Как расщепляют мгновение

Материал из IrkutskWiki
(Различия между версиями)
Перейти к: навигация, поиск
(Отсчет времени)
(Направленность времени)
Строка 142: Строка 142:
  
 
====Направленность времени====
 
====Направленность времени====
 +
С современной точки зрения различие между прошлым и будущим является принципиальным. Информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии4.
 +
 +
Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики5 является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия.
 +
 +
Единственность прошлого (во всяком случае, касательно процессов макромира) считается весьма правдоподобной. Мнения учёных (как и философов) касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны.
 +
 +
В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой в пределах Вселенной время не одинаково. Для чего-то или кого-то, движущегося быстрее, время замедляется, по меньшей мере, с точки зрения постороннего наблюдателя. А вот путешествие в прошлое, по всей вероятности, невозможно. Будущее, согласно взглядам Эйнштейна, в определенной мере достижимо.
 +
 +
Какие теории по перемещению во времени существуют в наши дни? Ученые предлагают различные идеи по созданию способа перемещения во времени.
 +
 +
Сенсационное заявление сделал астрофизик Красников на научной конференции в Лондоне. Оказывается, еще со времени зарождения вселенной в результате «Большого взрыва» в космосе возникли  естественные тоннели – как бы «ходы кротов», с помощью которых можно путешествовать во времени. Могут они возникать там, где пространство сильно изогнуто. Например, где существуют «черные дыры». Через эти-то пространственно-временные коридоры и можно за минуты слетать в прошлое или будущее. Своими расчетами Красников доказывает: «ходы» могут быть настолько большими, что позволят космическим кораблям почти мгновенно перемещаться сквозь пространство и время. Выводы ученого основаны на квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна.
 +
 +
Что такое «кротовый ход»? На листе бумаге сверху отметьте точкой положение Земли. В нижней части листа поставьте другую отметку. Пусть это будет некое место в космосе на расстоянии нескольких световых лет. А теперь скатайте бумажный лист так, чтобы обе точки соприкоснулись. Путь стал намного короче. Завершите эксперимент, проделав в бумажном листе два отверстия. Это и есть тот самый «ход».
 +
 +
Дело теперь за «малым», - остается найти эти туннели, которые писатели-фантасты называют «звездными вратами». Или – построить. Так же как туннель сквозь горный хребет, который короче объездной дороги. Только в данном случае придется прибегнуть к ускорителям элементарных частиц, создав «воронку» в пространстве. И увеличивать ее до приемлемых размеров, используя энергетические поля, схожие с теми, которые заставили космос мгновенно расшириться сразу после «Большого взрыва».
 +
 +
Затем необходимо укрепить стенки туннеля «экзотической материей», как ее называют ученые. Такую «материю» уже удавалось получить в лабораторных условиях. Правда, пока «слабенькую». Но через год-два ученые надеются получить более стабильные результаты. «Экзоматерия», выдерживающая давление в миллиарды миллиардов атмосфер, буде препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку и стать «черной дырой» только с одним входом – без выхода.
 +
 +
Чтобы приспособить туннель для путешествий в пространстве, надо будет один вход расположить у земли, а второй отбуксировать к нужной звезде с помощью специального межзвездного корабля. Тогда, согласно теории Эйнштейна, возникнет парадокс: если для космонавтов на корабле путешествие займет, например, год, то на Земле за это время пройдет 10 000 лет. Вот тут-то и выручит «кротовина». Вместо того чтобы год тащиться обратно, корабль нырнет в отбуксированный им же туннель и вынырнет с его другого конца рядом с Землей. Для земного наблюдателя корабль вернется в обратную точку (к Земле) через мгновение после старта. «Кротовина» будет работать и как машина времени, и как самое скоростное средство для перемещения в пространстве.
 +
 
====Основы измерения времени====
 
====Основы измерения времени====
 
====Относительность времени====
 
====Относительность времени====

Версия 15:12, 22 апреля 2010

Содержание

Автор статьи

Жданов Алексей[1]

Введение

Выбор темы, ее актуальность и новизна

В. Ключевский писал, что «крупный успех составляется из множества предусмотренных и обдуманных мелочей», мелочей, которые составляют нашу жизнь, которые в своей совокупности отождествляют материю, вещество. Казалось бы, науки, существующие на протяжении веков и деятельно проявляющие себя в любых сферах нашей жизни, исследовали и заключили во всевозможные теории и аксиомы ответы на вопросы «Что? Почему? Как?». Но как бы гениальнейшие умы человечества не изобретали всё более сложные подходы к изучению физических явлений, как бы не сооружали громадные коллайдеры, как бы не пытались приблизиться к познанию истины, природа в любом случае окажется ещё более необъяснимой и загадочной. На протяжении всей истории главная и, наверное, единственная цель человечества – подчинить себе «матушку природу». Но, как не странно, по мере того, как человек познавал мир, эта цель скорее перерождалась в желание, желание постичь все тайны мирозданья. А может ли человек постичь эти тайны? Именно этот вопрос был и остается точкой соприкосновения физики и философии. Одни философы утверждают, что человек рано или поздно преодолеет черту, за которой предел человеческих возможностей. Другие же напротив уверены, что человек не способен даже издалека наблюдать истину, ответить на свои же вопросы. Ко второму разряду философов относился и русский классик – Федор Иванович Тютчев. На протяжении всей жизни он стремился познать все тайны мирозданья, но, в конце концов, пришел к выводу, что человек этого сделать не в силах. Вдохновленный этой идеей Тютчев пишет стихотворение «Фонтан»:

Смотри, как облаком живым

Фонтан сияющий клубится;

Как пламенеет, как дробится

Его на солнце влажный дым.

Лучом поднявшись к небу, он

Коснулся высоты заветной -

И снова пылью огнецветной

Ниспасть на землю осужден.

О смертной мысли водомет,

О водомет неистощимый!

Какой закон непостижимый

Тебя стремит, тебя мятет?

Как жадно к небу рвешься ты!..

Но длань незримо-роковая,

Твой луч упорный преломляя,

Свергает в брызгах с высоты.

Но, что бы не говорили философы, надежда познать тайны природы всё ещё живет в наших умах, а, следовательно, поиски ответов на вопросы продолжаются.

Наверное, каждый современный человек имеет представление о том, что же такое элементарная частица. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вообще, способность к взаимным превращениям – это характерная особенность элементарных частиц; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания». Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Следует отметить, что не только материя состоит из простейших частиц, видимых вооруженным взглядом, но и время также можно поделить на своеобразные «кирпичики мирозданья».

Почему меня заинтересовало то, как расщепляют мгновение? Деление времени – это воочию свежий глоток воздуха, новая мысль, идея, открывающая новые возможности. Что же происходит с нашим миром, с веществом, с энергией и, может быть, с пространством на промежутках времени ещё меньше чем 10-24 секунды? Пожалуй, это главный вопрос, беспокоящий современных физиков и меня в том числе.

Объект и предмет исследования

Время - объект исследования.

Физические основы измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени - предмет исследования.

Цель, задачи

Цель:

Исследование и теоретическое обоснование целесообразности и сущности измерения коротких и сверхкоротких промежутков времени.

Задачи:

  1. Систематизировать собственные знания и представления о том, что происходит на малейших временных масштабах.
  2. Выделить основные особенности современных подходов к изучению коротких и сверхкоротких промежутков времени.
  3. Определить способы изучения.
  4. Попытаться зафиксировать с помощью фотографии события, происходящие на миллисекундном и микросекундном диапазоне.

Практическая значимость работы

Как говорил Резерфорд: «Наука есть простейший способ удовлетворения любопытства за счет государства». Однако, чтобы проводить опыты необходимы дорогостоящие приборы, что, к сожалению, не возможно, даже при финансовой поддержке лицея. Но если говорить о результатах исследований физиков, то можно смело сказать: «Дальнейшее изучение коротких и сверхкоротких промежутков времени, а также изменение материи или вещества за мгновения позволит глубоко проникнуть в природу пространства и времени, решить вопрос о происхождении массы, природе темной материи и темной энергии, существовании дополнительных измерений».

Теоретическая часть

Что такое время

Время - мера существования материальных живых существ, неживой материи и взаимоотношений между ними. Время — одно из основных понятий физики и философии, одна из координат пространства-времени, вдоль которой протянуты мировые линии физических тел, а также сознание. В быту временем обычно называют время суток.

Эйнштейн сказал: время – относительно. И перевернул все представления о прошлом, настоящем и будущем. По нынешней теории, человечество как бы плывет по течению извилистой реки и наблюдает вокруг только настоящее. Однако некоторые ученые утверждают, что прошлое и будущее, скрытое за поворотами, не исчезает, а продолжает существовать.

Что же такое время? Ответ на вопрос о сущности времени до сих пор не найден, хотя впервые был поставлен еще древнегреческими философами-материалистами. Вот как изложил сущность их взглядов на природу времени в своей поэме «О природе вещей» римский поэт Лукреций Кар, живший в I в. до н. э.:


Так же и времени нет самого по себе, но предметы

Сами ведут к ощущению того, что в веках совершилось,

Что происходит теперь и что воспоследует позже.

И неизбежно признать, что никем ощущаться не может

Время само по себе, вне движения тел и покоя.


Ньютон в своих трудах сделал попытку внести в науку понятие абсолютного времени. Он писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью».

Сегодня физики считают, что ближе к пониманию природы времени были древнегреческие философы-математики, чем Ньютон. Абсолютное время может существовать только лишь в воображении людей, при любых измерениях времени по необходимости приходится обращаться к совокупности физических явлений, последовательно сменяющих друг друга.

Время как физическая величина обладает рядом особенностей, в силу которых методы его измерения отличаются от методов измерения других величин. Любой промежуток времени можно измерить лишь один раз, только тогда, когда он протекает. Повторить измерения, как это делают, например, при измерении длины, нельзя, так как вернуться в прошлое невозможно.

Сутки – естественная единица времени. В единицах измерения времени не было такого разнообразия, как в единицах длины. Уже в глубокой древности периодическая смена дня и ночи служила мерой измерения времени у всех народов. «День и ночь – сутки прочь», - говорится в пословице.

День от восхода до захода солнца разные народы делили по-разному. Персы делили день на пять частей, древние египтяне на 12 равных промежутков. Мы сейчас пользуемся системой счета времени, которая была создана еще в древнем Вавилоне. Там делили сутки на 24 часа, час – на 60 минут.

Видимое движение Солнца и звезд вокруг Земли, как известно, происходит вследствие вращения Земли вокруг своей оси. Следовательно, при выборе суток в качестве единицы измерения времени длительность одного такого оборота и принята за единицу измерения времени.

Естественная единица измерения времени – сутки часто оказывается слишком большой для практических целей, поэтому в качестве основной единицы измерения времени выбрана секунда – 1/86400 часть суток.

Свойства времени

Был этот мир глубокой тьмой окутан.

Да будет свет! И вот явился Ньютон.

Но Сатана недолго ждал реванша:

Пришёл Эйнштейн – и стало всё, как раньше.

А.Поп, А.Эддингтон. Пер. С.Маршака

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная1 характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. В любом случае «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому логически равна константе. В классической физике время однородно и одномерно.

Одномерность времени проявляется в том, что для указания момента наступления какого-либо события или длительности какого-либо процесса достаточно одного числа.

Однородность времени проявляется в неизменности физических законов: какими они были во времена Ньютона, такими остаются в наши дни, такими же будут и завтра. При этом совершенно не важно, что какие-то законы ещё не открыты человеком – в природе они действовали, действуют, и будут действовать. Опыт, поставленный в одинаковых физических условиях и в развые моменты времени, дает одинаковые результаты.

В специальной теории относительности2 ситуация кардинально меняется. Время рассматривается как часть единого пространства-времени, и, значит, может меняться при его преобразованиях. Можно сказать, что время становится четвёртой координатой. «Скорость течения времени» становится понятием «субъективным», зависящим от системы отсчёта. Ситуация усложняется в общей теории относительности, где «скорость течения времени» зависит также и от близости к гравитирующим телам.

Физическая интерпретация вышеназваных теорий требует нового определения времени, как число процессов в системе отсчёта произошедших одновременно (т.е. являющихся причиной одного события в локальной точке) с данным процессом. Система отсчёта времени может быть неравномерная (как процесс вращения солнца вокруг земли) или равномерная.

Впрочем, в математической физике ещё есть неразрешённые вопросы о природе времени. Эти вопросы не разрешимы, но важны.

Отсчет времени

Как в классической, так и в релятивистской физике3 для отсчёта времени используется временная координата пространства-времени, причём традиционно принято использовать знак «+» для будущего, а знак «-» — для прошлого. Однако смысл временной координаты в классическом и релятивистском случае различен.

Поскольку состояния всего нашего мира зависят от времени, то и состояние какой-либо системы тоже может зависеть от времени, как обычно и происходит. Однако в некоторых исключительных случаях зависимость какой-либо величины от времени может оказаться пренебрежимо слабой, так что с высокой точностью можно считать эту характеристику независящей от времени. Если такие величины описывают динамику какой-либо системы, то они называются сохраняющимися величинами. Например, в классической механике полная энергия, полный импульс и полный момент импульса изолированной системы являются сохраняющими величинами.

Различные физические явления можно разделить на три группы:

  1. стационарные — явления, основные характеристики которых не меняются со временем. Фазовый портрет стационарного явления описывается неподвижной точкой.
  2. нестационарные — явления, для которых зависимость от времени принципиально важна.

«Портрет» нестационарного явления описывается движущейся по некоторой траектории точкой. Они, в свою очередь, делятся на:

  1. периодические — если в явлении наблюдается чёткая периодичность (замкнутая кривая)
  2. квазипериодические — если они не являются в строгом смысле периодическими, но в малом масштабе выглядят как периодические (почти замкнутая кривая)
  3. хаотические — апериодические явления (незамкнутая кривая, заметающая некоторую площадь более или менее равномерно).
  4. квазистационарные — явления, которые, строго говоря, нестационарны, но характерный масштаб их эволюции много больше тех времён, которые интересуют в задаче.

Направленность времени

С современной точки зрения различие между прошлым и будущим является принципиальным. Информация переносится из прошлого в будущее, но не наоборот. Второе начало термодинамики указывает также на накопление в будущем энтропии4.

Стивен Хокинг в своей книге «Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр» оспаривает утверждение, что для физических законов существует различие между направлением «вперёд» и «назад» во времени. Хокинг обосновывает это тем, что передача информации возможна только в том же направлении во времени, в котором возрастает общая энтропия Вселенной. Таким образом, Второй закон термодинамики5 является тривиальным, так как энтропия растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет энтропия.

Единственность прошлого (во всяком случае, касательно процессов макромира) считается весьма правдоподобной. Мнения учёных (как и философов) касательно наличия или отсутствия различных «альтернативных» будущих различны.

В 1905 году Альберт Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой в пределах Вселенной время не одинаково. Для чего-то или кого-то, движущегося быстрее, время замедляется, по меньшей мере, с точки зрения постороннего наблюдателя. А вот путешествие в прошлое, по всей вероятности, невозможно. Будущее, согласно взглядам Эйнштейна, в определенной мере достижимо.

Какие теории по перемещению во времени существуют в наши дни? Ученые предлагают различные идеи по созданию способа перемещения во времени.

Сенсационное заявление сделал астрофизик Красников на научной конференции в Лондоне. Оказывается, еще со времени зарождения вселенной в результате «Большого взрыва» в космосе возникли естественные тоннели – как бы «ходы кротов», с помощью которых можно путешествовать во времени. Могут они возникать там, где пространство сильно изогнуто. Например, где существуют «черные дыры». Через эти-то пространственно-временные коридоры и можно за минуты слетать в прошлое или будущее. Своими расчетами Красников доказывает: «ходы» могут быть настолько большими, что позволят космическим кораблям почти мгновенно перемещаться сквозь пространство и время. Выводы ученого основаны на квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна.

Что такое «кротовый ход»? На листе бумаге сверху отметьте точкой положение Земли. В нижней части листа поставьте другую отметку. Пусть это будет некое место в космосе на расстоянии нескольких световых лет. А теперь скатайте бумажный лист так, чтобы обе точки соприкоснулись. Путь стал намного короче. Завершите эксперимент, проделав в бумажном листе два отверстия. Это и есть тот самый «ход».

Дело теперь за «малым», - остается найти эти туннели, которые писатели-фантасты называют «звездными вратами». Или – построить. Так же как туннель сквозь горный хребет, который короче объездной дороги. Только в данном случае придется прибегнуть к ускорителям элементарных частиц, создав «воронку» в пространстве. И увеличивать ее до приемлемых размеров, используя энергетические поля, схожие с теми, которые заставили космос мгновенно расшириться сразу после «Большого взрыва».

Затем необходимо укрепить стенки туннеля «экзотической материей», как ее называют ученые. Такую «материю» уже удавалось получить в лабораторных условиях. Правда, пока «слабенькую». Но через год-два ученые надеются получить более стабильные результаты. «Экзоматерия», выдерживающая давление в миллиарды миллиардов атмосфер, буде препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку и стать «черной дырой» только с одним входом – без выхода.

Чтобы приспособить туннель для путешествий в пространстве, надо будет один вход расположить у земли, а второй отбуксировать к нужной звезде с помощью специального межзвездного корабля. Тогда, согласно теории Эйнштейна, возникнет парадокс: если для космонавтов на корабле путешествие займет, например, год, то на Земле за это время пройдет 10 000 лет. Вот тут-то и выручит «кротовина». Вместо того чтобы год тащиться обратно, корабль нырнет в отбуксированный им же туннель и вынырнет с его другого конца рядом с Землей. Для земного наблюдателя корабль вернется в обратную точку (к Земле) через мгновение после старта. «Кротовина» будет работать и как машина времени, и как самое скоростное средство для перемещения в пространстве.

Основы измерения времени

Относительность времени

Как расщепляют мгновение, т.е. основы измерения малых промежутков времени.

Миллисекунды

Микросекунды

Наносекунды

Пикосекунды

Фемтосекунды

Аттосекунды

Зептосекунды

Йоктосекунды

Практическая часть

Заключение

Источники