Относительность времени во Вселенной

Все процессы во Вселенной протекают закономерно. Ученые во все времена пытались отыскать эти закономерности. Пространство и время интересовали еще древних греков, которые считали, что время не имеет прямолинейной структуры, бесконечно продолжающейся в обоих направлениях.

Они были уверены, что изучение представлений о времени было бы невозможно, если бы человечество никогда не видело звезд, неба и Солнца. Лукреций в поэме «О природе вещей» писал: «Также и времени нет самого по себе, но предметы сами ведут к ощущению того, что в веках свершалось, что происходит теперь и что воспоследует позже. И неизбежно признать, что никем ощущаться не может время само по себе, вне движения тел и покоя». Философ древности Зенон высказал провокационную мысль, что движения нет вообще, так как его нельзя обнаружить в каждый отдельный момент времени.

Движение времени происходит по прямой или по окружности? Аристотель дал ответ, объединив прямую и окружность – получилась спираль. Гелиоцентрическая модель вселенной Коперника послужила толчком к развитию небесной механики Ньютона и принципа относительности Галилея, который пытался ответить на вопрос, движется ли спокойно лежащая на столе книга, находящаяся в каюте движущегося корабля. Однозначного ответа нет. Все зависит от точки отсчета. Путешественник, находящийся на корабле, видит книгу в состоянии покоя, но человек на берегу будет считать, что книга находится в состоянии движения. Из принципа относительности Галилея следует, что между движением и покоем нет принципиальной разницы. Галилей определил, что все тела, которые находятся в абсолютном и относительном покое, объединяет общая сила – инерция.

Символично, что Исаак Ньютон родился в год смерти Галилео Галилея, ведь он перенял у Галилео эстафету и продолжил исследования, в ходе которых и установил существование прямой связи между силой и ускорением. Три закона механики Ньютона упорядочили представления об окружающем мире, а сам ученый занялся поиском силы, которая приводит в движение небесные тела. Сила была найдена. Гравитационное воздействие. Но чтобы измерить ускорения и скорости, производимые этими силами, необходимо было точно знать время, в ходе которого эти силы действовали. Необходимо было измерить время идеально точными часами, ход которых не подвергался бы влиянию происходящих вокруг событий. Такие часы называют инерциальными, они показывают некое абсолютное время, одинаковое для всей Вселенной. Так появилась аксиома абсолютного времени в механике Ньютона. Цель Ньютона заключалась в поисках существования простого правила для вычисления движений небесных тел Солнечной системы по заданному состоянию движения всех тел в определенный момент времени.

Еще Галилей предпринимал попытки измерения скорости света, но датский астроном Олаф Ремер лишь в 1675 году подтвердил гипотезу Галилея о том, что скорость света — конечная величина, а Физо в 1849 году получил почти точную величину с помощью простого механического прибора.

Эйнштейн также придерживался мнения, что скорость света является постоянной величиной, и ничто не может двигаться быстрее света, меняется лишь скорость и течение самого времени.

Прочный фундамент для возникновения новой теории был заложен.

Гениальный физик-теоретик, Альберт Эйнштейн понимал, что механика Ньютона прекрасно работает на Земле, но не может объяснить многие космические процессы. Он создал новую теорию, общую теорию относительности (ОТО), законченную в 1916 году.

По ОТО все тела взаимодействуют с помощью гравитации в четырехмерном пространстве, у которого три геометрические координаты (длина, ширина, высота) и одна временная, что получило название пространство-время или пространственно-временной континуум. С точки зрения ОТО недостаточно просто указать время, нужно прибавить к нему и систему координат.

ОТО сложна для восприятия, поскольку описывает «относительные» процессы в масштабах Вселенной на всех этапах ее существования. Даже ученые долгое время считали ее непостижимой, утверждая, что во всем мире её понимают всего только три человека, включая Эйнштейна. В дальнейшем количество «понимающих» выросло, но из их числа выпал сам автор, который шутливо замечал: «С тех пор, как на теорию навалились математики, я сам перестал её понимать».

Сегодня последствиями, вытекающими из ОТО, пользуются на практике физики, астрономы, астрофизики и космологи. Они могут получать информацию о небесных телах, которых уже нет и моделировать развитие Вселенной на протяжении почти 14 миллиардов лет. Благодаря теории Эйнштейна самой достоверной на сегодняшний день считается теория образования Вселенной из одной точки сингулярности в результате Большого Взрыва. Взрыв сжатой до ничтожно малых размеров точки, состоящей из чистой энергии, высвободил огромное количество вещества, из которого и построена Вселенная. Стивен Хокинг полагает, что возможна и модель Вселенной без границ в пространстве-времени, а точка сингулярности не является определяющим моментом в ее образовании.

Астрофизики и космологи с помощью ОТО получили возможность теоретически предсказать существование черных дыр, нейтронных звезд и гравитационной волны еще до их открытия наблюдателями.

Наблюдения усложняет скрытое вещество (или темная материя, темное вещество, скрытая материя). Из него состоит более 27% образований и объектов во Вселенной. Эта форма материи не испускает электромагнитных излучений и не пропускает их, что не позволяет использовать прямое наблюдение для ее определения. Так, еще в 1937 году астроном Джованни Касини в процессе наблюдения за Япетом, спутником Сатурна, заметил, что Япет виден, только когда он повернут к Сатурну в определенную сторону. Дальнейшее наблюдение показало, что Япет, как и Луна, спутник Земли, повернут к Сатурну одной стороной и имеет темную/светлую стороны. Одна сторона, светлая, по спектру излучения похожа на Европу, а другая, темная, как копоть, напоминает черную дыру. Граница между темным и светлым полушариями необычайно четкая, а небольшие участки темного вещества расположены и на светлой стороне. Япет – еще одна загадка нашей Солнечной системы, поскольку непонятен механизм появления на нем темной материи: в результате протекания процессов на самом спутнике или в результате попадания извне.

Наличие скрытой материи определяют с помощью гравитационного влияния ее на видимые космические объекты. По гравитационному эффекту на светящиеся объекты можно приблизительно рассчитать характер распределения и величину массы объектов, состоящих из темного вещества. Надо сказать, что к небесным телам, состоящим из барионного вещества скрытой материи, относят кварковые звезды, кротовые норы и черные дыры, белые и коричневые карлики, нейтронные звезды, а к небарионной темной материи относят суперсимметричные частицы, космионы, тяжелые и легкие нейтрино.

Наибольший интерес вызывают объекты, состоящие из барионного темного вещества, а именно кротовые норы и черные дыры. Главное отличие кротовых нор от черных дыр, по мнению теоретиков, – это отсутствие горизонта события. Черная дыра является местом во Вселенной, откуда по причине сильной гравитации и искривления пространства-времени ничто не вырывается. Хокинг выразил сомнение в том, что черные дыры ничего не излучают. Формула Эйнштейна E=mc² послужила веской причиной для такого сомнения. Хокинг доказал, что черная дыра выделяет в пространство радиацию которая испаряется. В дальнейшем процесс испарения черной дырой вещества в пространство получил название «излучение Хокинга».

Червоточины или кротовые нор получили свое название по аналогии с червяком, прогрызающим в яблоке ходы вместо того, чтобы перелезать по поверхности яблока. Было замечено, что иногда гравитационные эффекты, сопровождающие образование черных дыр, протекают со скоростями, превышающими скорость света. Эйнштейн и Розен в ходе экспериментов обнаружили, что в таких местах пространства-времени возможно соединение двух точек более коротким путем, мостом. Гипотезу назвали «мостом Энштейна-Розена» в честь ее разработчиков. Подобные мосты могут появляться в тех районах Вселенной, где существуют черные дыры, а значит и пространство-время сильно искривлено. Два «рта» кротовой норы могут существовать незначительный отрезок времени, а затем мост должен стянуться, образовав две отдельные черные дыры.

Общая теория относительности послужила основой для создания великого множества теорий, например, теории М-пространства, где количество пространственных измерений может доходить до 11 при одном временном. М расшифровывается как мембранная, матричная, материнская, магическая, мистическая. Некоторые полагают, что М – это перевернутая английская буква W имени ее создателя Виттена (Witten).

Научный мир достаточно долго принимал общую теорию относительности, и на протяжении всего этого периода функцией популяризации новой теории занимались писатели-фантасты. Более того, они размышляли о дальнейших возможностях применения ОТО. В «Дюне» Ф. Герберта полет на другую планету осуществляется с использованием кротовых нор. У братьев Стругацких в «Пикнике на обочине» инопланетные корабли по кротовым туннелям осуществляют посадку на Землю, которая используется как перевалочный пункт для ремонта и заправки. В небольшом романе Клиффорда Саймака «Пересадочная станция» смотритель принимает гостей их разных уголков Вселенной, а сама станция находится на месте пересечения разных галактик. Во многих рассказах, написанных в жанре научной фантастики, перекресток галактик может оказаться в квартирах некоторых жителей Земли с помощью открытой в данный момент времени червоточины.

Естественное развитие технического прогресса: полеты в космос, наблюдения со спутников, новые технические возможности интерпретации и моделирования и постоянно возникающие теории и гипотезы поражают даже самое смелое воображение. Неудивительно, что конец XX века ознаменовался утратой интереса к жанру НФ. К тому же ученые сами занялись популяризацией своих теорий и делают это в легкой и доступной для непосвященного в научные тонкости читателя форме. Так, например научно-популярные произведения Хокинга. Единственная формула, которая в них упоминается – E=mc²!

Ученые верят в существование простых законов, определяющих развитие вселенной с самого начала. И множество теорий – движение к единой и простой, ведь, как известно, на свете нет ничего практичнее хорошей теории.

Space Highway? Reality or Fantasy? по Относительность времени во Вселенной