Пространство и время + Теория относительности

В середине XIX века считалось, что свет распространяется в мировом эфире, как звук в веществе. Эфир есть везде, даже в вакууме (пустоте).

По другой теории свету не требовалась среда для распространения.

Возникла идея проверки. Если эфир есть везде, то он движется относительно Земли: мы живем в эфирном ветре. Скорость света против этого ветра, по нему, и поперек него будет разная. Так ли это?

В опыте 1887 Майкельсон и Морли показали: разницы скоростей нет. Значит, эфира нет – решило научное сообщество.

Довод выглядел убедительно до 1905, когда появилась теория относительности (ТО), по которой скорость света не зависит от того, летит ли светильник к наблюдателю или от него. Простое правило сложения скоростей тут не действует, значит Майкельсон и Морли не опровергли эфир.

Далее по ТО получалось, что пространство имеет свойство по-разному искривляться относительно декартовой сетки А если что-то имеет свойства, то это не совсем пустота…

Эфир просвечивает сквозь табу

Откуда берется пространство, как оно устроено и почему?..

…До 1905 этот вопрос вызвал бы у физика недоумение. 

Считалось самоочевидным как 2x2=4, что у Вселенной - геометрия Евклида и все процессы в пространстве описываются через прямоугольную 3-мерную декартову сетку координат с добавлением 4-й координаты - времени.

Прошло 10 лет, в физику пришла Общая теория относительности, геометрия Вселенной оказалась неевклидовой, к тому же – непостоянной. Пространство-время искривляется под действием гравитации, искажая траектории света, и теряет непрерывность в окрестностях сверхплотных массивных тел (черных дыр). 

Мало того: пустое пространство, как оказалось, может порождать материальные частицы и оказывать давление на материальные тела (эффект Казимира). И в нем скрыта «темная энергия».

Физические определения пространства и вакуума затуманились. Был придуман термин «физический вакуум» (чтобы не возвращать термин «эфир», объявленный ненаучным в 1887). Привет Фрейду с его идеей тотема и табу.

Больше интересного - Пожиратели мифов

Когда мы говорим о пространстве и времени, то чаще всего воспринимаем их как две независимые сущности. Пространство — это где, время — это когда. Однако с момента выхода в свет теории относительности Эйнштейна стало понятно, что они гораздо ближе друг к другу, чем кажется. Добро пожаловать в мир четырехмерного пространство-времени!

Пространство и время: отдельные или единое?

В повседневной жизни мы оперируем тремя измерениями: длина, ширина, высота. Они определяют наше привычное представление о пространстве. Но уже в XIX веке физики начали понимать, что время тоже можно рассматривать как координату.
Эйнштейн в 1905 году объединил пространство и время в единую концепцию, назвав её пространство-время. Согласно этой модели, каждое событие в нашей Вселенной можно описать с помощью четырёх координат: трёх пространственных и одной временной.

Пример: Представьте встречу с другом. Вы договариваетесь о месте (пространственные координаты) и времени (временная координата). Вместе это описывает "точку" в четырехмерном пространстве-времени.

Как время связано с пространством?

Пространство и время связаны через движение и скорость света. Вот несколько ключевых идей:

— Скорость света неизменна:
Свет всегда движется со скоростью 299 792 км/с, независимо от того, как движется источник света или наблюдатель. Это основа специальной теории относительности.

— Искажение времени и пространства:
Чем быстрее объект движется относительно другого, тем медленнее для него "течёт" время (в этом и заключается эффект замедления времени). Пространство тоже "сжимается" вдоль направления движения.

— Гравитация и искривление пространства-времени:
Согласно общей теории относительности, массивные объекты (например, планеты или звёзды) искривляют пространство-время вокруг себя. Это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям — то, что мы воспринимаем как гравитацию.

Почему мы не ощущаем четырехмерное пространство?

Наш мозг воспринимает мир в трёх измерениях. Временную координату мы "чувствуем" через поток времени, но не способны "увидеть" её.

Физики описывают пространство-время как математическую модель, где движение во времени — это неизбежный "сдвиг" вперёд с постоянной скоростью для всего, что существует.

Какие практические последствия?

Четырехмерное пространство-время лежит в основе множества современных технологий:

— GPS: Спутники навигации учитывают эффект замедления времени из-за высокой скорости движения и гравитации Земли. Без теории относительности GPS был бы неточным на десятки метров.

— Космические исследования: Траектории космических аппаратов рассчитываются с учётом искривления пространства-времени.

— Квантовая физика и большие данные: Исследования черных дыр, Большого взрыва и других космологических явлений невозможны без понимания четырехмерной модели.

Захватывающее будущее: путешествия во времени и искривления

Можно ли перемещаться во времени? Теоретически — да, с помощью кротовых нор (червоточин) или при сверхсветовых скоростях. Однако пока это остаётся в области теорий.

Литература:

— Стивен Хокинг — "Краткая история времени"
Потрясающая книга для понимания основ теории относительности и устройства Вселенной.

— Брайан Грин — "Ткань космоса"
Углублённый взгляд на пространство-время, квантовую механику и мультивселенную.

— Мичио Каку — "Гиперпространство"
Отлично объясняет, как могут существовать дополнительные измерения.

В научной фантастике термин "сингулярность" часто ассоциируется с суперразвитием технологий или искусственным интеллектом. Однако в физике это понятие гораздо глубже — это точка, в которой привычные законы природы перестают работать. Давайте разберёмся, что это значит.

Сингулярность в астрофизике

Когда мы говорим о сингулярности, в первую очередь вспоминаем чёрные дыры. Согласно Общей теории относительности Эйнштейна, сингулярность — это точка в пространстве-времени, где плотность материи становится бесконечно высокой, а объём бесконечно малым. В центре чёрной дыры сила гравитации столь велика, что даже свет не может выбраться наружу.

Представьте: Всё, что падает в чёрную дыру, сжимается до нуля. Законы физики, которые мы знаем, больше не применимы. Пространство и время там буквально "ломаются".

Сингулярность в начале Вселенной

Ещё один пример сингулярности — начальная точка Большого взрыва. Примерно 13,8 миллиардов лет назад вся материя и энергия Вселенной были сосредоточены в одной точке бесконечно малых размеров. Это состояние называют "гравитационной сингулярностью".

В связи с этим, возникают вопросы: Как возникла сингулярность Большого взрыва? Почему из неё появилась Вселенная?

Эти вопросы остаются одними из самых сложных в современной космологии.

Почему сингулярность загадочна?

Проблема сингулярностей в том, что они приводят к бесконечным значениям, а наука не любит бесконечностей. Наши теории, такие как Общая теория относительности и Квантовая механика, пока не могут объяснить, что происходит внутри сингулярности.

Попытки объяснить

— Квантовая гравитация: учёные пытаются объединить квантовую механику и общую теорию относительности, чтобы понять, как работают законы природы на экстремально малых масштабах.

— Теория струн: предполагает, что на субатомных уровнях частицы — это крошечные "струны", а не точки. Это может объяснить, почему сингулярность возникает.

— Петлевая квантовая гравитация: считает, что пространство-время состоит из квантовых "ячей". Если так, то сингулярность может быть не точкой, а переходом к другим состояниям.

Литература и ссылки

— Роджер Пенроуз. "О природе пространства и времени"

— Стивен Хокинг. "Краткая история времени"

— Научные статьи о сингулярностях в Astrophysical Journal

Что думаете о природе сингулярности? Возможно ли, что однажды мы поймём, что находится за этой гранью?

20 апреля 2004 года с космодрома на базе Ванденберг стартовала ракета-носитель «Дельта-2». Она вывела на орбиту Земли один из самых занимательных научных аппаратов для изучения гравитации — Gravity Probe B [вольный перевод — «Гравитационный зонд Б», прим. ред.]. Спутник был запущен для подтверждения двух ключевых предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна:

— Геодезической прецессии (вращения направления оси Земли) из-за искривления пространства-времени вблизи нашей планеты. Причём искривляет пространство сама Земля своей гравитацией;

— Прецессии за счёт увлечения инерциальной системы координат вблизи вращающегося массивного тела, в нашем случае — Земли. То есть, насколько вращающийся объект тянет за собой пространство-время при вращении.

Оба эффекта очень малы и не могли быть измерены даже в XX веке. Сбор научных данных начали в августе 2004. На орбите спутник отработал 17 месяцев и завершил свою миссию 3 октября 2005 года. Для эксперимента использовались четыре сверхточных гироскопа. Gravity Probe B определил оба эффекта с беспрецедентной точностью, использовав в качестве точки отсчёта звезду IM Pegasi.

Для сверхточного гироскопирования по звёздам были использованы четыре «идеальные сферы». Они были вырезаны из блоков чистого кварца, выращенных в Бразилии, а затем сплавлены и обожжены, а потом и очищены в лаборатории в Германии. Внутренний состав каждого ротора гироскопа однороден с точностью до двух миллионных частей! Это означает, что каждая точка на поверхности ротора находится на одинаковом расстоянии от центра ротора с погрешностью в 8 нанометров! Иначе эффект не обнаружить.

Руководитель исследований данных, полученных зондом, Фрэнсис Эверитт, на заседании Американского физического общества 14 апреля 2007 года заявил о том, что анализ данных позволил подтвердить предсказанную Эйнштейном геодезическую прецессию с точностью, превосходящей 1 %.