Масштабы пространства и времени кратко

Обновлено: 02.07.2024

Понятие пространственно-временного континуума и кривизны пространства-времени тесно связаны с именем одного из самых выдающихся ученых мира – Альберта Эйнштейна. Но как он пришел к таким размышлениям?

На начальном этапе строительства железных дорог время было большой проблемой. В каждом городе устанавливали своё собственное время относительно полудня. Ещё большую трудность составлял факт, что время отправления и прибытия устанавливалось по времени города, из которого двигался поезд. Когда появилась необходимость в синхронизации времени в связи со множеством аварий, в одно патентное бюро устроился физик по имени Альберт Эйнштейн. Люди хотели синхронизировать время при помощи радиоволн, телеграфных столбов и т.д. и т.п. Эйнштейн наблюдал за всем этим и это приводило его в восторг. Он понял, что все попытки синхронизировать время обнаружили глубокую прореху в нашем понимании времени. Все мы считаем, что время течёт для всех одинаково. Однако Эйнштейн утверждал, что время течёт для всех по-разному.

Эйнштейн понял, что существует связь между перемещением в пространстве и перемещением во времени. Он утверждал: чем выше наша скорость в пространстве относительно других, тем медленнее для других наше время.

Эксперимент, подтверждающий этот факт, был проведён в 1971 году. Ученые взяли атомные часы и погрузили их на реактивный самолёт. Другие атомные часы остались на земле. Самолёт облетел весь земной шар, и разница в показаниях часов была замечена. Да, всего лишь несколько миллиардных долей секунды , но это нельзя списать на погрешность, поскольку атомные часы - крайне точное устройство .

Обнаружив связи с пространством и временем, Эйнштейн определил, что эти два понятия нужно рассматривать только друг с другом, нераздельно. Союз пространства и времени он назвал пространственно-временным континуумом. Это открытие подтолкнуло его к гипотезе, что разница между настоящим, прошлым и будущим – это иллюзия.

Представим эту модель в виде буханки хлеба. Если момент – это ломтик, отрезанный перпендикулярно, то для всех нас этот ломтик должен быть отрезан перпендикулярно, под одним углом.

На самом деле нет. Принимая в расчет движение, этот ломоть может быть отрезан под разным углом.

Чтобы понять это, давайте представим себе инопланетянина на другом конце вселенной. Пусть он будет находиться в космическом корабле. И возьмем человека, который мирно сидит у себя дома/на работе или ещё где-то. Если мы оба будем неподвижны относительно друг друга (принимая во внимание скорость Земли и движение галактики), то для нас обоих реальность будет одинаковой (фото выше). Однако если инопланетянин полетит от нас , то он порежет континуум под таким углом, что будет видеть наше прошлое (красный срез на фото ниже).

Если инопланетянин будет находиться на дальнем от нас краю "буханки", а мы - на ближнем, то при движении от нас инопланетянин увидит наше прошлое

Если же он полетит к нам, то будет видеть наше будущее.

Если инопланетянин будет находиться на дальнем от нас краю "буханки", а мы - на ближнем, то при движении к нам инопланетянин увидит наше будущее

Всё что случилось или случится – уже существует . Именно так считает Эйнштейн. Это так, ведь если принимать во внимание пример с инопланетянином, он не увидит другого прошлого (оно уже свершилось, это понятно каждому человеку). Также и при движении к нам он не увидит какого-то другого будущего.

Живым примером может послужить космонавт Сергей Крикалёв. Он находился на борту МКС 803 дня 9 часов и 39 минут. За это время, по подсчетам учёных, он продвинулся в будущее на 0.02 секунды. Определить это удалось с помощью постулатов и формул ОТО и СТО (общая теория относительности и специальная теория относительности).

Время мы привыкли связывать с течением реки. Но если настоящее, прошлое и будущее существуют, то реку стоит рассматривать замороженной. Это показывает, в каком противоречии сейчас находится физика и как далеки мы от того, чтобы описать вселенную.

Пространство и время — это две, наверное, самые неуловимые вещи в мире.

Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.

Что такое пространство-время?

Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.

Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (~10 -35 м). В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин.

Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.

Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10 -35 м, 5,39 х 10 -44 с и 2,18 х 10 -5 г. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы.

Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10 -18 м. Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Прекрасным примером будет температура. Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл.

Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец

Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.

Если всё то, что нас окружает – материя, то пространство и время – формы её существования. Любое движение происходит в пространстве и времени. Но пространство и время космических масштабов отличается от таковых для мира элементарных частиц примерно в 1042 раз. По теории Фридмана оценки дают для Вселенной величины порядка 1026 м и 1010 лет - это самые большие интервалы, обнаруженные астрономами. В микромире микроскопы, использующие корпускулярные свойства вещества, дают возможность различать объекты размерами ~10–10 м – размеры атомов (ионный проектор).

Ускорители, разгоняя электроны, позволяют с их помощью различать размеры 10–18 м – это уже детали строения нуклонов. Использование встречных пучков позволяет различать масштабы пространства до 10–22 м.

Чем активнее учёные пытаются разобраться в устройстве пространства и времени, тем запутаннее все становится. Но и интереснее — тоже!

С точки зрения физики, исследуя ничтожно малое пространство, мы увидим, что оно состоит из квантов. Но что это за кирпичики?

Люди, как правило, воспринимают пространство как нечто само собой разумеющееся. Ну, в самом деле: это просто-напросто пустота, фон для всего остального. Время тоже простая штука: беспрестанно тикает и тикает. Однако, если физики, долгие годы бившиеся над объединением их фундаментальных теорий, и сумели извлечь из этого хоть что-то полезное, так это то, что пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными.

Продвинуться далеко Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. В горячих спорах упускают из виду важную истину: все конкурирующие версии говорят о том, что пространство происходит от чего-то более глубокого. Эта идея идёт вразрез с 2500-летним опытом научного и философского осмысления пространства.

Вглубь чёрной дыры

Проблему, стоящую перед физиками, прекрасно иллюстрирует обычный магнит. Он легко поднимает с пола скрепку, несмотря на гравитацию целой планеты Земля. Гравитация слабее магнетизма, электрических и ядерных связей. Какими бы ни были квантовые эффекты, они чрезвычайно слабы. Единственное осязаемое свидетельство того, что они всё же существуют, — это пёстрый узор ранней Вселенной, который, как полагают, не мог появиться без участия квантовых флуктуаций гравитационного поля.

На подступах к чёрной дыре материя не настолько сжата и гравитация не настолько сильна, чтобы не работали известные нам законы физики. Однако они, как это ни странно, не работают. Границей чёрной дыры является горизонт событий, рубеж невозврата: материя, которая сюда попадает, вернуться не может. Спуск в дыру необратим, и это — физическая проблема, ибо все известные ныне законы фундаментальной физики, в том числе квантовой механики в её обычной интерпретации, обратимы. У вас должна быть, по крайней мере, принципиальная возможность обратить вспять движение всех частиц и восстановить то, что у вас было.

Над проблемой равновесия чёрных дыр физики-теоретики бьются уже почти полвека. В середине 1970-х годов недавно почивший Стивен Хокинг (Stephen Hawking) из Кембриджского университета (University of Cambridge) сделал огромный шаг вперёд: изучая с помощью квантовой теории поле излучения вокруг чёрных дыр, он показал, что температура этих объектов не является нулевой. В таком случае, они не только поглощают, но и излучают энергию. Хотя благодаря Хокингу чёрные дыры прописались в термодинамике, проблема необратимости усугубилась. Излучение чёрной дыры не несёт никакой информации о том, что у неё внутри. Это случайная тепловая энергия. Если, запустив данный процесс в обратном порядке, вы вернёте дыре её энергию, то поглощённая ею материя не выскочит назад; вы просто получите больше тепла. И нет оснований считать, будто попавшие в дыру материальные предметы всего лишь заперты в ней, но продолжают существовать, ибо, излучая, дыра сжимается и, согласно расчётам Хокинга, в конце концов неминуемо исчезает.

Эту проблему называют информационным парадоксом, так как чёрная дыра съедает ту информацию о поглощённых ею частицах, с помощью которой вы могли бы обратить их движение вспять. Если физика чёрных дыр действительно допускает обратимость любого процесса, то что-то должно нести информацию из этих дыр, и, чтобы так оно и было, возможно, нашу концепцию пространства-времени следует изменить.

Атомы пространства-времени

Тепло — это хаотическое движение микроскопических частиц, таких как молекулы газа. Поскольку чёрные дыры могут нагреваться и остывать, разумно предполагать, что они включают в себя частицы — в общем, имеют микроскопическую структуру. А поскольку чёрная дыра — это всего-навсего пустое пространство (согласно общей теории относительности, поглощаемая материя проходит через горизонт событий, но не может не исчезнуть), её частицы должны быть частицами самого пространства. Чёрная дыра, простая настолько, насколько может быть простым простор пустого пространства, скрывает в себе беспредельную сложность.

Даже теории, провозглашающие свою приверженность обычному пониманию пространства-времени, в конечном итоге приходят к выводу, что за этим безликим фасадом что-то скрывается. Например, в конце 1970-х годов Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий в Техасском университете в Остине (University of Texas at Austin), стремился дать описание гравитации, похожее на описание других сил природы. Однако и он вынужден был отметить, что пространство-время, если брать его в том масштабе, в каком оно проявляет себя максимально ярко, выглядит весьма и весьма необычно.

Первоначально физики изображали микроскопическое пространство в виде мозаики, сложенной из маленьких кусков. Считалось, что взглянув на него в масштабе Планка, то есть имея дело с умопомрачительно малой единицей длины, составляющей 10 −35 метров, мы увидим нечто вроде шахматной доски. Однако, на самом деле, картина пространства будет несколько иной. И, прежде всего, следует отметить, что в сетке этой шахматной доски разные направления неравноценны, в результате чего имеют место асимметрии, противоречащие специальной теории относительности. Например, скорость света может зависеть от его цвета — точь-в-точь как в стеклянной призме, расщепляющей свет на цвета радуги. И эти нарушения относительности будут бросаться в глаза, хотя обычно, имея дело с малыми масштабами, трудно наблюдать какие-либо эффекты.

Кроме того, термодинамика чёрных дыр заставляет усомниться в том, что пространство представляет собой простую мозаику. Измеряя тепловое поведение любой системы, вы можете более или менее точно рассчитать число входящих в неё частей. Вбросьте в систему энергию и посмотрите на термометр. Если температура взлетела, вброшенную энергию получило сравнительно небольшое количество молекул. В сущности, то, что вы измеряете, — это энтропия. Она характеризует микроскопическую сложность системы.

Этот странный эффект называют голографическим принципом, потому что он ассоциируется с голограммой. Глядя на голограмму, мы видим трёхмерный объект, хотя, на самом деле, перед нами двухмерный лист плёнки. Если голографический принцип учитывает микроскопические частицы пространства и его содержание, — а с этим согласны многие физики-теоретики, — то для создания пространства мало простого объединения маленьких кусочков.

Что именно представляют собой эти кирпичики, зависит от теории. В теории петлевой квантовой гравитации это — кванты объёма, взаимодействующие на основе квантовых принципов. В теории струн это — родственные электромагнитным поля, живущие в плоскости, образуемой движущейся струной — нитью или петлёй энергии. В М-теории, которую можно рассматривать как фундамент теории струн, это — особый тип частиц: мембрана, сжатая в точку. В теории причинностного множества (causal sets theory) это — события, связанные сетью причины и следствия. В теории амплитуэдра и некоторых других теоретических схемах никаких кирпичиков, образующих пространство, нет вообще — по крайней мере, в том смысле, в каком их обычно понимают.

Запутанные сети

Большой интеллектуальный прогресс последних лет, разрушивший старые границы физических теорий, состоит в осознании того, что изучаемые физикой отношения могут быть связаны с квантовой запутанностью. Будучи сверхмощным типом корреляции, который исследуется в рамках квантовой механики, запутанность, по-видимому, первичнее пространства. К примеру, экспериментатор может сделать так, чтобы две частицы полетели в противоположных направлениях. Если эти частицы запутаны, то, каким бы огромным ни было разделяющее их пространство, между ними сохранится координация.

В настоящее время целый ряд концепций квантовой гравитации — и, прежде всего, теория струн — отводит запутанности решающую роль. Теория струн применяет голографический принцип не только к чёрным дырам, но и ко всей Вселенной. При этом получился рецепт создания пространства — по крайней мере, некоторых его видов. Например, структурированные особым образом поля, пронизывая двухмерное пространство, генерируют дополнительное измерение. С появлением третьего измерения исходное двухмерное пространство превращается в границу более роскошного царства, известного как объёмное пространство. И то, что объединяет объёмное пространство в сопредельное целое, это — запутанность.

По-видимому, запутанность определяет не только сопредельность пространства, но и многие другие его свойства. Ван Раамсдонк и Брайан Свингл (Brian Swingle), ныне работающий в Мэрилендском университете в Колледж-Парке, объясняют универсальный характер гравитации — то, что она затрагивает все объекты и не поддаётся экранированию, — вездесущностью запутанности. Что касается чёрных дыр, то Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (Stanford University) и Хуан Мальдацена (Juan Maldacena) из Института перспективных исследований (Institute for Advanced Study) в Принстоне, штат Нью-Джерси, считают, что запутанность между чёрной дырой и её излучением создаёт лаз — чёрный вход в дыру. Возможно, это поможет физике чёрных дыр решить проблему сохранения информации и обратимости.

Данные идеи теории струн работают только в рамках конкретных геометрий и реконструируют только одно измерение пространства. Некоторые исследователи попытались объяснить, как всё пространство может возникнуть с чистого листа. К примеру, Чуньцзюнь Цао (ChunJun Cao), Спиридон Михалакис (Spyridon Michalakis) и Шон М. Кэрролл, все из Калифорнийского технологического института (California Institute of Technology), начинают с минималистского квантового описания системы, введённой без прямой ссылки на пространство-время и даже на материю. Если система имеет правильную структуру корреляций, её можно расщепить на составные части, которые могут быть идентифицированы как разные области пространства-времени. В этой модели степень запутанности определяет понятие пространственного расстояния.

Не только в физике, но и в других естественных науках пространство и время — основа всех теорий. Однако мы не можем наблюдать пространство-время непосредственно. Мы выводим его существование из нашего повседневного опыта. Мы предполагаем, что некий механизм, действующий в пространстве-времени, — это наиболее экономичное объяснение наблюдаемых нами явлений. Но главный урок, который следует извлечь из теории квантовой гравитации, состоит в следующем: не все явления аккуратно вписываются в пространство-время. Физикам нужно найти какой-то новый фундамент, и, найдя его, они смогут завершить революцию, начатую чуть более века назад Альбертом Эйнштейном.

Читайте также: