Текст книги "Теория пространства и времени. Наука доступна всем"

Теория пространства и времени
Наука доступна всем
Антон Викторович Шапорев

© Антон Викторович Шапорев, 2024

ISBN 978-5-0062-3794-0

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уважаемый читатель, благодарю, что вы уделили свое внимание и драгоценное время для изучения моей книги. Надеюсь, она будет вам интересна.

В первых строках постараюсь вкратце ознакомить вас с содержанием:

Мой труд состоит из четырех глав:

Глава 1. Сила мысли.

Глава 2. Вселенная.

Глава 3. Исчисление времени.

Глава 4. Человек в поисках смысла.

В первой главе я говорю о важности мыслительного процесса и формировании научного исследования.

Вторая и третья главы схожи по рассматриваемому вопросу, взаимосвязаны и вытекают одна из другой.

Четвертая глава, пожалуй, самая интересная. В ней приводятся факты из биографии ученых-исследователей.

Основная задача и смысловой посыл данной книги: рассмотреть, ознакомить читателя с современными научными идеями некоторых аспектов квантовой физики и астрофизики (изучение космоса с помощью спектрального анализа).

Научные исследования доступны каждому. И как многие коучи и тренеры личного роста утверждают известный факт, что можно построить многомиллионную компанию, начиная свой бизнес в гараже, так и я утверждаю, что можно заниматься наукой, совершать научные открытия и принять участие в научном прогрессе всего человечества.

Ну, или хотя бы написать об этом небольшую книгу;)

ГЛАВА 1

Сила мысли

Многие люди недооценивают «силу мысли» (но не в виде какой-либо суперсилы героя комиксов). Ведь именно мысль формирует ваше намерение, а соответственно, ваши действия и слова. Именно поэтому очень важно контролировать свои мысли, анализировать их, проводить «самодиагностику».

В науке существует несколько экспериментов, доказывающих, как человек воздействует на материю силою мысли или даже просто наблюдением, меняет поведение материи.

Речь идёт не о мистических или эзотерических проявлениях человеческой природы. Только наука, только эксперименты с повторяемым результатом.

Двухщелевой эксперимент

Наверное, самым известным примером квантовой физики, который наглядно демонстрирует квантовую запутанность, является двухщелевой эксперимент.

Опыт с двумя щелями был проведен английским ученым Томасом Юнгом (Thomas Young) впервые в 1803 году. Он продемонстрировал его как подтверждение, что свет – это волна, а не поток частиц (корпускул).

Томас Юнг

Впоследствии эксперимент Юнга повторяли другие ученые с разными частицами: электронами, отдельными фотонами и молекулами. Сейчас Томас Юнг опыт Юнга – классическое доказательство того, что свет и материя в целом могут проявлять характеристики как волны, так и частицы.

– —

Как действует «эффект наблюдателя» в эксперименте Юнга: если наблюдателя нет, то электроны, проходя сразу через две щели, ведут себя как волны, образуя рисунок от наложения волн. Когда наблюдатель появляется и пытается определить, через какую именно из щелей пролетели электроны, то они начинают вести себя как частицы, образуя рисунок от прохождения двух щелей.

Вывод: наблюдатель влияет на результат эксперимента только фактом своего наблюдения.

– —

Вопрос, как электрон «узнает», что за ним наблюдают, и почему меняет своё поведение, кажется одним из самых трудных для понимания в квантовой механике. Это наблюдение получило название «эффект наблюдателя».

«Эффект наблюдателя» – это теория, что наблюдение за явлением изменяет свойства этого явления.

Рассматривая любой объект в мире вокруг нас, мы знаем, что этот объект остается одним и тем же, независимо от того, где, когда и как мы на него смотрим. Заявление о том, что время и способ, которым мы смотрим на предмет, меняет внешний вид или свойства предмета, звучит абсурдно в повседневной жизни.

Но не для науки.

Японский эксперимент с водой

Интересные опыты с водой проводил японский исследователь Масару Эмото.

В своих экспериментах Эмото пытается доказать, что вода способна впитывать, хранить и передавать человеческие мысли, эмоции и любую внешнюю информацию, молитвы, разговоры, события.

Масару Эмото

Чтобы увидеть, как выглядит записанная информация, Эмото Масару фотографирует воду.

Для получения фотографии в чашку Петри помещают по капле

воды и резко охлаждают в холо– Масару Эмото дильнике. По прошествии двух часов чашки переносят в специальный прибор, состоящий из холодильной камеры, микроскопа и фотоаппарата. Кристаллы воды рассматриваются при температуре -5 градусов и 200-500-кратном увеличении. Делаются снимки наиболее характерных кристаллов. Эмото утверждает, что форма образующихся при этом кристаллов льда варьируется в зависимости от эмоционального окраса восприятия информации.

Позитивные мысли и чувства, гармоничные мелодии порождают симметричные «красивые» рисунки, негативные – хаотичные и бесформенные, с рваными краями, уродливые.

Всё это он красочно продемонстрировал в фотографиях в своих книгах. Эмото назвал себя создателем теории Хадо – понятия, трактующего, что окружающие нас вещи «вибрируют» на глубинном уровне.

Со стороны научного сообщества опыты Масару Эмото подверглись критике, но также он нашел достаточно поклонников. Об этих экспериментах и свойствах «структурированной» воды подробно рассказывали авторы российского фильма «Великая тайна воды» (ТК «Россия»,

2006 г.).

Даже если часть этих опытов правдива, то мы имеем подтверждения, что сила мысли, сила слова воздействует на воду.

Возможно, результаты экспериментов сравнимы с результатами эффекта плацебо. Однако мы наблюдаем определённый эффект, оказываемый на воду. Но, в отличие от двухщелевого эксперимента, опыты с водой не подвергались и не подтверждались подобными или аналогичными экспериментами.

Двухщелевой эксперимент показывает, как наблюдение и сознание влияют на результат самого эксперимента.

Японский опыт с водой позволяет нам понять, как наши мысли и слова воздействуют на воду. Но так как физика – прежде всего, точная наука, будем стараться придерживаться фактов повторяемого опыта.

Главный тезис этой главы будет звучать весьма банально, но по-другому и не сказать:

Наше сознание – двигатель мысли, мысль – двигатель науки.

Именно поэтому у многих людей такая хорошая тяга к знаниям, осознанности. Ощущение себя в данном моменте. Но это уже тема другой книги. А пока «плавно» перейдем к теории формирования Вселенной, специально – для человека.

Антропный принцип формирования Вселенной

Антропный принцип – это аргумент, который звучит следующим образом: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть человек». Этот аргумент в чем-то похож на замечательное утверждение Cogito ergo sum (Я мыслю, следовательно, я существую) французского философа XVII века Рене Декарта.

Этот принцип был предложен для объяснения научной точки зрения, почему в наблюдаемой Вселенной имеет место ряд необходимых для существования разумной жизни нетривиальных соотношений (строго фундаментальные константы в физике). Проще говоря, почему возникла среда для появления и развития разумной жизни в виде человека.

Рене Декарт

Как вы видите, антропный принцип практически вытекает из двух– Рене Декарт щелевого эксперимента. В антропном принципе существование Вселенной объясняется самим фактом наличия человека, который может ее осознать. То есть человек и Вселенная – неотъемлемые части взаимного существования. А в двухщелевом эксперименте изменение поведения фотонов объясняется фактом наличия наблюдателя, который осознает, наблюдает данный опыт.

Выделяют сильный и слабый антропные принципы. Суть антропного принципа сводится к тому, что, будь устройство мира совсем чуточку другим, жизнь в нашей Вселенной и, следовательно, появление человека были бы невозможны.

Всё это стало очевидным для многих ученых где-то с середины прошлого века. Но наиболее полную формулировку этого принципа сразу в двух вариантах, сильном и слабом, дал в начале 70-х годов прошлого века американский космолог и астрофизик Брэндон Картер. А в 1986 году была опубликована книга американского и английского физиков Джона Барроу и Фрэнка Дж. Типлера «Антропный космологический принцип», в которой проанализировали большое количество фундаментальных параметров, непосредственно влияющих на возможность возникновения и существования жизни во Вселенной.

Все эти параметры относятся к так называемым «свободным параметрам». То есть причины того, почему они именно такие, а не какие-нибудь другие, по крайней мере, на сегодняшний день, науке неизвестны. К таким параметрам относятся: гравитационная постоянная, скорость света в вакууме, элементарный (минимальный) электрический заряд, масса электрона, постоянная Планка и многие другие.

Это константы. Согласно современным представлениям, они не меняются со временем, и поэтому их еще называют «мировыми постоянными»; они не относительны, в отличие от времени и пространства. Свойства известного нам мира напрямую зависят от соотношения этих постоянных. Иными словами, эти соотношения и формируют его фундамент.

Слабый антропный принцип гласит: «Наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей».

Слабый антропный принцип: «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней, на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей» (Картер Б. «Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии»).

Давайте попробуем закрепить эти два понятия еще раз и более простым языком.

Слабый антропный принцип утверждает, что значения мировых констант, резко отличные от наших, не наблюдаются, потому что там, где они есть, нет нас.

Сильный антропный принцип предполагает, что во Вселенной естественным образом возникли условия, при которых человек мог появиться.

Антропный принцип допускает как религиозную, так и научную интерпретацию.

В этой главе мы рассмотрели, как наше сознание влияет на окружающую реальность (с помощью двухщелевого эксперимента), и как Вселенная взаимодействует (или создает) с нашим сознанием.

Когда вы где-то слышите фразу: «Человек является частью Вселенной», знайте, речь идёт именно про эту взаимосвязь. Именно поэтому нам необходимо более подробно остановиться на изучении процессов Вселенной, изучая открытый мир вокруг себя, изучая себя самих.

ГЛАВА 2

ВСЕЛЕННАЯ

Возникновение Вселенной. Установка (инсталляция).

В современном научном обществе существуют несколько теорий возникновения Вселенной. Вопрос «начала начал» перетекает из квантовой физики в философию под пристальным наблюдением множества религий.

Однако если мы говорим о дуальности нашей Вселенной, исходя из квантовой физики, то, может быть, и начала у Вселенной два? Или не одного! И всё это – одновременно!

Одна из теорий, назовём её «Теория Вечной Вселенной», предлагает нам взглянуть на создание Вселенной через призму квантовой физики. Рассматривая такое предположение, ученые приходят к интересному выводу, который можно с трудом представить: Вселенная бесконечна, но у нее есть край. А если в этом ключе говорить о возникновении Вселенной, ученые говорят: «Представьте, что Вселенная существовала ВСЕГДА».

Вопрос возникновения Вселенной в этом плане схож с вопросом происхождения человека. В обоих случаях мы имеем классическую, устоявшуюся теорию, дарвинизм, в случае возникновения человека, и Теорию Большого Взрыва, если говорить про Вселенную.

Несколько альтернативных теорий: Теория Вечной Вселенной и, говоря про возникновение человека, Теория Вмешательства, основанная на предположении, что человек появился благодаря инопланетному вмешательству, в результате палеоконтакта.

И, конечно, идеалистическая, или креационистская, основанная на вере, что человека сотворил Бог, вдохнув в него душу. Соответственно, в вопросе возникновения Вселенной Бог считается «источником» первоначального состояния Вселенной.

Кстати, существует еще одна интересная, фантастическая теория, вышедшая скорее из кинематографа, чем из научных кругов, что Вселенная – это аналог компьютерной симуляции, и Большой Взрыв не что иное, как инсталляция программы. В этой смелой теории трудно даже предположить, кто и что управляет таким сверхкомпьютером, и уж тем более, где он находится. Как вы видите, эта теория создает больше вопросов, чем отвечает на них.

Теория Большого Взрыва, наверное, является самой известной из теорий возникновения Вселенной, возможно, благодаря юмористическому сериалу (2007—2019) про физиков-теоретиков с одноименным названием.

Как вы понимаете, исходя из самого названия, суть этой теории, что наша Вселенная, в момент образования, была в чрезвычайно плотном и горячем состоянии. Потом произошел Большой Взрыв, вследствие которого Вселенная мгновенно расширилась, разбросав материю для будущего формирования звезд и планет. Теория Большого Взрыва сочетается с Теорией Горячей Вселенной, подкрепляя её фактом существования реликтового излучения.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,799 ± 0,021 млрд. лет назад из некоторого начального сингулярного состояния (сверхплотного и горячего) и с тех пор непрерывно расширяется.

Ранее Вселенная представляла собой высокородную и изотопную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Расширяющаяся Вселенная – явление, состоящее в почти однородном и изотопном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной, видимое через наблюдаемое с Земли космологическое красное смещение.

Экспериментально расширение Вселенной подтверждается выполнением закона Хаббла, а также уменьшением светимости экстремально удаленных, стандартных свеч (сверхновые типа la).

Теоретически явление было предсказано и обосновано А. Фридманом на раннем этапе разработки теории относительности из общефилософских соображений об однородности и изотропности Вселенной.

Ускорение расширения Вселенной

В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удаленных галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые типа La имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свеч» (сверхновых типа Ia), оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. За это открытие Сол Перлмуттер, Брайан П. Шмидт и Адам Райс получили премию Шао по астрономии за 2006 год и Нобелевскую премию по физике за 2011 год. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.

Креационистская теория не отрицает Большой Взрыв, но первопричиной считает творца, высшую силу, которая дала первый импульс для всей Вселенной.

Мы привыкли рассматривать теории возникновения Вселенной как противоречащие друг другу, находясь в поисках единственно верного решения – Истины (которая, как известно, рядом).

Нам трудно представить и перенести результаты и выводы знаменитого двухщелевого эксперимента квантовой физики на наш реальный мир, и тем более на астрофизику.

И если мы знаем и оперируем многолетними результатами экспериментов и наблюдений, доказывающих Теорию Большого Взрыва, то какие могут быть доказательства у Теории Вечной Вселенной?

Стоит отдельно рассмотреть теорию возникновения Вселенной, предполагаемую профессором Стивеном Хокингом.

Если объяснять совсем просто, чтобы была возможность вести счет по шкале времени как вперед, так и назад (потому что в математических расчетах время, обозначенное буквой t, означает отрезок времени, а не направления), Стивен Хокинг вводит понятие «мнимое время». Сразу стоит отметить, что понятия «мнимый» и «реальный» не стоит трактовать в их обычном бытовом смысле: эти слова означают лишь реальную и мнимую часть числа и никак не связаны с существованием объекта.

Теперь расчеты мы производим не в действительных единицах, а в мнимых.

Таким образом, временная координата становится ничем не отличимой от пространственных координат, и наоборот. Такая система координат пространства времени называется Евклидовой. Это очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух.

В классической теории гравитации, использующей пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была сингулярная точка в какой-то момент времени в прошлом. В квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность.

Поскольку используются Евклидовы пространства, в которых временная и пространственные оси равномерны, пространство-время, будучи теоретически конечным, может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя дополнительными измерениями.

Если Евклидово пространство-время простирается назад по мнимому времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос об определении начального состояния Вселенной.

Квантовая теория гравитации открыла одну новую возможность: пространство не имеет границы, и поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда и нет сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные условия. Можно было бы сказать, что граничные условия для Вселенной – отсутствие границ.

Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы сотворена, её нельзя было бы уничтожить.

Она просто существовала бы.

Черные дыры и горизонт событий.

Последнее время, эти термины стали широко популярны. Что они означают на самом деле?

Черные дыры – одни из самых странных, но в то же время интересных и загадочных объектов в космосе. Их можно описать всего двумя величинами: массой и скоростью вращения. Черные дыры имеют чрезвычайную плотность с таким гравитационным притяжением, что даже свет (фотон) не может оттуда вырваться. Альберт Эйнштейн впервые предсказал существование подобных объектов в 1916 году. Сделал он это при помощи общей теории относительности, которую сам же и создал. Изначально черные дыры назывались коллапсарами. И только 1967 году американский астроном придумал современное название.

Существует 3 типа черных дыр: звездные черные дыры, сверхмассивные черные дыры и промежуточные черные дыры

– Звездные черные дыры: они относительно маленьких размеров. Эти объекты создаются после смерти звезд. Перед своей кончиной она начинает сжиматься, в результате образуя черную дыру. По данным Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, во Млечном пути несколько сотен миллионов таких черных дыр.

– Сверхмассивные черные дыры: в миллионы или даже в миллиарды раз массивнее Солнца, но по размеру примерно схожи с ним. Считается, что такие объекты лежат в центре почти каждой галактики, включая Млечный Путь. Ученые точно не уверены, как появляются такие большие черные дыры.

– Промежуточные черные дыры. Ученые когда-то думали, что существуют только маленькие или большие объекты, но недавние исследования выявили промежуточный элемент. Такие черные дыры могут образовываться, когда звезды последовательно сталкиваются друг с другом.

Из-за сильной гравитации, астрономы не могут увидеть черные дыры так, как мы могли бы наблюдать звезды и другие объекты в космосе. Вместо этого астрономы должны полагаться на излучение, испускаемое при попадании пыли и газа в плотные объекты. В черных дырах настолько сильная сила тяжести, что свет изгибается, пространство деформируется, а время искажается.

Горизонт событий – это граница вокруг черной дыры, откуда свет или любая другая частица не могут выйти изза высокой силы притяжения. В этом месте гравитация постоянна.

Зачем изучают черные дыры? Ученым нужно больше доказательств правоты своих же теорий и предположений. Как уже было упомянуто, Эйнштейн предсказал черную дыру еще в начале 20 века, а увидели мы ее только сейчас. Недавнее открытие гравитационных волн также подтвердило верность научных теорий. Нам нужно еще больше разбираться в черных дырах, чтобы приблизиться к тайне не только нашего возникновения, но и создания целой Вселенной.

Однако, существует теория, что черные дыры могут не только поглощать материю, но и излучать. Такая версия была предложена Стивеном Хокингом, и излучение названо в его честь.

Излучение Хокинга – гипотетический процесс излучения чёрной дырой разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов.

Стивен Хокинг

Излучение Хокинга – главный аргумент учёных относительно распада (испарения) небольших чёрных дыр, которые теоретически могут возникнуть в ходе экспериментов на Большом Адронном Коллайдере. На этом эффекте основана идея сингулярного реактора – устройства для получения энергии из чёрной дыры за счёт излучения Хокинга.