Почему время идет, и его нельзя остановить?
Как это ни странно, но время можно остановить! Правда не так, как это обычно показано в фильмах.
В физике есть очень интересная теория, разработанная Альбертом Эйнштейном — специальная теория относительности или СТО. В этой теории ключевую роль играет скорость света (скорость распространения света). Она равна примерно одному миллиарду километров в час. Это в 200 миллионов раз больше скорости пешехода.
Оказывается, если скорость какого-нибудь предмета приближается к этой самой скорости света, то время для этого предмета замедляется. А если скорость предмета в точности равна скорости света (и это теоретический максимум для скоростей в нашем мире), то время для предмета и вовсе останавливается!
Представим мысленный эксперимент. Допустим у нас есть ракета. Посадим туда космонавта, запустим в космос со скоростью близкой к скорости света и будем наблюдать за ним с Земли. Для космонавта все будет совершенно обычно. Нам же с Земли будет казаться, что мы смотрим фильм с замедленной съемкой. Все что будет происходить в ракете, включая жизнь космонавта, будет неестественно медленно. Но космонавт, который находится внутри ракеты ничего не заметит, так как сам является частью этого “замедленного фильма”. Если скорость ракеты станет равной скорости света, нам с Земли покажется, что время для ракеты остановилось вовсе. Картинка замрет, как будто фильм поставили на паузу.
Если космонавт будет путешествовать в таком режиме долго, а потом вернется на Землю, то он обнаружит, что постарел меньше чем остальные. Но! Он не выиграл для себя ни минуты дополнительной жизни. Допустим, он летал 10 лет по земным часам. Для него время текло медленнее, допустим, по его часам прошло только 9 лет. Он постарел на 9 лет, а мы на 10. Но он и прожил на год меньше, т. е. всего 9 лет. А мы жили целых 10. Фактически он просто перенес год жизни, но не сэкономил.
К сожалению, такой эксперимент нельзя провести из-за технических и биологических ограничений. Однако он осуществим для элементарных частиц. И в этих экспериментах действительно фиксируется замедление времени, согласно предсказаниям СТО.
Анна Синельникова, физик-теоретик, сотрудник физфака МГУ
И нахера она просто переписала то, что написано в учебнике, если правильно помню, за 9 класс? Охуительный МГУ)))
но тут еще возникнет парадокс в том что для космонавта земля тоже будет двигаться, а значит время на земле для него будет идти медленней
Время сильно зависит от гравитации, и для этого нет нужды отправлять ракеты на бесконечно стремящейся к скорости света скорости (хотя был эксперимент в начале 80х с запуском часов). То выяснили еще в конце 50х на практике, Боб Паунд замерил время на вершине Гарвардской башни и в том же подвале, разница составила около 200 триллионных долей секунды в день, значение маленькое но это достоверно зафиксированный факт. Быстрее время шло на вершине башни.
тоже самое можно видеть в фильме интерстеллар!
Вы думаете, что время идет?
Ах, к сожалению нет!
Время стоит, это мы же идем
Через пространствие лет. (ц)
14 марта 1879 г. - День рождения Альберта Энштейна
ЧТО МЫ ПРОПУСТИМ?
Если перевернуть вверх ногами 1961 год (в арабской нумерации), он будет выглядеть точно так же. Следующим таким годом будет 6009, однако насладиться им нам не доведётся — люди так долго не живут. И это не единственное крутое событие в будущем, которое мы пропустим.
Для начала, мы с вами не доживём до окончания Zeitpyramide, “Пирамиды времени”, в Вемдинге, Германия. При завершении она будет состоять из 120 бетонных блоков, но пока установлено только три — новый блок добавляют раз в 10 лет. Проект начался в 1993, но закончится только в 3183, когда последний блок установят наши прапрапра(и ещё раз 30 пра)внуки. Но даже им не удастся порезвиться в лесах Чернобыльской зоны отчуждения без угрозы для жизни. Уровень радиации там будет оставаться слишком высоким для людей года так до 22 000. Ещё одно событие в копилку упущенных возможностей.
Идём дальше. В ближайший 1 000 000 лет такие звёзды как Бетельгейзе и Эта Киля взорвутся и превратятся в сверхновые, видимые на Земле. Пропустить такое — чрезвычайно обидно, ведь две недели небо будет выглядеть так, будто там два солнца. Хоть они и находятся за сотни и даже тысячи световых лет от нас, эти сверхновые будут светить ярче, чем полная луна ночью. Пропустим.
Пирамида времени в законченном виде. Пока стоят только первые три блока.Однако настоящее небесное шоу произойдёт только через 3,37 миллиарда лет. С Земли звёзды нашей галактики выглядят как капельки пролитого молока — отсюда и название “Млечный путь”. Кстати, все галактики названы в честь молока: молоко по-гречески “галактос”, отсюда и “галактика”. Каждая капелька — то есть каждая звезда, которую мы видим на небе, располагается внутри Млечного пути. Но есть на небосводе и другая фигура, далёкая и расплывчатая — это не звезда и не облако газа, это галактика Андромеды. Она в 2,5 миллионах световых лет от нас, там в два раза больше звёзд и она летит нам навстречу быстрее пули — со скоростью 300 км\с. Так что через 2 миллиарда лет ночное небо будет выглядеть уже совсем по-другому (кстати, океаны к тому времени по большей части высохнут), а через 3,75 миллиарда лет небосвод будет больше напоминать сцену из какого-нибудь научно фантастического фильма или крутой фон на рабочий стол (а атмосфера на Земле — напоминать атмосферу Венеры). Невероятно и даже страшно. Через 4 миллиарда лет небо будет сиять светом новых звёзд, пока Андромеда и Млечный путь будут сливаться подобно чернилам в воде. Но для нас и наших коротких жизней эти процессы будут казаться каменно-неподвижными, застывшими во времени. Солнечная система, кстати, вероятно будет в порядке, так как звёзды в этих галактиках расположены очень далеко друг от друга. Через пару миллиардов лет после столкновения центры галактик сольются в яркое светящееся ядро. Дайте 7 миллиардов лет и Земля станет падчерицей тому, что раньше было Андромедой, а сейчас часть большой красивой и дружной семьи — Млекомеды.
Было бы круто застать слияние своей галактики с другой, да? Но только не поддавайтесь синдрому упущенных возможностей, ведь какая бы жизнь не водилась через 7 миллиардов лет, им есть из-за чего нам завидовать. Может они, наблюдая свои захватывающие ночные виды, в тайне хотят быть рождёнными в наше время, чтобы узреть, например, начало интернета? И они пропустят не только это.
Например, Луна. Луна отдаляется от Земли на 1 см каждый год и через 600 млн лет она будет слишком далеко, чтобы иметь возможность полностью закрывать солнце. Таким образом, люди будущего упустят возможность увидеть красоту полного солнечного затмения.
Им также не узреть Ниагарский водопад. Уменьшаясь каждый год на 1 фут из-за потока воды, он исчезнет задолго до того как иссушатся океаны, и к 52 000 году соединится с озером Эри. К 7 000 000 году к нему присоединится гора Рашмор, стираясь каждые 10 000 лет на 1 дюйм. Сатурн потеряет свои чудесные кольца через 50 или 100 000 млн лет, ведь они медленно отдаляются всё дальше в космос.
Этапы слияния Андромеды и Млечного пути.Так что будущая жизнь на Земле может наблюдать свои крутые сверхновые и слияние галактик, но Ниагарских водопадов, горы Рашмор, полных солнечных затмений или колец Сатурна у них не будет. Тебя у них тоже не будет. Но зато у ты есть у себя! Только вот не полностью. Младенцы не могут формировать воспоминания, так что ты уже упустил два своих самых главных события в жизни — зачатие и рождение.
Кстати о рождении. Свет самая быстрая вещь со Вселенной, для фотона могут пройти миллионы лет прежде чем он сможет выйти из ядра звезды, в которой он был рождён через ядерный синтез. Только появившемуся фотону нужно с трудом преодолеть плотные джунгли из других атомов и молекул, которые поглощают и выделяют этот фотон снова и снова, забирая часть энергии с собой, пока его гоняет туда-сюда как мячик в пинболе. Уходят миллионы лет, чтобы фотон случайно пробрался к верхнему слою Солнца и вылетел в космос. И только малюсенький процент от тех удачливых фотонов, вылетевших в космос, пересечётся с землёй. И если вам повезёт, то эти фотоны закончат своё путешествие на вашей сетчатке. Если вы узнаете, какая звезда удалена от Земли на столько же световых лет, сколько и вам, и посмотрите на неё, то увидите свет, который покинул звезду в тот месяц, в который вы были рождены. Или фотоны, которые вылетели в космос тогда, когда ваш организм был одной клеткой.
Как видите, космос очень большой, а ваша жизнь очень короткая — вы пропустите очень много. Но космос блин такой гигантский, что ВСЁ вы не пропустите точно.
Автор перевода: Клара Штейн
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Время в чёрной дыре
Что такое световые конусы? В чём разница между временем и пространством? Почему время и пространство меняются ролями внутри чёрной дыры? Что такое диаграмма Пенроуза? В видео от ScienceClic в моей озвучке.
25 часов в сутки
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света. Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Доказательства относительности
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе. Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна. Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Фундаментально ли время во Вселенной
Человеческая жизнь неразрывно связана со временем. Мы привыкли измерять ход процессов при помощи него — к тому же это необходимо для нашего выживания. Но служит ли этот феномен фундаментальным свойством реальности или время эмерджентно?
Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.
В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.
Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.
Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».
Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.
Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.
Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine
Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.
На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.
В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.
В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».
Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.
Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore
В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.
Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.