Persiųsti į praeitį • Hayk Hakobyan • Populiariosios mokslinės užduotys "Elementai" • Astrofizika

Persiųsti į praeitį

Viena iš intriguojančių kosmologijos ir bendrosios reliatyvumo teorijos prognozių yra kosminių styginių egzistavimas, vienarūšiai topologiniai mūsų erdvės defektai, kurie teoriškai gali formuotis ankstyvojoje Visatoje.

Jei mes įsivaizduosime, kad mes gyvename plokštumoje, eilutė yra taškas (ar tiesi linija, statmena plokštumai), nes buvimas, atrodo, išmeta dalį erdvės, o erdvė yra priklijuota atgal išilgai ištrauktos dalies sienos (1 pav.). Dėl tokio defekto, dvi sijos, kurios buvo iš to paties objekto (tarkim, tolimojo kvazaro) skirtingomis kryptimis, gali sugrįžti. Tuo pačiu metu jie judės tiesia linijomis, perduosite priešingą eilutės pusę ir sukursime du skirtingus kvazaro vaizdus.

Pav. 1. Scheminis kosminės eilutės įtaka erdvėje ir "lęšio" poveikis. Paveikslas iš knygos "Sveiki atvykę į Visatą"

Čia turi būti šiek tiek atsargūs žodžiais, nes toks poveikis yra netiesiogiai gravitacinis lęšis bendrojoje reliatyvumo teorijoje, kuri kyla dėl erdvės kreivumo pagal masę. Tiesą sakant, erdvė aplink stygą yra visiškai plokščia, o statiniai stebėtojai nejaučia jokios veiksmingos masės ir, atitinkamai, gravitacinės jėgos.Šis poveikis yra grynai topologinis, susijęs su erdvės geometriniu defektu.

Vienas iš nuostabių "lęšio" efektų pasekmių yra galimybė keliauti "greitesne" šviesa. Pav. 1 rodo du kelius iš to paties kvazaro į Žemę, kurio vienas kelias yra trumpesnis už kitą.

Paimkime už tam tikrą apibrėžimą, kad ilgesnis kelias yra 10 šviesmečių, o trumpesnis – 5. Tada stebėtojas, judantis palei antrą kryptį, greičiui, tarkim, 0.8 šviesos greitis (kuris yra visai įmanomas) ateis į Žemę anksčiau (per 6,25 metų) nei šviesa, kuri persikėlė per pirmąjį kelią (10 metų). Nepaisant visų paradoksų, toks poveikis yra ne tik įmanomas, jis buvo pastebėtas (daugiau apie tai pasakojama)!

Pasirodo, kad raketa "gali" išskleisti "iš kvazaro vėliau nei šviesos spindulys, tačiau, pasirinkęs trumpesnį kelią, vis dėlto pasiekia Žemę prieš tą pačią spindulį. Tokios "superluminal" trajektorijos yra vadinamos erdviai panaši. Paprastos geometrijos atveju judėjimas palei tokias trajektorijas neįmanomas, nes tai reiškia, kad judėjimas yra greitesnis nei šviesos greitis.

Paprastai sakoma, kad du įvykiai atskiriami erdvės segmentu,jei šie įvykiai teoriškai neturi įtakos vieni kitiems (signalas negali eiti greičiau nei šviesa išilgai kosminės linijos trajektorijos). Pvz., Du sprogimai 10 šviesmečių atstumu vienas nuo kito įvyko 5 metų skirtumu: šie du įvykiai jokiu būdu negali turėti įtakos vieni kitiems įprastoje erdvėje be defektų. Puikus tokių įvykių turtas yra tai, kad visada galima rasti tokį stebėtoją (judantį tam tikru greičiu), kurio metu šie du įvykiai įvyksta vienu metu.

Jei šis faktas nėra jums susipažinęs, nesijaudinkite, visi paaiškinimai bus pateikti epiloge. Šiuo metu tai laikoma savaime suprantamu dalyku.

Visų pirma, kosminės virvės atveju, nes trajektorija palei trumpąjį kelią Nr. 2 yra "greitesnė" nei šviesos judėjimas ilgu keliu Nr. 1, šis kelias bus erdvinis panašus. Todėl tam tikram stebėtojui, judančiam tam tikru greičiu (kuris, žinoma, yra mažesnis nei šviesos greitis), palyginus su keliu Nr. 1, atstumas nuo erdvėlaivio iš kvazaro ir atvykimas į Žemę bus vienu metu įvykiai!

Ar galima naudoti tokį nuostabų kosminių stygų poveikį mūsų savanaudiškiems tikslams? Leiskite šiek tiek apsunkinti geometriją: leiskite būti dukosminės stygos (2 pav.). Tokiu atveju yra du trumpi maršrutai Nr. 1 ir Nr. 3 (jie abu trumpesni nei tiesioginis maršrutas Nr. 2).

Pav. 2 Geometrija erdvės su dviem kosminės stygos. Paveikslas iš knygos "Sveiki atvykę į Visatą"

Užduotis

Atradęs potencialiai gyvenamą planetą B už dviejų kosminių grandžių, ekspedicija iš planetos A pradėjo ją studijuoti. Vėliau pasirodė, kad Planeta B buvo visiškai nepelninga, o gudrus ekspedicijos kapitonas nusprendė grįžti laiku ir įspėti save ir komandą prieš ekspediciją, pasmerktą gedimui.

Ar tai įmanoma? Jei taip, kokiomis sąlygomis ir kokios instrukcijos turėtų būti teikiamos kapitonui? Jei ne, kaip galite paaiškinti negalėjimą?


1 patarimas

Ką daryti, jei eilutės neatsilaiko, o judesys? Ar tai ką nors pakeičia? Iš tikrųjų stebėtojo judėjimas, palyginti su stygine, ar styginių judėjimas, palyginti su stebėtoju, yra tas pats.


2 patarimas

Pabandykite naudoti erdviniu požiūriu panašias trajektorijas. Jei triukas veikia vieną kartą, tada jis gali būti kartojamas, o antrasis.


Sprendimas

Nepaisant to, kad užduotis yra baigta iki balandžio 1 d., Čia nėra sugavimų. Tokia kelionė į praeitį yra iš tiesų teoriškai įmanoma, ir buvo aprašyta straipsnyje "JR Gott" "Closed timelike solutions" 1991 metais.Supraskime, kaip tai įmanoma.

Taigi, yra du įvykiai, susieti su erdvės panašiu intervalu: ekspedicija nukrypsta nuo planetos A ir pasiekia planetą B pagal maršrutą Nr. 1 (žr. 2 pav.). Intervalas yra erdviniu požiūriu panašus, nes šviesa palei tiesioginį kelią Nr. 2 nuo A iki B eina ilgiau nei erdvėlaivis palei kelią Nr. 1. Kadangi intervalas yra erdvinis, galima rasti stebėtoją, judantį tam tikru greičiu keliu Nr. 2 (į kairę), į kurį atrodo, kad šie du įvykiai (išvykimas iš A ir atvykimas į B) įvyko vienu metu. Pakviesime šį stebėtoją Marty.

Tiesą sakant, kartojame: už Marty, plaukdamas dideliu greičiu į kairę, paradoksalu, kaip tai gali skambėti, ekspedicija tuo pačiu metu palieka planetą A ir atvyksta į planetą B. Atkreipkite dėmesį, kad iš esmės niekas nepasikeis, jei vietoj Marty skrenda į kairę skrendant eilutę numeris 1: tai kaip perkelti į naują nuorodų sistemą. Taigi, tiems, kurie ramybėje (bet kuriame kelio taške Nr. 2) Marty vietoje (su styginiu, skriejančiu dešinėje), šie du įvykiai taip pat bus vienodi.

Faktą galima pakartoti, dabar grįžęs iš planetos B atgal į planetą A kelio numeriu 3 (tai yra, aplink antrą eilutę).Ir vėl, jei antroji eilė juda į kairę tam tikru greičiu, Marty atrodo, kad ekspedicija išvyks iš planetos B tuo pačiu metu, kai atvyks į planetą A.

Pasirodo, kad jei dvi eilutės judės labai greitai į priešingas puses, tada poilsiui stebint yra trys įvykiai – ekspedicijos pradžia planetoje A, atvykimas į planetą B (keliu Nr. 1) ir grįžimas atgal į planetą A (palei kelią Nr. 3) – atsiranda vienu metu!

Pav. 3 paveiksle parodyta, kaip ši kelionė atrodys jau Marty požiūriu jau ramiai. Tokių diagramų objektų trajektorijos dažnai vadinamos pasaulio linijomis. Vienoje vietoje atsiliepusiems objektams pasaulio linija yra tiesiog vertikali tiesa, nes ji "juda" tik laiku. Atsižvelgiant į tai, kad stygos sklendžia priešinga kryptimi, jų pasaulinės linijos yra dvi susikertančios tiesios linijos. Jei šią diagramą sutvarkysite horizontalioje plokštumoje tam tikru aukštyje, laiku gausite gabalėlį: momento nuotrauką tam tikru momentu. Taigi, du įvykiai, esantys toje pačioje horizontalioje plokštumoje, vyksta vienu metu.

3 pav. Kelionės laiko schema su dviem eilėmis, greitai skrendanti priešinga kryptimi. Pagal šią schemą laikas eina kartu vertikali ašisir erdvė yra dvimatis. Paveikslas iš knygos "Sveiki atvykę į Visatą"

Todėl mes gauname tokį ekspedicijos planą. Jis prasideda nuo planetos A (vertikali linija rodo, kad ekspedicija buvo šioje planetoje kurį laiką prieš pradedant). Prieš išvykimą kapitonas regi save iš ateities, tiesiog nusileido iš planetos B. Tada jis skrenda aplink judančias stygas į planetą B, esančią horizontalioje plokštumoje (nes likusio Marty jo išvykimas ir atvykimas vėl atsiranda tuo pačiu metu). Tada jis grįžta į planetą A ir susitinka su praeitimi.


Po žodžio

Nesvarbu, kaip paradoksaliai ir nenatūraliai tai gali kilti, teoriškai tokia kelionė yra gana įmanoma atsižvelgiant į bendrąją reliatyvumo teoriją. Faktas yra tas, kad visi GR įstatymai (įskaitant energijos išsaugojimo įstatymą ir priežastingumo principą) yra tik vietinio pobūdžio. Kitaip tariant, plokščioje geometrijoje be jokių defektų ir ypatumų (pavyzdžiui, jei erdvė yra tuščia arba jei mes atsižvelgiame į įstatymus šalia laisvai krintančio stebėtojo), viskas iš tikrųjų turėtų būti išsaugota ir būti priežastiniu ryšiu.Tačiau apskritai tai nėra atvejis: erdvėje-laikais gali būti kokių nors keistų dalykų.

Kitas kelionės laiko pavyzdys, naudojant ne trivialią erdvės geometriją, yra Alcubierre variklis (žr. M. Alcubierre, 1994. Warp diskas: hiper-greitas važiavimas pagal bendrąją reliatyvumo teoriją), kuris tam tikru būdu iškreipia erdvę, traukdamas jį po erdvėlaiviu, leidžianti keliauti bet kuriuo greičiu. Kitas pavyzdys yra kirmgraužos, kurios gali susieti dvi nutolusias Visatos dalis. Naudojant tokius geometrinės eksotikų tipus, galima visapusiškai judėti laiku (pavyzdžiui, Alcubjerre varikliui tai aprašyta straipsnyje A. E. Everetas, 1996. Metodas ir jo priežastys).

Verta paminėti, kad sprendime Gotta, taip pat visose kitose egzotinėse geometrijose, kur galima keliauti laiko, yra mažai niuansų. Laiko kelionė ne visada įmanoma, bet tik tam tikroje vietovėje (3 pav. Tai yra laukas už mėlynų spurgų). Kitaip tariant, negalima keliauti "be galo" atgal į praeitį.

Tokios ribotos srities egzistavimas – "Kochio horizontas" – yra tokios keistos geometrijos bendroji nuosavybė. Jei įsivaizduojatekad 2100 m. mes kažkaip sukūrėme laiko mašiną (padedant dviem judančiomis stygomis arba metmeniniu pavaromis Alcubierre), mes negalėsime tarkim "plaukioti" 2018 m. nuo 2150 m. (galėsime skristi tik po 2100 m.). Tai visų pirma paaiškina garsų Hawking paradoksą apie tai, kodėl mes neatitikome laiko keliautojų.

Ar sijos tikrai egzistuoja? Šiuo metu nėra kosminių styginių egzistavimo įrodymų, tačiau yra labai griežti apribojimai (nuo stebėjimų ir Visatos kilmė teorijos) apie tokių stygų skaičių stebėtoje Visatoje.

Tačiau akivaizdu, kad turi būti tam tikros apgaulės? Ar neįmanoma tiesiog keliauti ir keliauti per laiką, netgi esant tokiems apribojimams? Ką apie pasaulinį priežastinį ryšį?

Čia yra sugavimų. Faktas yra tai, kad nors mes laikėme gryną kinematinę – materialių taškų judėjimą kai kur sudėtingoje geometrijoje erdvės-laiko. Tačiau pasaulis nesudaro vakuumo ir materialinių taškų, joje yra laukai ir jaudinimai. Faktas yra tas, kad jei papildomai prie kreiviojo erdvės-laiko (ty gravitacijos) papildomai atsižvelgiame į kvantinius laukus (iš kurių mes visi esame), tada pabandykite atlikti tą pačią analizę, nuotrauka tampa šiek tiek sudėtingesnė.

Problema ta, kad išlenktoje erdvėje-laiko vakuumas iš tiesų nėra vakuumas: jei iš pradžių tuščia erdvė yra išlenktas, stebėtojas gali matyti (registruoti) daleles, atsiradusias iš vakuumo. Lygioje erdvėje tai taip pat atsitinka – virtualiosios dalelės nuolat gimsta ir sunaikinamos, bet pusiausvyra niekada nesibaigia, ir mes nematome tikrų dalelių. Tačiau išlenktoje erdvėje šis balansas yra sutrikdytas. Pavyzdžiui, šalia juodosios skylės horizonto dalelės gali formuotis iš vakuumo (Hawkingas spinduliuotė). Ir į Cauchy horizontą (dviejų styginių geometrijos atveju) gali būti tam tikras Hawkingo spinduliuotės analogas iš vakuumo.

Visų pirma, "Alcubierre" variklyje "paprastų" skaičiavimų rodo (S. Finazzi ir kt., 2009 "Dinaminių diskų pavarų puslaidininkinis nestabilumas"), kad ši spinduliuotė gali būti be galo intensyvi horizonto formavimo metu ir "sunaikins" viską viduje kapsulės. Šie skaičiavimai yra "paprasti" ta prasme, kad jie nėra paremti nepriklausoma teorija kvantinės gravitacijos, kuri yra tiesiog būtina nuoseklių rezultatų, bet pusiau klasikinis metodas: lauko teorija fone (!) Iš išlenktos erdvės-laiko (ty geometrijos reakcija į laukai neatsižvelgiama, jie yra atskirti vienas nuo kito, kuris nėra visiškai fizinis).Todėl, žinoma, tokius rezultatus reikia vertinti atsargiai.

Tačiau, vis dėlto, tai duoda keletą patarimų, kad, nepaisant mūsų gudrybės bandant apgauti laiką, gamta gali tapti gudresnė nei mes.

Užduotis remiasi John Richardo Gotto kūriniais apie kosminių stygų kosmoso geometriją.

Pagalba apie specialią reliatyvumo teoriją

Norėdami sužinoti, kodėl už du įvykius, kurie yra atskirti tarpusavyje erdvės panašiu intervalu, galite rasti stebėtoją, kuriam šie įvykiai įvyksta vienu metu, leiskite kreiptis į specialiosios reliatyvumo teorijos diagramas, kurių viena parodyta pav. 3. "Youtube" kanalo miniafizikoje yra puikus vaizdo įrašas apie tai, kaip galvoti apie tokias diagramas:

Pav. A (kairėje) parodyta tokia diagrama: grafinėje diagramoje pavaizduotas laiko koordinatė (kai įvykis įvyko), horizontalioje ašyje priskiriama erdvinė koordinatė (kur vyksta įvykis). Siekiant patogumo, mes išmatuosime laiką keleriais metais ir ilgį – šviesmečiais (tai atstumas, kurį šviesa keliauja per metus).

Pav. A. Kairėje – įvykių diagrama su dviem laiko ir erdvės sritimis. Dešinėje – vienu metu vykstantys ir ne vienalaikiai renginiai

Renginiai, kurių laikas (metais) yra ilgesnis už atstumą iki jų (jų pačių metais), vadinamos laikinais, o įvykiai, kurių laikas yra mažesnis, yra erdviai panašūs. Skirtumas tarp šių įvykių yra tas, kad mes negalime paveikti į kosmosą panašių įvykių (jie yra raudonoje diagramoje), nes tam turėsime nusiųsti signalą, kuris turės skristi greičiau nei šviesa, ir tai neįmanoma. Pavyzdžiui, fig. Ir (kairėje) raudonas taškas žemiau yra tik toks įvykis. Tai įvyks per 2 metus 10 sv. metai nuo mūsų. Ir norint paveikti šį įvykį, reikės judėti vidutiniu 5 greičiuc (ty 5 kartus greičiau nei šviesos greitis).

Kita vertus, lengva parodyti, kad galime paveikti mėlynosios zonos įvykius. Žalia linija, kuri eina 45 ° kampu, yra lengva linija, rodanti, kaip šviesa plinta: per 10 metų ji praeina 10 taškų. metai Atitinkamai, linijos mažesniu kampu į ašį x atitinka superluminalius greičius, pagal bapieviršuje – dosvetovymi.

Renginiai vadinami vienu metu, jei jų laiko koordinatės yra vienodos. Pavyzdys parodytas dešinėje fig.A: du apatiniai įvykiai įvyksta tuo pačiu metu. t1 ir mums jie yra vienu metu.

Tačiau vienalaikiškumas specialioje reliatyvumo teorijoje nėra absoliutus dalykas: du vienu metu įvykiai vienoje informacinėje sistemoje gali pasirodyti ne vienu metu kitoje. Pav. B rodo tik tokį pavyzdį.

Pav. B. Dvi sistemos vienu metu (t, x) įvykiai (kairėje) sistemoje yra ne vienu metu (t\’, x") ir atvirkščiai (dešinėje). Taškinės linijos laikoma lygiagrečiai ašims x ir x\’

Sistemoje (t, x) tuo pačiu metu vyksta du įvykiai t1. Šiuo atveju sistemos stebėtojui (t\’, x'), kuris juda tam tikru greičiu, palyginti su pradine sistema, šie du įvykiai yra ne vienodi dėl to, kad ašys yra suspaustos (galima parodyti, kad kuo didesnis greitis, tuo didesnė ašių suspaudimas su šviesos linija). "Minutefysics" išsamiai apibūdina, kodėl tai vyksta:

Priešinga situacija parodyta fig. B dešinėje: du vienu metu įvykiai stebėtojui sistemoje (t\’, x") įvyko šiuo metu t\’1, atsiranda ne vienu metu stebėtojui sistemoje (t, x).

Kyla klausimas: ar dėl dviejų įvykių A = (tA, xA) ir B = (tB, xB) galima pasirinkti atskaitos sistemą (ty tokį stebėtojo greitį), kuriam du įvykiai įvyks vienu metu: \ (t_A '= t_B' \)?

Pasirodo, kad ne. Žiūri į picą. B, ir vadovaudamiesi anksčiau aprašyta logika, galima lengvai patikrinti, ar įvykiai, susiję su raudonais intervalais (kurių kampas yra su ašimi x daugiau nei 45 °), tai neįmanoma padaryti, o įvykiai, susiję su mėlynais intervalais, yra įmanomi. Todėl rodomi intervalai šiame paveiksle pasirodo laikina, o mėlyni – erdvėje. Jei du įvykiai atskiriami tarpu panašiu intervalu, tuomet niekas negali daryti kitokio poveikio!

Pav. V. Įvykiai, atskirti tarpu panašiu (mėlynas) ir laiko juostos (raudona) intervalai


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: