Час і його вивчення у фізиці

Реферат

"Часі його вивчення у фізиці "

Введення

Якщосучасній людині поставити запитання про те, як тече час, то більшістьлюдей Уподібнити це поняття якоїсь річці, що тече лише вперед, з минулого вмайбутнє. Але, наприклад, стародавні греки вважали, що час не є безконечноюпрямий, а з'єднує кінець з початком. Взаємодія нескінченних простору ічасу, виявляється, робить їх не нескінченними, оскільки є певниймежа. А коли відомому в давнину любителю парадоксів Зенон Елейськийпоставили запитання про те, як, на його думку, рухається час: по колу або по прямій,прозвучав цікавий відповідь: В«Ніяк, оскільки ніякого руху немаєВ».

Звичайно,стародавні багато в чому помилялися. Але і зараз сучасна наука навряд чи точно зможевідповісти на всі питання про часу, ключовою з яких В«що таке час?В». Алевсе ж сучасна наука знає про сутність часу чимало. Більш того, навітьвідомі деякі види В«машин часуВ», здавна існують в природі.

Як же вонипрацюють? Що ж все-таки таке час? Як воно рухається? Чи існуєоборотність часу? Чи можливі подорожі в часі? Який час у Всесвіті?Про все це і піде мова нижче.

Поняття часу та його вимірювання

Перш за все,відзначимо, що час - поняття фізичне, а тому тісно пов'язане з конкретнимизаконами фізики. Наприклад, згідно із законами фізики, період обертання Земліповинен залишатися постійним. Цей факт дозволяє визначити одиницю вимірюваннячасу, звану сонячними цілодобово. Або, наприклад, закони фізикистверджують, що період коливання кварцової пластинки в генераторі з кварцовоюстабілізацією теж можна застосовувати для вимірювання часу, причому дуже точно.Можна домогтися ще більш точного підрахунку часу, якщо використовувати частотиколивань електронів в атомах. Найбільш точними вважаються атомні годинники,засновані на частоті випромінювання атомів цезію-133.

В данийчас використовуються три основні системи вимірювання часу. В основі кожної зних лежить конкретний фізичний періодичний процес: 1). обертання Землі навколосвоєї осі, 2). звернення Землі навколо Сонця і 3). випромінювання (або поглинання)електромагнітних хвиль атомами або молекулами деяких речовин (наприклад, тогож цезію) за певних умов.

Найчастіше, вповсякденній практиці використовують таку одиницю виміру, як В«середнєсонячний час В», основою якої єВ« середні сонячні добу В», які,у свою чергу, діляться наступним чином: 1 середні сонячні добу = 24середнім сонячним годинником [1], 1 середнійсонячний година = 60 середнім сонячним хвилинах, 1 середня сонячна хвилина = 60середнім сонячним секундам. Одні середні сонячні добу містять 86 400середніх сонячних секунд.

В той же часвідзначимо, що засновуючи поняття часу на фізичних законах, ми не можемо бутиточно впевнені в їх абсолютній правильності.

Погляди вчених на поняття часу

Часє одним з понять, яке повсюдно застосовується у фізиці. Розвитокпогляду на поняття часу пов'язано з іменами кількох відомих учених:Галілей, Ньютон і Ейнштейн. Почнемо з Галілея.

Глибокіроздуми про рух тіл в природі привели його до принципу відносності,де все залежить від точки відліку. Наприклад, мандрівник, що знаходиться в каютіпливе корабля, може точно сказати, що книга на його столі в каютізнаходиться в стані спокою. Але в той же час людина на березі бачить, щокорабель пливе, а тому книга всередині корабля також здійснює рух разом зкораблем. Галілею вдалося виявити силу інерції, яка об'єднує тіла вабсолютному і відносному спокої. Ця сила не проявляє себе, поки тілознаходиться в стані спокою або в рівномірному прямолінійному русі. Але вартотрохи пригальмувати його, як починає проявлятися прискорення, а тіло за інерцієюпрагне відновити втрачений спокій.

З цієювідправної точки вирушив далі Ньютон, який народився в рік смерті Галілея.Ньютон встановив, що існує зв'язок між силою та прискоренням, але щобзробити цей зв'язок повністю визначеною довелося ввести поняття маси тіла.Тоді з'явився другий закон Ньютона, який виражається формулою F = ma. Першим законом бувзакон інерції [2], а третій -сила дії дорівнює силі протидії. З цих законів і з'явиласякласична механіка Ньютона. Але щоб знати швидкості і прискорення в ціймеханіці, треба було знати час, протягом якого вони діяли. Механікане може існувати без часу, як геометрія без простору.

Вимірюватичасу було б добре ідеально точними годинами, хід яких не залежав би відякого небудь руху, а тому не можна визначити, знаходяться вони в спокої аборухаються. Такі годинники прийнято називати інерційних. Вони змогли б показувати якесьабсолютне час, однакове для всього Всесвіту.

Грунтуючисьна працях Ньютона і Галілея, А. Ейнштейн почав досліджувати Всесвіт засвоєму розумінню. Ейнштейн задавався питаннями, тече чи час однаково скрізьі хто це контролює. Відповідь допомогла дати створена ним теорія відносності,ядром якої стала аксіома про там, що в порожнечі швидкість світла однакова увсіх ІСО. У вакуумі ж, міркував Ейнштейн, швидкість світла абсолютна, а значить,дорівнює 300 000 км/с [3]. Крім того,швидкість світла є гранично можливою швидкістю в природі.

З логічнихпобудов Ейнштейна послідували практичні розрахунки залежності течіїчасу від швидкості руху. У рухомій системі координат час сповільнюєтьсяпо відношенню до нерухомої системі залежно від близькості швидкості рухуоб'єкта до швидкості світла. Звідси випливає знаменитий парадокс близнюків.

Цей парадоксвиглядає так. Уявімо собі двох братів-близнюків. Якщо один з близнятвідправиться у віці, наприклад, 20 років в космічну подорож до якої-небудьзірці зі швидкістю світла, то, пролетівши, скажімо, туди і назад за 40 світловихроків, він повернеться через приблизно 11 років по корабельному часу. На Землі ж зацей час пройде приблизно 80 років! Тому той із братів, який відправився вподорож до зірки виявиться молодше свого брата майже на 80 років! Чому,запитаєте ви? У цьому і полягає одна із загадок часу.

Відстань докосмосі не випадково вимірюється в світлових роках. Світловий рік - це шлях,який світловий промінь може подолати, поки на Землі пройде рік. Виходячи зцього, можна точно сказати, що дивлячись на зірки в нічне небо ми бачимо їх нетакими, які тільки є в даний момент, а такими, якими вони були 40 і більшесвітлових років тому [4].

Чотиривимірний простір і час Всесвіту

Виявляється,математикам зручно користуватися поняттям чотиривимірного простору, декрім довжини, ширини і висоти присутній ще один напрямок - час. Та йми самі часто вдаємося до цього четвертому напрямку в повсякденномупрактиці. Наприклад, коли пішохід переходить дорогу, а повз нього по нійпроїжджає автомобіль, то три з чотирьох координат простору збігаються, колиавтомобіль, а потім людина (або навпаки) проходять через одну і ту ж точку.Не збігається лише четверта координата - час, оскільки хтось із них - абоавтомобіль, або пішохід - повинні перейти раніше через це місце. Звідсислід цікавий висновок: класична фізика В«об'єднуєВ» простір і часза допомогою руху.

Є й іншийцікавий висновок, витікаючий з теорії відносності Ейнштейна і знань прошвидкості світла. Як вже сказано вище, зірки ми можемо бачити не такими, яківони є в даний момент. Світло поширюється не відразу, а за певний,нехай і нікчемно малий проміжок часу, і тому сприймається людськимоком теж не відразу. Світло від лампи поширюється за соту частку секунди,світло від сонця доходить до нас за вісім хвилин і т.д. А адже саме за допомогоюсвітла ми можемо бачити навколишній нас світ. Виходить, ми бачимо тільки те, що вжевідбулося, оскільки поки світлові промені донесуть до ока якусь інформацію,пройде певний час. Стало бути, ми живемо в минулому. А раз ми бачимоминуле, тоді як одна з координат простору може бути негативною. Засуті, ми живемо в минулому.

А яке жтоді час у Всесвіті? І чи є там взагалі час?

Довгий часвважалося, що Всесвіт статична і незмінна, а всі тіла в ній знаходяться встані спокою.

З створеноїтеорії відносності Ейнштейн склав свою модель Всесвіту. Одним зпостулатів в його моделі був постулат про те, що Всесвіт однорідний і перебуваєв незмінному стані. Якщо, наприклад, десь погасла зірка, то на зміну їй віншому місці з'являється нова. Це також відповідало класичній механіціНьютона - Галілея.

Виявилося,однак, що це не так. Всесвіт не статична, а навпаки, динамічна. РечовинаВсесвіту, як показали формули і математичні викладки Фрідмана [5],повинно або розширюватися, або стискатися. Крім того, не може Всесвіт бутистатичною і тому, що на всі тіла у Всесвіті діє сила небесноготяжіння, нічим не врівноважується [6], а томутіла у Всесвіті знаходяться в стані руху: планети, зірки, галактики тат.д. Значить, цей рух можна вимірювати за допомогою чотирьох мірної системикоординат.

Такимчином, час у Всесвіті є, але рухається воно неспішно. Проходять мільярдиі мільйони років, поки стають видні якісь зміни. Але якщо Всесвітмає тенденцію до розширення (адже давно встановлено, що галактики в космосівіддаляються один від одного), то десь у далекому минулому був момент, коли всяВсесвіт була стиснута в одну точку (цей стан називається В«комічноїсингулярністю В»). Момент початку розширення Всесвіту і є початок відлікучасу в ній. Чи є межа цього розширення? Відповідь на це питання ми навряд чинебудь дізнаємося. Хоча існує припущення, що час сам по собіциклічно, а значить всі події повторюються. Тому цілком імовірно, що вякийсь момент Всесвіт почне стискатися в точку. Що при цьому відбудеться зЗемлею і з людством на ній, не знає ніхто.

Чорні дірки і час. Оборотність

Уявімособі таку картину. У яблуці поселився черв'як. Замість того щоб переміщатисяз однієї точки в іншу по поверхні яблука, він просто прогризає ходи всерединінього, роблячи більш короткий шлях. Виявляється, подібні тунелі існують уВсесвіту.

Суть теоріївідносності Ейнштейна тут полягає в тому, що простір не плоске,а зігнуте і деформований під впливом маси і енергії. Інакше кажучи,наш простір загинається в четвертий вимір. Простір і час внашому розумінні втрачають свій звичний вигляд. З'являється поняття викривленійпростору і часу [7].

В той же часвиникає можливість з'єднати дві точки, які не мають собоюпросторово-часової зв'язку. Суть же В«тунелюВ», який може з'єднати їх,полягає в можливості скорочення собі шляхи.

Існуваннятаких В«тунелівВ» було передбачене теоретиками ще в 1916 році, а в кінці 50-х.рр.. фізик Джон Уїллер вперше ясно змалював, що такі В«мостиВ» можуть бутизнайдені в тих районах Всесвіту, де простір сильно зігнуто. Такітунелі отримали назву В«чорні діриВ».

Чи можливаїх транспортна функція? Важко дати однозначну відповідь на це питання.По-перше, невідомо, чи буде відчувати опір всередині діри предмет,потрапив в неї. По-друге, незрозуміло, куди цей тунель може призвести. Нам такожне відома природа цих дірок. Не відомий механізм їх утворення і невідомо, мабуть, головне: яка сила діє всередині діри, якщо вона затягуєв себе навіть світло?

Чорні діринадають можливість подорожі в часі. Але тут виникають двіскладності. Перша: щоб потрапити в минуле, доведеться попередньо рухатичорну діру зі швидкістю, близькою протягом приблизно 100 років. І другаскладність - це порушення причинно-наслідкового ланцюга. Ніхто не знає, щовідбудеться, якщо слідство вплине на причину ...

Є припущення,що процес поглинання речовини чорними дірами може припинитися. Те, що намвідомо про будову Всесвіту сьогодні, дозволяє вважати, що енергія не ідебезповоротно. Якщо чорні діри перестануть поглинати речовину, то, очевидно,відбуватиметься зворотний процес - вихід енергії і речовини назовні. Можевиникнути і така неймовірна в фізиці явище, як негативна маса. Можливо,що і час тоді піде назад, оскільки воно теж стане негативним.

Однак нашаповсякденне життя свідчить про те, що ніякі події не володіютьоборотністю. Але чому ж тоді оборотні закони руху? Питання непросте.Тому про нього говорять не інакше, як про парадокс оборотності.

Але в той жечас хаотичне броунівський рух молекул речовини, як і будь-який рух,цілком оборотно. Тому також цілком імовірно, що, наприклад, поділгазів, змішаних з двох судин в одному, теж може бути можливо, тобтопроцес змішування газів звернемо. Якщо мається хаотичний рух молекулречовини, то, значить, є оборотність всього їх спільноти. Тому можливаоборотність різних процесів. Значить, В«чорну діруВ», як і світло, також можнавважати природною В«машиною часуВ».

Чи можливо подорожувати в часі?

Вище ми вжеговорили про те, що своєрідною В«машиною часуВ» є телескоп, черезякий ми дивимося на зірки. А чи можна реально переміщатися в часі вмайбутнє або минуле? Для відповіді на це питання знадобиться розібратися здеякими природними частинками.

Всімвідомо, що світло складається з фотонів. Причому в одних випадках фотон - цематеріальна частинка, а в інших - електромагнітна хвиля. Але взагалі кажучи,ці поняття про світло як частинці або електромагнітної хвилі введені для зручностірозрахунків. Насправді становище світла тут досі суперечливе. А як бути згравітацією і часом?

Існуєприпущення, що існують гравітаційні хвилі - хвилеподібні коливанняпростору-часу, які надають часу викривленість і якіпоширюються в чотиривимірному просторі також, як поширюється вповітрі звук. При цьому гравітаційні й електромагнітні хвилі розповсюджуютьсяз однаковою швидкістю - 300 000 км/с.

Однакзареєструвати гравітаційні хвилі поки не вдалося. Є поки тількиприпущення, що гравітаційні хвилі можуть цілком вести себе як потокичастинок. Тому гравітаційні хвилі можуть бути споріднені електромагнітнимколиванням.

Далі намслід було б шукати кванти (частинки) часу. Але ми не можемо ні підтвердити, ніспростувати їх наявність. Спираючись на досвід фізики, можна лише сказати, що немаєніякого часу, існуючого саме по собі. Воно завжди пов'язане з яким-небудьявищем.

Для тогощоб говорити про можливість подорожей у часі, необхідні експерименти.Причому поставити такий експеримент ми поки теж не можемо. Справа в тому, що дляпроведення подібного експерименту кожна з мікрочастинок повинна володітиенергією приблизно в 109 джоулів! А всі земні прискорювачі можуть забезпечити лишеодну мільярдну частку цієї енергії. Втім, якщо ми не можемо провестиексперимент на Землі, то треба шукати умови для його проведення у Всесвіті.Багато дослідників тут пропонують звернути пильну увагу на вакуум -космічну порожнечу [8], навколишнє тілав космосі. Зрозумівши механізм перетворень, що відбуваються всередині вакууму, ми,можливо, у віддаленій перспективі зуміємо подорожувати в часі.

Висновок

Будь-яка людинанапевно прекрасно знає, що таке час, поки не думає про нього. Але вартозадуматися, і відразу ж перестаєш розуміти, що час із себе представляє. Алеце зовсім не означає, що не треба думати про нього. Зовсім навпаки! Саме нацьому шляху і лежить можливість створення фантастичних машин часу.

Нам ще дужебагато належить зрозуміти по суті оточуючого нас світу, в тому числі такоїдивною і загадковою на сьогоднішній день одиниці, як час. І в цьомунам завжди допомагатимуть знання і досвід попередніх поколінь і, звичайно ж,наука. Тому, рухаючись кожну хвилину вперед, ми будемо заглиблюватися в сутьчасу все глибше.

час чорний діра чотиривимірний

Список використаної літератури

1. Чернін А.Д. Фізикачасу. - М.: Наука, 1987.

[1] Взагалі кажучи, сонячнідобу насправді не становлять рівно 24 години, а складають приблизно 23 ч. 58хв. 43 с. Поняття двадцятичотирьохгодинного доби є округленим, а значить,більш простим у використанні.

2Появленіе якого, до речі, належить неНьютону, а Галілею; Ньютон лише уточнив його формулювання.

3Ізвестно також, що стародавні взагалі вважалишвидкість світла нескінченної. Наприклад, Герон Олександрійський міркува...в так:В«Піднімаючи голову вночі до неба, ви побачите зірки. Закриєте очі - вонизникнуть. Відкриєте - відразу з'являться. Оскільки між моментом відкриття очей ібаченням зірок немає ніякого проміжку часу, то світло поширюєтьсямиттєво В». Сучасне ж значення швидкості світла вдалося виявити за допомогоюекспериментів із застосуванням атомних годин. За результатами цих експериментівскладає 299 799 456 м/с.

[4] Тому телескоп можеслужити своєрідною В«машиною часуВ», через який ми бачимо саме минуле,а не нинішній стан зірок.

[5] Олександр ОлександровичФрідман - радянський вчений-математик. У 1924-1925 рр.. керував Головноюгеофізичною обсерваторією. Відомий за створення математичних співвідношеньдля атмосферних вихорів, що мають головне значення в теорії прогнозу погоди. У тойВодночас відомий по роботі над теорією хаотичних турбулентних рухів. У тойВодночас вніс великий внесок у справу дослідження Всесвіту і часу в ній.

[6] Механіка Ньютона - Галілеяприпускає, що тіло знаходиться в стані спокою тоді, коли на нього або недіють ніякі сили, або сили, що діють на нього, врівноважують одинодного.

[7] Найкраще цей фактдемонструє неевклідової геометрії Лобачевського. У ній, наприклад, сумаОднак така

Це станзовсім.