Искажение пространства и времени

Искривление пространства-времени, бесконечная гравитация и первое фото черной дыры

Искажение пространства и времени

Ирина Балманжи

На прошлой неделе астрофизики опубликовали первый в истории снимок черной дыры. Это важнейшее научное событие и отличный повод немного поговорить об одном из самых загадочных явлений во Вселенной!

Откуда берутся черные дыры?

Звезды не могут жить вечно. В конце концов их «топливо» выгорает. Что происходит с ними дальше? Возможно несколько сценариев. Например, наше Солнце в итоге сожмется, превратившись в белый карлик величиной приблизительно с Землю, но в миллионы раз плотнее.

Звезды, имеющие массу во много раз больше Солнца, гораздо быстрее сжигают свое «горючее», а затем схлопываются, образуя нейтронную звезду или черную дыру.

Нейтронные звезды почти целиком состоят из упакованных бок к боку атомных ядер. Кусочек такой звезды размером с кубик сахара весил бы не меньше, чем гора Эверест!

Черные же дыры состоят из искривленного пространства и времени. И больше ничего — никакой материи. В такой экстремальной среде известные нам законы физики перестают действовать!

Компьютерная модель черной дыры. Иллюстрация из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Поскольку звезды обычно весят не больше 100 Солнц, вес черных дыр, которыми они становятся после смерти, тоже не превышает 100 солнечных масс.

Из этого следует, что гигантские черные дыры, которые находятся в ядрах галактик и вес которых составляет от миллиона до 20 миллиардов солнечных масс, не могли образоваться из умирающих звезд. Видимо, они зародились каким-то иным образом — возможно, при объединении множества черных дыр поменьше или в результате схлопывания массивных газовых облаков.

Муравей на батуте: искривленное пространство

Представьте, что вы муравей, который живет на детском батуте — резиновом полотнище, натянутом между высокими шестами. Под тяжестью лежащего на нем камня батут прогибается вниз.

Вы — слепой муравей и не можете видеть ни шестов, ни камня, ни прогибающегося полотнища. Но вы умный муравей. Резиновое полотнище — это ваша вселенная, и вы подозреваете, что она искривлена. Чтобы узнать ее форму, вы ползаете по кругу в верхней ее части, измеряя длину окружности, а потом ползете с одного края на другой через центр, чтобы измерить диаметр.

Если бы ваша вселенная была плоской, длина окружности равнялась бы числу Пи (3,14159…), помноженному на диаметр. Но, как выясняется, длина окружности меньше диаметра, даже не помноженного на Пи. Ваша вселенная, понимаете вы, сильно искривлена!

Пространство вблизи черной дыры изгибается подобно батуту.

Сингулярность — это крошечная область, где поверхность «бесконечно искривляется» и сходится в точку, в которой силы приливной гравитации бесконечно велики, из-за чего материя в том виде, как мы ее знаем, растягивается и сжимается вплоть до полного исчезновения.

Замедление времени

Чем сильнее гравитационное притяжение, тем медленнее течет время. По сравнению с часами в космосе время на поверхности Солнца замедляется на 6 миллиардных долей, а у поверхности черной дыры, где гравитация огромна, время почти не движется.

Это явление просто поражает воображение! Фильм «Интерстеллар» весьма интересно изображает замедление времени возле черной дыры. Группа астронавтов направляется к ней на спускаемом аппарате (не совсем к поверхности, но на достаточно близкое расстояние).

В это время один астронавт остается в корабле, находящемся на орбите над черной дырой. Когда экспедиция всего через несколько дней возвращается на корабль, находит своего коллегу постаревшим на 22 года.

Кадр из фильма «Интерстеллар»

Астронавты пытаются спасти Землю, но знают, что их время течет гораздо медленнее, чем в окружающем пространстве. Они понимают, что экологическая катастрофа на нашей планете развивается значительно быстрее, чем идет время их жизни.

Эффект замедления времени — враг, заставляющий их действовать с чрезвычайной быстротой. Этот же эффект подразумевает, что когда (и если) они вернутся на Землю, их дети будут уже старше своих родителей.

Любопытно, что теоретически вы можете вернуться из такой экспедиции, если только не достигнете горизонта событий — поверхности черной дыры.

В ловушке: за горизонтом событий

Если бы вы с микроволновым передатчиком в руках падали в черную дыру, после пересечения горизонта событий вас бы неотвратимо затягивало вниз, к сингулярности, и любые передаваемые вами сигналы устремлялись бы туда же.

Никто, находясь снаружи горизонта событий, не сможет получить отправленные после пересечения горизонта сигналы — они, как и вы сами, станут пленниками черной дыры.

По сути, черная дыра становится ловушкой из-за искривления времени. Если вы зависнете над дырой, сдерживая падение с помощью ракетных двигателей, то чем ниже вы будете опускаться, тем медленнее будет течь для вас время.

На горизонте событий время замедлится до полной остановки, и в соответствии с эйнштейновским законом искривления времени вы должны будете ощутить бесконечно сильное гравитационное притяжение.

Что же происходит внутри, за горизонтом событий? Время там искривлено настолько сильно, что, можно сказать, приобретает свойства пространственного измерения: оно течет вниз, устремляясь к сингулярности.

Этот нисходящий поток времени и служит причиной того, что выбраться из черной дыры невозможно. Все на свете неизбежно стремится к будущему, а поскольку будущее в черной дыре нисходит вниз, прочь от горизонта, ничто не способно прорваться сквозь горизонт вверх.

Так что провалиться в черную дыру можно, а вот вернуться оттуда — нет. Ее притяжение настолько сильное, что наружу не способен вырваться даже свет!

Первые упоминания

Идея черной дыры зародилась еще в 1763 году у английского ученого Джона Мичелла, который понял, что вторая космическая скорость у массивных звезд может даже превышать скорость света. Если свет не может преодолеть их силу гравитации, такие звезды будут казаться черными.

Мичелл сделал соответствующие вычисления на основе составленного им уравнения, которое оказалось правильным. Однако идея ученого не привлекла особого внимания, потому что в то время науке уже было известно о волновой природе света, и многие ошибочно полагали, что волны не могут быть остановлены силой гравитации.

Теперь из теории относительности мы знаем: поскольку волны обладают энергией, то они обладают и массой, и сила гравитации на самом деле воздействует на них.

Чтобы образовалась черная дыра, вторая космическая скорость которой будет очень высокой, в маленьком объеме пространства должна сосредоточиться колоссальная масса. Предположим, мы смогли сжать массу Солнца в шар, имеющий 1 километр в диаметре. Свет не сможет прорваться к нам с поверхности такого светила. «Сжатое» таким образом Солнце будет абсолютно черным.

Черные дыры во Вселенной

Астрономы нашли убедительные подтверждения того, что во Вселенной существует множество черных дыр. Замечательный пример — огромная черная дыра в центре нашей галактики, Млечного Пути. Андреа Гез из UCLA (Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе) и небольшая группа астрономов под ее руководством наблюдали за движением звезд вокруг этой черной дыры.

Увидев звезду, вращающуюся как будто вокруг пустоты, астрономы могут догадаться, что там присутствует черная дыра. Иллюстрация из книги «Интерстеллар. Наука за кадром»

Точки на орбитах обозначают позиции звезд, зафиксированные с интервалом в год. Положение черной дыры отмечено белой звездочкой. Исходя из наблюдаемых перемещений звезд Гез вычислила силу гравитации черной дыры: она выше, чем сила гравитации Солнца на таком же расстоянии, в 4,1 миллиона раз. Следовательно, масса этой черной дыры составляет 4,1 миллиона солнечных масс!

В центре практически каждой большой галактики Вселенной обитает массивная черная дыра. Самая тяжелая дыра из обнаруженных весит в 17 миллиардов раз больше Солнца; она располагается в галактике NGC1277, в 250 миллионах световых лет от Земли — это примерно десятая часть расстояния до границы наблюдаемой Вселенной.

Также в нашей галактике находится примерно 100 миллионов относительно небольших черных дыр весом до 30 солнечных масс.

Мы знаем об этом не потому, что располагаем данными относительно каждой из этих дыр, а потому, что астрономы составили перечень массивных звезд, которые должны стать черными дырами после того, как иссякнет их ядерное топливо, и вычислили, для каких из этих звезд данное превращение уже произошло.

Так что черные дыры в нашей Вселенной не редкость. Существует мнение, что ближайшая к Земле черная дыра — Лебедь X-1 — находится «всего лишь» (по оценкам астрономов) на расстоянии 6000 световых лет от нашей планеты.

Первый снимок

Десятого апреля 2019 года ученые из проекта Event Horizon Telescope опубликовали первый в истории снимок черной дыры. Фото было сделано с помощью восьми телескопов, расположенных на нескольких континентах.

Конечно, увидеть саму черную дыру невозможно (на то она и черная). Строго говоря, на фотографии лишь «внешняя оболочка» — точка невозврата, также известная как горизонт событий. Огненное кольцо — это устремляющийся в дыру горячий газ, разогретый до невероятных температур.

Не так впечатляюще, как в фантастических фильмах. Но зато это настоящая черная дыра, а не смоделированная на компьютере. Источник

«То, что мы видим [на снимке], — больше по размеру, чем вся наша Солнечная система, — пояснил Би-би-си профессор Университета Неймгена в Нидерландах Хейно Фальке. — Масса этой черной дыры превышает солнечную в 6,5 млрд раз».

Для научного сообщества это очень важное событие. Дело в том, что раньше существование черных дыр предсказывалось теориями и неоднократно подтверждалось расчетами, однако «материальных» доказательств до сих пор не было. Теперь есть.

Физики часто бывают ошарашены собственными уравнениями. Многие заключения кажутся абсурдными, бросают вызов привычному взгляду на мир и оставляют чувство неудовлетворенности.

И все же это умопомрачительно интересно! Особенно когда абстрактные теории находят подтверждение в реальности.

Исследования продолжаются, и в ближайшем будущем нас наверняка ждут новые удивительные открытия.

По материалам книг «Сейчас. Физика времени», «Интерстеллар. Наука за кадром», «Почему E = mc2», «Большая книга аналогий», «Профессор Астрокот и его путешествие в космос»

Обложка поста отсюда

Источник: https://blog.mann-ivanov-ferber.ru/2019/04/18/iskrivlenie-prostranstva-vremeni-beskonechnaya-gravitaciya-i-pervoe-foto-chernoj-dyry/

Спросите Итана: если масса искривляет пространство-время, как оно распрямляется обратно?

Искажение пространства и времени

Кривизна пространства-времени вблизи любого массивного объекта определяется комбинацией массы и расстояния до центра масс. Необходимо учесть и другие параметры, такие, как скорость, ускорение и другие источники энергии. Материя сообщает пространству, как искривляться, а искривлённое пространство сообщает материи, как двигаться.

Это основной принцип ОТО Эйнштейна, впервые связавшей такое явление, как гравитация, с пространством-временем и относительностью. Поместите массу в любой точке Вселенной, и пространство вокруг неё отреагирует искривлением.

Но если убрать массу или передвинуть её, что заставляет пространство-время «вставать на место», принимая неискривлённое положение? Такой вопрос задаёт наш читатель:Нас учат, что масса деформирует пространство-время, а кривизна пространства-времени вокруг массы объясняет гравитацию – к примеру, объект на орбите вокруг Земли на самом деле движется по прямой, лежащей в искривлённом пространстве-времени. Допустим, это имеет смысл, но когда масса (вроде Земли) двигается через пространство-время и искривляет его, почему пространство-время не остаётся искривлённым? Какой механизм распрямляет этот участок пространства-времени, когда масса двигается дальше? С этим вопросом связано много интересного, и ответ на самом деле может помочь вам понять, как работает гравитация.

Кривизну пространства, придаваемую ему планетами и Солнцем в нашей Солнечной системе, необходимо учитывать в процессе любых наблюдений, которые может делать космический корабль или иная обсерватория. Эффекты ОТО, даже самые малые, игнорировать нельзя.

Сотни лет до Эйнштейна нашей лучшей теорией гравитации была Ньютоновская. Концепция Вселенной от Ньютона была простой, прямолинейной и философски не удовлетворяла многих. Он заявлял, что две любых массы Вселенной, вне зависимости от их расположения и удаления, мгновенно притягивают одна другую при помощи обоюдной силы, известной, как гравитация. Чем более массивна каждое тело, тем больше сила, а чем дальше они расположены, тем меньше сила (убывающая с квадратом расстояния). Это применимо ко всем объектам Вселенной, и закон всемирного тяготения Ньютона, в отличие от всех остальных существовавших альтернатив, идеально совпадал с наблюдениями.

Закон всемирного тяготения Ньютона, заменённый теорией относительности Эйнштейна, основывался на мгновенности действия сил на расстоянии

Но он ввёл идею, которую многие величайшие умы того времени не могли принять: концепцию действия на расстоянии.

Как могут два объекта, расположенные в разных концах Вселенной, внезапно и мгновенно оказывать друг на друга воздействие? Как они могут взаимодействовать на таком большом расстоянии, чтобы между ними ничего не было? Декарт не мог принять эту концепцию, и вместо неё сформулировал иную, в которой существовала среда, по которой распространялась гравитация.

Он утверждал, что космос заполнен некоей материей, и когда через неё двигается масса, она смещает материю и создаёт вихри – это была ранняя версия эфира. Эта теория стала первой в длинной линейке того, что позже назовут механическими (или кинетическими) теориями гравитации.

В версии гравитации от Декарта пространство было заполнено эфиром, и только его смещение могло объяснить гравитацию. Эта идея не привела к формулировке гравитации, совпадавшей с наблюдениями. Конечно, концепция Декарта оказалась неверной. Полезность физической теории определяет совпадение с экспериментом, а не наша предрасположенность к определённым эстетическим критериям. Когда появилась ОТО, она фундаментально изменила картину, нарисованную законами Ньютона. К примеру:

  • Пространство и время не были абсолютными и повсюду одинаковыми, а были связаны и вели себя по-разному для наблюдателей, движущихся с разной скоростью в разных местах.
  • Гравитация действует не мгновенно, а перемещается с ограниченной скоростью – со скоростью света.
  • Гравитация определяется не массой и положением напрямую, а кривизной пространства, которая, в свою очередь, определяется всей находящимися во Вселенной массой и энергией.

Действие на расстоянии никуда не делось, но «силу, действующая на бесконечном расстоянии через неподвижное пространство» Ньютона заменили на кривизну пространства-времени.
Кривизна пространства-времени означает, что часы, расположенные глубже в гравитационном колодце – и, следовательно, в сильнее искривлённом пространстве – работают со скоростью, отличной от часов, расположенных в менее глубоком, менее искривлённом месте пространства. Если бы Солнце внезапно исчезло из Вселенной, мы некоторое время не узнали бы об этом. Земля не улетела бы сразу по прямой; она продолжала бы вращаться вокруг местоположения Солнца ещё 8 минут и 20 секунд. Гравитацию определяет не масса, а кривизна пространства, которую определяет сумма всей материи и энергии, находящейся в нём. Если бы вы убрали Солнце, пространство перешло бы из искривлённого в плоское состояние, но эта трансформация идёт не мгновенно. Пространство-время – это ткань, и переход должен происходить в виде некоего резкого движения, отправляющего очень большие волны – гравитационные – по Вселенной, которые распространяются по ней, как рябь по поверхности пруда.
Каждая волна, распространяющаяся в среде или в вакууме, обладает скоростью распространения. Не бывает бесконечной скорости, и, в теории, скорость распространения гравитационных волн должна совпадать с максимальной скоростью, разрешённой во Вселенной: со скоростью света. Скорость распространения волн определяется так же, как определяется скорость всего в теории относительности: их энергией и массой. Поскольку гравитационные волны не имеют массы, однако имеют конечную энергию, они должны двигаться со скоростью света. А это значит, что Земля на самом деле не привязана напрямую к местоположению Солнца в пространстве – она привязана к тому месту, где Солнце было чуть больше 8 минут назад.
Гравитационное излучение появляется всякий раз, когда одна масса движется по орбите вокруг другой, поэтому за достаточно долгое время орбиты уменьшаются. Когда-нибудь в будущем Земля по спирали упадёт на то, что останется от Солнца, если до этого никакое тело не выкинет её с орбиты. Земля привязана к тому месту, где Солнце было порядка 8 минут назад, а не к тому, где оно находится в данный момент. Это странно, и потенциально является проблемой, поскольку Солнечную систему мы изучили довольно хорошо. Если бы Земля была привязана к местоположению Солнца, которое оно занимало ≈ 8 минут назад согласно законам Ньютона, то орбиты планет не совпадали бы с наблюдениями. Однако ОТО отличается ещё и в другом аспекте. Для расчётов необходимо учесть скорость движущейся по орбите вокруг Солнца планеты. К примеру, Земля, поскольку она также двигается, в каком-то смысле «катается» на этих волнах, идущих сквозь пространство, опускаясь не там, где её подняло до этого. В ОТО есть два новых явления, которые сильно отличают её от Ньютоновской: на восприятие объектом гравитации влияет скорость каждого объекта, а также изменения в гравитационном поле.
Ткань пространства-времени, с волнами и деформациями, происходящими из-за присутствия масс. Ткань пространства, конечно, искривляется, но при движении масс через изменяющееся гравитационное поле происходит много интересного. Если вы хотите подсчитать кривизну пространства-времени в любой точке пространства, ОТО позволяет вам сделать это, но вам сначала нужно кое-что узнать. Вам нужно узнать расположение, величину и распределение всех масс Вселенной, точно так, как требовал Ньютон. Кроме того, вам нужна информация о следующем:

  • как эти массы двигаются и двигались,
  • как распределены все другие, не принадлежащие к массе, формы энергии,
  • как объект, с которого вы ведёте наблюдения, движется в изменяющемся гравитационном поле,
  • и как кривизна пространства меняется со временем.

И только вместе с этими дополнительными знаниями можно подсчитать искривление пространства в определённой точке пространства и времени.
Эволюцию пространства-времени и работу гравитации определяет не только положения и величины масс, но ещё и то, как они двигаются относительно друг друга и ускоряются в изменяющемся гравитационном поле. У этого искривления и распрямления есть свои издержки. Ускоряющаяся Земля не может просто так двигаться в изменяющемся гравитационном поле Солнца без последствий. Они существуют, хотя и маленькие, и их можно измерить. В отличие от теории Ньютона, по которой Земля должна описывать замкнутый эллипс, двигаясь вокруг Солнца, ОТО предсказывает, что этот эллипс со временем должен испытывать прецессию, а орбита медленно убывать. Промежуток времени, за который это произойдёт, может превышать текущий возраст Вселенной, но, тем не менее, орбита не будет оставаться стабильной произвольное время. Ещё до того, как мы измерили гравитационные волны, это был основной метод измерения скорости распространения гравитации. Не на примере Земли, а на примере системы с экстремальными параметрами, у которой изменение орбиты можно легко заметить: системы из двух объектов на близкой орбите, по крайней мере, один из которых — это нейтронная звезда.
Проще всего будет увидеть этот эффект, если массивный объект будет двигаться с быстро изменяющейся скоростью в сильном и меняющемся гравитационном поле. И такие условия дают нам двойные звёздные системы из нейтронных звёзд! Одна или две таких вращающихся звезды излучают импульсы, которые видны на Земле каждый раз, когда ось звезды проходит через линию прямой видимости. Предсказания теории гравитации Эйнштейна чрезвычайно чувствительны к скорости света, настолько, что уже по итогам наблюдения самого первого пульсара, двойной системы PSR 1913+16, открытой в 1980-х, (двойная система Халса-Тейлора), мы наложили ограничения на скорость гравитации, которая совпала со скоростью света в пределах погрешности измерений всего в 0,2%!
Скорость уменьшения орбиты двойного пульсара сильно зависит от скорости гравитации и орбитальных параметров двойной системы. Мы использовали данные по бинарному пульсару, чтобы ограничить скорость гравитации, и приравнять её к скорости света с точностью в 99,8%

Только на примере этих двойных пульсаров мы узнали, что скорость гравитации находится в пределах 2,993 × 108 — 3,003 × 108 м/с. Это подтверждает ОТО и исключает Ньютоновскую гравитацию и другие альтернативы.

Но механизма, объясняющего, почему пространство не искривляется, когда масса, бывшая в каком-то месте, уходит оттуда; ОТО не является объяснением этого.

Масса, движущаяся с ускорением сквозь изменяющееся гравитационное поле, будет излучать энергию, а эта энергия будет волнами, известными, как гравитационные волны, идти сквозь материю пространства-времени.

Возвращение к равновесному, неискривлённому состоянию, случается естественным путём. Оно не требует дальнейших объяснений, ОТО решает всё. [Когда Ньютона спрашивали о природе гравитации, он отвечал: Гипотез не измышляю / прим. перев.]

  • гравитация
  • теория относительности
  • пространство-время
  • эйнштейн

Источник: https://habr.com/post/415673/

Искривление пространства-времени — лекции на ПостНауке

Искажение пространства и времени

ВИДЕО Принцип Ферма заключается в том, что свет движется с затратой наименьшего времени распространения. Пользуясь этим принципом, можно вывести законы преломления света в среде: если свет попадает из воздуха в стекло, то можно выводить законы преломления, просто пользуясь этим принципом.

Это разновидность принципа наименьшего действия, который говорит, что любая частица двигается с наименьшим действием, а в пустом пространстве она двигается по кратчайшему пути.

Очевидно, что в соответствии с этим принципом в плоском пространстве свет движется по прямой.

Безусловно, принципы выводятся из того факта, что свет движется по прямой в пустом пространстве. Первично это, а не принцип. Поэтому, если у вас есть пустое пространство и свету ничего не мешает, луч света будет распространяться по прямой.

А частицы, свободно двигающиеся в соответствии с первым законом Ньютона, будут двигаться прямолинейно с постоянной скоростью. Но если свет в среде, то он может искривляться, если плотность среды меняется, лучи света могут искажаться. Это приводит к таким явлениям, как миражи.

Подчеркиваю: в пустом пространстве, где нет никакой среды, свет должен двигаться по прямой. Но представьте себе, что пространство пустое, а свет двигается не по прямой.

С точки зрения современной физики это означает, что пространство-время искривлено, потому что других причин у света искривляться нет. Например, вблизи компактного гравитирующего объекта искривлено пространство-время.

Вблизи Земли это искривление очень маленькое, вблизи Солнца чуть побольше, а вблизи нейтронных звезд относительно сильное. Вблизи черных дыр оно достигает своего экстремального свойства, искривляется очень сильно.

Проверить это можно, если рассмотреть лучи света вблизи Солнца. У Солнца есть корона — газы и частицы, вырывающиеся наружу, они играют роль среды, и лучи света, проходя через эту среду, должны искажаться, поэтому действовать нужно аккуратно. И чем дальше от Солнца, тем меньше они искажаются, чем ближе к Солнцу, тем сильнее (я имею в виду силу искривления пространства-времени).

Как увидеть, выделить одно искривление относительно другого? Для этого надо поделить концентрические кольца вокруг Солнца и посмотреть звезды в них. Все звезды в концентрических кольцах сдвинутся в разные стороны.

Надо усреднить среднюю в данном конце сдвижку и увидеть, что по мере того, как вы удаляетесь от центра Солнца, переходите к все большему радиусу кольца, усредненное смещение звезды уменьшается.

То есть ближе усредненное отклонение сильнее, чуть дальше — слабее и подчиняется некоторому закону. Получается кривая, которая согласуется качественно с предсказаниями общей теории относительности.

Я не специалист в области количественных согласований в случае Солнца, но, насколько мне известно, точности современных приборов недостаточно, чтобы увидеть разницу этого отклонения по сравнению с тем, которое я сейчас объясню.

Дело в том, что если наивно использовать формулу E=mc2 и считать, что энергия фотона определяет его массу, что безграмотно, но можно предположить такое, если считать, что масса фотона ― это его энергия поделить на c2, и воспользоваться законами Ньютона, то можно определить из ньютоновой механики, из ньютоновой гравитации искривление света в поле Солнца. И оно получится в два раза меньшим, чем-то, что предсказывает общая теория относительности.

Понятное дело, что это рассуждение про смесь ежа и ужа ― про ньютонову гравитацию и про E=mc2 ― абсолютно бессмысленное. В ньютоновой гравитации свет движется по прямой. Если вы будете проводить вычисления в ньютоновой гравитации, свет движется по прямой, без вопросов. Если он искажается, то это эффект общей теории относительности.

Ньютонова гравитация предсказывает 0,8 радианной секунды, а общая теория относительности — 1,6 радианной секунды искривления в поле вблизи Солнца. И это различие не могут показать современные приборы. Они могут только показать, что искривление есть, провести усреднение, а отличить одно от другого не могут. Это первое.

Второе. Общая теория относительности зиждется не только на этом наблюдении.

Если вдруг в пустом пространстве, в котором нет никакого газа, среды (пустое пространство может быть в окрестности гравитирующего тела, то есть в идеале у вас был бы тяжелый объект достаточно маленького радиуса, при этом достаточно большой массы, а вокруг него не было бы газа в идеале, вблизи него, за пределами его поверхности пустота), свет искривляется, это значит, что пространство-время искривляется. Потому что свет движется по кратчайшей траектории, так называемой светоподобной геодезической, как предсказывает общая теория относительности.

Физики-теоретики используют это для описания искривления пространства-времени. Они рассматривают светоподобные геодезические как воображаемую координатную сетку. Это то же самое, как координатная сетка на поверхности Земли: ее можно нарисовать из меридианов и параллелей, как на глобусе.

А могут на геодезических картах рисовать уровни поверхности и как они там искривляются вокруг какой-нибудь горы. Понятно, что это воображаемые кривые ― так же можно нарисовать воображаемые кривые, как лучи света распространялись бы в данном пространстве. Это координатная сетка в пространстве-времени.

И по тому, как она отличается от плоской, и говорят, насколько искривлено пространство-время.

Теперь стоит сказать про скорость света. Известно утверждение, что скорость света не зависит от системы отсчета.

Это утверждение верно только в плоском пространстве-времени, а не искривленном, а кроме того, только при переходе из инерциальной системы отсчета в инерциальную.

Если вы перешли в плоском пространстве-времени из инерциальной системы отсчета в инерциальную, то тогда скорость света не зависит от скорости движения одной системы относительно другой.

Но если вы перейдете в неинерциальную систему отсчета, то уже скорость света не является такой святой коровой, она может зависеть даже от координат, если вы ее понимаете как деление пространственного приращения на приращение временное. Тут она может оказаться зависимой от положения в пространстве-времени. И в кривом пространстве это тоже бывает так, но при этом свет все равно является самым быстрым. На данный момент исключений из этого принципа не найдено.

Иногда расширение Вселенной описывают коллоквиально следующим образом. Представьте себе, что это шар, на котором нарисованы точки — это галактики, и теперь кто-то надувает шар. Если этот шар надувается по определенному закону, то это описывает расширение Вселенной и то, как галактики друг от друга удаляются.

При этом может оказаться, что расширение шара будет быстрее.

Если вы возьмете плоское пространство и в нем рассмотрите расширение шара, рассмотрите удаление двух точек со скоростью света друг от друга в плоском пространстве и рядом рассмотрите надувание шара, может так оказаться, что эти две точки на шаре расходятся быстрее, чем скорость света.

Такое наблюдается, значит, при этом на шаре свет все равно движется быстрее, чем галактики. Но если сравнивать скорость разбегания галактик в расширяющейся Вселенной со скоростью движения галактик в плоском пространстве, то может показаться, что это какое-то логическое противоречие по отношению к специальной или общей теории относительности.

Специальная теория относительности

Еще раз подчеркиваю: постулатом является то, что в любом пространстве-времени и в любой системе отсчета свет является самым быстрым.

То, что его скорость не зависит от системы отсчета, является не постулатом, а следствием из свойств геометрии Минковского или свойств уравнений Максвелла. Можно вывести из одного, можно вывести из другого.

При этом в кривом пространстве-времени, расширяющемся, описывающем расширяющуюся Вселенную, свет все равно является самым быстрым.

Но если вы будете сравнивать скорость разбегания галактик в искривленном пространстве-времени со скоростью движения свободных галактик в плоском пространстве-времени, может оказаться, что расширение будет быстрее, чем скорость света. Ничего страшного в этом нет, и никакого противоречия с теорией относительности это не имеет.

Источник: https://postnauka.ru/video/83258

Искажение времени. Реальный опыт читателя!

Искажение пространства и времени

С людьми часто происходят необъяснимые явления и необычные опыты. Одно из таких явлений, которое ученые до сих пор не могут объяснить — искажение времени.

«Чаще всего люди не задумываются об истинной природе времени. Относятся к нему, как к обыденному явлению, вспоминая о нем в канун нового года, на день рождения, в годовщину свадьбы, или же в спешке глядя на часы.

Все же иногда происходят случаи, когда время волей-неволей заставляет обратить на себя внимание.

Такой случай произошел со мной. Я попал в иное пространство и испытал на себе искажение времени.

Можно подумать, что все, о чем будет сказано ниже, мне просто показалось, настолько нереальным было происходящее, но в тот момент со мной был товарищ, который подтвердил каждое мое слово».

Все начиналось с похода в магазин…

«Дело было в оживленном районе Санкт-Петербурга. У меня сломалась машина, и мне нужно было ехать за автозапчастью. Магазин находился в очень неудобном месте, куда без своего транспорта тяжело добраться.

Со мной вызвался поехать товарищ. Практически всю дорогу нам пришлось идти пешком, так как транспорт стоял в пробке. Но за беседой мы не заметили, как добрались до места.

Купив все необходимое, мы отправились в обратный путь. Тут-то и стало происходить что-то непонятное».

С нами начали происходить необычные вещи!

«Во-первых подошедший троллейбус, на котором мы хотели поехать, захлопнул двери прямо перед нашим носом, зажав мой пакет с деталями.

На все наши возмущения водитель никак не отреагировал и даже не открыл двери, просто поехал дальше. Благо пакет застрял не сильно, и я его все же выдернул.

Подошедший следом автобус просто проехал мимо, хотя такого никогда не бывает в нашем городе, автобусы всегда останавливаются на остановке.

Когда мы все же сели в трамвай, он, как специально, сломался на полпути до метро.

В итоге пришлось идти пешком. В том месте, где мы вышли из трамвая, берут начало два больших проспекта. Они расходятся лучами в разные стороны, образуя острый угол. Так как нам с товарищем необходимо было попасть в начало проспекта «А», а мы находились в начале проспекта «Б», у нас было два варианта:

1. Идти в начало проспектов и как-то пытаться перейти дорогу, так как там отсутствовали переходы, а машины шли нескончаемым потоком.

2. Пройти насквозь через дворы с проспекта «Б» на проспект «А». Угол между улицами, где мы находились, составлял не более 15 градусов, а значит идти через дворы, было короче.

Этот вариант пришелся нам по душе».

Место, которого нет на карте…

«Оказавшись во дворах, мы долго шли через узкие улочки и арки и в итоге попали в какой-то парк.

Нашему удивлению не было предела — откуда тут парк? Столько раз ездили здесь, но ни разу его не видели.

Спустя некоторое время мы обратили внимание на то, что в нем нет людей, и это в оживленном районе города!

Потом пошли какие-то болота. Мой товарищ неожиданно провалился в одно из них, и у него застрял ботинок. Нам понадобилось не меньше пятнадцати минут, чтобы вытащить обувь 47 размера (да, мой приятель парень крупный) из трясины.

Затем товарищ посмотрел мне в лицо потухшим взглядом и сказал: «Похоже, нам крышка!»

После чего паника обуяла и меня. Мы поняли, что заблудились, но это казалось нереальным. Особенно для моего друга, который учился в военном институте на топографа¹. Разволновавшись не на шутку, мы решили позвонить нашему другу, чтобы он по карте посмотрел, куда мы попали.

Странности со связью!

«Я достал телефон, набрал номер и… ничего не произошло. То есть мне вообще никто не ответил, даже оператор. После третьей попытки эстафету перехватил мой товарищ. Будучи человеком военным, он твердо решил дозвониться, но раз за разом слышал в ответ лишь тишину.

Самое любопытное, что индикатор сети и на его и на моем телефоне показывали максимальный сигнал.

Товарищ, поразмыслив логически, пришел к выводу, что мы находимся в неудачном месте, утверждая, что здесь экранируется сигнал. Он, видимо, хватался за эту мысль, как за спасательный круг.

В итоге друг полутораметровыми прыжками с кочки на кочку, как сайгак, он понесся в первом попавшемся направлении. Мои вопросы о том, куда он направился, видимо, уже не доносились до него, и мне пришлось попотеть, чтобы догнать его.

Внезапно он остановился, и когда я подбежал, он уже разговаривал с нашим «потенциальным спасителем» по телефону, после чего передал трубку мне.

Я объяснил, рядом с каким проспектом мы находимся, и попросил узнать, есть ли там поблизости парк? На что наш друг твердо заявил, что там, где мы находимся, вообще нет никаких парков. Он подумал, что мы либо пьяные, либо у нас галлюцинации, сказал, что ему надо на работу и распрощался.

Однако мы были в совершенно трезвом и адекватном состоянии.

Побродив еще немного, мы вдруг увидели асфальтированную дорогу, по ней, наконец, вышли во дворы и попали на проспект «А».

Искажение времени. 20 минут заняли 3 часа!

«Посмотрев на часы, мы обнаружили, что блуждали почти 3 часа. Это было невозможно. Весь переход должен был занять максимум 20 минут!

Позже мы пытались обнаружить этот злосчастный парк, но ни на карте, ни в той местности мы его больше не увидели. Лишь тогда мы поняли, что попали в искажение времени, другого логичного объяснения этому необычному опыту мы не нашли.

Спустя несколько лет я узнал, что такие вещи иногда происходят с людьми и называются временными аномалиями, которым ученые не могут дать объяснения и по сей день!²»

Ден

Следуете ли вы своему жизненному предназначению и получаете подарки судьбы или идете по пути проб и ошибок? Узнайте о своем врожденном даре, заложенных сверхспособностях и тех сферах деятельности, которые обогатят вас в самые сжатые сроки >>>

Примечания и тематические статьи для более глубокого понимания материала

¹ Топография — научная дисциплина, изучающая методы изображения географических и геометрических элементов местности на основе съёмочных работ (наземных, с воздуха или из космоса) и создания на их основе топографических карт и планов (Википедия).

² Некоторые научные факты о временных аномалиях вы найдете в статье: «Почему вам обязательно стоит посетить Горный Алтай?»

Источник: https://omkling.com/iskazhenie-vremeni/

10 загадок пространства-времени, которые сможет решить квантовая гравитация

Искажение пространства и времени

Общая теория относительности Эйнштейна, в которой гравитация рождается вследствие искривления пространства-времени, замечательна.

Она была подтверждена с невероятным уровнем точности, в некоторых случаях до пятнадцати знаков после запятой.

Одним из самых интересных ее предсказаний было существование гравитационных волн: ряби в пространстве-времени, которая свободно распространяется. Не так давно эти волны были пойманы детекторами LIGO и VIRGO.

И все же существует много вопросов, ответов на которые у нас пока нет. Квантовая гравитация могла бы помочь их найти.

Мы знаем, что общая теория относительности неполна. Она хорошо проявляет себя, когда квантовые эффекты пространства-времени совсем незаметны, а это почти всегда. Но когда квантовые эффекты пространства-времени становятся большими, нам нужна теория получше: теория квантовой гравитации.

Иллюстрация ранней Вселенной, состоящей из квантовой пены, когда квантовые флуктуации были огромными и проявлялись на мельчайших масштабах

Поскольку мы пока не составили теорию квантовой гравитации, мы не знаем, что такое пространство и время. У нас есть несколько подходящих теорий для квантовой гравитации, но ни одна из них не принята широко.

Тем не менее, исходя из существующих подходов, мы можем предположить, что может произойти с пространством и временем в теории квантовой гравитации. Физик Сабина Хоссфендер собрала десять поразительных примеров.

1) В квантовой гравитации в пространстве-времени будут дикие флуктуации даже в отсутствие вещества. В квантовом мире вакуум никогда не пребывает в состоянии покоя, равно как и пространство и время.

На самых малых квантовых масштабах Вселенная может быть заполнена крошечными микроскопическими черными дырами с малыми массами. Эти дыры могут соединяться или расширяться внутрь в весьма интересной манере

2) Квантовое пространство-время может быть заполнено микроскопическими черными дырами. Более того, в нем могут быть червоточины или рождаться младенческие вселенные – как маленькие пузырьки, которые отрываются от материнской вселенной.

3) И поскольку это квантовая теория, пространство-время может делать все это одновременно. Оно может одновременно создавать младенческую вселенную и не создавать ее.

Ткань пространства-времени может быть вовсе не тканью, а состоять из дискретных компонентов, которые лишь кажутся нам непрерывной тканью на больших макроскопических масштабах.

4) В большинстве подходов к квантовой гравитации, пространство-время не фундаментально, а состоит из чего-то еще. Это могут быть струны, петли, кубиты или варианты «атомов» пространства-времени, которые появляются в подходах с конденсированной материей. Отдельные составляющие можно разобрать лишь с применением высочайших энергий, намного превышающих те, что доступны нам на Земле.

5) В некоторых подходах с конденсированной материей пространство-время обладает свойствами твердого или жидкого тела, то есть может быть эластичным или вязким. Если это действительно так, неизбежны наблюдаемые последствия. Физики в настоящее время ищут следы подобных эффектов в странствующих частицах, то есть в свете или электронах, которые добираются к нам из далекого космоса.

Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. В некоторых подходах к квантовой гравитации пространство может выступать как дисперсионная среда для различных длин волн света

6) Пространство-время может влиять на то, как свет через него проходит. Оно может не быть полностью прозрачным, либо же свет разных цветов может двигаться с разной скоростью. Если квантовое пространство-время влияет на распространение света, это тоже можно будет наблюдать в будущих экспериментах.

7) Флуктуации пространства-времени могут разрушать способность света от удаленных источников создавать интерференционные картины. Этот эффект искали и не нашли, по крайней мере в видимом диапазоне.

Свет, проходящий через две толстые щели (сверху), две тонкие щели (в центре) или одну толстую щель (снизу), демонстрирует интерференцию, указывающую на его волновую природу. Но в квантовой гравитации некоторые ожидаемые интерференционные свойства могут быть невозможны

8) В областях сильной кривизны время может превращаться в пространство. Это может происходить, например, внутри черных дыр или при большом взрыве. В таком случае известное нам пространство-время с тремя пространственными и измерениями и одним временным может превращаться в четырехмерное «евклидово» пространство.

Соединение двух разных мест в пространстве или времени через червоточину остается лишь теоретической идеей, но она может быть не просто интересной, но и неизбежной в квантовой гравитации

Пространство-время может быть нелокально связано с крошечными червоточинами, пронизывающими всю вселенную.

Такие нелокальные соединения должны существовать во всех подходах, чья базовая структура не является геометрической вроде графа или сети.

Это связано с тем, что в таких случаях понятие «близости» будет не фундаментальным, а вытекающим и несовершенным, так что удаленные области могут быть случайно связанными.

10) Возможно, чтобы объединить квантовую теорию с гравитацией, нам нужно обновить не гравитацию, а саму квантовую теорию. Если это так, последствия будут далеко идущими. Поскольку квантовая теория лежит в основе всех электронных устройств, ее пересмотр откроет совершенно новые возможности.

Хотя квантовая гравитация часто рассматривается как сугубо теоретическая идея, существует множество возможностей для проведения экспериментальной проверки. Все мы путешествуем через пространство-время каждый день. Его понимание может изменить нашу жизнь.

Источник: https://Hi-News.ru/space/10-zagadok-prostranstva-vremeni-kotorye-smozhet-reshit-kvantovaya-gravitaciya.html

Booksm
Добавить комментарий