Специальная теория относительности

Поделиться





    


5 фактов об основах и следствиях теории, изменившей физическую науку

В конце XIX-го века был проведен эксперимент Майкельсона и Морли, который показал, что скорость распространения света не зависит от направления движения Земли. Догоняет ли свет Землю, перпендикулярно ли он летит направлению движения Земли или навстречу Земле – скорость его при этом одна и та же.

1

После этого эксперимента нидерландский физик Хендрик Антон Лоренц, зная, что электромагнитные волны, в частности свет, являются решением уравнения Максвелла (а уравнение Максвелла является частным случаем волновых уравнений для волн с поляризацией), посмотрел на то, относительно каких преобразований уравнение Максвелла инвариантно. То есть при каких преобразованиях уравнение Максвелла не меняется. Он вывел так называемые преобразования Лоренца, физический смысл которых – это переход из одной инерциальной системы отчета в другую инерциальную систему отсчета в плоском пространстве.

Началась эра специальной теории относительности. Было введено понятие пространства-времени, метрика которого была инвариантна при преобразованиях Лоренца. Метрика – это способ измерения расстояния между любыми двумя точками пространства-времени. Например, если у нас есть плоскость, мы можем ввести на плоскости координатную сетку. Указываем две точки на плоскости и, чтобы найти расстояние между ними, измеряем расстояние вдоль одной линии между этими точками и вдоль другой линии. По теореме Пифагора мы сможем вычислить расстояние между двумя точками. Таким образом, теорема Пифагора фактически определяет так называемую Евклидову метрику на плоскости.

2

Метрика Минковского, которая определяет расстояние между точками в пространстве-времени, имеет похожий (но не такой же) вид как Евклидова метрика. Она устроена несколько иначе. Там формула похожа на ту, что присутствует в теореме Пифагора, но в одном из членов в этой формуле стоит знак не «плюс», а «минус». Если метрика Евклида инвариантна относительно поворотов, то метрика Минковского инвариантна относительно гиперболических поворотов. Гиперболические повороты и есть преобразования Лоренца. Эти наблюдения лежали в основе специальной теории относительности.

Впоследствии Эйнштейн свел эти факты в единую систему. В частности, он ввел постулат о том, что скорость света является максимальной скоростью в природе, чтобы вся картина получалась логически замкнутой.

При этом не постулировалось, что скорость света не зависит от системы отсчета. Это было выведено из уравнения Максвелла после того, как было увидено экспериментально.

3

В основе специальной теории относительности, так же как и в основе подавляющего большинства ныне существующих теорий, лежит несколько базовых фактов. Например, если какая-то теория инвариантна относительно каких-то симметрий, из этого следует закон сохранений. Например, из симметрии плоского пространства относительно сдвигов в любом направлении следует закон сохранения импульса. Из симметрии пространства-времени относительно сдвигов вдоль времени следует закон сохранения энергии. Я хочу подчеркнуть, что означает симметрия пространства относительно сдвигов: если вы проводите эксперимент, например, на Земле и на Марсе и при этом условия эксперимента абсолютно одинаковы, то вы получите один и тот же результат эксперимента. То есть то, что вы сместились с Земли на Марс, не изменило теорию, описывающую эксперимент. Это и является инвариантностью относительно сдвигов в пространстве. Если вы, например, провели эксперимент сегодня и в 2001 году при одинаковых условиях, вы получите одинаковый результат эксперимента. Это говорит об инвариантности относительно трансляции во времени.

Таким образом, из инвариантности некоторой теории относительно трансляции в пространстве и времени следуют законы сохранения энергии и импульса. Существует более общая теорема Нётер, утверждающая, что если у вас есть какая-то симметрия, относительно которой рассматриваемая вами теория инвариантна, то из этого обязательно следует некоторый закон сохранения.

4

Закон сохранения энергии и импульса важен следующим наблюдением: представьте себе, например, электрон, который летит свободно, то есть на него не действуют никакие силы. Такой электрон не может излучать электромагнитные волны (это запрещено законом сохранения энергии и импульса).

Однако есть и другое замечательное наблюдение. Представьте себе, что электрон может двигаться со скоростью большей, чем скорость света (например, в какой-то среде), тогда, двигаясь в этой среде, он может излучать, несмотря на то, что движется свободно. Такое явление называется излучением Вавилова-Черенкова. Оказывается, последняя ситуация не противоречит законам сохранения, если излучение происходит в определенном конусе.

Очень важно, что свободный электрон в вакууме не может излучать. Если электрон несвободный, то есть на него действует какая-то сила, он может излучать, но тогда он движется с ускорением. Это один из основополагающих факторов СТО.

5

Все известные нам законы движения частиц и полей следуют из принципа наименьшего действия. Действительно, есть величина, называемая функционалом действия. Если вы потребуете, чтобы она принимала свое минимальное значение, то из этого требования следует уравнение движения для теории, описывающей, например, как поля эволюционируют во времени и пространстве или как частицы движутся в пространстве. Иными словами, уравнения, которые описывают движения частиц и изменения полей, следуют из принципа наименьшего действия. Исключения из этого правила мне не известны.

© Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, доцент факультета математики НИУ ВШЭ

источник: nlo-mir.ru

Источник: /users/60

Теория относительности для чайников

Поделиться





Альберт Эйнштейн

Пространство и время едины, существует связь между массой и энергией – специальная теория относительности, перевернувшая в начале прошлого столетия общепринятые представления о мире, до сих пор продолжает будоражить умы и сердца людей.

В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал специальную теорию относительности (СТО), которая объясняла, как интерпретировать движения между различными инерциальными системами отсчета – попросту говоря, объектами, которые движутся с постоянной скоростью по отношению друг к другу.

Эйнштейн объяснил, что когда два объекта двигаются с постоянной скоростью, следует рассматривать их движение друг относительно друга, вместо того чтобы принять один из них в качестве абсолютной системы отсчета.

Так что, если два космонавта, вы и, допустим, Герман, летите на двух космических кораблях и хотите сравнить ваши наблюдения, единственное, что вам нужно знать – это ваша скорость относительно друг друга.

Специальная теория относительности рассматривает лишь один специальный случай (отсюда и название), когда движение прямолинейно и равномерно.

Если материальное тело ускоряется или сворачивает в сторону, законы СТО уже не действуют. Тогда в силу вступает общая теория относительности (ОТО), которая объясняет движения материальных тел в общем случае.

Теория Эйнштейна базируется на двух основных принципах:

  • 1. Принцип относительности: физические законы сохраняются даже для тел, являющихся инерциальными системами отсчета, т. е. двигающимися на постоянной скорости относительно друг друга.
  • 2. Принцип скорости света: скорость света остается неизменной для всех наблюдателей, независимо от их скорости по отношению к источнику света. (Физики обозначают скорость света буквой с).
Одна из причин успеха Альберта Эйнштейна состоит в том, что он ставил экспериментальные данные выше теоретических. Когда в ряде экспериментов обнаружились результаты, противоречащие общепринятой теории, многие физики решили, что эти эксперименты ошибочны.

Альберт Эйнштейн был одним из первых, кто решил построить новую теорию на базе новых экспериментальных данных .

В конце 19 века физики находились в поиске таинственного эфира – среды, в которой по общепринятым предположениям должны были распространяться световые волны, подобно акустическим, для распространения которых необходим воздух, или же другая среда – твердая, жидкая или газообразная.

Вера в существование эфира привела к убеждению, что скорость света должна меняться в зависимости от скорости наблюдателя по отношению к эфиру.

Альберт Эйнштейн отказался от понятия эфира и предположил, что все физические законы, включая скорость света, остаются неизменными независимо от скорости наблюдателя – как это и показывали эксперименты.

Однородность пространства и времени

В СТО Эйнштейна постулируется фундаментальная связь между пространством и временем. Материальная Вселенная, как известно, имеет три пространственных измерения: вверх-вниз, направо-налево и вперед-назад. К нему добавляется еще одно измерение – временное. Вместе эти четыре измерения составляют пространственно-временной континуум.

Если вы двигаетесь с большой скоростью, ваши наблюдения относительно пространства и времени будут отличаться от наблюдений других людей, движущихся с меньшей скоростью.

На картинке представлен мысленный эксперимент, который поможет понять эту идею.

Представьте себе, что вы находитесь на космическом корабле, в руках у вас лазер, с помощью которого вы посылаете лучи света в потолок, на котором закреплено зеркало. Свет, отражаясь, падает на детектор, который их регистрирует.



Сверху – вы послали луч света в потолок, он отразился и вертикально упал на детектор. Снизу – для Германа ваш луч света двигается по диагонали к потолку, а затем – по диагонали к детектору

Допустим, ваш корабль двигается с постоянной скоростью, равной половине скорости света (0.5c). Согласно СТО Эйнштейна, для вас это не имеет значения, вы даже не замечаете своего движения.

Однако Герман, наблюдающий за вами с покоящегося звездолета, увидит совершенно другую картину. С его точки зрения, луч света пройдет по диагонали к зеркалу на потолке, отразится от него и по диагонали упадет на детектор.

Другими словами, траектория луча света для вас и для Германа будет выглядеть по-разному и длина его будет различной. А стало быть и длительность времени, которое требуется лазерному лучу для прохождения расстояния к зеркалу и к детектору, будет вам казаться различным.

Это явление называется замедлением времени: время на звездолете, движущимся с большой скоростью, с точки зрения наблюдателя на Земле течет значительно медленнее.

Этот пример, равно как и множество других, наглядно демонстрирует неразрывную связь между пространством и временем. Эта связь явно проявляется для наблюдателя, только когда речь идет о больших скоростях, близких к скорости света.

Эксперименты, проведенные со времени публикации Эйнштейном своей великой теории, подтвердили, что пространство и время действительно воспринимаются по-разному в зависимости от скорости движения объектов.

Объединение массы и энергии

В своей знаменитой статье, опубликованной в 1905 году, Эйнштейн объединил массу и энергию в простой формуле, которая с тех пор известна каждому школьнику: E=mc^2.



Согласно теории великого физика, когда скорость материального тела увеличивается, приближаясь к скорости света, увеличивается и его масса. Т.е. чем быстрее движется объект, тем тяжелее он становится. В случае достижения скорости света, масса тела, равно как и его энергия, становятся бесконечными.

Чем тяжелее тело, тем сложнее увеличить его скорость; для ускорения тела с бесконечной массой требуется бесконечное количество энергии, поэтому для материальных объектов достичь скорости света невозможно.

До Эйнштейна концепции массы и энергии в физике рассматривались по отдельности. Гениальный ученый доказал, что закон сохранения массы, как и закон сохранения энергии, являются частями более общего закона массы-энергии.

Благодаря фундаментальной связи между этими двумя понятиями, материю можно превратить в энергию, и наоборот – энергию в материю.

источник: nlo-mir.ru

Источник: /users/1077

Общей теории относительности Эйнштейна в этом году исполняется 100 лет

Поделиться







Знаменитой общей теории относительности Эйнштейна в этом году исполняется 100 лет, и она по-прежнему остается фундаментальной основой физики и астрономии. Эту теорию Эйнштейн опубликовал в 1915 году, и она легла краеугольным камнем в основу понимания ученых происхождения и эволюции Вселенной. До сих пор она вдохновляет ученых всего мира на поиск ответов на самые любопытные вопросы физики и астрономии, которые остаются без ответа.

Общая теория относительности «сейчас, как мне кажется, принимается за основу описания Вселенной в целом, то есть за основу космологии; она описывает черные дыры, нейтронные звезды, небольшие корректировки орбит планет и космических аппаратов в нашей собственной Солнечной системе», — говорит Роджер Блэндфорд из Института астрофизики частиц и космологии Кавли при Стэнфордском университете.

Природа гравитации

Общая теория относительно добавляет гравитацию к специальной теории относительности, которую Эйнштейн опубликовал в 1905 году. Специальная относительность утверждает, что законы физики одинаковы для всех неподвижных наблюдателей и что скорость света в вакууме не меняется, даже если наблюдатель или источник света находится в движении.

Специальная теория относительности объясняет отношения между энергией и массой известным уравнением E = mc^2, в котором E — энергия, m — масса, а c — скорость света в вакууме (порядка 1,08 миллиарда километров в час). Эта теория также объединяет пространство и время в четырехмерное пространство-время.

Общая теория относительности расширяет эту последнюю идею, поясняя, что материя искривляет пространство-время, подобно тому как тяжелый шар создает впадину на мягкой поверхности. Это важное и монументальное понимание природы пространства пришло к Эйнштейну не сразу; он пришел к нему после десяти лет напряженной и тяжелой мысленной работы.

«Он должен был двигаться вперед. Он предложил идеи, от которых впоследствии сам отказался. Но продолжал двигаться вперед, — Блэндфорд рассказал Space.com. — Он руководствовался не математическими идеями или математическими техниками. В первую очередь его вела физическая интуиция; эта необычайно мощная физическая интуиция весьма хорошо послужила ему в прошлом».

Общая теория относительности характеризует гравитацию не как врожденную силу, действующую на объекты, а как следствие искривления пространства-времени. (Представьте себе, как шар катится по наклонной поверхности, созданной шаром, лежащим на мягкой кровати).

Это была мощная и радикальная идея — и она стала предметом пристального внимания на сотню лет.

Подтверждения со всех сторон

Общая теория относительности предсказывает, что свет будет выбирать кривой путь, огибая массивный объект вроде галактического скопления, которое будет существенно влиять на пространство-время.

Этот эффект астрономы наблюдали экспериментально; более того, астрономы используют «гравитационные линзы» для изучения далеких источников света. На самом деле, в меньших масштабах, это явление даже помогает искать планеты за пределами Солнечной системы. (Экзопланеты могут быть обнаружены по тому, как их родные звезды искривляют свет от фоновых объектов).

Особенности орбиты Меркурия вокруг Солнца также подтверждают общую теорию относительности.

«Она объясняет аномальную прецессию перигелия Меркурия, или вращение линии, соединяющей Солнце с точкой наибольшего сближения с планетой, — писал Блэндфорд в статье Science. — Эйнштейн использовал общую теорию относительности, чтобы объяснить 10-процентное расхождение в прецессии, связав ее с гравитационным притяжением других планет, 43 угловых секунды в столетие».





Другие типы наблюдаемых данных также помогли поставить общую теорию относительности на твердую основу, говорит Блэндфорд.

«Мы проверили ее много-много раз, самыми различными способами», — говорит он. — «Думаю, справедливо было бы сказать, что нет никаких убедительных измерений или наблюдений, которые могли бы вызвать сомнения в ОТО».

Темная Вселенная

Общая теория относительности также предполагает, что подавляющая часть Вселенной состоит из вещей, которые люди не могут обнаружить напрямую (на данном этапе), иногда даже понять, пишет Дэвид Спергель из Принстонского университета.

Тщательное изучение движения света и материи во Вселенной показало, что «нормальная» материя сама по себе не может объяснить закономерности кривизны пространства-времени. Действительно, наблюдения показывают, что только 5% Вселенной состоит из знакомой нам атомарной материи, в то время как 25% приходится на темную материю, и 70% — на темную энергию.

Темная материя не излучает и не поглощает свет, выдавая свое присутствие только за счет гравитационных эффектов. Темная энергия, тем временем, представляет собой таинственную силу, которая ассоциируется с пустым пространством и считается ответственной за ускоряющееся расширение Вселенной.

В 1917 году Эйнштейн ввел термин «космологическая постоянная» в общую теорию относительности как силу отталкивания, которая противодействует гравитации и удерживает Вселенную в статическом состоянии (на тот момент это был преобладающий взгляд на природу Вселенной). После того как наблюдения Эдвина Хабла в 1929 году показали, что наша Вселенная на самом деле расширяется, Эйнштейн отказался от космологической постоянной, посчитав ее «самой большой ошибкой» своей жизни.

Но постоянная оказалась пророчеством, ведь сегодня астрономы пытаются понять природу темной энергии, которая вполне подходит на ее роль.

«Почему расширение Вселенной ускоряется? Наиболее возможный вариант — космологическая постоянная (или эквивалент энергии вакуума пустого пространства) движет космическим ускорением», — пишет Спергель. — «Другой вариант — развивающееся скалярное поле заполняет пространство (вроде поля Хиггса или поля инфляции, которое быстро расширило Вселенную в ранние ее дни). Обе эти возможности объединяет в себе «темная энергия».

«Поскольку все доказательства темной энергии используют уравнения общей теории относительности, есть мнение, что новая теория гравитации поможет объяснить наблюдения, — добавляет он. — Возможности включают модифицированные теории гравитаций с дополнительными измерениями».

Будущее

Общая теория относительности будет продолжать объединять усилия физиков, космологов и астрономов еще долгое время в будущем, считает Блэндфорд.

К примеру, ученые будут использовать теорию, чтобы получить лучшее понимание черных дыр, нейтронных звезд и других небесных тел и явлений. Ученые также будут продолжать зондировать природу темной энергии и темной материи, пытаясь понять Вселенную в самых широких масштабах.

И, наконец, ученые пытаются объединить общую теорию относительности с квантовой механикой, поженить очень большое на очень маленьком. Эта грандиозная и долгожданная «теория всего» по-прежнему ускользает от физиков, но они думают, что это достижимо.

«Есть много интересных идей. Буду оптимистом и выражу надежду, что мои коллеги смогут осуществить это».опубликовано 

Источник: hi-news.ru

Почему есть нечто, а не ничто?

Поделиться



Некоторые физики считают, что могут объяснить, как сформировалась наша Вселенная. Если они окажутся правы, то наш космос мог возникнуть из ничего. 

Люди ведут споры о том, почему существует Вселенная, уже тысячи лет. Практически в каждой античной культуре люди придумывали собственную теорию сотворения мира – большинство из них включало в себя божественный замысел – и философы написали многие тома об этом. А вот наука может рассказать о сотворении Вселенной не так уж и много. 

Однако в последнее время часть физиков и космологов начала вести дискуссию по этому поводу. Они отмечают, что сейчас мы неплохо знаем историю Вселенной и законы физики, которые объясняют, как она устроена. Ученые считают, что эта информация позволит нам понять и то, как и почему существует космос. 
По их мнению, Вселенная, начиная от Большого Взрыва и заканчивая нашим многозвездным космосом, который существует на сегодняшний день, возникла из ничего. Это должно было случиться, говорят ученые, потому что «ничто» на самом деле внутренне нестабильно. 

Эта идея может показаться странной или просто-напросто сказочной. Но физики утверждают, что она берет начало из двух самых мощных и успешных теорий: квантовой физики и общей теории относительности. 

Итак, как же всё могло возникнуть из ничего? 





Частицы из пустого пространства

Для начала нам стоит обратиться к области квантовой физики. Это область физики, которая изучает очень маленькие частицы: атомы и даже ещё более мелкие объекты. Квантовая физика – чрезвычайно успешная теория, и она стала фундаментом для появления большинства современных электронных гаджетов. 

Квантовая физика рассказывает нам о том, что пустого пространства вообще не существует. Даже самый идеальный вакуум заполнен колышущимся облаком частиц и античастиц, которые появляются из ничего и затем превращаются в ничто. Эти так называемые «виртуальные частицы» существуют в течение недолгого времени и поэтому мы не можем их увидеть. Однако мы знаем, что они есть из-за тех эффектов, которые вызывают. 





К пространству и времени из отсутствия пространства и времени

Давайте теперь перенесём наш взгляд от мельчайших объектов – таких, как атомы, – к очень крупным штукам – таким, как галактики. Наша лучшая теория, объясняющая такие большие вещи, – это общая теория относительности, главное достижение Альберта Эйнштейна. Эта теория объясняет, как взаимосвязаны между собой пространство, время и гравитация. 

Общая теория относительности сильно отличается от квантовой физики, и до настоящего момента никто не смог сложить их в единый пазл. Однако некоторым теоретикам удалось, используя аккуратно выбранное сходство, приблизить эти две теории друг к другу в конкретных задачах. Например, этот подход был использован Стивеном Хокингом в Кембриджском университете, когда он описывал чёрные дыры. 

Физики обнаружили, что когда квантовая теория применяется к пространству в маленьких масштабах, пространство становится нестабильным. Пространство и время вместо того, чтобы оставаться гладкими и непрерывными, начинают бурлить и пениться, принимая форму лопающихся пузырей. 

Другими словами, маленькие пузырьки времени и пространства могут формироваться спонтанным образом. «В квантовом мире время и пространство являются неустойчивыми, — говорит астрофизик Лоуренс Максвелл Краусс из Университета штата Аризона. – Таким образом, вы можете формировать виртуальное пространство-время так же, как вы формируете виртуальные частицы». 

Более того, если эти пузыри могут возникнуть, вы можете быть уверены, что они возникнут. «В квантовой физике, если что-то не запрещено, это обязательно случится с определенной долей вероятности», — считает Александр Виленкин из университета Тафтса в штате Массачусетс. 





Вселенная из пузыря

Итак, не только частицы и античастицы могут возникать из ничего и превращаться в ничто: пузыри пространства-времени могут проделывать то же самое. Однако существует большая пропасть между бесконечно малым пространственно-временным пузырём и огромнейшей Вселенной, состоящей из более чем 100 млрд галактик. Действительно, почему бы только что появившемуся пузырю не исчезнуть в мгновение ока? 

И оказывается, есть способ как заставить пузырь выжить. Для этого нужен ещё один трюк, который называется космической инфляцией. 

Большинство современных физиков считают, что Вселенная началась с Большого Взрыва. Сначала вся материя и энергия в космосе были сжаты в невероятно маленькую точку, которая затем начала быстро расширяться. О том, что наша Вселенная расширяется, учёные узнали в XX веке. Они увидели, что все галактики разлетаются друг от друга, а значит, когда-то они располагались близко друг к другу. 

Согласно инфляционной модели Вселенной, сразу после Большого Взрыва Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем в наши дни. Эта диковинная теория появилась в 1980-х гг., благодаря Алану Гуту из Массачусетского технологического института, и была доработана советским физиком Андреем Линде, который работает теперь в Стэнфордском университете. 

Идея инфляционной модели Вселенной заключается в том, что сразу после Большого Взрыва маленький пузырь пространства расширялся с колоссальной скоростью. За невероятно короткий срок он из точки, меньшей по размеру, чем ядро атома, достиг объема песчинки. Когда же в конце концов, расширение замедлилось, вызвавшая его сила трансформировалась в материю и энергию, которые заполняют сегодняшнюю Вселенную. 

Несмотря на свою кажущуюся странность, инфляционная модель Вселенной неплохо соответствует фактам. В частности, она объясняет, почему реликтовое излучение — космическое микроволновое фоновое излучение, сохранившееся со времен Большого Взрыва — равномерно распределено в небе. Если бы Вселенная расширялась не так быстро, тогда, скорее всего, излучение было бы распределно более хаотично, чем мы видим сегодня. 





Вселенная плоская, и почему этот факт важен

Инфляция также помогает космологам определить геометрию нашей Вселенной. Оказалось, что знание геометрии необходимо для понимания, как космос мог возникнуть из ничего. 

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна говорит, что пространство-время, в котором мы живем, может принимать три различные формы. Оно может быть плоским, как поверхность стола. Оно может быть искривленным, как площадь сферы, и поэтому, если ты начал движение из определенной точки, то обязательно в нее вернешься. И наконец, оно может быть вывернуто наружу, как седло. Так в какой форме пространства-времени мы живем? 

Это можно объяснить следюущим образом. Возможно, вы помните из школьных уроков математики, что углы треугольника в сумме равны 180 градусам. Это верно только тогда, когда треугольник находится в плоском пространстве. Если вы нарисуете треугольник на поверхности воздушного шарика, сумма трех углов составит больше, чем 180 градусов. Если же вы нарисуете треугольник на поверхности, похожей на седло, сумма трех углов будет меньше, чем 180 градусов. 

Для того, чтобы понять, что наша Вселенная плоская, нам необходимо измерить углы гигантского треугольника. И это тот случай, когда в дело вступает инфляционная модель Вселенной. Она определяет средние размеры холодных и горячих пятен в космическом микроволновом фоне. Эти пятна были измерены в 2003 году, и именно их астрономы смогли использовать в качестве аналогов треугольника. Как результат, мы знаем, что самые крупные из доступных нашим наблюдаениям масштабов в нашей Вселенной – плоские. 





Таким образом, оказалось, что плоская Вселенная является необходимостью. Это так, потому что только плоская Вселенная могла образоваться из ничего. 

Все, что существует во Вселенной – начиная от звезд и галактик и заканчивая светом, который они вызывают, должно было из чего-то образоваться. Мы уже знаем, что частицы возникают на квантовом уровне, и поэтому мы могли бы ожидать, что во Вселенной есть кое-какая мелочёвка. Но для образования всех этих звёзд и планет требуется огромное количество энергии. 

Но откуда Вселенная взяла всю эту энергию? Звучит, конечно, странно, но энергии не обязательно было откуда-то браться. Дело в том, что каждый объект нашей Вселенной обладает гравитацией и притягивает к себе другие объекты. И это уравновешивает энергию, необходимую для создания первой материи. 

Это немного похоже на старые весы. Вы можете положить сколь угодно тяжёлый предмет на одну чашу весов, и весы будут в равновесии, если на другом конце находится объект такой же массы. В случае со Вселенной, на одном конце располагается материя, а «уравновешивает» её гравитация. 

Физики подсчитали, что в плоской Вселенной энергия материи точно равна энергии гравитации, которую эта материя создаёт. Но это работает только в отношении плоской Вселенной. Если бы Вселенная была искривленной, баланса бы не было. 





Вселенная или мультивселенная?

Теперь, «приготовление» Вселенной выглядит довольно простым делом. Квантовая физика говорит нам, что «ничто» является неустойчивым, и поэтому переход от «ничего» к «чему-то» должен быть практически неизбежным. Далее, благодаря инфляции из маленького пространственно-временного пузырька может образоваться массивная, плотная Вселенная. Как написал Краусс, «Законы физики, как мы понимаем их сегодня, допускают, что наша Вселенная образовалась из ничего – не было ни времени, ни пространства, ни частиц, ничего, о чем бы мы знали». 

Но почему тогда Вселенная образовалась только один раз? Если один пузырь раздулся до размеров нашей Вселенной, почему этого не могут сделать другие пузыри? 
Линде предлагает простой, но психоделичный ответ. Он считает, что Вселенные возникали и возникают непрерывно, и этот процесс будет продолжаться вечно. 
Когда инфляция Вселенной заканчивается, считает Линде, её все равно продолжает окружать пространство, в котором существует инфляция. Она вызывает возникновение еще большего количества Вселенных, и вокруг них образуется еще больше пространства, в котором происходит инфляция. Однажды инфляция началась, и она будет продолжаться бесконечно. Линде назвал это вечной инфляцией. Наша Вселенная может быть всего лишь песчинкой на бесконечном песчаном пляже. 

Другие вселенные могут сильно отличаться от нашей. У соседней вселенной может быть пять пространственных измерений, в то время как у нашей их всего три – длина, ширина и высота. Сила гравитации в ней может быть в 10 раз сильнее или в 1000 раз слабее. Или гравитации может и не быть вовсе. Материя может состоять из совершенно других частиц. 

Таким образом, может существовать не укладывающееся в нашем сознании разнообразие Вселенных. Линде считает, что вечная инфляция это не просто «абсолютно бесплатный обед», но это и единственный обед, на котором доступны все возможные блюда.опубликовано  

Автор: Robert Adler 

Перевод: Екатерина Шутова

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! ©

Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках

Источник: vk.com/fizika_nevozmojnogo?w=page-35207911_50082670

Квантовые частицы могут быть соединены через червоточины пространства-времени

Поделиться



Светят ли фары, если машина движется со скоростью света?

Поделиться



1) Освещает ли свет фар другие объекты и отражается обратно в глаза?

Нет. Как известно, нельзя превысить скорость света. Это означает, что в одном из направлений свет вообще не может светить, потому что не способен превысить скорость автомобиля, так что никогда не выйдет из фар. Однако, мы живём в многомерном мире и не весь свет светит в одном направлении.

Представим двухмерный автомобиль без массы (то есть двигающийся со скоростью света), который излучил два фотона, один вверх, а другой вниз. Два луча отделяются от автомобиля и остаются позади него. Они двигаются с такой же скоростью света, но не могут двигаться вперёд настолько же быстро, поскольку один из векторов скорости направлен вверх/вниз, поэтому мы обгоняем их. Эти фотоны затем встречают на своём пути какое-то препятствие, например, дорожный указатель или дерево, и отражаются обратно. Проблема в том, что они уже не могут догнать вас. Другие люди, идущие по тротуару, способны видеть отражённый свет, но вы уже уехали и никогда его не увидите.

Вот пожалуйста, всё можно объяснить на одном только факте, что весь свет двигается с одинаковой скоростью, неважно куда. Это едва ли имеет отношение к теории относительности.

Однако, существует и более хардкорная версия.

2) Могут ли вещи, двигающиеся со скоростью света, иметь фары? Могут ли они вообще иметь зрение?

Вот где сумасшедшая истина теории относительности по-настоящему вступает в игру, так что не нужно стыдиться, если чего-то не поймёте, но ответ опять выходит отрицательным.

Возможно, вам знакома концепция релятивистского замедления времени. Предположим, я с другом садимся в разные поезда и едем навстречу. Проезжая мимо, если мы посмотрим через окно на настенные часы в купе друг у друга, то оба заметим, что они идут медленнее обычного. Это не потому что часы тормозят, а потому что вступает в дело свет между нами: чем быстрее мы двигаемся, тем медленнее стареем относительно менее подвижных объектов. Это потому что время не является абсолютным для всех объектов во Вселенной, оно своё у каждого объекта и зависит от его скорости. Наше время зависит только от нашей скорости во Вселенной. Вы можете представить это как движение в разных направлениях на шкале пространства-времени. Здесь есть определённая проблема, потому что наш мозг не приспособлен для понимания геометрии пространства-времени, а склонен представлять время как некий абсолют. Тем не менее, почитав немного литературы на эту тему, вы нормально сможете воспринимать как естественный факт: те, кто двигаются быстро относительно вас, стареют медленнее.

На самом деле можно рассчитать, насколько именно медленнее. Если у вас прошла одна секунда, то у вашего друга в очень быстром поезде одна секунда будет равняться


Читать дальше →

Теоретические расчёты предсказывают эффект самоускорения элементарных частиц

Поделиться



Звезда «спряталась» в складке пространства-времени на 150 лет

Поделиться



Самая большая чёрная дыра в известной Вселенной

Поделиться