В работе были изучены понятия пространства и времени. Были рассмотрены философские и физические подходы к данным понятиям. Изучена эволюция взглядов на пространство-время в научной литературе. Исследованы основные современные теории пространства-времени: теория относительности и теория струн. Рассмотрены современные гипотезы о возможностях перемещения человека на сверхбольшие расстояния и во времени, такие как теория кротовых нор и пузыри Алькубьерре. Также были рассмотрены проблемы, связанные с перемещением на сверхбольшие расстояния, и сделан вывод о том, что гипотеза исследования не подтвердилась: на данном этапе развития человеческой науки и техники путешествия в пространстве на сверхбольшие расстояния и перемещения во времени невозможны.
Ключевые слова: теория относительности, теория струн, пространство, время.
Темой пространства и времени интересовались ещё задолго до появления таких выдающихся людей, как Альберт Эйнштейн или Исаак Ньютон. Некоторые древнегреческие философы, такие как Аристотель и Демокрит, интересовавшиеся устройством мироздания, высказывали свои теории по поводу пространства и времени. Изучением пространства так же занимались такие личности как Ньютон и Декарт. В 20 веке учёные смогли выяснить, что понятия «пространство» и «время» очень сильно связаны и что их нельзя рассматривать отдельно. Альберт Эйнштейн в своих Частной и Общей теории относительности рассмотрел пространство и время, а так же выдвинул идею как они связаны между собой и как на них влияет окружающий нас мир. Из современных исследователей одним из самых выдающихся можно назвать Стивена Хокинга. В своих книгах «Природа пространства и времени», «Краткая история времени» и т. д. он подробнее изучил что из себя представляют эти фундаментальные понятия.
Целью проекта является исследование современных гипотез о возможностях перемещения человека на сверхбольшие расстояния и во времени с использованием аппарата современной физики.
Задачи проекта:
- Изучить понятия пространства и времени;
- Исследовать пространственно-временные связи;
- Рассмотреть современные гипотезы о возможностях перемещения человека на сверхбольшие расстояния и во времени.
Гипотеза исследования: человечество скоро сможет осуществлять межпланетные полеты и путешествовать во времени.
Обзор литературы
В теории познания свойства объектов быть протяжёнными, занимать место среди других, граничить с другими объектами выступают наиболее общими характеристиками пространства. Таким образом, понятие «пространство» имеет смысл только в отношении структурированного мира познаваемых объектов и определяется в философии, как всеобщая форма бытия материи, характеризующая её структурность, протяжённость, сосуществование и взаимодействие элементов. Наряду с пространственными свойствами все объекты познания обладают и временными характеристиками, поскольку изучаемые нами объекты находятся в движении и развитии, представляют собой процессы, которые разворачиваются по определённым этапам. Исходя из этого, время в философии определяется как форма бытия материи, выражающая длительность её существования, последовательность смены состояний в изменении и развитии всех материальных систем. Время одномерно, асимметрично, необратимо и направлено всегда от прошлого к будущему [1, c. 40]. Пространство и время объективно связаны между собой как дополняющие друг друга формы существования движущейся материи. На взаимообусловленность пространства и времени указывали многие философы прошлого. Еще Г. В. Ф. Гегель подчёркивал, что пространство есть «время, подвергшееся отрицанию, равно как и наоборот — снятое пространство, развитое для себя, является временем» [2, с. 56]. В. А. Вернадский писал: «Время является для нас не только неотделимым от пространства, а как бы другим его выражением. Это две стороны одного явления» [3, с. 121].
Как и у многих понятий в нашем мире, у пространства и времени есть большое количество определений. В истории науки существовали различные концепции пространства и времени: изменения в представлениях о пространстве и времени связаны с изменением естественнонаучной картины мира (таблица 1).
Таблица 1
Эволюция понятий пространства и времени
|
Этап |
Понятие |
Главный представитель |
Инструменты |
|
Классический |
пространство и время представляются как независимые от функционирования систем характеристики, их внешние параметры |
И. Ньютон |
Евклидова геометрия и декартова система координат |
|
Неклассический |
характеристики пространства и времени тесно связаны между собой, относительны, взаимосвязаны с функционированием систем. Была эмпирически выявлена глубокая связь между пространством и временем, согласно которой при увеличении относительной скорости движения в системе отсчёта пространственные интервалы сокращаются, а временные растягиваются. |
А. Эйнштейн |
Теория относительности; понятие многомерного пространства; неевклидова геометрия; биологическое и социальное время как внутреннее время живых систем |
|
Постнеклассический |
становление представлений об изменяющемся внутреннем пространстве-времени с фрактальной (дробной) размерностью, самоподобностью. Представления о взаимосвязи порядка и хаоса в функционировании и саморазвитии систем |
С. Хоккинг |
ОТО; теория струн; фрактальный анализ, как метод выделения важных структурных особенностей исследуемых систем |
Результаты
Пространство — это некая материальная или логически мыслимая среда совместного существования материальных или мыслимых объектов, то можно сделать вывод, что пространство может быть, как материальным или же физическим, так и мыслимым или философским, теоретическим.
Так же стоит отметить основные свойства пространства, к которым относят: протяжённость, однородность, трёхмерность.
Если следовать одному из определений пространства, а именно: пространство — это некая материальная или логически мыслимая среда совместного существования материальных или мыслимых объектов, то можно сделать вывод, что пространство может быть, как материальным или же физическим, так и мыслимым или философским, теоретическим. Важно отметить, что мыслимые пространства не содержат никакой материи и работают только строго по определённым условиям взаимодействия теоретических объектов. К примерам таких пространств можно отнести евклидово, риманово, векторное и другие известные нам метрические пространства, которые мы зачастую используем в решении некоторых задач. Хоть мыслимые пространства и не являются реальными, но они могут содержать в себе такие составляющие физических пространств, как например расстояния, точки и т. д., а также имеют пространственные сравнительные характеристики (больше, меньше, равно и т. п.). Теперь перейдём к материальному или же физическому пространству. Философы разделяли физические пространство на два типа: отдельное от материи и неотделимым от неё. К приверженцам первой теории относились такие учёные как Ньютон, Платон, Кант, Демокрит и другие. Вторую же поддерживали Декарт, Лейбниц, Максвелл, Лоренц, Эйнштейн.
Время — это поток событий, происходящих во Вселенной, который имеет упорядоченный, последовательный характер.
К свойствам времени, воспринимаемым человеком можно отнести: необратимость, последовательность, однородность.
Долгое время понятия пространства и времени рассматривали как два отдельных фундаментальных понятия. Но в 20-ом веке, Эйнштейн, в своей частной теории относительности, выдвинул предположение, что пространство и время стоит рассматривать как две части одного целого. С этого момента, в дальнейшем, учёные зачастую рассматривают эти два понятия как одно целое, если только они не занимаются исследованием одного конкретного понятия: либо пространства, либо времени. В наше время существует много теорий относительно сути времени. Одна из них гласит, что время — это реально существующая фундаментальная сила, которая течёт независимо от человека и только человек сам зависит от неё. Время было всегда, с самого начала, и исчезнет оно только тогда, когда в мире не останется совсем ничего. Существует ещё как минимум две, а то и больше теорий, относительно этой загадочной силы, как например: теория, которая гласит, что время — это всего лишь иллюзия, которую придумал себе человеческий мозг, или же теория, в которой говориться о том, что времени как такого не существует, и всё, что мы ощущаем, как время — это набор данных, или же изображений, которые проигрываются с невероятной скоростью. Если брать за основу последнюю из вышеупомянутых теорий, то прошлое, настоящее и будущее — всё это существует одновременно. Приверженцем этой теории выступает Джулиан Барбур [4], который подтверждает данною теорию уравнением Уиллера де Витта, которое было разработано в 20-ом веке и являлось попыткой связать квантовую механику и теорию относительности Эйнштейна. Основная проблема в том, что при решении данного уравнения, переменная времени сокращается, что для многих служит очередным доказательством несовместимости квантовой механики и теории относительности. Но Д. Барбур считает, что это не так и уже продолжительное время разрабатывает математическую теорию, по которой Вселенная не нуждается в таком понятии как время.
После краткого экскурса в понятия пространства и времени стоит перейти к теориям, которые напрямую касаются анализа пространства-времени. В данном проекте мы хотели бы разобрать две основные современные теории, а именно: теорию относительности Эйнштейна и теорию струн.
Стоит начать именно с теории относительности, ведь она является одной из важнейших теорий, выдвинутых за время существования человечества.
Классическая механика применима в земных реалиях: объекты во много раз превышают размеры молекул, а скорости намного ниже скорости света. Теория относительности же рассматривает принципы движения не только в земных масштабах, но и на меньших или же больших масштабах. Теория относительности разделена на две части: специальную или же частную и общую. Частная теория рассматривает движение объектов без применения к ним каких-либо гравитационных сил, а также изучает сами понятия пространства-времени. Общая же теория относительности рассматривает движение объектов с применением гравитационных сил, а также формулирует новое определение гравитации. По Эйнштейну, гравитация — это не фундаментальная сила, как считалось ранее, а искажение пространства и времени под воздействием объектов больших масс. Чем выше масса, тем сильнее искажение пространства-времени.
Следом стоит разобрать теорию струн. Теория струн считается одной из сложнейших теорий современности. Одна из основных проблем этой теории — невозможность проверить её подлинность.
В квантовой физике существует такое понятие, как фундаментальные частицы, а именно: кварки, лептоны и бозоны.
Всего их 17: 6 кварков (нижний, верхний, очарованный, странный, прелестный, истинный), 6 лептонов (электрон, мюон, таон, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау нейтрино) и 5 бозонов (глюон, фотон, z бозон, w бозон, бозон Хиггса). Все вместе они составляют так называемую Стандартную модель.
Все частицы в ней являются точками, не имеющими размеров.
Следуя теории струн, фундаментальные частицы не являются самыми маленькими и состоят из ещё более мелких частиц — струн. Эти струны колеблются, а частота их колебаний определяет какая именно эта частица. Струны бывают замкнутые и разорванные, так же они могут рваться и объединятся, что может объяснить взаимодействие частиц.
Дабы дополнить теорию струн, в свет выходит теория суперструн, которая включает в себя такое понятие как суперсимметрия. В суперсимметрии у каждого бозона есть копия, которая является фермионом и, наоборот: у каждого фермиона есть копия, которая является бозоном. Стоит отметить, что суперсимметричные частицы имеют большую массу, чем их предшественники, так что не могут существовать в природе.
Для начала стоит рассмотреть самые обычные способы перемещения в пространстве-времени, а именно простые человеческие движения. Любое действие человека, по сути, представляет из себя перемещение как в пространстве, так и во времени. Так же стоит отметить, что и бездействие тоже являет собой перемещение в пространстве-времени.
Проблема дальних путешествий, например, космических, заключается в огромном количестве времени, которое на них потребуется.
Теория относительности Эйнштейна все резко изменила. Обнаружилось, что в будущее можно путешествовать существенно быстрее, чем со скоростью одного часа в час [5].
Релятивистское замедление времени — эффект теории относительности, из-за которого в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее, чем в неподвижном.
Гипотетическое средство путешествий в пространстве-времени — кротовые норы, «туннели» в пространстве, соединяющие две сколь угодно удаленные друг от друга точки. Раньше эти тоннели называли мостами Эйнштейна — Розена, а сейчас — кротовыми норами или кротовинами.
В 1994 году в престижном научном журнале «General Relativity and Quantum Cosmology» вышла статья Мигеля Алькубьерре «The warp drive: hyper-fast travel within general relativity» (Варп-двигатель: гипербыстрые перемещения в рамках общей теории относительности). Алькубьерре предложил способ двигаться быстрее, если совершить поездку на пузыре в пространстве-времени с помощью диска Алькубьерра. Математические выкладки и научная база для создания настоящего варп-двигателя не противоречат Общей теории относительности.
Варп-двигатель — это инерционно движущаяся оболочка, внутри которой заключен «пассажирский» регион с плоской метрикой. Источником движения для варп-двигателя может служить как положительная, так и отрицательная энергия. Ключевая черта, отличающая корабли с варп-двигателем от тривиальной оболочки, движущейся по инерции — это колоссальный объем энергии, нужной для искривления окружающего пространства и модификацию пространства-времени внутри затронутой области» [6].
Ещё начиная с 20-го века, в научной фантастике, авторы применяли концепцию телепортации. Телепорт представляет собой устройство, способное переместить объект с одного места на другое за минимальный промежуток времени и на огромные расстояния. В некоторых случаях — это две капсулы, находящиеся на разных участках территории, соединённые с использованием беспроводных технологий
Существует альтернативные способы, которые, возможно будут применять в будущем для перемещения и в пространстве, и во времени. Поскольку все во Вселенной состоит из одинаковой материи, то теоретически любой объект во Вселенной можно воспроизвести по известной информационной структуре. Например, если появится возможность записать и сохранить информацию о каждой клетке человека, или сохранить полностью содержимое его мозга, то появляются новые возможности для перемещения. Этот способ предполагает преобразование человека (или человеческого разума) в поток информации. Поток информации сам по себе не имеет массы, так что разогнать его до скорости света видится возможным. Так же, стоит отметить, что информационный поток не имеет физической оболочки, а значит, отправить его в любую точку пространства тоже будет, весьма вероятно.
Заключение
В работе были изучены понятия пространства и времени. Были рассмотрены философские и физические подходы к данным понятиям. Изучена эволюция взглядов на пространство-время в научной литературе. Исследованы основные современные теории пространства-времени: теория относительности и теория струн. Был сделан вывод о недостаточном обосновании теории струн на данном этапе развития науки. Однако выделено ее значительное место, поскольку она делает попытку разрешить ряд противоречий между классической квантовой физикой и теорией относительности.
Рассмотрены современные гипотезы о возможностях перемещения человека на сверхбольшие расстояния и во времени, такие как теория кротовых нор и пузыри Алькубьерре. Также были рассмотрены проблемы, связанные с перемещением на сверхбольшие расстояния, и сделан вывод о том, что гипотеза исследования не подтвердилась: на данном этапе развития человеческой науки и техники путешествия в пространстве на сверхбольшие расстояния и перемещения во времени невозможны.
Была также выдвинута новая гипотеза о перемещении в пространстве времени информационных двойников.
Литература:
- Яблонских А. А. Пространство и время как формы бытия природы и общества. Вестник ТвГУ. Серия «ФИЛОСОФИЯ». 2018. № 2. С. 40–46
- Вернадский В. А. Размышления натуралиста. М.: Наука, 1977. Кн. 2. Научная мысль как планетарное явление. 191 с.
- Гегель Г. В. Ф. Энциклопедия философских наук: в 3 т. М.: Мысль, 1975. Т. 2. Философия природы. 695 с.
- Julian Barbour 1999 The End of Time: The Next Revolution in our Understanding of the Universe. Oxford Univ. Press. ISBN 0–297–81985–2; ISBN 0–19–511729–8 (paperback: ISBN 0–7538–1020–4)
- А. И. Липкин Место 4-мерного пространства-времени в теории относительности Эйнштейна. Методологический анализ. Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет): https://mipt.ru/education/chair/philosophy/publications/works/lipkin/philsci/4dim.php
- Н. Макаренко Варп-двигатель для межзвездных путешествий — фантастика или реальность? Источник контента: https://naukatehnika.com/varp-dvigatel.html
- Вопрос ученому: что мешает межзвездным полетам? Пресс-центр МФТИ, 2021. https://mipt.ru/newsblog/lenta/ad_aspera
