Феномен времени и черные дыры

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Новосибирский Государственный  Университет

Экономический факультет

Отделение Социологии

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

на тему «Феномен времени и черные дыры»

 

 

 

 

Выполнила

студентка группы №0705

Е. А. Молчанова

 

Проверила

преподаватель

А. В. Диева

 

 

 

 

 

 

Новосибирск 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…...................................................................................................................................3

Глава 1. Черные дыры…………………………………………………………………………..4

1. Как появляются черные дыры………………………………………………………………4
2. Что представляют из себя черные дыры…………………………………………………..4
3. Для чего нужны черные дыры……………………………………………………………...5

Глава 2. Феномен  времени…………………………………………………………………….7

2.1. Что такое время……………………………………………………………………………...7

2.2. Феномен времени……………………………………………………………………………8

Глава 3. Черные дыры как коридор времени………………………………………………9

Список использованной литературы………………………………………………………….11 

Введение

Настоящее время человек  обозначает как золотой век развития науки и техники. Безусловно, это  связано с определенными успехами и научными открытиями. Так, недавно  были обнаружены такие феномены в  космическом пространстве, называемые черными дырами. Несмотря на то, что  мы не можем умозрительно наблюдать  их, мы можем узнавать их существование  по свойствам. В данном реферате описывается  связь черных дыр и феномена времени, а также возможные варианты путешествия  во времени, предложенные астрофизиками  прошлого и нашего времени.

 

Глава 1. Черные дыры

1. 1. Как появляются черные дыры

Известно, что все звезды светятся, сжигая легкие химические элементы, такие как водород. Под таким воздействием легкие элементы превращаются в тяжелые – например, углерод, кремний, железо. Когда звезда умирает, она взрывается и выпускает всю свою энергию в космос. У нее больше нет топлива, ядро начинает приобретать свой первоначальный вид, вся планета сжимается до формы ядра. За счет увеличения тяжести любой звезды, то есть, за счет увеличения плотности звездного тела, начинается воздействие звезды на атмосферу вокруг нее – пространство и время. Например, можно представить себе натянутую ткань, такую как гимнастический батут, а на нем – тяжелый шар, например, для боулинга. Естественно, ткань под весом шара прогибается. Если мы будем увеличивать массу, но сохранять объем шара, то увидим, что ткань все больше прогибается вниз. При взгляде сбоку или «в профиль» мы, в конце концов, увидим лишь натянутую ткань, а шар будет целиком погружен в нее. В такой момент, если провести аналогию со звездой и пространством-временем, и происходит рождение черной дыры. Звезда набирает и набирает массу. При стремлении ее плотности к бесконечности, объем ее стремится к нулю, сила тяготения увеличивается до невероятных значений, таких, что звезда не может ей противостоять, и, в итоге, звезда «схлопывается», образуя вокруг себя пространственно-временную ловушку [1]. Образуется черное пространство, поглощающее все вокруг – даже свет, и при этом ничего не выпускающее обратно. Как считается, там исчезает все, поэтому такая дыра и называется черной.

До недавнего времени  считалось загадкой, что черные дыры существуют. Однако, благодаря наблюдению спутника с кусочками зеркала (одними – в космосе, остальными – на Земле) ученые узнали, что что-то огромное и невероятное поглощает огромный луч света. Увы, невозможно произвести наблюдение за черной дырой в прямом смысле этого слова, но можно строить гипотезы и теорию, исходя из ее видимых свойств и действий, происходящих рядом с ней.

1. 2. Что представляют из себя черные дыры

Черная дыра – это «прокол» в пространстве-времени, его искривление [2]. Внутри него время и пространство меняют свои координаты. Невероятная сила притяжения действует внутри этого неизведанного объекта. Еще в 1795 г. великий французский математик Пьер-Симон Лаплас теоретическим путем пришел к выводу, что свет не может уйти от тела, если оно достаточно массивно или достаточно сильно сжато.

Рассмотрим, из каких элементов  состоит черная дыра.

Согласно немецкому астроному  К. Шварцшильду,  всё вещество черной дыры собирается в бесконечно малую точку бесконечной плотности в самом ее центре — математики называют такой объект сингулярным возмущением [1]. За счет нее и образуется невероятная сила, как назвал бы ее Ньютон, сила притяжения.

Помимо сингулярного возмущения, черная дыра обладает горизонтом событий. Такое название вполне обоснованно – оно связано с главным свойством черной дыры, о котором мы уже упоминали выше – она поглощает все, что находится рядом. Горизонт событий - односторонне пропускающая поверхность в пространстве-времени, из которой ничто не может вырваться. Его также часто называют поверхностью черной дыры.

Наконец, с внешней стороны  черную дыру окружает фотонная сфера, состоящая из лучей света, движущихся по неустойчивым световым орбитам [3].

Таким образом, мы кратко описали  черную дыру, назвали основные ее свойства, а также теоретически обозначили ее появление. Рассмотрим теперь значение черных дыр для нашей вселенной.

1. 3. Для чего нужны черные дыры

До недавнего времени  черные дыры, подобно драконам или  феям, считались объектом мистических  рассказов, и упоминание о них  в серьезном смысле могло вызывать лишь смех. Но при обнаружении свойств черных дыр – своеобразного подтверждения их существования, ученые старались углубить свои знания, поэтому построили множество гипотез о том, зачем нужны черные дыры, для чего они существуют.

Одна из важнейших и  основных – о необходимом их существовании  для самой Вселенной. Черные дыры, как считают ученые, образовали множество  галактик, в том числе и наш  Млечный Путь [4]. Известно, что в центре нашей галактики находится сверхмассивная черная дыра, которая и является родителем всех звезд и планет Млечного Пути. Так, когда взорвалась огромная звезда, в 4 млн раз превышающая по массе наше Солнце, она преобразовалась в большую черную дыру, которая поглощала все на своем пути. Затем, спустя несколько сотен тысяч лет, «место» в ней закончилось, дыра начала испускать огромное количество газов, направляя два широчайших луча, которые со скоростью света устремляются прямо в космос. Когда энергия в черной дыре заканчивается, она постепенно начинает затихать, а вокруг нее уже не хаотично, а, возможно, по порядку двигаются планеты и светят малые звезды, которые она породила, испуская газ. В этом смысле дыра похожа на человека – когда она молодая, она активна, когда она стареет – ее энергия заканчивается, и она начинает вести спокойный образ жизни.

Таким образом, можно сделать  небольшой вывод о том, что  черные дыры необходимы для нашей  галактики, да и вообще, для всей вселенной. Без них не было бы звезд, галактик, планет, в конце концов, без них не было бы нас с вами.

Теперь мы можем перейти  к рассуждению о том, что же такое время, как оно действует  и как связано с черной дырой.

 

Глава 2. Феномен  времени

2.1. Что такое  время

Если я, к примеру, говорю: “Этот поезд прибывает сюда в 7 часов”, – то это означает примерно следующее: указание маленькой стрелки  моих часов на 7 часов и прибытие поезда суть одновременные события… Время событий – это одновременное  с событием показание покоящихся часов, которые находятся в месте события [5]. Мы не можем, в общем-то, дать четкое определение времени в чистом виде. Именно поэтому Эйнштейн использует определение через предметы, созданные трудом человека. Ведь наручные, настенные или какие-то другие часы в материальном их понимании – это продукт человеческой деятельности.

Не следует  придавать абсолютного значения понятию одновременности. Два события, одновременные при наблюдении из одной координатной системы, уже не воспринимаются как одновременные при рассмотрении из системы, движущейся относительно данной системы [6]. В данном случае вспоминаются рассуждения Эйнштейна о поезде, который проходит одинаковое расстояние за разные временные отрезки, что зависит от положения тела наблюдателя в пространстве. Время не является абсолютным, хотя, до XX в. так и считалось. Абсолютной является скорость света. Нельзя сказать, что время имеет абсолютный, т.е. независимый от состояния движения системы отсчета смысл. Это и есть произвол, который содержался в нашей кинематике [7]. Положение становится еще более поразительным, если представить себе следующее: если часы, синхронизированные с другими подобными, заставить двигаться в одном направлении с большой скоростью, приближающейся к скорости света, а затем вернуть к первым, то окажется, что на двигавшихся прошло меньше времени, чем на покоившихся. Следует добавить, что выводы, которые справедливы для этих часов, взятых нами в качестве простой системы, представляющей все физические процессы, остается в силе и для замкнутой физической системы с каким-либо другим устройством. Например, если бы мы поместили живой организм в некий футляр и заставили бы всю эту систему совершить такое же движение вперед и обратно, как описанные выше часы, то можно было бы достичь того, что этот организм после возвращения в исходный пункт из своего сколь угодно далекого путешествия изменился бы сколь угодно мало, в то время как подобные ему организмы, оставленные в пункте отправления в состоянии покоя, давно бы уже уступили место новым поколениям. Для движущегося организма длительное время путешествия будет лишь мгновением, если движение будет происходить со скоростью, близкой к скорости света! Это – неизбежное следствие наших исходных принципов, к которым нас приводит опыт [8].

2.2. Феномен времени

Таким образом, мы знаем, что в разных пространствах  течет разное время.  Феноменальная трактовка времени подразумевает существование природного явления, процесса, или объекта, свойства которого ответственны за характеристики, приписываемые самому времени [9]. А. П. Левич изучал и стремился объяснить феномен времени. Он также дал определение референта времени - природного процесса, явления, "носителя", свойства которого могут быть отождествлены или корреспондированы со свойствами, приписываемыми феномену времени [9].

Недавно в Новосибирске был проведен эксперимент: в две герметически запаянные колбы были помещены микробы: здоровые и зараженные вирусом. Колбы некоторое время стояли рядом. Затем штамм здоровых микробов ввели животным, и те заразились вирусом. Это значит, что одни микробы заразили других бесконтактным путем. Причина такого феномена кроется в свойствах времени.

Не  так давно астроном Н. А. Козырев экспериментально показал, что у времени есть плотность, а любое изменение организованности физической среды ведет за собой изменение плотности времени. В свою очередь, изменение плотности времени, мгновенно распространяясь в пространстве, вызывает изменение физического Состояния тел, встречающихся на ее пути [10]. Мозг живых существ, вероятно, может воспринимать изменение плотности времени, а вместе с ней и информацию в виде мысли и образов.

Дело  в том, что мы точно не знаем, что  представляет из себя время, мы можем лишь рассуждать, следуя примеру Эйнштейна, о том, как может изменяться время в зависимости от точки наблюдения – нашего положения в пространстве.

 

Глава 3. Черные дыры как коридор  времени

Существует  гипотеза о том, что черные дыры являются своеобразным коридором во времени. Многие люди мечтают о создании возможности  перемещаться во времени. В каком-то смысле мы все перемещаемся во времени, только (в нашем пространстве) с  одинаковой скоростью и только в  одном направлении. Мы можем посмотреть на свои часы и засечь время течения  какого-либо действия (например, эстафеты). При этом, если мы спросим у человека, который тоже засек время в тот же момент, что и мы, и остановил свой счет тогда же, когда и мы, он наверняка скажет нам ту же цифру, которая получилась у нас. Это, конечно, при условии исправности наших и его часов.

Такой эффект достигается за счет того, что  наши точки наблюдения совпадают. Но есть другие измерения, в которых  время, к примеру, замедляется, если наблюдать «со стороны». Такие  объекты – черные дыры. Ученые говорят о том, что если какой-нибудь объект попадет в черную дыру, то при наблюдении «извне», снаружи, мы увидим, что этот предмет замер, остановился, потому что время остановилось. Тем не менее, если мы будем этим объектом, мы почувствуем, что мы двигаемся, и время течет со скоростью света внутри черной дыры.

Черная  дыра окружена гравитационным полем, в  котором тела достигают скорости света. Предполагается, что в глубине  черной дыры - предположительно, в центре, в так называемой точке сингуляра - законы физики прекращают действовать, и пространственная и временная координаты, грубо говоря, меняются местами, а путешествие в пространстве становится путешествием во времени. Кроме того, физики предположили, что если есть черные дыры, затягивающие все, оказавшееся в зоне воздействия, то где-то там, в “ядре” дыры, должна быть некая “белая дыра”, выталкивающая материю со столь же сокрушительной силой.

В центре черной дыры находится коридор, где  пространство и время меняют свои характеристики. Однако есть одно “но”: прежде чем тело достигнет зоны, где законы традиционной физики перестают  действовать, оно будет разрушено. Эта точка зрения была высказана  физиком Калифорнийского института  технологии Кипом Торном, автором монографии “Черные дыры и искривление времени” [11]. Эти черные дыры-тоннели могут связывать отдаленные в пространстве точки, которые существуют в принципиально разных временных плоскостях. Кип Торн абсолютно серьезно в преддверии открытия этих тоннелей предлагал для поддержания их открытыми покрывать поверхность туннеля неким веществом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, захлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса. Таким образом, мы сможем проникнуть в черную дыру и узнать, что находится внутри, возможно, сможем двигаться во времени назад и далеко вперед.

Известно, что если «если есть инь, то должно быть и янь» - все в нашем мире, особенно в природном, дополняет и уравновешивает друг друга. Поэтому, существует мнение, что внутри черной дыры, которая поглощает все и обладает невыносимой силой притяжения, существует белая дыра, которая, наоборот, выталкивает энергию и всю материю с такой же невероятной силой. Если это так, то открывается еще одна загадка: даже если мы в будущем поймем, как проникать в черные дыры и при этом оставаться в живых, там нас ожидает неизведанная субстанция, с которой мы не будем знать, как действовать, и, в конечном итоге, будем «вытолкнуты» обратно в космос. Более того, возможно, если мы действительно когда-нибудь сможем осуществить идею Кипа Торна, то нарушим баланс Вселенной и уничтожим таким образом весь мир.

Помимо  проблем технического характера, физики обсуждают и возможные конфликты  времени. Реальная проблема, которая  может ждать путешественников, - парадоксы времени. Их возникнет  множество, и все они будут  связаны с возможным воздействием на ход уже совершенных событий - “парадокс дедушки”, например. Большинство  теоретиков сошлись на том, что всякое воздействие на ход совершенного создает новую, параллельную реальность либо другую “мировую линию”, ничуть не мешающую существованию “исходной”. И таких “параллельностей” будет  ровно столько, сколько необходимо для непротиворечивого существования  каждой из них. Вообще надо заметить, что  рассуждения, дискуссии и лекции о природе времени и возможности  путешествия во времени до сих  пор остаются излюбленным занятием серьезных физиков - своего рода интеллектуальной забавой. В свое время астрофизик NASA Карл Саган в ответ на заявление  Стивена Хокинга о том, что, если бы путешествия во времени были бы возможны, среди нас было бы полно “ребят из будущего”, парировал, что есть, как минимум, дюжина способов опровергнуть это заявление.