель Вселенной без границ в пространстве-времени, а точка сингулярности не является определяющим моментом в ее образовании.
Астрофизики и космологи с помощью ОТО получили возможность теоретически предсказать существование черных дыр, нейтронных звезд и гравитационной волны еще до их открытия наблюдателями.
Наблюдения усложняет скрытое вещество (или темная материя, темное вещество, скрытая материя). Из него состоит более 27% образований и объектов во Вселенной. Эта форма материи не испускает электромагнитных излучений и не пропускает их, что не позволяет использовать прямое наблюдение для ее определения. Так, еще в 1937 году астроном Джованни Касини в процессе наблюдения за Япетом, спутником Сатурна, заметил, что Япет виден, только когда он повернут к Сатурну в определенную сторону. Дальнейшее наблюдение показало, что Япет, как и Луна, спутник Земли, повернут к Сатурну одной стороной и имеет темную/светлую стороны. Одна сторона, светлая, по спектру излучения похожа на Европу, а другая, темная, как копоть, напоминает черную дыру. Граница между темным и светлым полушариями необычайно четкая, а небольшие участки темного вещества расположены и на светлой стороне. Япет – еще одна загадка нашей Солнечной системы, поскольку непонятен механизм появления на нем темной материи: в результате протекания процессов на самом спутнике или в результате попадания извне.
Наличие скрытой материи определяют с помощью гравитационного влияния ее на видимые космические объекты. По гравитационному эффекту на светящиеся объекты можно приблизительно рассчитать характер распределения и величину массы объектов, состоящих из темного вещества. Надо сказать, что к небесным телам, состоящим из барионного вещества скрытой материи, относят кварковые звезды, кротовые норы и черные дыры, белые и коричневые карлики, нейтронные звезды, а к небарионной темной материи относят суперсимметричные частицы, космионы, тяжелые и легкие нейтрино.
Наибольший интерес вызывают объекты, состоящие из барионного темного вещества, а именно кротовые норы и черные дыры. Главное отличие кротовых нор от черных дыр, по мнению теоретиков, – это отсутствие горизонта события. Черная дыра является местом во Вселенной, откуда по причине сильной гравитации и искривления пространства-времени ничто не вырывается. Хокинг выразил сомнение в том, что черные дыры ничего не излучают. Формула Эйнштейна E=mc² послужила веской причиной для такого сомнения. Хокинг доказал, что черная дыра выделяет в пространство радиацию которая испаряется. В дальнейшем процесс испарения черной дырой вещества в пространство получил название «излучение Хокинга».
Червоточины или кротовые нор получили свое название по аналогии с червяком, прогрызающим в яблоке ходы вместо того, чтобы перелезать по поверхности яблока. Было замечено, что иногда гравитационные эффекты, сопровождающие образование черных дыр, протекают со скоростями, превышающими скорость света. Эйнштейн и Розен в ходе экспериментов обнаружили, что в таких местах пространства-времени возможно соединение двух точек более коротким путем, мостом. Гипотезу назвали «мостом Энштейна-Розена» в честь ее разработчиков. Подобные мосты могут появляться в тех районах Вселенной, где существуют черные дыры, а значит и пространство-время сильно искривлено. Два «рта» кротовой норы могут существовать незначительный отрезок времени, а затем мост должен стянуться, образовав две отдельные черные дыры.
Общая теория относительности послужила основой для создания великого множества теорий, например, теории М-пространства, где количество пространственных измерений может доходить до 11 при одном временном. М расшифровывается как мембранная, матричная, материнская, магическая, мистическая. Некоторые полагают, что М – это перевернутая английская буква W имени ее создателя Виттена (Witten).
Научный мир достаточно долго принимал общую теорию относительности, и на протяжении всего этого периода функцией популяризации новой теории занимались писатели-фантасты. Более того, они размышляли о дальнейших возможностях применения ОТО. В «Дюне» Ф. Герберта полет на другую планету осуществляется с использованием кротовых нор. У братьев Стругацких в «Пикнике на обочине» инопланетные корабли по кротовым туннелям осуществляют посадку на Землю, которая используется как перевалочный пункт для ремонта и заправки. В небольшом романе Клиффорда Саймака «Пересадочная станция» смотритель принимает гостей их разных уголков Вселенной, а сама станция находится на месте пересечения разных галактик. Во многих рассказах, написанных в жанре научной фантастики, перекресток галактик может оказаться в квартирах некоторых жителей Земли с помощью открытой в данный момент времени червоточины.
Естественное развитие технического прогресса: полеты в космос, наблюдения со спутников, новые технические возможности интерпретации и моделирования и постоянно возникающие теории и гипотезы поражают даже самое смелое воображение. Неудивительно, что конец XX века ознаменовался утратой интереса к жанру НФ. К тому же ученые сами занялись популяризацией своих теорий и делают это в легкой и доступной для непосвященного в научные тонкости читателя форме. Так, например научно-популярные произведения Хокинга. Единственная формула, которая в них упоминается – E=mc²!
Ученые верят в существование простых законов, определяющих развитие вселенной с самого начала. И множество теорий – движение к единой и простой, ведь, как известно, на свете нет ничего практичнее хорошей теории.
Источник