Теория относительности Эйнштейна кратко
Эйнштейн и еще один ученый, Хендрик Лоренц выяснили, что есть только один способ объяснить, как все это может быть. Это возможно только в том случае, если время замедляется.
Представьте, что произойдет, если время замедлится для вас, а вы при этом не знаете, что двигаетесь медленнее.Вам будет казаться, что все остальное происходит быстрее, всё вокруг вас будут двигаться, как в фильме в быстрой перемотке.
Итак, теперь давайте представим, что вы снова при ливне с ветром. Как такое возможно, что дождь будет воздействует на вас одинаково, даже если вы бежите? Выходит если бы вы пытались убежать от дождя, то ваше время бы замедлилось, а дождь — ускорился. Капли дождя попадали бы вам на спину с такой же скоростью. Ученые называют это расширение времени. Независимо от того, насколько быстро вы двигаетесь, ваше время замедляется, по крайней мере для скорости света это выражение справедливо.
Неизбежная тепловая смерть Вселенной
Вселенная живет по тем же правилам, что и любая термодинамическая система, и все они в конечном счете закончат одинаково: когда тепло равномерно распределится. Грубо говоря, ветер разнесет тепло по всей Вселенной, и она станет холодной, темной и скучной. Все звезды, которые мы знаем, померкнут одна за одной, и однажды не хватит энергии зажечь новые. Вся вселенная погаснет. Материя будет, но в форме частиц, и их движение будет совершенно случайно. Вселенная будет в состоянии равновесия, и эти частицы будут отскакивать друг от друга, не обмениваясь энергией. Мы останемся «смятым окурком, плевком, в тени под скамьей, куда угол проникнуть лучу не даст. И слежимся в обнимку с грязью, считая дни, в перегной, в осадок, в культурный пласт».
Обитаемые миры
По Стивену Хокингу физические законы Вселенной везде одинаковы, следовательно законы жизни тоже должны быть универсальными. Ученый допускает возможность существования жизни подобно земной и в других галактиках.
Оценками жизнепригодности планет на основании сходства с Землей занимается относительно молодая наука – астробиология. Пока основные усилия астробиологов направлены на планеты Солнечной системы, но результаты их исследований не утешительны для тех, кто надеется найти органическую жизнь недалеко от Земли. В частности ученые доказывают что на Марсе жизни нет и не могло быть, так как гравитация планеты слишком мала чтобы удерживать достаточно плотную атмосферу. Более того, недра таких планет как Марс быстро остывают, что приводит к прекращению геологической активности, поддерживающей органическую жизнь.
Вечная вселенная
Так вот, не с сингулярности Большого Взрыва начался отсчет времени, время могло существовать и раньше (за бесконечность до этого), а сингулярность и результирующий взрыв могли стать следствием столкновения двух бран (структур пространства-времени более высокого уровня бытия). В этой модели Вселенная циклична и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.
Мы, кстати, можем выяснить это в ближайшие 20 лет — у нас есть спутник Планк, исследовавший космос в поисках паттернов микроволнового фона, которые подскажут нам что-нибудь о происхождении Вселенной. Это долгий процесс, но он предоставит нам знания о том, с чего началась наша Вселенная, а возможно подскажет, чем она закончится.
Как была создана Теория “большого взрыва”
В 1917 г. было обнаружено, что в спектре некоторых “туманностей”, спектральные линии явственно смещены к красному концу спектра. А надо сказать, что в ту пору, как и во времена Шарля Мессье, “туманностями”, из-за не совершенства оптических приборов, именовали любые светящиеся объекты на небосклоне, имеющие неясные очертания (т.е. “туманностью” могла быть и классическая туманность и далекая галактика и звездное скопление).
Эдвин Хаббл и красное смещение галактик
Что одним и тем же термином обозначались совсем разные объекты, выяснилось лишь десятилетие спустя, когда известный американский исследователь Эдвин Хаббл с помощью крупнейшего на то время телескопа установил, что некоторые из туманностей являются скоплениями звезд. С тех пор туманностями астрономы называют лишь разреженные облака газа и пыли. Для объектов же, «распавшихся» на звезды и оказавшихся в действительности огромными и очень далекими от нас звездными системами, придумали термин галактики.
Постепенно к началу 30-х годов сложилось мнение, что главные вещественные составляющие Вселенной — галактики, каждая из которых в среднем состоит приблизительно из ста миллиардов звезд. Солнце вместе с Солнечной системой входит в нашу Галактику “Млечный путь”, и основная масса звезд которую мы наблюдаем на небосклоне, принадлежит той же галактике. Кроме звезд и планет Галактика содержит также значительное количество разреженных газов и космической пыли.
Когда в 1929 г. Эдвин Хаббл составил сводку всех известных к тому времени данных по «красному смещению» в спектрах галактик, результат получился неожиданным. За исключением знаменитой туманности Андромеды (галактика М31) и двух других ближайших звездных систем, в спектрах остальных галактик спектральные линии были смещены к красному концу тем сильнее, чем дальше от нас находились эти галактики.
Величина красного смещения была пропорциональной расстоянию до источника излучения — такова была строгая формулировка неожиданно открытого Хабблом закона, по-простому звучавшего так – если объект удаляется от наблюдателя, его спектр смещается в красную часть, и чем дальше объект от наблюдателя, тем сильнее происходит это смещение.
Расширяющаяся вселенная – проблема не только математики, но и философии!
Если приписать «красное смещение» хорошо известному физикам принципу Доплера (частота излучения объекта изменяется тем сильнее, чем быстрее объект наблюдения движется относительно наблюдателя), то получается, что все галактики с огромными скоростями (в сотни, тысячи и десятки тысяч километров в секунду) разлетаются прочь от Земли. Иными словами, все космические объекты не стоят на месте, а постоянно удаляются друг от друга, то есть Вселенная постоянно расширяется и делает это непрерывно.
Этот вывод казался поначалу явно ошибочным. Рушились сложившиеся веками представления о спокойной, стабильной Вселенной, а главное, был непонятен физический механизм, заставляющий галактики «разбегаться» друг от друга. К этим сомнениям научного характера примешивались и возражения чисто философские.
К началу 30-х годов широкую популярность приобрела теория конечной, замкнутой Вселенной, разработанная Альбертом Эйнштейном. При некоторых упрощающих предположениях о структуре Вселенной и использовании теории относительности можно доказать, что вследствие действия гравитации трехмерное космическое пространство должно быть замкнутым, конечным, хотя и безграничным, как поверхность шара. Это, правда, только аналогия, не больше. Если Вселенную и можно назвать шаром, то шаром четырехмерным, не поддающимся наглядному представлению. В сферическом замкнутом космосе Эйнштейна количество галактик хотя и очень велико, но все же конечно. Значит, конечна и масса такой замкнутой Вселенной, как конечны ее объем и радиус.
Астроном Эдвин Хаббл – в честь абы кого, целый космический телескоп не назовут!
Долгосрочные прогнозы относительно будущего Вселенной
Гипотезы относительно того, что эволюция Вселенной обладает отправной точкой, естественным способом подводят ученых к вопросам о возможной конечной точке этого процесса. Если Вселенная начала свою историю из маленькой точки с бесконечной плотностью, которая вдруг начала расширяться, не означает ли это, что расширяться она тоже будет бесконечно? Или же однажды у нее закончится экспансивная сила и начнется обратный процесс сжатия, конечным итогом которого станет все та же бесконечно плотная точка?
Ответы на эти вопросы были основной целью космологов с самого начала споров о том, какая же космологическая модель Вселенной является верной. С принятием теории Большого взрыва, но по большей части благодаря наблюдению за темной энергией в 1990-х годах, ученые пришли к согласию в отношении двух наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной.
Согласно первому, получившему название «большое сжатие», Вселенная достигнет своего максимального размера и начнет разрушаться. Такой вариант развития событий будет возможен, если только плотность массы Вселенной станет больше, чем сама критическая плотность. Другими словами, если плотность материи достигнет определенного значения или станет выше этого значения (1-3×10-26 кг материи на м³), Вселенная начнет сжиматься.
Альтернативой служит другой сценарий, который гласит, что если плотность во Вселенной будет равна или ниже значения критической плотности, то ее расширение замедлится, однако никогда не остановится полностью. Согласно этой гипотезе, получившей название «тепловая смерть Вселенной», расширение продолжится до тех пор, пока звездообразования не перестанут потреблять межзвездный газ внутри каждой из окружающих галактик. То есть полностью прекратится передача энергии и материи от одного объекта к другому. Все существующие звезды в этом случае выгорят и превратятся в белых карликов, нейтронные звезды и черные дыры.
Постепенно черные дыры будут сталкиваться с другими черными дырами, что привет к образованию все более и более крупных. Средняя температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю. Черные дыры в итоге «испарятся», выпустив свое последнее излучение Хокинга. В конце концов термодинамическая энтропия во Вселенной станет максимальной. Наступит тепловая смерть.
Современные наблюдения, которые учитывают наличие темной энергии и ее влияние на расширение космоса, натолкнули ученых на вывод, согласно которому со временем все больше и больше пространства Вселенной будет проходить за пределами нашего горизонта событий и станет невидимым для нас. Конечный и логичный результат этого ученым пока не известен, однако «тепловая смерть» вполне может оказаться конечной точкой подобных событий.
Есть и другие гипотезы относительно распределения темной энергии, а точнее, ее возможных видов (например фантомной энергии). Согласно им галактические скопления, звезды, планеты, атомы, ядра атомов и материя сама по себе будут разорваны на части в результате ее бесконечного расширения. Такой сценарий эволюции носит название «большого разрыва». Причиной гибели Вселенной согласно этому сценарию является само расширение.
Путешествие в будущее через пространственно-временной тоннель
Однако, как пишет Стивен Хокинг в своей книге, возможно, способ путешествовать в прошлое все же есть — через пространственно-временной тоннель или, как еще говорят, червоточину, соединяющую две удаленных части Вселенной.
В Общей теории относительности Эйнштейна гравитация является следствием искажения пространства-времени под действием массы — которое в отчет влияет на движение массы. В физике понятие «пространство-время» характеризует комбинированное представление, включающее трехмерное пространство и одномерное время, в виде четырехмерной математической структуры.
Миллингтон пишет: «Чем большую массу мы концентрируем в некоторой области пространства, тем больше деформируется пространство-время и тем медленнее идут часы, расположенные неподалеку. Если мы сожмем достаточную массу, эти искажения достигнут такой величины, что даже свет не сможет избежать гравитационного притяжения — в этом случае образуется черная дыра».
Впрочем, к путешествиям во времени имеет отношение только край черной дыры: время там идет бесконечно медленно относительно удаленного наблюдателя. Физики предполагают, что червоточины могут образовываться из черных дыр.
Червоточины — это своего рода тоннели в пространстве-времени, позволяющие перемещаться между точками А и В со скоростью света, но для стабилизации такого тоннеля нужно место с отрицательной кривизной пространства, то есть отрицательной плотностью энергии. Но может ли плотность энергии вообще быть отрицательной?
Большинство людей, знакомых с классической физикой XIX века, ответили бы на этот вопрос уверенным «нет», но современная квантовая механика не исключает существования отрицательных плотностей энергии: согласно этой теории, пустое пространство вовсе не пусто, а заполнено парами частиц, которые постоянно появляются и исчезают, и область, в которой появляется и исчезает меньше пар, чем в других местах, будет иметь отрицательную плотность энергии.
Правда, как объясняет Миллингтон, до сих пор не существует теории, которая совместила бы теорию гравитации Эйнштейна с квантовой механикой, так что пока ответ на вопрос, возможно ли путешествие в прошлое, остается одним из многих секретов нашей вселенной.
Черные дыры
Несмотря на то, что о существовании черных дыр было известно еще до создания теории относительности Эйнштейна, доказательства их присутствия в космосе получены сравнительно недавно.
Саму черную дыру увидеть нельзя, но астрофизики обратили внимание на движение межзвездного газа в центре каждой из галактик, в том числе и в нашей. Особенности поведения вещества дали ученым понять, что притягивающий его объект обладает «чудовищной» гравитацией
Мощность черной дыры настолько велика, что окружающее ее пространство-время просто схлопывается. Любой объект, включая свет, попадая за так называемый «горизонт событий» оказывается навсегда втянут в черную дыру. В центре Млечного Пути по предположению ученых располагается одна из самых массивных черных дыр – в миллионы раз тяжелее нашего Солнца.
Основные теории происхождения Вселенной
Большой взрыв не единственное современное представление о происхождении и эволюции Вселенной. Научный мир знает множество теорий возникновения мира, основными из которых являются:
- Теория струн. Ее основное утверждение
заключается в том, что все существующее состоит из мельчающих энергетических
нитей. Такие квантовые струны могут растягиваться, искривляться и располагаться
в любых направлениях, что делает космическое пространство многомерным. И каждое
из этих измерений имеет свою эволюционную стадийность. - Теория стационарной Вселенной. По этой
версии, в расширяющемся пространстве космоса постоянно возникает новая материя,
что делают всю систему стабильной. Идея была популярна в середине 20-го века,
но после открытия и изучения реликтового излучения у нее практически не
осталось сторонников.
Не исключено, что все
предположения о возникновении мироздания, признанные сейчас в научном мире, не
будут опровергнуты в будущем. И чем дальше и дольше человечество исследует
космические просторы, тем больше новых ответов и вопросов оно находит.
Следствия учения
Важно понять, как выше изложенные принципы относятся к пространству и времени. Благодаря им Альберт Эйнштейн пришел к трем выводам:
- время замедляется;
- пространство расширяется;
- масса увеличивается.
Чтобы понимать, о чем речь, давайте рассмотрим подробнее каждое из заключений.
Время замедляется
Время — это не абсолютная величина, она зависит от системы отсчета, в которой находится на данный момент.
Интересный опыт был проведен с применением двух атомных часов: одно устройство было отправлено самолетом вокруг планеты, а другое осталось на Земле. После посадки самолета сравнили показатели часов: те, что облетели земной шар, отставали от других часов на тысячные секунды.
Отсюда можно сделать вывод, время идет медленнее относительно объектов, находящихся в движении. При этом оно становится еще медленнее, если скорость объекта приближается к скорости света. Если космический корабль достигнет скорости света, то астронавт попадет в будущее. В этом случае время также будет относительно: недели в космосе будут равны годам на Земле. На этой теории построены сюжеты многих фантастических фильмов о космосе и его исследователях.
Пространство уменьшается
Давайте представим, что наш космический путешественник отправляется в полет на своем корабле. Скорость летательного аппарата приближается к скорости света и если наблюдать за его полетом со стороны, то можно заметить, что по направлению движения он становится короче, а перпендикулярно пути сохраняет исходные размеры, т.е. его ширина не меняется. При этом с самим астронавтом все в порядке: он на прежнем месте и прежних параметров.
Данный пример наглядно показывает, что для наблюдателя движущийся объект с увеличением своей скорости становится короче по направлению движения, а перпендикулярно ему его размеры остаются неизменными.
Масса увеличивается
E = mc² — знакомая формула из школьной программы? Своим уравнением Альберт Эйнштейн наглядно показал, что масса пропорциональна энергии тела, т.е., если увеличить скорость движения объекта, увеличивается и его масса. Отсюда следует вывод, что одна часть энергии затрачивается на изменение массы, а другая – на увеличение скорости. Это объясняет тот факт, что на деле путешествие во времени, о котором говорилось в предыдущем разделе, невозможно. Судите сами: чем больше скорость корабля, тем труднее его подтолкнуть. В итоге, приближаясь к скорости света, он достигает таких показателей, что никакая энергия вселенной не сможет его передвинуть.
Парадокс потери информации
Этот парадокс формулируется на стыке между квантовой теорией поля и общей теории относительности, поэтому его разрешение может помочь в формулировке теории квантовой гравитации.
Одна из актуальных проблем в современной теоретической физике — исчезновение информации в черной дыре. Физик предложил свое объяснение. По его мнению, информация не исчезает и не оказывается записана где-то внутри черной дыры — вместо этого она хранится на поверхности горизонта событий сверхмассивного объекта в форме голограммы. Горизонт событий — поверхность черной дыры, из пределов которой свет не может вылететь наружу. Если источник излучения находится прямо на горизонте, то создаваемое им поле видно не меняющимся во времени, то есть излучения нет. Согласно голографическому принципу, если известно все о динамике на горизонте, то можно восстановить и динамику внутри черной дыры.
Хокинг в своей статье описал, как каждый акт излучения отражается на горизонте событий черной дыры. По его мнению, используя голографический принцип, можно описать детали процесса формирования излучения черных дыр. Хокинг считает, что если что-то произошло внутри или снаружи черной дыры, то происходит какой-то акт на горизонте.
В сентябре 2015 года Хокинг сообщил о новой идее, которая, по его мнению, поможет разрешить 40-летний парадокс потери информации в черных дырах. Ученый сослался в своем сообщении на некоторые специальные свойства пространства. Если ими правильно воспользоваться, то можно указать, как и в каком виде информация покидает черную дыру. В работе утверждается, что у излучения Хокинга будет бесконечно много характеристик, а не только температурное распределение, зависящее от массы, заряда и момента вращения, и при помощи этих характеристик можно будет полностью охарактеризовать состояние черной дыры.
Что мы знаем наверняка
Теоретическая астрофизика — это всего лишь обоснованные предположения, которые формируются на основе тех немногих вещей, которые мы знаем наверняка. Нечто, называемое космическим микроволновым фоном (CMB), вносит свой вклад в большую часть этой наблюдаемой информации. CMB состоит из следов излучения, оставшегося от ранней фазы Вселенной. Радиотелескопы улавливают его, а затем преобразовывают волны в своеобразную тепловую карту.
На самом деле такое изображение не показывает нам, как распределялось содержимое Вселенной примерно через 400 000 лет после Большого взрыва. Все было почти однородно, за исключением крошечных флуктуаций, которые стали материей, формирующей звезды и галактики. Снимок служит доказательством того, что Вселенная начиналась с маленькой «упаковки» и расширилась до сегодняшнего состояния.
Мы также знаем, что Вселенная продолжает расширяться, и даже можем в некоторой степени измерить, насколько быстро она это делает. CMB также служит подтверждением того, что ранняя версия Вселенной была очень горячей, а наша эпоха намного холоднее.
Материалы по теме мироздания
Войды – огромные пустоты Вселенной
Знакомое всему миру имя теории – «Большой взрыв» – было невольно подарено противником версии о расширении Вселенной Хойлом. Он считал такую идею «совершенно неудовлетворительной». После публикации его тематической лекций занятный термин тут же подхватила общественность.
Причины, вызвавшие Большой взрыв, достоверно неизвестны. По одной из многочисленных версий, принадлежащей А. Ю. Глушко, сжатое в точку исходное вещество было черной гипер-дырой, а причиной взрыва стал контакт двух таких объектов, состоящих из частиц и античастиц. При аннигиляции материя частично уцелела и дала начало нашей Вселенной.
Инженеры Пензиас и Уилсон, открывшие реликтовое излучение Вселенной, получили Нобелевские премии по физике.
Показатели температуры реликтового излучения изначально было очень высоким. Спустя несколько миллионов лет этот параметр оказался в пределах, обеспечивающих зарождение жизни. Но к этому периоду успело сформироваться лишь небольшое количество планет.
Астрономические наблюдения и исследования помогают найти ответы на важнейшие для человечества вопросы: «Как все появилось, и что ждет нас в будущем?». Вопреки тому, что не все проблемы решены, и первопричина появления Вселенной не имеет строгого и стройного разъяснения, теория Большого взрыва обрела достаточное количество подтверждений, делающих ее основной и приемлемой моделью возникновения мироздания.
Скорость света — самое важное в путешествии во времени
Миллингтон пишет: «Мы считаем возможность позвонить друзьям и родственникам в любой уголок планеты само собой разумеющимся, но на самом деле их голоса и изображения путешествуют хоть и быстро, но совсем не мгновенно».
Никакой сигнал — или, как говорят физики, электромагнитная волна — не может распространяться быстрее скорости света, а это ровно 299 792 458 метров в секунду. Эйнштейн в рамках своей теории относительности постулировал, что скорость света является универсальной постоянной, то есть свет движется в вакууме всегда с одинаковой скоростью — и независимо от наблюдателя.
И, если мы говорим о возможности путешествия во времени, это условие становится очень важным — вывод, что ничто не может перемещаться быстрее скорости света, следует из принципа причинности, который гласит, что действие может произойти только после причины — что и делает путешествие во времени невозможным. Миллингтон объясняет: «Если я возвращаюсь в прошлое и предотвращаю собственное рождение, я меняю причину и следствие местами».
Подведем итог
Почему теория относительности носит такое название?
Если скорость объекта приближается к скорости света, то его время замедляется, а пространство сжимается. Но эти показатели относительны наблюдателя, т.е. так он видит картину со своей стороны. Но для астронавта, который летит в космическом корабле, меняется только масса тела, остальные показатели остаются неизменными. При этом обе точки зрения верны, отсюда и название теории.
Надеемся, что наша статья помогла вам в общих чертах понять основные положения теории относительности. Кстати, интересный факт: Альберт Эйнштейн посвятил изучению и описанию своей теории 10 лет. Для более точного понимания учения советуем прочитать книгу «Теория относительности» Шеддад Каид-Сала Феррона. Поверьте, она будет интересна каждому школьнику и взрослому благодаря простому и веселому изложению мысли, ярким картинкам и графикам.
Желаем удачи!
