|
початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Фізика / Дослідження / |
|
МАШИНА ЧАСУ АБО
МЕХАНІЗМ ПЕРЕМІЩЕННЯ У ПРОСТОРІ І ЧАСУ
Роман Герберта Уеллса "Машина часу", як зараз стає зрозумілим, впровадив у свідомість багатьох людей ідею про реальність проекту створення пристрою, здатного переміщати людей як в минуле, так і в майбутнє. І хоча сам Уеллс пише про відвідини майбутнього, саме минуле привертає увагу дослідників і фантастів. Парадокс бабусі не дає спокою тому, хто прагне до несуперечності буття сутностей. Якщо хтось відвідає минуле, вб'є свою бабусю до появи у неї дітей, то як цей хтось взагалі не тільки міг зробити таку подорож, але і взагалі бути? Чи не означає це, що змінивши минуле ми, повернувшись в даний, опинимося в зовсім новому світі! Дуже яскраво про подібні проблеми написано в романі А.Азімова "Кінець вічності". Наука аж до 1949 року входила до проблеми створення машини часу більш ніж спокійно, оскільки ніхто не знав принципу її роботи, і, отже, не було предмета для обговорення.
У 1949 році завдяки математику Курт Гедель був відкритий механізм, на основі якого здійснюється робота машини часу.
Що це за механізм? Справа в тому, що матеріальна частинка описується в теорії відносності траєкторією, званої світової лінією. Світова лінія складається з подій. Подія - це точка, світова точка, в просторі-часі. Саме простір-час щось інше як безліч, різноманіття всіх подій у Всесвіті. У кожної світової точці простору-часу заданий світловий конус, що складається з двох половин: конуса минулого і конуса майбутнього. Світова лінія матеріальної частинки повинна завжди знаходитися всередині світлового конуса (див. Рис.1) . На кожній світової лінії тече власної час, йдуть власні годинник. Нахил і кут розчину цих конусів визначають кривизну простору-часу, якій в класичній фізиці Ньютона відповідають гравітаційні поля матеріальних тел.
рис.1 
рис.2
Виявляється, що гравітаційні поля можуть в певних випадках допускати так звані тимчасові петлі, або, як їх називали раніше, замкнуті гладкі временіподобние світові лінії. Щоб зрозуміти як вони виникають, треба на намалювати коло, яка завжди лежить всередині відповідним чином нахилених світлових конусів (Рис. 2) . Це і є машина часу. Машина часу природна, природна, якщо ми знайдемо десь гравітаційне поле, що породжує потрібний нахил конусів, тобто потрібне викривлення простору-часу. Людині поки не доводилося в своїй практичній діяльності стикатися з такими полями. Але це не означає, що вони не існують. Відкриття Геделя якраз і полягала в тому, що він запропонував модель Всесвіту, де є місце для машини часу, і ця модель витікала з рівнянь Ейнштейна.
Принцип роботи машини часу, виявлений Геделем, вступав у суперечність з класичним принципом причинності, яка стверджує, що причина завжди повинна передувати в часі слідству. Це змушувало багатьох іменитих, починаючи з Ейнштейна [E, c.313-314], відкидати з'являються в рамках загальної теорії відносності моделі простору-часу з природного, тобто "вродженої", що виникає само собою, машиною часу. Ейнштейн, хоча і високо оцінив роботу Геделя, в останній фразі про запропонованої моделі порахував, що "було б цікаво з'ясувати, чи не слід такі рішення не враховувати при розгляді на основі фізичних міркувань". Для більшості фізиків цими фізичними міркуваннями став якраз принцип причинності.
Філософ Дж.Уітроу [Уї, С. 62-63] призводить дуже сильний аргумент самого Геделя проти можливостей подорожі в власне минуле. Якби таке подорож відбулася, то або ми б в своєму минулому робили вчинки, про які повинні були пам'ятати завдяки властивостям пам'яті заздалегідь, тобто до моменту переходу в минуле, і, отже, наша свобода дій в минулому суворо обмежується, або ми намертво забуваємо про свої відвідини свого минулого. І те й інше сприймається як абсурд. Але незважаючи на це Гедель вважав, що основною перешкодою для подорожей в минуле не є логічні, а практичні проблеми, які стоять на шляху реалізації подібних проектів. У світі Геделя для це необхідно, щоб машина часу сягала швидкості рівній c / V2, де c - швидкість світла. Більш того, розрахунок запасу палива призводить до того, що маса його можна порівняти з масою Землі [P].
У 1968 році академік А.Д.Александров запропонував оцінити фізичні умови, при яких буде працювати машина часу Геделя в просторі-часі з евклідової топологією. У роботах [Gu, GD, Gud] була отримана наступна формула. Час, заміряне за деякими годинах і витрачається на подорож в минуле,
де r - щільність, навколишнього машину часу матерії, Del - величина, що залежить від потенціалу навколишнього машину часу гравітаційного поля, s - евклидова площа області, в межах якої розміщена машина часу, v - середня швидкість переміщення машини часу в просторі. Власний час мандрівника в минуле so пов'язано з часом tau співвідношенням
Отже власний час необхідне для "повернення в минуле" може бути як завгодно малим, але при цьому швидкість переміщення об'єкта, спрямованого до свого минулого повинна наближатися до швидкості світла.
Припустимо, що для просторової довжини l тимчасової петлі, відповідної машині часу, і "площі" s виконано "проевклідово" співвідношення
Тоді з (1) випливає, що при r = 10 ^ {- 31} г / см ^ 3 в разі, коли \ tau = 1 рік, маємо l = [відстань від Сонця до центру Галактики] = 8000 парсек; якщо ж l = 1000 км, то tau = 6 10 ^ {- 23} сек! Eсли прийняти tau = 1 рік і l = 1000 км, то r = 6x10 ^ {28} г / см ^ 3 !! Якщо відмовитися від умови (2), то при tau = 1 рік, l = 1000 км і r = 10 ^ {- 31} г / см ^ 3 отримуємо s = 10 ^ 9 3.14 {-1} l ^ 2. Тобто відхилення від геометрії Евкліда в просторі, де реалізуються тимчасові петлі, величезні. Це означає, що машина часу знаходиться в області дії гігантських гравітаційних полів, що знищують людський організм.
Отже, природна машина часу вимагає або її розгону до близькосвітлових швидкостей, або вона починає працювати в областях, де не виживає людський організм. Як бачимо, Гедель мав рацію, кажучи про практичні труднощі на шляху реалізації проекту машини часу.
Машина часу Кіпа Торна
У 1988 році фізики перестали "боятися" практичних труднощів. Волею Типу Торна [T1, T2, T3, T4] вони були розділені на дві категорії: труднощі, про які не треба говорити, і, труднощі, про які треба забути.
До перших були віднесена проблема зміни топології, тобто "Форми" фізичного простору. Допускалося, що це можна якось зробити, а, точніше, передбачалося, що якимось чином в простір вклеєна тривимірна ручка, і в ньому утворилася тривимірна Кротова нора. Простір стало двусвязного, "продірявленим", залишаючись при цьому зв'язковим "шматком" (Рис.3) . Як показано в роботі [GT], це вимагає гігантської концентрації енергії в невеликих обсягах, порівнянних з густиною енергії в ядрі атома. І як пояснив сам Торн при цьому ми зіткнемося з "екзотичної" матерією досі нам невідомої [T4]. Але це та труднощі, про яку не варто поки говорити.
Яка інша трудність, про яку, як говорилося вище, треба забути? Йдеться про необхідність для запуску машини часу розігнати один кінець B кротові нори до швидкості світла, пригальмувати, знову розігнати в зворотному напрямку, знову пригальмувати, пірнуть в нору, вискочити на іншому кінці A і, нарешті, як можна швидше домчати в зовнішньому просторі до кінця B. Це призведе, на думку багатьох фізиків [T2, T3, Нов, FN, SAI], до появи тимчасової петлі. Втім, замість залучення кінця B в рух зі швидкістю, близькою, що, як ми пам'ятаємо, для Геделя було основним практичним утрудненням, можна відповідно до принципу еквівалентності помістити його в сильне гравітаційне поле. Ефект уповільнення ходу власного годинника, як це має відбуватися у відповідності з теорією відносності, буде тим же (в цьому суть принципу еквівалентності). Але по суті справи ми труднощі другого категорії зводимо до труднощі першої категорії.
Рис.3. Простір з 3-мірної кротові норою
На чому заснований механізм роботи машини часу Торна? На двох припущеннях. Перша пов'язана з невеликою (внутрішньої), нехтує в розрахунках, довжиною кротові нори, тобто тривимірної ручки, і близькістю решт A і B до і після руху кінця B. Друге - з тим, що внутрішня геометрія кротові нори в процесі запуску машини часу залишається незмінною. Тому годинник, що знаходиться на кінці A, якщо дивитися через Кротова нору, залишаються синхронно йдуть з годинником, що знаходяться і рухомими (або потрапляють в сильне гравітаційне поле, якщо застосовувати принцип еквівалентності) на кінці B. У такому випадку, політавши з кінцем B, пірнувши в Кротова нору, вийшовши через через A і підлетівши до B по зовнішньому простору отримаємо тимчасову петлю, тобто машина часу звершить свою роботу. Уповільнений темп ходу годинника на кінці B означає на думку [T3] менший вік кінця B.
Рис.4. Машина часу Торна
Оскільки просуваючись від B до A через коротку Кротову ми маємо справи з синхронно йдуть годинами, то підійде до кінця A маємо практично ту ж позначку годин, що і на кінці B, а значить набагато ранню, що відповідає минулому кінця A, ніж показують годинник весь час залишалися на кінці A, поки йшли всі описані щойно дії (Рис.4) .
Запропонований механізм роботи машини часу викликає ряд заперечень, які змушують засумніватися в реалізації даного проекту Торна.
Перш за все важко погодитися з тим, що забарилися хід і тому відстали в своєму бігу годинник рухається кінця B можуть бути співвіднесені з ранньої відміткою часу часу кінця A. Цей годинник не можуть бути синхронізовані з ранньої відміткою часу кінця A через Кротова нору, оскільки кінці A і B виявляються відповідно до принципів еквівалентності в різних фізичних умовах. Кінець A знаходиться у власному гравітаційному полі, яким в розрахунках можна знехтувати, як і власним гравітаційним полем кінця B. Але кінець B знаходиться ще в найсильнішому фіктивному гравітаційному полі (або знаходиться в прискореної системі відліку), яке і визначає уповільнення ходу зовнішніх годин кінця B . Це власне час рухається кінця B. Його плутають з внутрішнім часом кротові нори [Кон, Кон1].
Зі сказаного вище видно, що заперечення викликає невикористання 3-мірних кротячих нір як машини часу, а то, що за рахунок простого механічного руху одного кінця нори намагаються домогтися появи тимчасової петлі. Тимчасова петля - це властивість викривленого простору-часу. Можна змінити його топологію, отримати Кротова нору. Але це означає і відповідну зміну нахилу світлових конусів. Світлові конуса повинні бути нахилені так, щоб увійшовши в нору можна було вийти в минулому іншого кінця, тобто на виході з нори. Це діяльність спрямована на зміну стріли потоку часу у Всесвіті. Дуже наочно видно як в норі час має текти в протилежному напрямку видно на рис.4. Стріла часу в норі (стрілка у пунктирною лінії) спрямована вниз, тоді як потік часу у Всесвіті - вгору. Єдиний напрямок потоку часу в області, де повинна бути запущена в дію машина часу може бути зруйновано (і повинно, раз з'являються тимчасові петлі), але це відбувається при народженні кротові нори, а ніяк ні за рахунок кінематичних процедур з готовою кротові норою.
Очевидно, що існують такі рішення рівнянь Ейнштейна зі складною топологією (в даному випадку з 3-мірної кротові норою - [SAI, SA]), і думається, що можна побудувати такий простір-час, здійснюючи "врізку" кротові нори, але чи можна змусити в реальності змінити напрямок стріли часу і сподіватися, що вдасться вискочити через Кротову нори в минулому? Або наш простір-час спочатку так влаштовано, чого ми на Землі, втім, не спостерігали, або такі моделі практично не реалізовуються! І це практична труднощі принципово інша, ніж ті про які йшлося раніше. Це проблема зміни стріли часу.
Здається це один із заборон природи [GTM].
Машина часу як 4-мірна Кротова нора
Уявімо, що від тривимірного простору, в якому ми з вами живемо, відривається шматочок, що містить деякий предмет. Тоді він розчиниться, зникне прямо на очах, бо світло від нього не буде вже доходити до нас. Злившись знову з простором, матеріалізується, виникне з нічого.
Відрив шматка простору - це утворення чотиривимірної "кротові нори в просторі-часі, а не тривимірної, про що говорилося в п.2.
На рис. 5 зображено політ у власне минуле через 4-мірну Кротова нору.
Виникають два питання, на які потрібно відповісти:
1) Чи можна відірвати шматок простору?
2) Якщо можна, то як його потім "приліпити" до потрібного місця в минулому так, щоб ═образовалась тимчасова петля? Адже ═оторвавшійся шматок простору сам живе в часі, рухаючись в напрямку Стріли або Потоку Часу, зазначеного нашого Всесвіту спочатку, з моменту її зародження? Раніше ми вже висловлювали сумнів у можливості людини змінювати напрямок Стріли часу.
Проте на обидва питання можна відповісти позитивно.
Рис.5. Машина часу в вигляді 4-мірної кротові нори
Простір, що є тривимірною поверхнею в просторі-часі, характеризується кривизною. Навіть двома. Одна з них - внутрішня, визначається без "погляду зі сторони" четвертого виміру. Це скалярная кривизна R (x), де x - точка в просторі-часі. Інша - зовнішня кривизна K (x) - викривленість простору в чотиривимірному просторі-часі. Відрив кулі D від простору відбувається за рахунок різкої зміни середньої кривизни R в області D. Умова розриву має вигляд
де delta (R) - стрибок кривизни, s - характерна площа двовимірного перетину області D. Передбачається, що зовнішня кривизна K не змінюється.
Простір з плином часу може змінювати свою геометрію, наприклад, розширюватися, і, отже, змінювати свою кривизну. З точки зору загальної теорії відносності геометрія простору визначається розподіл матерії. Зв'язок між кривизною простору і розподілом матерії описується рівняннями Ейнштейна. З них, зокрема, випливає, що
де G - гравітаційна стала, c - швидкість світла, epsilon (x) - щільність енергії, розподіленої в просторі матерії.
Тоді з (3), (4) отримуємо умову відриву кулі D від простору
Отже, різке зростання delta (epsilon) значення щільності енергії в кулі D і є причиною його відриву від простору [G94].
Формула (5) дозволяє розрахувати енергетичні параметри, якими повинна володіти рухова установка машини часу.
Якщо відривається куля, що має об'єм 1 км ^ 3, то силова установка здатна створити щільність енергії 10 ^ {33} ерг / см ^ 3. Це дуже і дуже багато! Наприклад, термоядерна бомба характеризується набагато меншою щільністю енергії - 10 ^ {22} ерг / см ^ 3. Залишається сподіватися, що або в майбутньому ми зуміємо створювати такі концентрації енергії, або вдасться уточнити дану оцінку, зменшивши її, наприклад, за рахунок обліку зовнішньої кривизни простору K (x).
А як бути з необхідністю руйнувати напрямок Стріли часу? Вихід з цієї скрути бачиться в тому, що треба використовувати 5-мірні теорії простору-часу, оскільки в такому випадку можливий відповідь на наступне запитання: чи не можна вийшовши з 4-мірної кротові нори в 5-е вимір по природною Стріли часу, що задається узагальненими 5-мірними світловими конусами просто "натрапити" на минуле? Можна, можливо. Для цього, 4-мірний простір-час має бути згорнуто у вигляді пружини в 5-вимірному просторі-часі, нескінченно намотуючи на саме себе [GS, GJ, G14, GIV]. Таке 4-мірний простір-час математики називають пружинним шаром (див. Рис.6) .
Рис.6. Простір-час, згорнуте в пружину в 5-вимірному просторі - часу
Іншими словами, в 4-вимірному пружинному просторі-часі існують події, що належать "Справжньому", як завгодно близько з точки зору 5-мірного простору, від яких в 5-вимірному світі лежать події з як завгодно далекого майбутнього (або Минулого). Рух уздовж п'ятої координати в напрямку, що задається деяким вектором gamma ^ A призводить до нескінченного "протикає" фізичного 4-мірного простору-часу в точках майбутнього або минулого. Минуле знаходиться буквально поруч, його не треба довго шукати в надрах 5-мірного світу. Метрична ступінь близькості Минулого характеризується вектором gamma ^ A і пов'язана вона зі скалярним і електромагнітним полями, як це випливає з 5-мірної теорії електрогравітації [GIV].
Цікаво, що існує природне перешкоджання проникненню в "найближчим" Минуле, оскільки 5-мірні світлові конуси не можуть швидко нахилятися.
Розрахунки показують [GS, GIV], що для запуску машини часу їй необхідно надати електричний заряд. При цьому в 5-мірної теорії цілком допустимо, щоб в такому випадку машина часу, як заряджене пробне тіло, рухалася по так званій геодезичної. Значить 5-мірні рівняння (тимчасових) геодезичних визначають закони переміщення машини часу в 5-вимірному просторі-часі. При цьому вихідна маса машини часу m і вихідний заряд e не можуть бути довільними: має виконувалася умова e / 2m \ sqrt {G}> 1. Цьому обмеження, наприклад, не задовольняє електрон.
Начебто все добре складається. Але ж для того, щоб даний проект міг бути реалізований необхідно закрученности 4-мірного простору-часу в пружину. А якщо воно не є таким? Існує цікава математична теорія листкове 5-мірного світу, за якою цей світ п'яти вимірювань складається з нескінченного числа шарів, одним з яких є наше фізичне 4-мірний простір-час, і цілком допустимо штучне закручування якогось шару в пружину. Отже, чисто фізичні експерименти, що проводяться за певними проектами, здатні вплинути на розташування 4-мірного простору-часу як шару в осяжний 5-вимірному різноманітті, змушуючи його нескінченно намотується на себе, утворюючи пружину [G96].
Але чому цим скручують шаром виявляється саме наш простір-час серед безлічі інших рівних? Для того, щоб відповісти на це питання, здається, будуть потрібні швидше філософські міркування, ніж фізичні. Адже якось треба пояснити чому для опису простору-часу досить одного шару, а багатовимірні моделі з необхідністю надають континуум "зайвих" шарів.
Знову утруднення. Гедель тисячу разів мав рацію, кажучи про труднощі при реалізації подорожей в минуле. Машина часу не просто мрія. Це нескінченний шлях пізнання Часу. Ми ж тільки в його початку.
Джерело: Alexander K.Guts "Time machine" .1997. P.61-69
Версія для друку
PS Матеріал захищений.
Дата публікації 25.01.2004гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.