Почему свет движется со скоростью света?
Всё и везде, просто по факту своего существования, «движется» со скоростью света (которая на самом деле не имеет ничего общего со светом). Да, это касается и вас тоже. Вот прямо сейчас.
Люди в основном воспринимают «вселенную» как «пространство», нечто отдельное от «времени», и честно говоря, они неправы. Пространство и время — не отдельные штуковины. Вселенная сделана из «пространствовремени», прямо так, без пробела. Вы, наверное привыкли к тому, что «год» — это единица времени, а «световой год» — единица расстояния, то есть это разные вещи; но с точки зрения физика это ровным счетом одно и то же (ну, конечно, смотря каким видом физики вы занимаетесь).
В нашей будничной жизни мы исходим из того, что движение — это некое расстояние (пространство), преодоленное за некое время. Однако, если мы решили, что это одно и то же, наше определение движение внезапно становится полной ерундой. «Я прохожу километр за каждый километр, который я прохожу» — кошмар какой-то!
Оказывается, все работает вот как — всё во Вселенной «путешествует» через пространствовремя с постоянной «скоростью», которую я буду далее обозначать как с, для краткости. Не забывайте, «движение» в пространствовремени не имеет смысла, поэтому ничего не может быть «быстрее» или «медленнее», чем что-нибудь другое. Все вокруг проходит километр в течение километра, вот так вот.
Однако, мы же своими глазами видим, что у разных вещей вокруг нас разные скорости. Причина этому — тот обалденный факт, что пространство и время ортогональны (этим красивым словом я пытаюсь сказать «под нужным углом друг к другу»). Например, в этом же смысле ортогональны (перпендикулярны) север и восток — вы можете сколь угодно долго идти ровно на север, и это никак не отразится на вашем движении на восток или запад.
Так же, как вы можете перемещаться на север, при этом не двигаясь на восток, вы можете перемещаться во времени, не перемещаясь в пространстве. Но еще круче то, что вы можете перемещаться в пространстве так, что это никак не отразится на вашем «положении» во времени.
Думаю что вы сейчас (как и я) сидите и смотрите в экран. Это значит, что вы не особо путешествуете в пространстве. А поскольку вы должны путешествовать в пространствовремени с постоянной скоростью с, это значит, что все ваше «движение» расходуется в направлении времени.
Кстати говоря, именно поэтому происходит знаменитое замедление времени. Объект, который движется очень быстро (относительно вас), перемещается в пространстве, но поскольку он так же перемещается в пространствовремени с постоянной скоростью с, ему приходится медленнее перемещаться во времени, для компенсации (опять же с вашей точки зрения).
Что еще более удивительно, свет вообще не перемещается во времени. Это немного сложно объяснить, но вкратце, это связано с тем, что у него нет массы.
Что-то, что не движется в пространстве, но у чего есть масса, может иметь энергию. В этом смысл формулы E = mc^2. У света нет массы, но энергия у него точно есть. Если мы применим массу света к E = mc^2, мы получим 0, что бессмысленно, потому что у света есть энергия. Следовательно, свет никогда не может быть неподвижен.
Более того! Свет никогда не бывает неподвижен относительно ничего. Поскольку, как и всё во Вселенной, он путешествует через пространствовремя со скоростью с, значит вся это «пространствовременная скорость» должна быть в «направлении» пространства, и ничего не остается на время.
Итак, свет движется со скоростью с. Совсем не случайно эту скорость часто определяют как «скорость света в вакууме». На самом деле, это скорость, с которой движется вообще все и везде. Просто так получилось, что свет с этой скоростью движется именно по пространству, поскольку у него нет массы.
Кстати, тут можно ответить еще на один часто задаваемый вопрос — почему ничто не может двигаться быстрее света, и почему вещи «материальные» (обладающие массой) не могут двигаться со скоростью света. Поскольку всё «движется» по пространствовремени с постоянной скоростью с, ничто не может преодолеть эту скорость в пространстве. И нет, путешествие обратно в прошлое не поможет.
Также, поскольку объекты с массой могут быть «неподвижны» относительно чего-нибудь (например, себя), им всегда приходится двигаться во времени хотя бы немножко. Это значит, что они не могут двигаться в пространстве так быстро, как свет. Тогда бы им пришлось двигаться в пространствовремени быстрее скорости с, что невозможно.
Так, если свет не движется сквозь время, только сквозь пространство, почему же он тогда не перемещается мгновенно? Ведь мы точно знаем, что свету нужно некоторое время, чтобы долететь от Солнца до Земли.
Очень сложно (если вообще возможно) адекватно описать течение пространства и времени с точки зрения фотона. Можно сказать, что фотоны не «чувствуют» времени, хотя это прозвучит странно. Хотя, нам незачем особо переживать об их чувствах.
Перемещение из одного места в другое занимает у света какое-то время, потому что его скорость конечна относительно любого, кто наблюдает за ним. Не пытайтесь представить, «что видит свет вокруг себя», мы можем только представить, «что видит тот, кто видит свет». Мы не можем (по крайней мере, на данном этапе развития) обсуждать, как свет «воспринимает» мир, это вообще скорее всего не имеет смысла.
(Прим. пер. ― не устою перед соблазном представить себя фотоном. Получается, фотон, с точки зрения себя самого, улетает с Солнца и прилетает на Землю в один и тот же момент времени. И вообще все — один момент времени, потому что времени-то и нет совсем).
Немного глупый вопрос, но означает ли все это, что если нечто движется сквозь пространство, оно будет стареть медленнее, потому что его движение сквозь пространствовремя будет медленнее относительно всего вокруг этого нечто?
Да, именно! Поздравляю, теперь вы понимаете, что значит замедление времени. Очень верное замечание про «относительно всего вокруг».
А разве нам не удалось остановить свет в кристаллах и всем таком?
Нам удалось запустить фотон внутрь специального кристалла, который его поглотил. Сделав это, кристалл вибрирует специальным образом, который кодирует информацию о фотоне (цвет и все такое). Спустя некоторое время, кристалл испускает новый фотон, с теми же свойствами, что и ранее поглощенный, потому что вибрации «хранили» эти свойства.
Нигде в это время мы не останавливали фотон. Грубо говоря, мы его убили, а потом клонировали.
Это важное открытие, например, позволяет нам использовать оптику в ИТ. Мы здорово умеем передавать информацию при помощи света, но нельзя хранить такую информацию, если только не потратить время на ее преобразование в электричество.
Вы только что прочитали (или промотали) перевод вот этого поста на reddit, точнее, ответов пользователя corpuscle634. Будучи очень далеким от темы поста (я дизайнер), я, однако, просто не мог не поделиться этим текстом с хабрасообществом. Соответственно, тут я должен соблюсти необходимые формальности, как-то: об ошибках пишите в личку, перевод любительский, мопед не мой, и все такое.
Если у вас, как и у меня, этот пост вызвал «massive lightbulb moment», и хочется продолжения, вот еще из математики — A Visual, Intuitive Guide to Imaginary Numbers
Просто о сложном: почему скорость света максимальна?
Мы частенько говорим о том, что скорость света максимальна в нашей Вселенной, и что нет ничего, что могло бы двигаться быстрее скорости света в вакууме. И уж тем более — мы. Приближаясь к околосветовой скорости, объект приобретает массу и энергию, которая либо его разрушает, либо противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Допустим, мы поверим в это и будем искать обходные пути (вроде создания варп-двигателя или будем разбираться в парадоксах квантовой механики), чтобы лететь к ближайшей звезде не 75 000 лет, а пару недель. Но поскольку мало кто из нас обладает высшим физическим образованием, непонятно: почему на улицах говорят, что скорость света максимальна, постоянна и равна 300 000 км/с?
Есть много простых и интуитивных объяснений, почему все так, но их можно начинать ненавидеть. Поиск в Интернете выведет вас на понятие «релятивистской массы» и на то, что она требует больше сил для ускорения объекта, который и так движется с высокой скоростью. Это привычный способ интерпретации математического аппарата специальной теории относительности, но он вводит многих в заблуждение, и особенно вас, наши дорогие читатели. Поскольку многие из вас (да и нас тоже) пробуют высокую физику на вкус, словно погружая один палец в ее соленую воду, прежде чем войти искупаться. В результате, Вселенная становится куда более сложной и менее красивой, чем является на самом деле.
Давайте обсудим этот вопрос с точки зрения геометрической интерпретации, которая согласуется с общей теорией относительности. Она менее очевидна, но немногим сложнее, чем рисование стрелочек на бумаге, поэтому многие из вас с полуслова поймут теорию, которая скрывается за абстракциями вроде «силы» и откровенного вранья вроде «релятивистской массы».
Во-первых, давайте определим, что такое направление, чтобы четко обозначить свое место. «Вниз» — это направление. Оно определяется как направление, в котором падают вещи, когда вы их отпускаете. «Вверх» — это направление, противоположное направлению «вниз». Возьмите в руки компас и определите дополнительные направления: север, юг, запад и восток. Все эти направления определяются серьезными дядями как «ортонормированный (или ортогональный) базис», но об этом сейчас лучше не думать. Давайте предположим, что эти шесть направлений являются абсолютными, поскольку они будут существовать там, где мы будем разбирать наш сложный вопрос.
А теперь давайте добавим еще два направления: в будущее и в прошлое. Вы не можете с легкостью двигаться в этих направлениях по собственному желанию, но представить их для вас должно быть достаточно просто. Будущее — это направление, где наступает завтра; прошлое — направление, где находится вчера.
Эти восемь основных направлений — вверх, вниз, север, юг, запад, восток, прошлое и будущее — описывают фундаментальную геометрию Вселенной. Каждую пару этих направлений мы можем назвать «измерением», поэтому мы живем в четырехмерной Вселенной. Другой термин для определения этого четырехмерного понимания будет «пространство-время», но мы постараемся избежать использования этого термина. Просто запомните, что в нашем контексте «пространство-время» будет равнозначно понятию «Вселенная».
Пожалуйте на сцену. Давайте посмотрим на актеров.
Сидя сейчас перед компьютером, вы находитесь в движении. Вы его не чувствуете. Вам кажется, что вы в состоянии покоя. Но это только потому, что все вокруг относительно вас тоже движется. Нет, не подумайте, что мы говорим о том, что Земля кружится вокруг Солнца или Солнце движется по галактике и тянет нас за собой. Это, конечно, так, но мы сейчас не об этом. Под движением мы имеем в виду движение в направлении «будущее».
Представьте, что вы находитесь в вагоне поезда с закрытыми окнами. Вы не можете видеть улицу и, допустим, рельсы настолько безупречны, что вы не чувствуете, едет поезд или нет. Поэтому, просто сидя внутри поезда, вы не можете утверждать, едете вы или нет на самом деле. Выгляните на улицу — и поймете, что пейзаж проносится мимо. Но окна закрыты.
Есть только один способ узнать, двигаетесь вы или нет. Просто сидеть и ждать. Если поезд будет стоять на станции, ничего не произойдет. Но если поезд движется, рано или поздно вы приедете на новую станцию.
В этой метафоре вагон представляет собой все, что мы можем увидеть в окружающем нас мире — дом, кота Ваську, звезды на небе и т.п. «Следующая станция — Завтра».
Если вы будете сидеть неподвижно, а кот Васька безмятежно спать свои положенные в сутки часы, вы не почувствуете движения. Но завтра обязательно придет.
Вот что значит двигаться в направлении будущего. Только время покажет, что правда: движение или стоянка.
Пока вам должно было довольно просто все это представлять. Возможно, сложно думать о времени как о направлении и уж тем более о себе — как о проходящем сквозь время объекте. Но вы поймете. Теперь включите воображение.
Представьте, что когда вы едете в своем автомобиле, случается что-то страшное: отказывают тормоза. По странному совпадению в тот же момент заклинивает газ и коробку передач. Вы не можете ни ускориться, ни остановиться. Единственное, что у вас есть — рулевое колесо. Вы можете изменить направление движения, но не его скорость.
Конечно, первое, что вы сделаете, это попытаетесь въехать в мягкий куст и как-нибудь аккуратно остановить автомобиль. Но давайте пока не будем пользоваться таким приемом. Просто сосредоточимся на особенностях вашего неисправного автомобиля: вы можете изменить направление, но не скорость.
Вот так мы движемся сквозь Вселенную. У вас есть руль, но нет педали. Сидя и читая эту статью, вы катитесь в светлое будущее на максимальной скорости. И когда вы встаете, чтобы сделать себе чайку, вы изменяете направление движения в пространстве-времени, но не его скорость. Если вы будете очень быстро двигаться по пространству, время будет течь немного медленнее.
Это легко представить, нарисовав пару осей на бумаге. Ось, которая будет идти вверх и вниз — это ось времени, вверх — значит в будущее. Горизонтальная ось представляет пространство. Мы можем нарисовать только одно измерение пространства, поскольку лист бумаги двухмерен, но давайте просто представим, что это понятие относится ко всем трем измерениям пространства.
Нарисуйте стрелку с начала оси координат, где они сходятся, и направьте ее вверх вдоль вертикальной оси. Неважно, насколько длинной она будет, просто имейте в виду, что у нее будет только одна длина. Эта стрелка, которая сейчас направлена в будущее, представляет собой величину, которую физики называют «четыре-скоростью». Это скорость вашего передвижения по пространству-времени. Прямо сейчас вы находитесь в неподвижном состоянии, поэтому стрелка направлена только в будущее.
Если вы хотите двигаться сквозь пространство — направо по оси координат — вам нужно изменить вашу четыре-скорость и включить горизонтальный компонент. Получается, вам нужно повернуть стрелку. Но как только вы это сделаете, вы заметите, что стрелка уже не так уверенно указывает наверх, в будущее, как до этого. Теперь вы движетесь сквозь пространство, но вам пришлось пожертвовать движением в будущем, поскольку стрелка четыре-скорости может только вращаться, но никогда не растягиваться или сжиматься.
Отсюда начинается знаменитый эффект «замедления времени», о котором говорят все, хоть немного посвященные в специальную теорию относительности. Если вы движетесь в пространстве, вы не движетесь во времени так быстро, как могли бы, если бы сидели на месте. Ваши часы будут отсчитывать время медленнее, нежели часы человека, который не движется.
А теперь мы подходим к разрешению вопроса, почему фраза «быстрее света» не имеет смысла в нашей вселенной. Смотрите, что происходит, если вы хотите двигаться по пространству как можно быстрее. Вы поворачиваете стрелку четыре-скорости до упора, пока она не будет указывать вдоль горизонтальной оси. Мы помним, что стрелка не может растягиваться. Она может только вращаться. Итак, вы увеличили скорость в пространстве насколько это возможно. Но стало невозможным двигаться еще быстрее. Стрелку некуда повернуть, иначе она станет «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального». Вот к этому понятию и приравнивайте «быстрее света». Это просто невозможно, как накормить тремя рыбками и семью хлебами огромный народ.
Вот почему в нашей вселенной ничто не может двигаться быстрее света. Потому что фраза «быстрее света» в нашей вселенной эквивалентна фразе «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального».
Да, у вас осталось несколько вопросов. Почему векторы четыре-скорости могут лишь вращаться, но не растягиваться? На этот вопрос есть ответ, но он связан с инвариантностью скорости света, и мы оставим его на потом. И если вы просто поверите в это, то будете чуть менее информированы по этому вопросу, чем самые блестящие физики, когда-либо существовавшие на нашей планете.
Скептики могут усомниться, почему мы используем упрощенную модель геометрии пространства, говоря об эвклидовых вращениях и кругах. В реальном мире геометрия пространства-времени подчиняется геометрии Минковского, а повороты являются гиперболическими. Но простой вариант объяснения имеет право на жизнь.
Что такое скорость света, чему она равна и как её измеряют?
Космос
О существовании такого понятия как «скорость света» многие знают еще с раннего детства. Большому количество людей известно, что свет движется очень быстро. Но не все знают подробно о явлении.
Многие обращали внимание на то, что во время грозы существует задержка между вспышкой молнии и звуком грома. Вспышка, как правило, доходит до нас быстрее. Это значит, что она имеет большую быстроту, чем звук. С чем это связано? Что такое скорость света и как её измеряют?
Что такое скорость света?
Давайте для начала разберемся, что такое скорость света. По-научному, это такая величина, которая показывает, насколько быстро перемещаются лучи в вакууме или в воздухе. Также нужно знать, что такое свет. Это излучение, которое воспринимается человеческим глазом. От условий окружения зависит быстрота, а также другие свойства, например, преломление.
Свет от Луны до Земли
Что такое скорость света своими словами?
Если объяснять простыми словами, скорость света — это временной промежуток, за который световой луч проходит какое-нибудь расстояние. Время принято измерять в секундах. Однако некоторые ученые используют другие единицы измерения. Расстояние тоже измеряется по-разному. В основном — это метр. То есть, эту величину считают в м/с. Физика объясняет это следующим образом: явление, которое движется с определенной скоростью (константой).
Чтобы легче понять, давайте рассмотрим следующий пример. Велосипедист движется с быстротой 20 км/ч. Хочет догнать водителя автомобиля, скорость которого равна 25 км/ч. Если посчитать, то авто едет на 5 км/час быстрее велосипедиста. С лучами света дела обстоят по-другому. Как быстро бы ни двигался первый и второй человек, свет, относительно них, движется с постоянной быстротой.
Чему равна скорость света?
При нахождении не в вакууме, на свет влияют различные условия. Вещество, через которое проходят лучи, в том числе. Если без доступа кислорода количество метров в секунду не меняется, то в среде с доступом воздуха значение изменяется.
Свет проходит медленнее через различные материалы, такие как стекло, вода и воздух. Этому явлению дан показатель преломления, чтобы описать, насколько они замедляют движение света. Стекло имеет показатель преломления 1,5, это означает, что свет проходит через него со скоростью около 200 тысяч километров в секунду. Показатель преломления воды равен 1,3, а показатель преломления воздуха — немного больше 1, это означает, что воздух лишь слегка замедляет свет.
Следовательно, после прохождения через воздух или жидкость, скорость замедляется, становится меньшей, чем в вакууме. Например, в различных водоемах скорость передвижения лучей равна 0.75 от быстроты в космосе. Также при стандартном давлении в 1.01 бар, показатель замедляется на 1.5-2%. То есть при земных условиях скорость света варьируется в зависимости от условий окружающей среды.
Для такого явление придумали специальное понятие — рефракция. То есть преломление света. Это широко используется в различных изобретениях. К примеру, рефрактор — телескоп с оптической системой. Также с помощью этого также создают бинокли и другую технику, суть работы которой заключается в использовании оптики.
Телескоп рефрактор – схема
В общем, меньше всего луч поддается рефракции, проходя через обычный воздух. При прохождении через специально созданное оптическое стекло, скорость равняется примерно 195 тысячам километров в секунду. Это практически на 105 тыс км/сек меньше константы.
Самое точное значение скорости света
Ученые-физики за многие года накопили опыт исследований скорости световых лучей. На текущий момент самое точное значение скорости света — 299 792 километра в секунду. Константу установили в 1933 году. Число актуально до сих пор.
Однако в дальнейшем появились сложности с определением показателя. Это произошло из-за погрешностей в измерении метра. Сейчас само значение метра напрямую зависит от скорости света. Оно равняется расстоянию, которое лучи проходят за определенное количество секунд — 1/скорость света.
Чему равна скорость света в вакууме?
Поскольку в вакууме на свет не влияют различные условия, то его скорость не меняется так, как на Земле. Скорость света в вакууме равна 299 792 километрам в секунду. Такой показатель является предельным. Считается, что ничто в мире не может двигаться быстрее, даже космические тела, которые движутся довольно быстро.
К примеру, истребитель, Боинг Х-43, который превышает скорость звука практически в 10 раз (более 11 тысяч км/ч), летит медленнее, чем луч. Последний движется более, чем на 96 тысяч километров в час быстрее.
Как измеряли скорость света?
Самые первые ученые пытались измерить эту величину. Использовались разные методы. В период античности, люди науки считали, что она бесконечная, поэтому невозможно ее измерить. Это мнение осталось надолго, вплоть до 16-17 века. В те времена появились другие ученые, которые предположили, что луч имеет конец, а скорость можно измерить.
Измерение скорости света
Известный астроном из Дании Олаф Рёмер вывел знания о скорости света на новый уровень. Он заметил, что затмение спутника Юпитера опаздывает. Ранее на это никто не обращал внимание. Следовательно, он решил посчитать скорость.
Он выдвинул приблизительную скорость, которая была равна около 220 тысячам километров в секунду. Позже за исследования взялся ученый из Англии Джеймс Брэдли. Он хоть и не был прав полностью, но слегка приблизился к текущим результатам исследований.
Ученый из Италии удивил всех исследователей тех годов простотой и гениальностью своего опыта. Ему удалось провести измерение скорости света с помощью обычных инструментов, которые находились у него под рукой.
Он и его помощник взобрались на соседние холмы, предварительно рассчитав расстояние между ними. Они взяли зажженные фонари, оборудовали их заслонками, которые открывают и закрывают огни. Поочередно, открывая и закрывая свет, они пытались рассчитать скорость света. Галилео и помощник заранее знали, с какой задержкой будут открывать и закрывать свет. Когда один открыл, то же делает и другой.
Однако эксперимент был провальным. Чтобы все получилось, ученым пришлось бы стоять на расстоянии в миллионы километров друг от друга.
Как измеряли скорость света?
Опыт Рёмера и Брэдли
Об этом исследовании уже было кратко написано выше. Это один из самых прогрессивных опытов того времени. Рёмер использовал знания в астрономии для измерения скорости передвижения лучей. Происходило это в 76 году 17 века.
Исследователь наблюдал за Ио (спутником Юпитера) через телескоп. Он обнаружил следующую закономерность: чем больше наша планета удаляется от Юпитера, тем большая задержка в затмении Ио. Самая большая задержка составляла 21-22 минуты.
Предположив, что спутник отдаляется на расстояние равное длине диаметра орбиты, ученый разделил расстояние на время. В результате он получил 214 тысячи километров в секунду. Хоть это исследование считается очень примерным, потому что расстояние было примерным, он приблизился к текущему показателю.
В 18-м веке Джеймс Брэдли дополнил исследование. Для этого он использовал аберрацию — изменение положение космического тела из-за движения Земли вокруг солнца. Джеймс измерил угол аберрации, и, зная скорость движения нашей планеты, он получил значение в 301 тысячу километров в секунду.
Опыт Физо
Исследователи и обычные люди отнеслись скептически к опыту Рёмера и Джеймса Брэдли. Несмотря на это, результаты были самыми близкими к истине и актуальными на протяжении более века. В 19 столетии Арман Физо — ученый из столицы Франции, Парижа, внес вклад в измерение этой величины. Он использовал способ вращающегося затвора. Также, как и Галилео Галилей со своим помошником, Физо не наблюдал за небесными телами, а исследовал в лабораторных условиях.
Опыт Физо
Принцип опыта прост. Луч света был направлен на зеркало. Отражаясь от него, свет проходил через зубцы колеса. Затем попадал на еще одну отражающую поверхность, которая была расположена на расстоянии в 8.6 км. Колесо вращали, увеличивая скорость, пока луч не будет видно в следующем зазоре. После подсчетов, ученый получил результат 313 тыс. км/сек.
Позже исследование повторил французский физик и астроном Леон Фуко, получив результат 298 тыс. км/сек. Самый точный результат на то время. Позже измерения проводились при помощи лазеров и мазеров.
Возможна ли сверхсветовая скорость?
Существуют объекты быстрее скорости света. Например, солнечные зайчики, тень, колебания волн. Хотя теоретически они могут развить сверхсветовую скорость, энергия, которую они выделяют не будет совпадать с вектором их движения.
Если световой луч проходит, к примеру, через стекло или воду, то его могут обогнать электроны. Они не ограничены в скорости передвижения. Следовательно, в таких условиях свет не движется быстрее всех.
Этот феномен назван эффектом Вавилова — Черенкова. Чаще всего встречается в глубоких водоемах и реакторах.
Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Длиннопост о природе скорости света и её связи со временем.
Замечание к автору: утверждение «ничто в нашем мире не может двигаться быстрее скорости света» — ошибочно. Вот вторая формулировка, где говорится «объект» — правильная.
Например, стоите вы на земле и зеркальцем отражаете свет на Луну. При быстром повороте зеркала, «зайчик» вполне может переместится по поверхности со скоростью большей скорости света, не нарушая законов физики. Есть еще и другие примеры..
Аффтар, ты если не знаешь, то не пиши. Люди, Вы о чем, где отлично?! КАКАЯ ПОДПИСКА?!
ТС пишет, что «время относительно», и тут же заявляет, что для человека, двигающегося со скоростью 0,87 от световой, время будет течь в 2 раза медленне! А тот, что на Земле не движется относительно того, что в космосе? Движется. Для них обоих время будет ОДИНАКОВО. Еще раз — время относительно для каждого. не верите, посмотрите это http://www.youtube.com/watch?v=lhRpH7eoQiE ( про время с 14:30)
парадокс близнецов это вообще фейл! он обусловлен не тем, что второй движется со световой. (еще раз время относительно). со всетовой движутся ОБА. этот парадокс обуславливается тем, что ускорение абсолютно. для движущегося быстрее ускорение замедлит время, и именно этим обуславливается то, что он прилетит моложе.
остальное все верно.
Время в чёрной дыре
Что такое световые конусы? В чём разница между временем и пространством? Почему время и пространство меняются ролями внутри чёрной дыры? Что такое диаграмма Пенроуза? В видео от ScienceClic в моей озвучке.
Альберт Эйнштейн и его уникальное наследие
Четырнадцатого марта 1879 года в городе Ульм родился человек, впоследствии перевернувший научный мир с ног на голову. Его работы лежат в основе понимания Вселенной — в частности, гравитации. В чем же вся гениальность трудов Альберта Эйнштейна и каково их место в XXI веке?
Когда юный Альберт Эйнштейн опубликовал Общую теорию относительности в 1915 году, вряд ли кто-то мог предположить, какое влияние она окажет на науку. Относительность изменила наше понимание Вселенной и предоставила новые способы изучения фундаментальной физики, которым подчиняется окружающий мир.
Несмотря на всю важность принципа относительности, с ней не все так просто, как хотелось бы. И пусть кому-то может показаться, что эта теория слишком абстрактна и оторвана от реальности, на самом деле она напрямую связана с нашим существованием на фундаментальном уровне. Она позволила изучить и исследовать космос, а на Земле она стоит за технологиями, связанными со множеством открытий: от GPS до ядерной энергии, от смартфонов до ускорителей частиц — множество инноваций, которые мы принимаем как должное, уходят корнями в теорию Эйнштейна.
Как работает относительность
Прежде всего стоит отметить, что Общая теория относительности состоит из двух отдельных теорий. Первая — Специальная теория относительности — опубликована в 1905 году и была принята научным сообществом со смешанными чувствами. В чем причина такой реакции? Дело в том, что Специальная теория относительности перевернула большую часть того, что — как казалось ученым — было известно о мире.
Альберт Эйнштейн и Нильс Бор во время Сольвеевского конгресса 1930 года / © Danish Film Institute/Paul Ehrenfest
До публикации Эйнштейном своего научного откровения было принято считать, что время всегда и везде протекает с одинаковой скоростью. Вне зависимости от скорости движения объекта природа секунд, минут и часов считалась неизменной. Однако Эйнштейн считал, что время на самом деле непостоянно и изменяется в зависимости от того, насколько быстро движется объект.
Великий ученый утверждал, что настоящая неизменная величина — константа — это скорость света. Свет движется с постоянной скоростью 299 792 458 метров в секунду в вакууме, тогда как время течет по-разному — в зависимости от скорости, с которой объект движется через пространство. Для объектов, движущихся очень быстро, время замедляется.
Это откровение пошатнуло основы физики, но на этом все не закончилось. Спустя всего десять лет гениальный нонконформист из бернского патентного бюро дополнил теорию новой деталью — на этот раз речь шла о гравитации.
Альберт Эйнштейн во время лекции в Вене, 1921 год / © Ferdinand Schmutzer/Wikimedia Commons
Гравитация как кривизна пространства-времени
Настоящим украшением идей Эйнштейна стала Общая теория относительности. Она отвечала на многовековой вопрос: как именно работает гравитация?
Когда в середине XVII века, как гласит популярная легенда, Исааку Ньютону на голову упало яблоко, родилась революционная теория гравитации. Ньютон определил, что гравитация существует, и постулировал ее воздействие, но не мог наверняка сказать, каковы ее истоки.
Ответ был найден спустя почти три века посредством Общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Он считал, что, так как пространство и время «текучи» и изменчивы, их могут искривлять массивные объекты.
Представьте шар для боулинга посередине натянутого батута. Поскольку он тяжелый, то искривляет ткань, стягивая таким образом все объекты, находящиеся у краев батута, к центру. Гравитация работает похожим образом. Массивные объекты вроде Земли искривляют ткань пространства и времени, притягивая к себе материю, а также время и свет.
Три нобелевских лауреата по физике. Слева направо: Альберт Майкельсон, Альберт Эйнштейн, Роберт А. Милликан / © Smithsonian Institution Libraries/Wikimedia Commons
Доказательства относительности
Как и многие другие теории, относительность непросто доказать окончательно. Но все собранные более чем за 100 лет данные указывают на абсолютную правоту Эйнштейна в этом вопросе. Часы, установленные на небоскребах, отмеряют время несколько быстрее, чем часы, установленные у их оснований, так как первые находятся дальше от центра Земли, а значит, и пространство-время на такой высоте искривлено меньше.
Иногда на снимках далекого космоса, таких как Hubble Ultra-Deep Field, можно видеть некоторые объекты, которые выглядят искаженными и увеличенными на фоне галактических скоплений: это феномен гравитационного линзирования. Масса таких объектов искривляет пространство-время, из-за чего изображение получается искаженным.
Однако, пожалуй, самым значимым доказательством Общей теории относительности стало событие, о котором было объявлено в 2016 году — спустя более чем 100 лет после публикации работы. Этим доказательством стали гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени. Они были зарегистрированы посредством детекторов LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) в Ливингстоне и Хэгнфорде, разработкой которых с 1992 года занимался физик-теоретик Кип Торн.
Если пространство и время — это ткань, напоминающая поверхность батута, то такие масштабные и массивные события, как слияния черных дыр, будут создавать на ней рябь. Если теория Эйнштейна верна, то мы должны быть способны зарегистрировать эти волны, но до недавнего времени это было только теорией без экспериментальных доказательств.
В начале 2016 года ученые объявили, что применили детектор LIGO для регистрации гравитационных волн, точно определив субатомные расширения и сокращения, проходящие через пространство-время.
LIGO напоминает невероятно мощную линейку: он направляет лазерный луч между двумя зеркалами, расположенными в четырех километрах друг от друга, затем пускается лазерный луч и измеряется время, за которое лазер проходит этот путь. Из-за гравитационных волн все смещается, и если лазерный луч перестает двигаться синхронно, то для ученых это знак, что его путь пересекла гравитационная волна и вызвала субатомное смещение зеркала. Регистрацию гравитационных волн можно назвать самым главным преимуществом теории Эйнштейна. Помимо этого, относительность была применена для постулирования Большого взрыва и расширения Вселенной.
Стол Альберта Эйнштейна в его кабинете в Институте перспективных исследований в Принстоне. Именно таким его оставил гениальный ученый перед своей смертью в апреле 1955 года / © Ralph Morse-Time & Life Pictures/Getty Images
Наследие Эйнштейна и будущее науки
Относительность помогла нам предположить, что Вселенная на 95% состоит из темной энергии и темной материи. Эта же теория помогла разработать ускорители частиц, в которых электроны, протоны и другие элементарные частицы разгоняются до скоростей, близких к световой.
Теория относительности сделала для науки и нашего понимания устройства мира неописуемо много. А теперь, когда есть возможность регистрировать гравитационные волны, мы можем заглянуть еще глубже в устройство Вселенной, изучить такие объекты, как черные дыры и нейтронные звезды, опираясь на беспрецедентно точные предсказания теории.
Прошло чуть больше века с тех пор, как относительность Эйнштейна фундаментально перевернула наше понимание Вселенной. Но самое великое наследие ученого заключается не в его революционных теориях: его работа вдохновила тысячи ученых, которые в итоге последовали за ним в поисках истинной природы реальности.
Сегодня теория Эйнштейна регулярно подвергается различным проверкам, которые с достоинством проходит. Благодаря теории относительности и другим работам когда-то скромного работника бернского патентного бюро, у нас есть Стандартная модель, инфляционная модель Вселенной и новые гипотезы, рождающиеся в попытках понять самые глубинные принципы устройства вещей, которые помогли бы в исчерпывающей полноте описать Вселенную и реальность как таковую.
Фундаментально ли время во Вселенной
Человеческая жизнь неразрывно связана со временем. Мы привыкли измерять ход процессов при помощи него — к тому же это необходимо для нашего выживания. Но служит ли этот феномен фундаментальным свойством реальности или время эмерджентно?
Теоретическая физика не одно десятилетие пытается объединить квантовую механику и Общую теорию относительности в одну теорию квантовой гравитации. Но одно из главных препятствий — так называемая проблема времени.
В квантовой механике время универсально и абсолютно: его постоянный ход диктует запутывание между частицами. В то же время в Общей теории относительности — теории гравитации Альберта Эйнштейна — время относительно и динамично, оно представляет собой измерение, неразрывно переплетенное с пространственными измерениями, формируя таким образом четырехмерную ткань пространства-времени. Эта ткань искривляется, когда на ней находится вещество, из-за чего все, что находится вокруг него, — если оно обладает большей массой — начинает падать по направлению к нему, замедляя течение времени относительно часов, находящихся вдалеке. Этого же эффекта можно достичь, если сесть в ракету и ускориться при помощи топлива: для вас время замедлится, вы будете стареть не так быстро, нежели ваши друзья и родные на Земле.
Объединение квантовой механики и Общей теории относительности требует примирения их абсолютного и относительного понимания времени. Постепенно исследования в области теоретической физики, похоже, подводят ученых к черте объединения, а также пониманию истинной природы времени.
Многие ведущие физики сегодня склоняются к тому, что пространство-время и гравитация — это эмерджентные феномены. Изгибающееся и искривляющееся пространство-время и вещество в нем — что-то сродни голограммы, происходящей из сети запутанных кубитов (квантовых битов информации), вроде трехмерной окружающей среды в видеоигре, которая запрограммирована в форме классических битов на кремниевом чипе. Физик-теоретик Марк Ван Раамсдонк из Университета Британской Колумбии сказал: «Думаю, сейчас мы понимаем, что пространство-время — по сути, всего лишь геометрическая репрезентация запутанной структуры этих фундаментальных квантовых систем».
Исследователи разработали математический аппарат, с помощью которого показали, как голограмма появляется в «игрушечных» вселенных с геометрией пространства-времени в виде «рыбьего глаза» — в антидеситтеровском пространстве. В этих искривленных мирах пространственные приращения все больше сокращаются по мере движения от центра. В конце концов пространственное измерение, простирающееся от центра, сжимается в ничто, доходя до своего предела. Наличие этого предела, который содержит на одно пространственное измерение меньше, чем внутреннее пространство-время, или «балк», помогает в вычислениях, предоставляя твердое основание, на котором можно моделировать запутанные кубиты, проецирующие голограмму внутри такой вселенной. Внутри балка, согласно моделям и вычислениям, время начинает сильно искривляться вместе с пространством.
Состояния кубитов развиваются в соответствии с универсальным временем, словно выполняя последовательности в компьютерном коде, при этом производя искривленное, релятивистское время в балке антидеситтеровского пространства. Единственное но — в нашей Вселенной все работает не совсем так.
Согласно моделям, запутанность постепенно создает пространство-время. Сначала друг с другом запутываются отдельные частицы, которые затем запутываются с другими запутанными парами. По мере запутывания все большего количества частиц возникает четырехмерная структура пространства-времени / © Olena Shmahalo/Quanta Magazine
Здесь ткань пространства-времени обладает деситтеровской геометрией, растягиваясь, когда вы смотрите вдаль. Ткань растягивается, пока Вселенная не упрется в предел, сильно отличающийся от того, что есть в антидеситтеровском пространстве, — и это будет конец времени. В тот момент, во время события, известного как тепловая смерть Вселенной, пространство-время растянется настолько сильно, что все в нем потеряет причинно-следственную связь друг с другом. Можно сказать, тогда время разрушится. Как только это случится, во Вселенной уже ничего не будет происходить.
На безвременной границе нашего пространственно-временного пузыря запутанности, связывающие между собой кубиты (и шифрующие динамическую внутренность Вселенной), предположительно, остались бы нетронутыми, так как эти квантовые соотношение не требуют передачи сигналов. Но в таком случае состояние кубитов должно быть статичным и безвременным. Такой ход рассуждений предполагает, что каким-то образом — как кубиты на границе антидеситтеровского пространства порождают внутреннюю область с одним дополнительным пространственным измерением — кубиты на безвременной границе деситтеровского пространства могут породить Вселенную со временем, в частности с динамическим. Ученые еще не выяснили, как именно проводить эти вычисления в деситтеровском пространстве, — четкого понимания о возникновении времени еще нет.
В 1980-х физики Дон Пейдж и Уильям Вуттерс обнаружили зацепку. Пейдж, работающий сегодня в Альбертском университете, и Вуттерс, работавший до 2017 года в Колледже Уильямса, обнаружили, что глобально статичная запутанная система может содержать в себе подсистему, которая развивается, с точки зрения наблюдателя, внутри нее. Такая система, известная как «историческое состояние», состоит из подсистемы, запутанной с тем, что можно назвать часами. Состояние подсистемы различается в зависимости от того, находятся ли часы в состоянии, при котором часовая стрелка указывает на единицу, двойку, тройку и так далее. Тем не менее общее состояние системы с часами не меняется, так как времени как такового нет. Это неизменное состояние. Другими словами, в глобальном смысле времени не существует, но в подсистеме возникает эффективное понятие времени для нее.
В 2013 году команда исследователей из Италии экспериментально продемонстрировала этот феномен. Подводя итоги своей работы, ученые сообщали: «Мы показываем, как статическое запутанное состояние двух фотонов можно рассматривать в качестве развивающегося с точки зрения наблюдателя, использующего один из двух фотонов как часы — для оценки временного развития другого фотона. Однако сторонний наблюдатель может показать, что глобально запутанное состояние не развивается».
Другая теоретическая работа, также проведенная в 2013 году исследователями из Калифорнийского технологического института (Калтех), привела к очень похожим выводам. Геометрические паттерны — вроде амплитуэдра, — описывающие результаты взаимодействий между частицами, также подразумевают, что реальность возникает из чего-то безвременного, абсолютно математического. Однако пока не ясно, как именно связаны амплитуэдр и голография.
Амплитуэдр в представлении художника – вновь открытый математический объект, похожий на многогранную жемчужину в высших измерениях / © Andy Gilmore
В книге «Порядок времени» (The Order of Time) физик Карло Ровелли тоже описывает время как эмерджентный феномен. По его словам, абсолютного понятия одновременности каких-либо двух событий не существует из-за ограничений физических законов. Например, даже смотря на какой-то объект, мы видим его не в тот момент, в который мы на него посмотрели, как минимум по двум причинам. Так, свету необходимо пройти какое-то расстояние от объекта до глаза, а затем зрительному сигналу нужно дойти до мозга, где он в итоге будет обработан, прежде чем мы «получим картинку». Ровелли утверждает, что время — не более чем результат приближений и упрощений, которые позволяют нам, людям, воспринимать реальность в соответствии с нашими ограничениями.
Время от времени появляются работы, в частности по исследованию квантовых систем, в которых предполагаются независимость от причинно-следственных связей, течение времени назад и множество других необычных феноменов. Возможно, время и впрямь может возникнуть из безвременных степеней свободы при помощи запутанности. Время покажет.