Өткенге көшу • Хайк Акопян • «Элементтер» бойынша танымал ғылым тапсырмалары • Астрофизика

Өткенге көшу

Космологиядағы және салыстырмалықтың жалпы теориясындағы ең қызықты болжамдардың бірі ғарыштық сызықтардың болуы, ғарыш кеңістігіндегі теориялық тұрғыдан пайда болатын біздің кеңістіктің бір өлшемді топологиялық ақауларының болуы болып табылады.

Егер біз жазықтықта өмір сүретінімізді елестететін болсақ, жол – бұл ғарыш кеңістігінің бір бөлігін шығарып тастаған көрінеді, ал кеңістік сыртқа шығарылған бөлікке жабысқақ болғандықтан, нүкте (немесе жазықтыққа перпендикуляр тік сызық) болып табылады (1-сурет). Осындай ақаулықтың нәтижесінде әртүрлі бағытта бір объектден (айталық, алыс квазер) шыққан екі шоқты кері жақындауға болады. Сонымен қатар, олар түз сызық бойымен қозғалады, жолдың қарама-қарсы жағынан өтіп, квазардың екі түрлі бейнелерін жасайды.

Сурет. 1. Ғарыштық жолдың ғарышқа әсері мен «линзалау» әсерінің схемалық көрінісі. «Әлемге қош келдіңіздер» кітабындағы сурет

Мұнда сөзбен біраз сақ болу керек, өйткені мұндай әсер массасы бойынша кеңістіктің қисықтықтан туындайтын салыстырмалықтың жалпы теориясын түсінуінде дәл гравитациялық линзинг емес. Іс жүзінде жолдың айналасындағы кеңістік мүлдем тегіс, ал статикалық бақылаушылар қандай да бір тиімді салмақты және, тиісінше, гравитациялық күшті сезінбейді.Бұл әсер кеңістіктің геометриялық ақауларымен байланысты таза тополог болып табылады.

«Линзинг» әсерінің таңғажайып салдарларының бірі – «тезірек» жарықпен жүру мүмкіндігі. Суретте. 1-те сол квазараттан Жерге дейінгі екі жол бар, бұл жолдар бірінен екіншісіне қарағанда қысқа.

Екінші жолдың жылдамдығымен, яғни 0,8 жарық жылдамдығымен (барынша мүмкін), екінші жолды бойлай қозғайтын байқаушы Жерге ертерек келіп жететіндігін (арқылы 6.25 жас), алғашқы жолда (10 жыл) жылжыған жарыққа қарағанда. Барлық парадокстарға қарамастан, мұндай әсер мүмкін емес, бұл байқалды (бұл туралы кейінгі сөзде).

Зымыран квасардан жарық пудрінен кейін «ұшып кете» алады, бірақ қысқа жолды таңдай отырып, бұл сәуленің алдында Жерге жетеді. Мұндай «суперлуминальды» траекториялар деп аталады кеңістікте ұқсас. Кәдімгі геометрияда мұндай траектория бойынша қозғалыс мүмкін емес, өйткені ол жарық жылдамдығынан тезірек қозғалысты білдіреді.

Әдетте екі оқиға ғарыштық сегментте бөлінген,егер бұл оқиғалар теориялық жағынан бір-біріне әсер ете алмаса (сигнал ғарыштық траектория бойынша жарыққа қарағанда жылдамырақ өту мүмкін емес). Мысалы, бір-бірінен 10 жарық жылына дейінгі екі жарылыс 5 жыл айырмашылығы болды: бұл екі оқиға бірде-бір кедергісіз әдеттегі кеңістікте бір-біріне әсер ете алмайды. Мұндай оқиғалардың керемет сипаты – бұл екі оқиғаның бір мезгілде орын алатын осындай байқаушыны (белгілі бір жылдамдықпен қозғалу) әрдайым табу мүмкіндігі.

Егер бұл факт сіздерге таныс болмаса, алаңдатпа, барлық түсініктемелер эпиляцияда беріледі. Енді оны қабыл алыңыз.

Атап айтқанда, ғарыштық жолда болған жағдайда, № 2 қысқа жол бойындағы траектория № 1 ұзын жол бойындағы жарық қозғалысына қарағанда «тезірек», бұл жол кеңістікке ұқсас болады. Сондықтан кейбір бақылаушылардың №1 жолдың бойындағы жолға қатысты белгілі бір жылдамдықпен (жарықтың жылдамдығынан аз) қозғалысы үшін ғарыш аппаратын ұшыру және Жер бетіне бару бір мезгілде болады!

Ғарыштық сызықтарды біздің өзімшіл мақсаттарға арналған тамаша әсері бар ма? Геометрияны біршама қиындатып алайық: екеуі де болсынғарыштық сызықтар (сурет 2). Бұл жағдайда №1 және №3 екі қысқа бағыттар бар (олар №2 бағытына қарағанда қысқа).

Сурет. 2 Ғарыштық екі ғарыш кеңістігі бар геометрия. «Әлемге қош келдіңіздер» кітабындағы сурет

Тапсырма

Ғарыштық жолдардан тыс жерде өмір сүруге болатын ықтимал планета B табылғаннан кейін, А ғаламшарынан экспедиция оны зерттеу үшін жолға шықты. Кейінірек, Планета В толықтай жарамсыз болып шықты, ал аңызға айналған экспедиция капитаны өз уақытында оралуға шешім қабылдады және өзін-өзі ескертіп, командаға экспедициядан сәтсіздікке ұшырады деп ескертті.

Мүмкін бе? Егер солай болса, қандай жағдайда және капитанға қандай нұсқаулар берілуге ​​тиіс? Егер жоқ болса, мүмкін болмайтындығын қалай түсіндіре аласыз?


1-кеңес

Егер жолдар демалып кетпесе, жылжытыңыз ба? Ол бір нәрсе өзгереді ме? Іс жүзінде байқаушының жолға қатысты қозғалысы немесе байқаушыға қатысты жол қозғалысы бірдей.


2-кеңес

Кеңістікте ұқсас траекторияның сипатын қолдануға тырысыңыз. Егер трюка бір рет жұмыс істесе, онда ол қайталануы мүмкін, ал екінші.


Шешім

Осы тапсырманың бірінші сәуірге белгіленгеніне қарамастан, мұнда ештеңе жоқ. Өткенге дейінгі осындай саяхат шынымен теориялық жағынан мүмкін болатын және 1991 жылы JR Gott Closed timelike шешімдерінде сипатталған.Бұл қалай мүмкін екенін түсінейік.

Мысалы, ғарыштық интервалмен байланысты екі оқиға бар: экспедиция A планетасынан шығып, №1 бағыты бойынша В планетасына жетеді (2-суретті қараңыз). Аралық кеңістікке ұқсас, өйткені А-дан B-ге дейінгі тікелей №2 жолдың бойында жарық №1 жолдың ғарыш кемесінен ұзағырақ өтеді. Аралық кеңістікке ұқсас болғандықтан, осы екі оқиғаның (А және Б-ге көшу) бір мезгілде болғаны көрінетін, №2 жолдың (сол жақта) белгілі бір жылдамдықпен қозғалатын байқаушыны табуға болады. Бұл байқаушы Мартты деп атайық.

Қалай болғанда да біз қайталай береміз: Марти үшін жоғары жылдамдықпен солға қарай ұшып бара жатқандықтан, парадокстық түрде, экспедиция бір уақытта А планетасынан шығып, планетаға келеді. Назар аударыңыз, егер Marty орнына солға қарай ұшып кетсе, ештеңе өзгермейді №1 ұшу жолы: жаңа тірекке көшіру сияқты. Мәселен, Marty-дің орнына (сол жаққа ұшатын жолмен) демалғандарға (2-жолдың кез-келген нүктесінде) осы екі оқиға мезгілде көрінеді.

Туды қайталауға болады, қазір Б планшетінен 3-ші жолға (екінші жолдың айналасында) А планетасына қайтып оралуға болады.Және тағы да, егер екінші жол белгілі бір жылдамдықта солға жылжып кетсе, Марти экспедиция планетаның B-дан кетіп бара жатқаны сияқты көрінеді.

Егер екі жолдың қарама-қарсы бағыттарда өте жылдам қозғалатыны анықталса, онда тыныш байқаушы үшін А планетасында экспедицияның басталуы, оның В планетасына келуі (№ 1 жол бойында) және А планетасына (№ 3 жолдың бойымен) – бір мезгілде орын алады!

Суретте. 3-суретте Марти тұрғысынан бұл сапардың демалыста тұрғандығын көрсетеді. Мұндай диаграммалардағы нысандардың траекториясы жиі әлемдік желілер деп аталады. Объектіні бір жерде орналастыру үшін, әлемдік желі тікелей тік сызық болып табылады, себебі ол тек уақытында «жылжиды». Жолдар қарама-қарсы бағытта ұшып келе жатқандықтан, олардың әлемдік желілері екі қиылысатын түзу сызықтар. Егер сіз осы диаграмманы биіктікте көлденең жазықтықпен қиып тастасаңыз, онда сіз уақытша бөлікке ие боласыз: уақыттың белгілі бір нүктесіндегі кеңістіктің суреті. Осылайша бірдей көлденең жазықтықта орналасқан екі оқиға мезгілде орын алады.

3-сурет. Қарсы бағыттарда жылдам ұшатын екі жолмен уақытты өткізу схемасы. Бұл схемада уақыт ағып кетеді тік оськеңістік екі өлшемді. «Әлемге қош келдіңіздер» кітабындағы сурет

Нәтижесінде біз экспедицияның осындай жоспарын алдық. Ол А планетасынан басталады (тік сызық экспедицияның осы планетада басталғанға дейін біраз уақыт болғанын білдіреді). Ұшып кетпес бұрын, капитан болашақта Планетадан ұшып шығады. Содан кейін ол планетадағы қозғалыстың айналасына айналады, көлденең жазықтықта болады (Марти қалғаны үшін қайтадан келу және қайта келу үшін қайтадан бір уақытта жүреді). Содан кейін ол А планетасына қайта оралады және өткеннен де өзін-өзі қарсы алады.


Кейінгі сөз

Мұның қаншалықты парадоксальды және табиғатсыз болғанына қарамастан, жалпы салыстырмалық теориясы аясында мұндай саяхат әбден мүмкін. Өйткені, GR-дағы барлық заңдар (соның ішінде энергияны сақтау заңы және себеп-салдарлық принцип) таза жергілікті сипатта болады. Басқаша айтқанда, планарлы геометрияда кемшіліктер мен ерекшеліктерсіз (мысалы, егер бос орын бос болса немесе еркін құлдырайтын байқаушының жанында заңдарды қарасақ) бәрін шынымен де сақтап, кассадағы байланыстыру керек.Алайда, жалпы жағдайда мұндай жағдай болмайды: ғарыштық уақыт кез келген әдеттен тыс болуы мүмкін.

Тривиальды емес ғарыштық геометрияны пайдаланатын уақыт саяхатының тағы бір мысалы Alcubierre қозғалтқышы болып табылады (қараңыз: M. Alcubierre, 1994. The warp drive: жалпы салыстырмалыдағы гипер-жылдам саяхат), ол қандай да бір жолмен кеңістікті бұзады кез-келген жылдамдықта жүруге мүмкіндік береді. Тағы бір мысал – бұл Әлемнің екі қашықтағы бөлігін қалағандай байланыстыратын тесік. Осындай геометриялық экзотиктер түрлерінің көмегімен толық уақытында қозғалуға болады (мысалы, Alcubjerre қозғалтқышы үшін бұл мақалада А Э Эверетт, 1996. Варп drive және causality).

Айта кету керек, Gotta ерітіндісінде, сондай-ақ, кез-келген экзотикалық геометрияда, уақытты өткізу мүмкін болатын жерде, шағын нюанс бар. Уақытты үнемдеу әрдайым мүмкін емес, бірақ белгілі бір аумақта ғана (3-суретте – көк конустың сыртында). Басқаша айтқанда, «шексіз» өткенді өтпейді.

Мұндай шектеулі аймақтың болуы – Коши көкжиектері – мұндай елге ұқсас геометрияның ортақ иесі. Егер сіз елестетсеңіз2100 жылы біз уақытша машинаны (екі қозғалыстың көмегімен немесе Alcubierre дискінің көмегімен) біз 2150 жылдан бастап 2018 жылға «ұшуға» мүмкіндік бермейміз (біз тек қана ұшып бара аламыз) 2100 жылдан кейін). Бұл, атап айтқанда, танымал Hawking парадокс түсіндіреді, неге уақыт саяхатшыларға қарсы емес.

Жолдар шынымен бар ма? Қазіргі уақытта ғарыштық сызықтардың бар екендігі туралы ешқандай дәлел жоқ, бірақ байқалатын Әлемдегі осындай жолдардың саны бойынша өте қатаң шектеулер бар (байқаудан және Әлемнің шығу тегі туралы теориялардан).

Дегенмен, әрине, қандай да бір сылтаулар болуы керек пе? Уақыт өте келе, тіпті мұндай шектеулермен саяхаттау және саяхат жасау мүмкін емес пе? Жаһандық себептерге байланысты?

Мұнда аулау бар. Шын мәнінде, таза кинематика – ғарыштық уақыттың кейбір күрделі геометриясындағы материалдық нүктелердің қозғалысы қарастырылған. Бірақ әлем вакуумдан және материалдық ұстанымдан тұрмайды, ол өрістерден және олардағы қозғаудан тұрады. Өйткені, біз қисық ғарыштық уақытқа (яғни, гравитацияға) қоса, кванттық өрістерге (бәрі біз барлығына) қосымша қарауды қоссақ, сол талдауға тырыссақ, сурет сәл күрделене түседі.

Мәселе мынада, қисық кеңістікте вакуум шын мәнінде вакуум болып табылмайды: бастапқы бос кеңістік қисық болса, бақылаушы вакуумнан туылған бөлшектерді көре алады (тіркеледі). Жазық кеңістікте бұл да орын алады – виртуалды бөлшектер үнемі туылып, жойылып кетеді, бірақ теңгерім ешқашан бұзылмайды және біз нақты бөлшектерді көрмейміз. Алайда, қисық кеңістікте бұл теңгерім бұзылады. Мысалы, қара дыры горизонтының жанында бөлшектер вакуумдан (Hawking radiation) пайда болуы мүмкін. Ал Коши горизонтында (екі жолдың геометриясы жағдайында) вакуумнан Hawking радиациясының ұқсастығы болуы мүмкін.

Атап айтқанда, Alcubierre қозғалтқышы үшін «қарапайым» есептеулер көрсеткендей (S. Finaczi etal., 2009. Динамикалық аралық дискілердің жартылай классикалық тұрақсыздығы) бұл сәуле көкжиек қалыптастыру сәтінде шексіз қарқынды болуы мүмкін және барлық нәрсені «бұзады» капсула. Бұл есептеулер қарапайым нәтижелерге арналған, бірақ жартылай классикалық әдіспен: өріс теориясы аясында (!) Кесілген кеңістіктік уақытқа (яғни, геометрияның реакциясы) кванттық гравитацияның тәуелсіз теориясына негізделмеген мағынада «қарапайым» болып табылады. өрістер назарға алынбайды, олар бір-бірінен бөлінеді, бұл мүлдем физикалық емес).Сондықтан, әрине, мұндай нәтижелерге сақтықпен қарау керек.

Дегенмен, уақытты алдауға тырысқанымызға қарамастан, табиғат бізден әлдеқайда қасіретке ұшырауы мүмкін деген біраз түсінік береді.

Міндет ғарыштық сызықтардың қатысуымен ғарыштың геометриясына Джон Ричард Готтың шығармаларына негізделген.

Арнайы салыстырмалық теориясына көмек

Бір-бірінен ғарыштық интервал арқылы бөлінген кез-келген екі оқиға үшін неге бұл оқиғалар бір мезгілде орын алатын байқаушыны таба аласыз, солардың бірі салыстырмалы салыстырмалы ерекшеліктердің диаграммасына бұрыла отырып, олардың біреуі суретте көрсетілген. 3. Youtube арнасындағы минутфизикада мұндай диаграммаларды ойластыру туралы жақсы бейне бар:

Суретте. A (сол жақта) осындай диаграмманы көрсетеді: уақыт координаты (оқиға орын алған кезде) тік осьте жазылған, кеңістіктік координат (ол оқиға болған) көлденең осьте жазылған. Ыңғайлы болу үшін, уақытты жылдармен өлшейміз, ал ұзындығы жеңіл жылдарда (бұл жарық жыл бойы жүреді).

Сурет. А. Сол жақта – екі уақытша және ғарышқа ұқсас аумақтардағы оқиғалар схемасы. Оң жақта – бір мезгілде және бір мезгілде емес оқиғалар

Уақыт (жылдар) олардан қашықтығынан ұзағырақ (олар өз жылдары) оқиғалар timelike деп аталады және уақыттан аз уақыттағы оқиғалар кеңістікте ұқсас. Бұл оқиғалардың арасындағы айырмашылық ғарыштық оқиғаларға әсер ете алмайды (олар диаграммадағы қызыл аймақта), өйткені бұл үшін жарықтан жылдамырақ ұшуға тиіс сигнал жіберуге тура келеді, бұл мүмкін емес. Мысалы, сур. Және (сол жақта) төмендегі қызыл нүкте – осындай оқиға. Ол 2 жылда 10 св қашықтықта болады. бізден бірнеше жыл. Және бұл оқиғаның әсер етуі үшін орташа жылдамдықпен жылжу керек едіс (яғни жарық жылдамдығынан 5 есе жылдамырақ).

Екінші жағынан, көгілдір аймақтағы оқиғаларға әсер етуі мүмкін екенін көрсету оңай. 45 ° бұрышта жұмыс жасайтын жасыл желі жарықтың қалай таралатындығын көрсететін жарық сызық болып табылады: 10 жыл ішінде 10 жарық нүктесі өтеді. жыл Тиісінше, оське дейінгі кіші бұрыштағы сызықтар x с. шамалы жылдамдықтарға сәйкес, bшамаменtop – dosvetovymi.

Оқиғалар уақыт координаттары бірдей болған жағдайда бір мезгілде шақырылады. Мысал суретте көрсетілген оң жақта көрсетілген.A: екі төменгі оқиғалар бір уақытта орын алады. t1 және біз үшін олар бір мезгілде.

Алайда салыстырмалықтың арнайы теориясындағы синхронизация абсолютті нәрсе емес: бір мезгілде бір мезгілде екі мезгілдегі оқиғалар екіншісінде бір мезгілде болмауы мүмкін. Суретте. B осындай мысалды көрсетеді.

Сурет. B. Жүйеде бір мезгілде екі (t, x) оқиғалар (сол жақта) жүйеде бір мезгілде емес (t\’, x') және керісінше (оң жақта). Нүктелі сызықтар осіне параллель жүргізілген x және x\’

Жүйеде (t, x) бір мезгілде екі оқиға орын алады t1. Бұл жағдайда жүйеде бақылаушы үшін (t\’, x'), ол бастапқы жүйеге қатысты белгілі бір жылдамдықпен қозғалады, бұл екі оқиға да осьтердің қысылғандығына байланысты емес (бұл жылдамдық неғұрлым жоғары болса, осьтердің жарық сызығына қысу соғұрлым үлкен екенін көрсетуге болады). Минутифизикада бұл не болып жатқаны туралы толық бейнебетке ие:

Қарама-қарсы жағдай күріш. B оң жақта: жүйеде байқаушы үшін бір мезгілде екі оқиға (t\’, x') болды t\’1жүйеде байқаушы үшін бір мезгілде емесt, x).

Сұрақ туындайды: кез-келген екі оқиға үшін A = (tA, xA) Және B = (tB, xB) бір мезгілде екі оқиға орын алуы үшін референц-жүйені (яғни бақылаушы жылдамдығын) таңдауға болады: \ (t_A '= t_B' \)?

Жоқ, жоқ. Суретке қарап. B және жоғарыда көрсетілген логикадан кейін, қызыл интервалдармен байланысты оқиғалар үшін (бұрышы осі бар) x 45 градустан астам), мүмкін емес, ал көк түспен байланысты оқиғалар үшін мүмкін. Осы санның қызыл аралықтары, демек, уақытты болып көрінеді, ал көк түстер – ғарышқа ұқсас. Егер екі оқиға ғарыштық интервалмен бөлінсе, екіншісіне ешқандай әсер ете алмайды!

Сурет. V. Оқиғалар ғарышқа ұқсас (көк) және timelike (қызыл) аралықтары


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: