2. Представления о пространстве и времени в классической физике.

Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Для представителей классической физики основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя. Концепция абсолютного пространства и времени получила свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона “Математические начала натуральной философии”. Ньютон предлагал различать два вида понятий: абсолютные (истинные, материалистические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику: «Абсолютное, истинное, материалистическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год...».

Ньютон считал, что пространство и время — как бы декорация, сцена, на которой разворачиваются события. Мы приходим, уходим, а декорации останутся. Значит, пространство и время оказываются вне физического процесса. В ньютоновой вселенной время текло равномерно и прямолинейно, а путешествия во времени были решительно невозможны. Одна секунда на Земле равнялась одной секунде в любой другой точке Вселенной.

Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А.Эйнштейна, по-новому интерпретировавшей концепцию пространства и времени и давшей ей естественнонаучное обоснование.

3. Путешествия в пространстве и времени в специальной теории относительности.

Эйнштейн показал, что время больше похоже на извилистую реку, которая пересекает Вселенную; петляя меж звезд и галактик, оно ускоряется и замедляется. Так что одна секунда на Земле вовсе не абсолютна. Время в разных точках Вселенной течет по-разному.

Специальная теория относительности, созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, таким образом, оказывается ее частным случаем”.[1] Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда. Если двигаться рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает. Эйнштейн обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.

В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле равна одной секунде в любой точке Вселенной. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Марсе или на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени.

Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времен и зависит от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Это противоречит здравому смыслу. Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. Объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, а это значит, что энергия движения переходит в массу. Количество энергии, которая при этом превращается в массу, можно посчитать из знаменитого уравнения Эйнштейна Е = mc².

Революционные идеи учёного нашли подтверждение в экспериментах. Например, если не вводить в нее релятивистские поправки, то система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать. Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн. В гигантском ускорителе CERN в Швейцарии — Большом адронном коллайдере ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются сейчас в измерениях длины пробега мезонов, возникающих при столкновении частиц первичного космического излучения с ядрами атомов на Земле. Мезоны существуют в течении 10^-6- 10^-15с (в зависимости от типа частиц) и после своего возникновения распадаются на небольшом расстоянии от места рождения. Это регистрируется измерительными устройствами по следам пробегов частиц. При движении мезона со скоростью, близкой к скорости света, время замедляется, период распада увеличивается (в тысячи и десятки тысяч раз), и соответственно возрастает длина пробега от рождения до распада.

Эйнштейн утверждал, что теоретически возможно замедлить для себя течение времени, покинуть Землю и вернуться, чтобы встретиться со своими внуками или даже правнуками, но гарантии на возвращение не дал. Однако физик Стивен Хокинг считает, что нельзя путешествовать в прошлое, поскольку можно случайно убить собственную бабушку еще до того, как родится мать или отец, и таким образом сделать невозможным собственное рождение, а следовательно, и возвращение. То есть возвращение невозможно при общепринятой модели мира. Но некоторые ученые считают, что во Вселенной существует бесконечное множество параллельных миров. При таком ее строении, попав в прошлое и убив собственную бабушку, человек просто создаст ответвление во времени, параллельный мир, в котором он уже не часть будущего. Но полноценные путешествия во времени требуют возможности возвращения назад, что равносильно путешествиям в прошлое.

Скорость света - это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Она составляет 300 000 км/с. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна - это абсолютный рекорд скорости.

Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии. Поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости. Этот результат был подтвержден измерениями, которые проводились над электронами. Кинетическая энергия точечной массы растет быстрее, нежели квадрат ее скорости, и становится бесконечной для скорости, равной скорости света”[2]. В этом состоит одна из проблем для достижения возможности перенестись в будущее. Теоретически, если отправиться к одной из ближайших звезд и засечь время, то если путешествие продлится, к примеру, год, то на Земле пройдет уже десять лет. Это и есть то, что ученые понимают под путешествием в будущее. Находясь в космическом корабле, человеком по-другому ощущается время. По сути, время на корабле течет медленнее, чем за его пределами. Однако экипаж при этом никакого замедления не ощущает, об этом они узнают лишь по возвращению на Землю. Для них это будет шоком, узнать, что за 20 лет путешествия, Земля «постарела» на 200 лет. С практической точки зрения, осуществить этот фокус с людьми не получится, так как эффект возникнет лишь при достижении кораблем скорости света, что потребует использования огромного количества энергии!