Искривленное пространсво

Абстракт

Цель работы:

Изучая исследования ученых и используя самые логичные аргументы, доказать кривизну пространства.

Задачи исследования:

1. Изучить понятие- искривленное пространство.

2. Изучить исследования ученых об искривленном пространстве

3. Изучить Риманову геометрию и сравнить с результатами исследования

4. Привести аргументы¸ доказывающие кривизну пространства

Актуальность работы:

Так как искривленное пространство очень сильно мешает для проведения измерений и наблюдений, мы можем не только допустить ошибки в важных сейчас сферах, но и не можем создать нужные сейчас технологии.

Новизна исследования:

Приведены аргументы, доказывающие кривизну пространства, которая ведёт к новым открытиям.

Самостоятельно были проведены следующие работы:

1. Изучен теоретический материал на данную тему.

2. Проведено исследование теоретического материала.

3. Создан проект.

Методы достижения поставленной цели:

Методы исследования в работе были теоретические и практические. Основываясь на исследованиях ученных приведены аргументы и доказательства того, что мы живем в искривленном пространстве.

Abstraction

Project's purpose:

By studying the scientists' researches and using the most logical arguments, prove the curvature of space.

Research's Objectives:

1. To study the concept of curved space.

2. To study the research of scientists about curved space

3. Give arguments¸ proving that we live in a curved space

Relevance of work:

Since the curved space prevents so much in the measurement and observation, we can not only make mistakes in the important jobs now, but we can not create needful technologies..

The novelty of the study:

Arguments that prove the curvature of space are given, lead to the new discoveries.

The following works were carried out independently:

1. The theoretical material on this topic has been studied.

2. A study of theoretical material.

3. The project is created.

Methods to achieve the goal:

The research methods in the work were theoretical, Based on the Riemannian geometry, arguments and evidence are given that we live in curved space.

Содержание

Абстракт

Введение...............................................................................................................4-5

Теоретическая часть

1.1 Искривленное пространство…………...….………………..…….......…6-11

1.2 Общая теория относительности….………..…..……………..……….....11-15

1.3 Влияние искривленного пространства на время и окружение ……....16-19

1.5Модельное представление искривленного пространства……….…......19-20

1.5 Доказательства того ,что мы живем в искривленном пространстве..20-21

1.6 Исследование искривленного пространства…………………..............21-22

Заключение………..…………………..….………………………………....23-24

Введение

Альберт Эйнштейн — один из самых известных физиков XX века. Однако, помимо удивительных теорий, невероятно точно описывающих крупномасштабный мир, он выявил один любопытный феномен: чем сильнее гравитация, тем медленнее идет время.

Свою первую известную на весь мир теорию Эйнштейн назвал Специальной теорией относительности. Она была специальной, так как имела дело с постоянными скоростями. Чтобы примирить ее с реальным миром, в котором объекты постоянно ускоряются и замедляются, ему было необходимо исследовать последствия своей теории, когда речь заходила об ускорении. Эта попытка обобщить и учесть все общие феномены привела к открытию отношения между временем и гравитацией. Эйнштейн назвал свою новую теорию Общей теорией относительности.

Ньютон считал, что поток времени похож на стрелу. Оно непоколебимо движется только в одну сторону — вперед. Эйнштейн предположил, что время изменяется обратно пропорционально скорости. И благодаря своей текучести, подобно пространству, оно «заслуживало» собственного измерения. Более того, Эйнштейн утверждал, что пространство и время представляют собой единое целое — гибкую четырехмерную ткань, на которой происходят все события Вселенной. Он так и назвал это — ткань пространства-времени. Когда физик опубликовал свою работу со всеми ее выводами, ее встретили с недоверием. 

Согласно Общей теории относительности, вещество растягивает и сжимает ткань пространства-времени. Получается, что объекты не притягиваются к центру Земли каким-то таинственным образом, а скорее, наоборот, подталкиваются искривленным пространством вокруг себя. Подобно склону, искривление пространства-времени ускоряет объекты, движущиеся вниз, хотя степень этого ускорения не всегда одинакова. Сила гравитации возрастает с приближением к поверхности Земли, где искривление интенсивнее.

Искривленное пространство тесно связано с общей теорией относительности. Давайте разберемся что это такое: В Ньютоновской картине гравитации пространство и время – абсолютные, фиксированные значения, а в Эйнштейновской картине, пространство-время – единая, объединённая структура, в которой неразрывно переплелись три пространственных и одно временное измерение

Гравитация, возможно, была первым фундаментальным взаимодействием из открытых, но, во многих отношениях остаётся в наименьшей степени понятной. Мы знаем, что она всегда притягивает, и что две любых массы во Вселенной, вне зависимости от их расположения, будут испытывать её воздействие. Когда Эйнштейн придумал свою Общую теорию относительности, одним из её прорывов было признание того, что пространство и время комбинируются в одну сущность: пространство-время. Другим было то, что присутствие материи и энергии искривляет саму ткань пространства-времени, и что искривлённое пространство-время, в свою очередь, диктует, как двигаться материи.

1.1 Искривленное пространство

Кривизна пространства-времени вокруг любого массивного объекта определяется комбинацией массы и расстояния от центра масс. Однако такое изображение пространства-времени в виде двумерной сетки не обязательно является наилучшим способом восприятия данной картины

Вы наверняка видели изображение изогнутой двумерной сетки, изображающей пространство, на которой расположены массы, и знаете, что подобных изображений довольно много. Они вроде бы изображают ткань пространства, искривляемую присутствующей в нём массой, и, следовательно, путь любой другой частицы, идущий по этой ткани, будет искривлён по направлению к источнику гравитации. Чем крупнее масса, чем ближе вы к ней подбираетесь, тем больше кривизна, и, следовательно, больше искривление.

Интуитивно это вроде бы совпадает с экспериментами и наблюдениями, предпринятыми за последние 100 лет в целях проверки и подтверждения ОТО. Такая картина вроде бы соответствует и искривлению звёздного света, видимому во время полного солнечного затмения, и эффекту гравитационного линзирования – по крайней мере, качественно.

Результаты экспедиции Эддингтона 1919 года определённо показали, что ОТО правильно описывает искривление света звёзд, проходящего мимо массивных объектов, что опровергло Ньютоновскую картину. Это стало первым наблюдением, подтверждающим ОТО Эйнштейна, и согласующимся с визуализацией “искривления ткани пространства

Но что на самом деле подразумевает такая картина? Если пространство похоже на ткань, как масса искривляет её?

Кажется, что масса на ткани каким-то образом притягивается “вниз”, а потом другие частицы, движущиеся через это пространство, тоже притягиваются вниз некоей невидимой загадочной силой. Это, очевидно, не может быть правильным – ведь в этом не участвует никакая дополнительная внешняя гравитация! Кроме того, линии сетки искривляются от, а не по направлению к массе, что тоже не может быть верным, особенно, если гравитация притягивает тела.

Гравитация просто есть, а уравнения, описывающие ОТО, просто геометрические по своей природе. Идея об искривлении пространства массой и энергией может быть верной, даже если подобная наивная визуализация может быть неверной.

Идея о ткани пространства имеет свои ограничения. Совершенно ясно, что крупная масса не может притягивать эту ткань “вниз” и заставлять другие объекты, движущиеся по ней, искривлять свой путь. Пространство-время может подчиняться геометрическим уравнениям и искажаться, но не так.

Можно сделать лучше, просто используя более корректное количество измерений – 3.

Сначала представим, что у нас есть абсолютно пустое пространство. Рядом нет никаких масс; никакого излучения; никакой тёмной материи, тёмной энергии, нейтрино, или всего остального, что может заставить пространство искривляться. Нет у него и собственной кривизны.

Просто представим себе плоское, статичное и пустое пространство. Если мы будем настаивать на том, чтобы рисовать сетку в роли математического слоя поверх пространства, то она должна выглядеть вот так.

Мы часто представляем себе пространство в виде трёхмерной сетки, хотя, если учитывать концепцию пространства-времени, такое представление будет чрезмерно упрощённым и зависящим от системы отсчёта. Если поместить на эту сетку частицу и позволить Вселенной расширяться, то вам будет казаться, что частица улетает от вас.

Теперь поместим в это пространство-время массу. Масса должна искажать пространство-время, но на самом деле, это не ткань: это просто ничто, составляющее пустую Вселенную. Уравнения ОТО сообщают нам, как эта кривизна работает геометрически.

Однако есть один прекрасный способ это сделать – нарисовать линии сетки, обозначающие воздействие, испытываемое частицей пренебрежимо малой массы, не ощущающей давления, находящейся в покое относительно новой массы. Чем больше воздействие, которое испытывала бы частица, тем больше кривизна пространства-времени. Если бы мы это нарисовали, то получилась бы другая, в принципе более полезная картина.

Появление массы заставляет “прямые линии” пустой, чистой, трёхмерной сетки искривляться на определённую величину. При этом они направлены по направлению к массе, а не от неё.

Самая большая проблема такой картины – её очень сложно нарисовать!

Пространство, испытываемой пренебрежительно малой массы.

К счастью, с появлением компьютерной анимации можно визуализировать искривление пространства даже для движущихся объектов. Помните, что мы имеем дело не с тканью, а со всей Вселенной целиком. Пространство-время просто существует: это то, что остаётся, когда мы убираем из Вселенной всё, что можно убрать. Когда мы размещаем во Вселенной массивные объекты, пространство-время остаётся на месте, но его свойства изменяются тем, что находится внутри него. Чем больше масса помещённого внутрь объекта, тем больше искривляется пространство-время.

И это будет верно даже для одной массы, которую мы будем двигать в пространстве. Она может двигаться по прямой или вдоль искривлённого пути; она может двигаться естественно (из-за движения других масс) или искусственно (из-за воздействия внешней силы). В любом случае, это не имеет особого значения. Реальная проблема в том, что при движении массивных объектов в пространстве меняется геометрия, описывающая пространство-время.

В результате, объекты, расположенные в этом пространстве, будь они массивными или безмассовыми, меняют своё движение в соответствии с наличием и свойствами материи и энергии, находящимися в нём. Объяснение Джона Уилера, согласно которому масса сообщает пространству, как ему искривиться, а пространство сообщает массе, как ей двигаться, остаётся верным.

Изображения того, как пространство-время реагирует на движение сквозь него массы, помогает визуализировать, как именно не просто полотно ткани, а всё пространство целиком искривляется из-за наличия и свойств массы и энергии во Вселенной.

Можно рассуждать о пространстве, как о ткани, но в таком случае нужно учесть, что вы подразумеваете уменьшение перспективы до двумерной аналогии. Пространство Вселенной трёхмерное, и, комбинируя его со временем, мы получаем четыре измерения. Именно это и имеет в виду ОТО, описывая понятие искривления пространства-времени.

Но ни при каких обстоятельствах не стоит представлять себе пространство в виде материального физического объекта; оно не является таковым. Это лишь математическая структура, которую мы можем описывать при помощи уравнений ОТО. То, что материя и излучение реагируют на эту кривизну точно так, как предсказывают уравнения, подтверждает эту теорию, но не означает, что пространство реально представляет собой ткань.

Иллюстрация гравитационного линзирования демонстрирует, как видимые фоновые галактики – или путь любого света – искажаются при вмешательстве массы, например, находящегося на переднем плане галактического скопления. Аналогия с “тканью пространства” – всего лишь аналогия, не имеющая физического значения.

Мы также рассуждаем о расширении Вселенной в контексте “растяжения ткани пространства”, хотя в ней нет никакой ткани, и она на самом деле не растягивается, и вообще не изменяется как-либо. На самом деле просто расстояние между двумя любыми точками во Вселенной изменяется по определённому набору правил в контексте ОТО. Галактики, будто изюминки в тесте пекущегося хлеба, удаляются друг от друга. Длина волн излучения также растягивается, будто бы гребни и провалы волн отдаляются друг от друга.

Но на самом деле нет никакой ткани, приводящей к расширению. В аналогии с изюмом в хлебе изюминки (галактики) физически существуют, а хлеб (ткань пространства) – лишь визуализация.

Модель расширения Вселенной “хлеб с изюмом”, в которой относительные расстояния увеличиваются с расширением пространства (теста)

Одна из наиболее парадоксальных идей физики, которую надо принять – то, что уравнения, описывающие Вселенную, представляют собой только лишь уравнения: правила, описывающие те вещи, которые мы можем наблюдать физически. Мы можем наблюдать “ткань пространства” не больше, чем пустоту незаполненного пространства-времени; оно просто существует. Любая визуализация, которую мы попытаемся ей назначить, будь то двумерная ткань, трёхмерная сетка или запекающийся шар теста, остаётся лишь визуализацией, созданной человеком. Теории она не требуется.

Масса искривляет пространство

Что мы можем наблюдать, так это физические объекты – материю и излучение – находящиеся в пространстве. Эти сущности мы можем измерить, и именно предсказания поведения этих объектов помогают нам проверять такие теории, как ОТО. У нас не очень хорошо получается принимать математику такой, какая она есть, поэтому мы любим приводить аналогии, помогающие нам представить, что происходит со Вселенной. Успехи ОТО идут рука об руку с наблюдениями и измерениями. Мы можем наблюдать за измеримыми последствиями этой теории, но не за самой структурой пространства-времени, даже если её поведение предсказывается этой теорией.

В этом смысле, у всех аналогий есть свои ограничения и недостатки. Мы, возможно, можем выбрать не такую некорректную визуализацию, как двумерное изображение изогнутой ткани, но правильного ответа в данном случае не существует. ОТО сообщает нам, что произойдёт во Вселенной при наличии определённых материи и энергии, распределённых определённым способом, и наши наблюдения с ней сходятся. Мы можем выбирать, как визуализировать происходящее, в соответствии с тем, что имеет для нас наибольший смысл, но все визуализации по своей сути ложны. Лучше всего делать это, пытаясь понять Вселенную, какой бы загадочной она ни была, такой, какая она есть.

1.2. Общая теория относительности

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 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.]

1.3. Влияние искривленного пространства на время и окружение

Если сила гравитации возрастает при движении вниз, объект свободно упадет в точку Б на поверхности быстрее, чем в точку А на большей высоте. Согласно Специальной теории относительности, время для свободно падающего объекта в точке Б должно идти медленнее относительно объекта в точке А из-за того, что скорость объекта в точке Б выше.

Эйнштейн постулировал, что абсолютного времени нет. Время относительно в зависимости от системы сил, которым оно подвергается. Формально это называется системой отсчета. Время, протекающее в рамках вашей системы, называется собственным временем. Если законы движения должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, независимо от их движения, то время должно замедляться. То есть чем быстрее вы движетесь, тем медленнее ваши часы тикают относительно других часов. Именно об этом героиня Энн Хэтэуэй говорила персонажу Мэтью МакКонахи в «Интерстелларе» после спуска на далекую планету: «Один час на этой планете равен семи земным годам».

Итак, является ли наблюдение замедленного времени ограничением нашего примитивного неврологического строения или же время действительно замедляется? И что вообще означает замедление времени? В итоге это приводит нас к вопросу: что есть время? Это не просто вопрос, который задают друг другу студенты философского факультета за бокалом пива. Понятие времени озадачивало натурфилософов и физиков с незапамятных времен.

Главная функция времени — отслеживание хронологии событий. Однако вплоть до последних 400 лет люди определяли время, основываясь на предположении, что звезды движутся вокруг Земли, а не наоборот. Несмотря на это, все работало до определенной степени приемлемо — из-за того, что дни и времена года предсказуемо повторялись, а когда у вас есть что-то предсказуемо повторяющееся, то есть и механизм для отслеживания времени.

Галилео использовал рекурсивную природу такого механизма для вычисления движения. Описание движения было бы невозможным без какого-либо обозначения времени. Но это время никогда не было абсолютным. Даже когда Ньютон формулировал свои законы движения, он использовал понятие времени, в котором две пары часов тикают синхронно не с абсолютным, независимым временем, а друг с другом. Синхронизация — причина, по которой человечество соорудило такие сложные и точные атомные часы.

Понятие времени построено на одновременности или решающем совпадении двух событий — вроде прибытия поезда и уникального совпадения стрелок часов в этот момент. Теория Эйнштейна утверждает, что на это должно влиять движение. Если два наблюдателя на платформе и поезд не могут прийти к единому мнению о том, что одновременно, они не могут прийти к согласию о том, как течет само время.

Движение искажает время. Чтобы понять влияние движения на предсказуемость, рассмотрим простейший механизм для отсчета времени. Представьте себе аппарат для отслеживания времени, состоящий из фотона, который отражается между двумя зеркалами, расположенными на конечном расстоянии друг от друга. Пусть за период отражения фотона проходит одна секунда. Теперь расположим два таких аппарата в точках А и Б над поверхностью Земли и прямо на ней (как в примере, описанном выше) и посмотрим, как они отсчитывают время, когда мимо них проносится свободно падающий объект. В свою очередь, этот объект измеряет собственное время при помощи таких же часов. Что они покажут?

Наблюдение отражения фотона между двумя движущимися зеркалами похоже на наблюдение теннисного мяча, прыгающего по движущемуся поезду. Даже если мяч отскакивает перпендикулярно для кого-то в поезде, для неподвижного наблюдателя снаружи он описывает треугольники.

При движении аппарата вперед кажется, что фотон, подобно мячу, преодолевает большее расстояние после отражения. Получается, один результат нашего эксперимента искажен! Более того, чем быстрее движется аппарат, тем больше фотону нужно времени для отражения, тем самым растягивается и длительность секунды. Именно поэтому ход времени в точке Б оказывается медленнее, чем в точке А (вспомним: из-за гравитации объект падает в точке Б быстрее, чем в точке А).

Конечно, эта разница ничтожна. Разница между временем, измеренным часами на вершинах гор и на поверхности Земли, — всего несколько наносекунд. Тем не менее открытие Эйнштейна стало настоящим прорывом. Гравитация действительно мешает ходу времени, а значит, чем массивнее объект, тем медленнее время течет вблизи него. Некоторые физики даже делают оговорку о том, что все объекты во Вселенной будто чувствуют это и стараются падать туда, где время идет медленнее, из мест, где время идет быстро.

Сегодня гравитационное замедление времени не только известный феномен из области теоретической физики, но и практический инструмент. Благодаря открытию Эйнштейна и его уравнениям, у нас есть такая замечательная вещь, как GPS-навигация, которая не смогла бы работать так точно, если бы не была учтена разница между ходом времени на поверхности Земли и ходом времени на околоземной орбите. Гравитационное замедление времени также помогает физикам-теоретикам и астрофизикам строить точные теории о том, что происходит в далеком космосе вблизи объектов, к которым мы пока не можем подобраться физически (например, черные дыры и нейтронные звезды). И да, учитывая этот феномен, получается, что ваши ноги — пусть и бесконечно незначительно — младше вашей головы.

Двухмерное искривленное пространство легко себе представить как поверхность в трехмерном евклидовом пространстве .Аналогичным образом можно иметь дело с искривленным четырехмерным пространством в плоском пространстве большего числа измерений . В этом случае искривленное пространство называют римановым. Малая область риманова пространства близки к плоскому пространству

Интересная информация

Удивляетесь ли вы, почему люди с другой стороны земного шара не падают? В ХVII веке человек по имени Исаак Ньютон объяснил это силой притяжения. Ньютон доказал, что гравитацией обладают все тела имеющие массу. Благодаря силе притяжения Земля и другие планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца.Но, впоследствии Альберт Эйнштейн познакомил нас с другой идеей значимости гравитации. Эйнштейн выдвинул гравитационную теорию известную нам как Теория относительности. Эта гравитационная модель применима к вращающимся объектам Вселенной, и известна как космическое время вращающегося тела. Например, известно об искривлении пространства вблизи звезды. Вы это можете видеть на картинке, у которой пространство напоминает батут. Объект искривляет пространство, будто тело лежащее на батуте.Но это искривление пространства очень сильно мешает для проведения измерений и наблюдений. А наука требует подтверждение теорий. Совсем недавно в другой системе открыли двойную звезду, у которой компоненты вращаются очень близко друг от друга. Наблюдения в телескоп их может стать подтверждением теории Эйнштейна. В эту пару экзотических звезд входит белый карлик и большая массивная нейтронная звезда! Эти звезды вращаются друг вокруг друга, порождая волны в материи космического пространства. Они известны как гравитационные волны, и они переносят энергию от звездных систем. На рисунке фантаста это хорошо видно. Эта необычная двойная система позволяет нам проследить, как теряется энергия по сравнению с предположениями Эйнштейна. И этот прогноз в действительности оказался удачным. Таким образом, Эйнштейн оказался прав!

На Земле существование гравитации вполне понятно. Это потому что Земля круглая с небольшими шероховатостями. И эти неровности сказываются на отклонении силы притяжения.

Двухмерное искривленное пространство легко себе представить как поверхность в трехмерном евклидовом пространстве. Аналогичным образом можно иметь дело с искривленным четырехмерным пространством в плоском пространстве большего числа измерений. В этом случае искривленное пространство называют римановым. Малая область риманова пространства близка к плоскому пространству.
Эйнштейн предположил, что физическое пространство является пространством именно такой природы, и поэтому положил риманову геометрию в основу теории гравитации. В искривленном пространстве нельзя ввести систему прямолинейных координат. Приходится пользоваться криволинейными координатами. Формализм этого раздела можно целиком применить к искривленному пространству, так как все обсуждавшиеся там уравнения являются локальными, что делает их нечувствительными к кривизне. Интервал для временеподобных точек является действительным, для пространственноподобных точек — мнимым. В криволинейных координатах заданная как функция координат, фиксирует все элементы инвариантного расстояния; таким образом, g задает метрику. Величина определяет как координатную систему, так и кривизну пространства.(

1.4. Модельное представление искривленного пространства.

Итак, представьте себе, что у вас есть листок бумаги в клетку. Вы пробили там дыру с помощью ручки. И над этой дырой ливитирует сфера, диаметром почти как эта дыра, которую мы проделали.

Или, представьте себе клетку. И на каждом пруте выставлена еще сетка, только в горизонтальном положении. И так на каждом пруте. И в середине этой «клетки» есть шар. Но прутья как бы притягиваются к прутьям.

1.5. Доказательство того ,что мы живём в искривленном пространстве.

1. Давайте вспомним, почему дальние объекты мы видим дальше, а ближние-ближе. Это все из-за того, что фотоны, попадающие в глаз, «разворачиваются» и благодаря этому мы видим. Но теперь, давайте вспомним как работают очки. Они приломляют фотоны и отправляет их в глаз. Но если действительно посмотреть как работают очки, то фотоны которые летят сбоку не должны попадать в глаз. Ведь глаз-это по сути объектив. Но тем не менее, люди с очками все прекрасно видят.

2 Возьмем машину и фотопластинку( потому, что все эксперименты, обычно , проводятся на ней.). Если мы начнем светить фарами на нее, и затем накроем на нее полотно и уберем, и снова накроем, то мы получим изображения. А если мы сверху этой фотопластинки вставим трубочки, как соты, и начнем светить, то фотоны, которые падают, будут принимать только прямые фотоны, а те, что под углом- нет. Потому, что наши трубочки абсолютно черные. Это- робота обычной фотоматрицы. И если так подумать, мы можем взять одну фотоматрицу, и с помощью ее мы можем сделать точное изображения Луны( максимально близкое). Но скорее всего, мы этого сделать не можем. Да и, чего там Луну, любой дальний объект

В Ньютоновской картине гравитации пространство и время – абсолютные, фиксированные значения, а в Эйнштейновской картине, пространство-время – единая, объединённая структура, в которой неразрывно переплелись три пространственных и одно временное измерение

3. Поезд едет по линии х и к (в римановом пространстве она является также и меридианой )если вы вытяните голову из окна вагона, то будете видеть на 180 градусов. И на этой половине шара расположен дом. Если этот человек тоже высунет голову из окна, то вы его не увидите пока он вас не увидит. Это происходит потому, что линия горизонта никак не пересекается с линией горизонта.

4 Отражение радиосигнала Венеры. Физик Ирвин Шапиро предложил оригинальный способ подтверждения теории Эйнштейна. Его идея заключалась в посылке радиосигналов к Меркурию или Венере в момент верхнего соединения этих планет с Землей. В то время техника не позволяла провести подобный эксперимент, но ученый с коллегами нашел выход. Специалисты проанализировали большой массив радиолокаций поверхности Венеры, при этом были учтены всевозможные отклонения связанные с воздействием планет, а также с альбедо и особенностями поверхности Утренней звезды. Результаты полностью совпали с вычислениями, основанными на общей теории относительности.

Учитывая все приведенные примеры и факты, мы можем сделать вывод что мы живём в искривленном пространстве.

5. Возьмем самое обычное зеркало, если мы поставим рядом какой либо объект и будем подходить и отходить от зеркала то он не будет уменьшаться и увеличиваться, то есть перспектива не работает

6. 5. Пример с лазерами, если их поставить параллельно друг другу и направить на зеркало, то мы поймем, что отражаются они не так как должны были бы,учитовая что зеркало плоское.

1.6. Исследования искривленного пространства.

Все мы знаем, что живем в трехмерном мире, а из школьных знаний помним евклидову геометрию и Декартову систему трех координат. Поэтому, воспринимаем пространство как нечто само собой разумеющееся, будто это пустота и фон для окружающих нас предметов. Время для нас тоже вполне обыденная вещь и представляет собой простую смену дня и ночи или тиканье часов. Однако для учёных, которые долгие годы бьются над объединением фундаментальных теорий, пространство и время образуют систему такой ошеломляющей сложности, что любые, даже самые отчаянные попытки осмыслить её могут оказаться тщетными. Впервые об этом задумался Альберт Эйнштейн, после того, как сформулировал общую теорию относительности, согласно которой гравитация является не силой, действующей в пространстве, а свойством самого пространства-времени. Следуя этой теории, подбрасываемый в воздух мяч пролетает по дуге и возвращается обратно по причине того, что Земля настолько искривляет пространство-время вокруг себя, что в результате дорожки мяча и земли пересекаются снова. Революционная мысль о том, что гравитация – это не обычная сила, а следствие того, что пространство-время искривлено распределенными в нем массой и энергией, так волновала Эйнштейна, что в процессе долгих размышлений о проблеме объединения общей теории относительности и другого его детища – зарождающейся квантовой механики, он совершенно измучил себя. И всё же на тот момент, обдумывая математические расчёты, он плохо понимал, с чего следует начинать. Нужна была физическая модель пространства-времени, дополняющая пространство временным измерением и создающая теоретико-физическую конструкцию, называемую также пространственно-временным континуумом. Но далеко продвинуться в этом вопросе Эйнштейну не удалось. Даже сейчас конкурирующих версий квантовой теории гравитации почти столько же, сколько учёных, работающих над данной темой. Тем не менее, в горячих спорах физики сходятся в одном – само пространство происходит от чего-то более глубокого и до тех пор, пока наука не сможет объяснить поведение пространства, времени и их происхождение – физика не будет законченной…

Заключение

Искривленное пространство- до конца не изученная тема. Но мы своим проектом попытались чуть-чуть приоткрыть занавес тайны вокруг этой темы. Учитывая наши возможности, мы попытались объяснить природу и привести аргументы доказывающие то, что мы живем в искривленном пространстве.

1. Фотоны, попадающие в глаз, «разворачиваются» и благодаря этому мы видим. Но теперь, давайте вспомним как работают очки. Они приломляют фотоны и отправляет их в глаз. Но если действительно посмотреть как работают очки, то фотоны которые летят под углом не должны попадать в глаз. Ведь глаз-это по сути объектив. Но тем не менее, люди с очками все прекрасно видят.

2. Возьмем машину и фотопластинку( потому, что все эксперименты, обычно , проводятся на ней.). Если мы начнем светить фарами на нее, и затем накроем на нее полотно и уберем, и снова накроем, то мы получим изображения. А если мы сверху этой фотопластинки вставим трубочки, как соты, и начнем светить, то фотоны, которые падают, будут принимать только прямые фотоны, а те, что под углом- нет. Потому, что наши трубочки абсолютно черные. Это- работа обычной фотоматрицы. И если так подумать, мы можем взять одну фотоматрицу, и с помощью ее мы можем сделать точное изображения Луны( максимально близкое),но тем не менее мы этого не делаем.

3. Возьмем самое обычное зеркало, если мы поставим рядом какой либо объект и будем подходить и отходить от зеркала то он не будет уменьшаться и увеличиваться, то есть перспектива не работает

4. Поезд едет по линии х и к (в римановом пространстве она является также и меридианой )если вы вытяните голову из окна вагона, то будете видеть на 180 градусов. И на этой половине шара расположен дом. Если этот человек тоже высунет голову из окна, то вы его не увидите пока он вас не увидит. Это происходит потому, что линия горизонта никак не пересекается с линией горизонта.

5. Пример с лазерами, если их поставить параллельно друг другу и направить на зеркало, то мы поймем, что отражаются они не так как должны были бы,учитовая что зеркало плоское.

6.Отражение радиосигнала Венеры. Физик Ирвин Шапиро предложил оригинальный способ подтверждения теории Эйнштейна. Его идея заключалась в посылке радиосигналов к Меркурию или Венере в момент верхнего соединения этих планет с Землей. В то время техника не позволяла провести подобный эксперимент, но ученый с коллегами нашел выход. Специалисты проанализировали большой массив радиолокаций поверхности Венеры, при этом были учтены всевозможные отклонения связанные с воздействием планет, а также с альбедо и особенностями поверхности Утренней звезды. Результаты полностью совпали с вычислениями, основанными на общей теории относительности.

Учитывая все приведенные примеры и факты, мы можем сделать вывод что мы живём в искривленном пространстве.

Литература

1.Статья И .Сигеля https://habr.com/ru/post/415673/

2.ИсследованияЭйнштейнаhttps://nakedscience.ru/article/nakedscience/gravitacionnoe-zamedlenie

3.Статья от издательства «постнаука» из исследований Э.Ахмедова https://postnauka.ru/video/83258

4. Информация об общей теории относительности https://document.wikireading.ru/50930

5. Статья И. Сигеля https://golovanov.net/2018/09/18/339/

6. Канал: спорим, вы не знали? https://youtu.be/oBYXUJ2kxco

7. Исследования физика-математика Бабаджаниана(канал «gatitos de la noche») https://www.youtube.com/watch?v=BlOwDJ03x-E