Время как четвёртое измерение пространства
Время по сути есть четвёртое измерение пространства, (как это известно ещё со времён Эйнштейна и ещё ранее — со времён Уэллса.) Ибо чтобы что-либо изменилось, т.е. подверглось времени, трёх измерений пространства не хватает, так как в трёх измерениях объекты существуют , и они не способны измениться в том же самом экзистенциальном пространстве. Но Вселенная расширяется, и благодаря этому появляется новое пространство, в котором могут происходить изменения, т.е. течь время. Расширение Вселенной эквивалентно течению времени. Время, таким образом, полностью сводимо к пространству. Время проявляется в изменениях, а склонность к изменениям присуща вещам потому, что Вселенная, расширяясь, даёт вещам возможность движения в новое пространство, и значит, возможность изменения. Три измерения пространства даны, чтобы вещи существовали, четвёртое измерение — время, дано, чтобы вещи развивались и изменялись, трансцендировали во вне своего существования в трёх измерениях пространства.
Отсюда ясно, что путешествие во времени суть путешествие в пространстве. Если оправиться в пространство, где мир был секунду назад, то можно вернуться в это время, но Вселенная расширяется так стремительно, что для этого понадобилась бы скорость быстрее скорости света. Прошлое не исчезает, а просто остаётся в своём пространстве. Будущее так же существует в своём пространстве-времени. Все возможности существуют в своих пространствах и своих квантовых состояниях элементарных частиц. Осуществляются те возможности, которые получили свои причины и условия- т.е. обусловленные возможности.
Если бы Вселенная не расширялась, нельзя было бы сделать и шагу. Ибо три измерения пространства определили бы статичной любую точку. Но четвёртое измерение, называемое временем, помогает движению и изменению. Неподвижный на первый взгляд объект, тем не менее перемещается во времени и пространстве, ибо с расширением Вселенной Галактика и планета несутся в новое пространство, а вместе с планетой перемещается в пространстве инерциально и субъект, даже если он неподвижен в своём кресле. Поэтому молекулы и клетки субъекта имеют возможность изменяться, подвергаться времени. Если же расширение Вселенной прекратится, то время остановится. Это и будет конец света- всё останется таким, каким было в момент остановки расширения Вселенной, навсегда. Эта остановка может произойти в любое время, но именно это и может быть настоящим концом света, концом времени.
Источник
Учёные выдвинули гипотезу о том, что измерения времени не существует
В наши дни концепция времени — не только интуитивный способ измерить продолжительность событий, но и важнейший элемент в математическом описании физических систем. К примеру, мы определяем скорость объекта, как перемещение в пространстве за некоторый промежуток времени. Но некоторые исследователи считают, что ньютоновская идея времени как абсолютной величины, которая течет сама по себе, вместе с идеей о том, что время является четвертым измерением пространства-времени, являются неверными. Они предлагают заменить эти понятия времени на другие, более точно соответствующие истинной картине мира: время, измеряющее порядок изменений.
В двух недавних работах (одна уже опубликована и вторая вот-вот подоспеет) в журнале «Physics Essays», Амрит Сорли, Давид Фискарлетти, и Душан Клинар из научно-исследовательского центра Бистра в городе Птуй (Словения), более подробно описали, что всё это значит.
Размерности времени не существует
Эти ученые объясняют свою теорию так:
Обычно мы считаем время абсолютной физической величиной, которая, к тому же, является независимой переменной (например, t часто откладывают на горизонтальной оси в графиках, которые демонстрируют эволюцию физической системы). Но в действительности мы никогда не измеряем саму t. Мы измеряем свойства объекта: частоту, скорость, и т.п. Иначе говоря, реально существует изменение свойств объекта и (образно) движение стрелки часов; а мы сопоставляем первое второму, чтобы измерить свойства объекта. t само по себе является математической величиной и не существует в реальности.
Эта точка зрения не означает, что времени вообще не существует, а предполагает, что у времени гораздо больше общего с пространством, а не с идеей абсолютного времени. Пока что считается, что четырёхмерное пространство-время состоит из трех измерений пространства и одного измерения времени, но, по мнению учёных, более корректно было бы представить пространство-время в виде четырех измерений пространства. Как они выражаются, вселенная «безвременна» (timeless).
В своей последней работе учёные пишут: «Пространство Минковского — это не 3D+T, а 4D». Точка зрения, согласно которой, время — физическая величина, где происходят материальные изменения, заменена на более удобную, где время — просто порядок изменения материи. Такая точка зрения лучше согласуется с реальным миром, и дает больше возможностей в описании мгновенных физических явлений: гравитации, электростатического взаимодействия, передачи информации в EPR-эксперименте — то есть таких, которые происходят непосредственно в пространстве.
Как добавил Амрит Сорли, корни этой идеи идут от самого Эйнштейна:
Эйнштейн сказал: «Время не имеет независимого существования, кроме порядка событий по которым мы его измеряем. Время — это именно последовательность событий: таков мой вывод.»
В будущем ученые планируют исследовать возможность того, что квантовое пространство имеет три измерения пространства. Как объяснил Сорли,
Идея времени как четвертого измерения пространства не принесла большого успеха в физике и сейчас находится в противоречии с формальной системой специальной теории относительности. В настоящее время мы разрабатываем свою формальную систему трёхмерного квантового пространства, основанную на работах Планка. Похоже, что Вселенная трёхмерна от макро- до микро- уровня, даже до планковской длины, которая формально трёхмерна. В этом трёхмерном пространстве нет «сокращения длины» или «замедления времени». Реально существует то, что скорость изменения материи «относительна» в понимании Эйнштейна.
Численный порядок в пространстве
Исследователи дают пример этой концепции времени, воображая, что фотон движется между двумя точками в пространстве. Расстояние между этими двумя точками состоит из расстояния Планка, каждое из которых является наименьшим расстоянием, которое может пройти фотон. (основной единицей этого движения является Планковское время)
Когда фотон перемещается на расстояние Планка, он движется только в пространстве, а не в абсолютном времени, объясняют исследователи. Фотон можно представить движущимся из точки 1 в точку 2, и его позиция в точке 1 является «до» позиции в точке 2, по аналогии с числами, где 1 стоит перед 2, то есть в численном порядке. Который не эквивалентен временному порядку, ибо номер 1 не существует перед номером 2 во времени, такое возможно только численно.
Как объясняют исследователи, не используя время как четвертое измерение пространства-времени, физический мир может быть описан более точно. Как физик Энрико Прати отмечается в недавнем исследовании, гамильтоновая динамика (уравнения в классической механике) совершенно четко определена без концепции абсолютного времени. Другие ученые отмечают, что математическая модель пространства-времени не соответствует физической реальности, и предполагают, что безвременное «пространство состояний» является более точным определением.
Ученые также исследовали фальсифицируемость двух понятий времени. Концепция времени как четвертого измерения пространства, т.е. фундаментальной физической сущности, в которой происходит эксперимент — может быть сфальсифицирована экспериментом, в котором время не существует. Пример — эксперимент Кулона, т.к. математически в нём используется только пространство. В концепции времени, где время является численным порядком изменений происходящих в пространстве, пространство является фундаментальной системой, в которой происходит эксперимент. Хотя эта концепция может быть сфальсифицирована, экспериментов, в которых время (измеренное часами) не является порядком материальных изменений, попросту не известно.
Сорли сказал, что
Ньютоновская теория абсолютного времени не фальсифицируема, т.к. вы не можете это доказать или опровергнуть, вы просто должны в это верить.
Теория временя как четвертого измерения пространства фальсифицируема и в нашей предыдущей статье мы это доказали. Есть основания полагать, что эта теория неверна. На основе экспериментальных данных, время это то, что мы измеряем часами: часами мы измеряем порядок материальных изменений, т. е. движение в пространстве.
Как собирается мозаика
Исследователи также кратко объяснили, как эта теория совмещается с нашим чувством времени. Многие нейрологические исследования подтвердили, что мы имеем чувство прошлого, настоящего и будущего. Эти данные привели к предположению, что мозг представляет время с помощью «внутренних часов» (модель pacemaker-accumulator).
Однако некоторые недавние исследования обжаловали эту традиционную точку зрения, и полагают, что мозг представляет время пространственно-распределенным способом: путем обнаружения и активации различных нервных соединений. Хотя мы воспринимаем события, происходящие в прошлом, настоящем или будущем, эти понятия могут быть просто частью психологических рамок, в которых мы испытываем изменения в пространстве.
Наконец, исследователи объясняют, что эта точка зрения времени не выглядит обнадеживающей для путешественников во времени.
С нашей точки зрения, путешествие во времени в прошлое и будущее не представляется возможным. Можно путешествовать только в пространстве, и времени как порядке этого движения.
Источник
Спросите Итана: пространство-время – реальная сущность или просто концепция?
Схема сильного искривления пространства-времени вблизи горизонта событий чёрной дыры. Чем ближе вы приближаетесь к массивному телу, тем сильнее искривляется пространство. В итоге вы оказываетесь в таком месте, откуда не может убежать даже свет: внутри горизонта событий.
Большинство людей, думая о Вселенной, представляют себе материальные объекты, находящиеся на огромных космических расстояниях друг от друга. Под действием собственной гравитации материя схлопывается, формируя такие космические структуры, как галактики. Газовые облака, сжимаясь, порождают звёзды и планеты. Звёзды испускают свет, сжигая топливо в реакциях ядерного синтеза. Этот свет проходит по всей Вселенной, подсвечивая всё, на что натолкнётся. Однако Вселенная – это не только объекты внутри неё. Есть ещё и ткань пространства-времени, играющая по своим правилам – по правилам общей теории относительности (ОТО). Ткань пространства-времени искривляется в присутствии материи и энергии, при этом само искривление ткани пространства-времени диктует материи и энергии, как им двигаться. Но что такое, конкретно, пространство-время – это нечто «реальное», или просто облегчающий подсчёты инструмент? Об этом нас спрашивает читатель:
Что именно представляет собой пространство-время? Это реальная штука типа атомов, или математический конструкт, используемый для описания того, как масса «порождает» гравитацию?
Отличный вопрос, а его тема достаточно сложна для размышлений. Более того, до появления Эйнштейна наше представление о Вселенной сильно отличалось от текущего. Давайте вернёмся в далёкое прошлое Вселенной, когда у нас ещё не было концепции пространства-времени, и будем двигаться вперёд, до сегодняшнего дня.
На всех масштабах, от макроскопических до субатомных, размеры фундаментальных частиц играют мало роли в определении конечных размеров составных структур. Являются ли эти строительные кирпичики материи воистину фундаментальными точечными частицами, неизвестно до сих пор. Однако мы разбираемся в строении Вселенной от гигантских, космических масштабов, до крохотных, субатомных. К примеру, в человеческом теле содержится около 10 28 атомов.
На фундаментальном уровне мы уже давно подозревали, что если взять какой угодно объект во Вселенной, и начать делить его на всё меньшие и меньшие составные части, в итоге можно достичь чего-то неделимого. Слово «атом» буквально и означает «неделимый», от греческого ἄτομος. Первое упоминание об этой идее встречается 2400 лет назад, у Демокрита. Однако вполне вероятно, что идею могли придумать и раньше. Такие неделимые сущности реально существуют – они известны, как квантовые частицы. Несмотря на то, что мы назвали атомами элементы таблицы Менделеева, истинно неделимыми являются субатомные частицы – кварки, глюоны и электроны (а также те частицы, что вовсе не встречаются в атомах).
Все эти кванты связываются вместе и составляют все известные нам сегодня составные структуры Вселенной – от протонов и атомов до молекул и людей. И все эти кванты, вне зависимости от их типа – материя это или антиматерия, есть у них масса или нет, фундаментальные они или составные, субатомные у них масштабы или космические – существуют в рамках той же самой Вселенной, что и мы.
Если знать все правила, отвечающие за движение объекта в пространстве-времени, а также начальные условия и все силы, действующие между объектом и остальной частью системы, можно предсказать, как он будет двигаться сквозь пространство и время. Но местоположение объекта нельзя указать точно, не добавив к пространственным координатам временную.
А это важно, поскольку если вы хотите, чтобы все вещи во Вселенной делали что-то друг с другом – взаимодействовали, связывались, формировали структуры, передавали энергию – нужно, чтобы существовал способ это делать. Представьте себе пьесу, в которой все персонажи прописаны, актёры готовы их играть, костюмы подготовлены, все строки прописаны и выучены. Недостаёт лишь одной, но очень важной вещи – сцены.
Что играет роль сцены в физике?
До появления Эйнштейна сцену обустраивал Ньютон. Всех «актёров» Вселенной можно было описать набором координат – местоположением в трёхмерном пространстве и моментом во времени. Всё было похоже на решётку декартовых координат – трёхмерную структуру с осями x, y и z, где у каждого объекта может быть импульс, описывающий его движение в пространстве как функция от времени. Само время считалось линейным, идущим с неизменной скоростью. В представлении Ньютона пространство и время были абсолютными.
Мы часто представляем себе пространство в виде трёхмерной решётки, хотя это чрезмерное упрощение, зависящее от системы отсчёта. На самом деле пространство-время искривляется в присутствии материи и энергии, а расстояния в нём не фиксированы, а изменяются с расширением или сжатием Вселенной
Однако открытие в конце XIX века радиоактивности бросило на картину мира Ньютона тень сомнений. Узнав, что атомы могут испускать субатомные частицы, движущиеся со скоростью света, мы поняли нечто удивительное: когда частица движется со скоростью, близкой к скорости света, она воспринимает пространство и время совершенно не так, как объект, движущийся медленно или покоящийся.
Нестабильные частицы, очень быстро распадающиеся в состоянии покоя, жили тем дольше, чем ближе их скорость была к скорости света. Эти частицы проходили расстояния большие, чем должны были, исходя из их скорости и времени жизни. А при попытке подсчитать энергию или импульс движущейся частицы разные наблюдатели (движущиеся с разными скоростями относительно неё) получали несовпадающие значения.
Получается, что с концепцией пространства-времени от Ньютона что-то было не так. На скоростях, близких к скорости света время удлиняется, расстояния сжимаются, а энергия и импульс зависят от системы отсчёта. То есть, ваше восприятие Вселенной зависит от того, как вы двигаетесь.
Световые часы, в которых протон отражается от двух зеркал, могут отсчитывать время для любого наблюдателя. И хотя двое наблюдателей могут не сойтись во мнении о том, сколько времени прошло между двумя моментами, они могут договориться о законах физики и константах Вселенной, в частности, о скорости света. У неподвижного наблюдателя время идёт как обычно, а у быстро движущегося часы будут идти медленнее, чем у неподвижного.
Эйнштейн отвечает за выдающийся прорыв в концепции реальности, описывавшей, какие величины не меняются при движении наблюдателя, а какие зависят от системы отсчёта. К примеру, скорость света одинакова для всех наблюдателей, как и масса покоя любого количества материи. А вот расстояние между двумя точками сильно зависит от вашего движения вдоль линии, их соединяющей. Скорость, с которой идут ваши часы, также зависит от вашего движения.
Пространство и время оказались не абсолютными, как думал Ньютон, и воспринимались разными наблюдателями по-разному. Они оказались относительными, поэтому теория и называется «теорией относительности». Более того, между восприятием неким наблюдателем пространства и времени есть определённая связь. Через пару лет после публикации Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) её вывел его бывший профессор Герман Минковский. Он вывел единую математическую структуру, включающую пространство и время: пространство-время. Как писал он сам,
Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность.
Сегодня это пространство-время широко используется до сих пор, если можно пренебречь гравитацией: пространство Минковского.
Световой конус, трёхмерная поверхность, составленная из всех возможных световых лучей, приходящих и исходящих из одной точки пространства-времени. Чем больше вы проходите в пространстве, тем меньше вы проходите во времени, и наоборот. Сегодня на вас может воздействовать только то, что было в световом конусе прошлого. В будущем вы сможете воспринять только те вещи, которые содержатся в вашем световом конусе будущего. Это иллюстрация плоского пространства Минковского, не искривлённого пространства ОТО.
Но в реальной Вселенной есть гравитация. Эта сила не действует мгновенно через огромные пространства космоса. Она распространяется с той же скоростью, что и все безмассовые кванты: со скоростью света. Все правила, сформулированные в СТО, остаются применимыми, но чтобы включить в картину гравитацию, требовалось нечто большее: представление о наличии у пространства-времени собственной кривизны, зависящей от присутствия в нём материи и энергии.
В каком-то смысле это просто: если вы разместили на сцене актёров, сцена должна выдерживать их вес. Если актёры массивные, а сцена не идеально жёсткая, она будет деформироваться в их присутствии.
То же явление работает и с пространством-временем: наличие материи и энергии искривляет его, а это искривление влияет на расстояния (пространство) и скорость хода часов (время). Более того, влияние это получается довольно сложным. Если вычислять влияние материи и энергии на пространство-время, то пространственные и временные эффекты оказываются связанными. Линии трёхмерной решётки, которую мы представляли в СТО, в ОТО искривляются.
Появление массы в пустой трёхмерной решётке заставляет её линии искривляться определённым образом. Они как бы вытягиваются в сторону массы.
Пространство-время можно представлять себе как чисто вычислительный инструмент, и остановиться на этом. В математике даже пространство-время можно описать метрическим тензором. Этот формализм позволяет вычислить, как любое поле, прямая, дуга, расстояние и т.п. могут существовать в нём определённым, точно описанным образом. Пространство может быть плоским или сколь угодно искривленным, конечным или бесконечным, открытым или закрытым, и состоять из любого количества измерений. В ОТО метрический тензор четырёхмерный (с тремя пространственными и одним временным измерением), а кривизну пространства-времени определяют материя, энергия и его внутренние напряжённости.
Проще говоря, кривизну пространства-времени определяет содержимое Вселенной. А затем можно взять кривизну пространства-времени и предсказать, как любая часть материи и энергии будет двигаться и меняться со временем. Правила ОТО позволяют нам предсказывать, как материя, свет, антиматерия, нейтрино и даже гравитационные волны будут двигаться сквозь Вселенную. Все эти предсказания прекрасно совпадают с нашими наблюдениями и измерениями.
Сигнал от события GW190521, связанного с появлением гравитационных волн, зафиксированный тремя детекторами. Продолжительность сигнала составила около 13 мс, но он представляет энергию, эквивалентную преобразованию 8 солнечных масс в чистую энергию через уравнение Эйнштейна E = mc 2 .
Что мы не измеряем, так это само пространство-время. Мы можем измерять расстояния и временные интервалы – но всё это непрямое зондирование лежащего в их основе пространства-времени. Мы можем измерить всё, что с нами взаимодействует – тела, инструменты, детекторы – однако взаимодействие происходит только при наличии двух объектов в одной точке пространства-времени, когда при их встрече регистрируется «событие».
Мы можем измерить все воздействия, которые искривлённое пространство-время оказывает на материю и энергию Вселенной, а именно:
- Красное смещение излучения, порождённое расширением Вселенной;
- Изгиб света из-за присутствия на переднем плане масс;
- Увлечение инерциальных систем отсчёта при наличии вращающегося тела;
- Дополнительная прецессия орбит из-за гравитационных эффектов, выходящая за рамки предсказаний Ньютона;
- Набирание энергии светом, падающим в гравитационное поле, и потеря энергии при выходе из него;
А также множество других воздействий. Однако из того, что мы можем измерять лишь воздействие пространства-времени на материю и энергию Вселенной, но не само пространство-время, следует, что пространство-время ведёт себя неотличимым от простого инструмента вычисления образом.
Квантовая гравитация пытается объединить ОТО Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации обозначаются в виде петлевых диаграмм, как та, что показана на рисунке белым цветом. Если расширить Стандартную Модель, включив в неё гравитацию, симметрия, описывающая CPT (симметрия Лоренца) может стать только приблизительной, могут появиться её нарушения. Однако пока что в экспериментах таких нарушений не наблюдалось.
Но это не значит, что пространство-время не является реальной физической сущностью. Наблюдая актёров, играющих пьесу, вы вправе назвать то место, где идёт пьеса, «сценой», будь то поле, платформа, голая земля и т.п. Даже если бы пьеса разыгрывалась в невесомости космоса, вы бы просто могли отметить, что в качестве сцены используется свободно падающая система отсчёта.
В физической Вселенной, насколько нам известно, невозможно существование объектов и взаимодействие между ними без пространства-времени. Где есть пространство-время, там работают законы физики, и существуют фундаментальные квантовые поля, лежащие в основе всего. В каком-то смысле, «ничто» – это вакуум пустого пространства-времени, а разговор о том, что происходит в отсутствии пространства-времени, не имеет смысла – по крайней мере, с точки зрения физики. Нет смысла говорить о «где», лежащем за границами пространства, и «когда», выходящем за границы времени. Возможно, что-то такое и существует, но физических концепций этой сущности у нас нет.
Анимация взаимодействия пространства-времени с массой, движущейся сквозь него. Из неё видно, что пространство-время – это не просто некая ткань. Всё трехмерное пространство искривляется в присутствии массы и энергии. Несколько вращающихся друг вокруг друга масс порождают гравитационные волны.
Самое интересное, что у нас есть ещё много вопросов о природе пространства-времени, оставшихся без ответа. Являются ли пространство и время квантовыми и дискретными, разделёнными на невидимые участки, или же они непрерывны? Является ли гравитация квантовым взаимодействием, как все остальные известные силы, или это классическая, непрерывная ткань, тянущаяся вплоть до планковских масштабов? Если пространство-время отличается от того, что говорит нам ОТО, то как именно, и каким образом мы можем это обнаружить?
Но, несмотря на всё то, что пространство-время позволяет нам предсказать и узнать, оно не является такой же реальной сущностью, как атом. Нельзя каким-то образом напрямую «обнаружить» пространство-время – обнаружить можно только отдельные кванты материи и энергии, существующие в вашем пространстве-времени. Мы описали пространство-время в виде ОТО Эйнштейна, и она успешно предсказывает и объясняет все физические явления, когда-либо обнаруженные и измеренные нами. Однако вопрос о том, что оно собой представляет, и реально оно или нет, для современной науки пока остаётся открытым.
Источник
