Frem til fortiden • Hayk Hakobyan • Populære videnskabsopgaver på "Elements" • Astrofysik

Videresend til fortiden

Et af de mest spændende forudsigelser i kosmologi og den generelle relativitetsteori er eksistensen af ​​kosmiske strings, endimensionelle topologiske mangler i vores rum, som kunne teoretisk dannes i det tidlige univers.

Hvis vi forestiller os, at vi lever på et fly, er strengen et punkt (eller en retlinie vinkelret på flyet) på grund af tilstedeværelsen af ​​hvilken en del af rummet ser ud til at blive smidt ud, og rummet er limet tilbage langs den udstødte parts kant (fig. 1). Som følge af en sådan fejl kan to stråler, der kom ud af samme genstand (f.eks. En fjern quasar) i forskellige retninger, konvergere tilbage. Samtidig vil de bevæge sig langs lige linjer, passere modsatte sider af strengen og skabe to forskellige billeder af kvasaren.

Fig. 1. Skematisk repræsentation af den kosmiske strenges indflydelse på rummet og effekten af ​​"linse". Figur fra bogen Velkommen til universet

Her må man være lidt forsigtig i ord, da en sådan effekt ikke er ligefrem gravitationslinser i forståelsen af ​​den generelle relativitetsteori, der opstår som følge af krumning af rum for masse. Faktisk er rummet omkring strengen helt fladt, og statiske observatører vil ikke føle nogen effektiv masse og dermed tyngdekraften.Denne virkning er rent topologisk, forbundet med den geometriske mangel i rummet.

Et af de overraskende konsekvenser af effekten af ​​"lensing" er evnen til at rejse "hurtigere" lys. I fig. 1 viser to stier fra samme kvasar til jorden, med en af ​​stierne kortere end den anden.

Lad os antage at det er bestemt, at en længere sti er 10 lysår, og en kortere er 5. Derefter kommer en observatør, som bevæger sig langs den anden vej med en hastighed på 0,8 lyshastighed (hvilket er helt muligt), til jorden tidligere (gennem 6,25 år) end lyset, der bevægede sig langs den første vej (10 år). På trods af alle paradokserne er en sådan virkning ikke kun mulig, det blev observeret (mere herom i efterordnet)!

Det viser sig, at raket kan "flyve ud" fra kvasaren senere end lysstrålen, men når man vælger en kortere vej, når den alligevel jorden inden den samme stråle. Sådanne "superluminale" baner kaldes rumligt ens. I konventionel geometri er bevægelsen langs sådanne baner umulig, da det indebærer en bevægelse hurtigere end lysets hastighed.

Det siges normalt, at to begivenheder adskilles af et rumlignende segment,hvis disse begivenheder ikke kan teoretisk påvirke hinanden (signalet kan ikke gå hurtigere end lys langs en rumlignende bane). For eksempel forekom to eksplosioner i en afstand af 10 lysår fra hinanden med en forskel på 5 år: disse to hændelser kan på ingen måde påvirke hinanden i et konventionelt rum uden defekter. En bemærkelsesværdig egenskab ved sådanne begivenheder er, at det altid er muligt at finde en sådan observatør (bevæger sig med en vis hastighed), for hvilken disse to begivenheder forekommer samtidigt.

Hvis denne kendsgerning ikke er kendt for dig, skal du ikke bekymre dig, alle forklaringer vil blive givet i epilogen. For nu, tag det for givet.

Især i tilfælde af den kosmiske streng, da bane langs den korte vej nr. 2 er "hurtigere" end lysets bevægelse langs den lange vej nr. 1, vil denne vej være rumligt ligner. Og derfor, for at nogle observatører bevæger sig med en bestemt hastighed (som er mindre end lysets hastighed, selvfølgelig) i forhold til strengen langs sti nr. 1, vil afgang af et rumfartøj fra en kvasar og ankomst på jorden være samtidige begivenheder!

Er det muligt at bruge en sådan smuk effekt af kosmiske strenge til vores egoistiske formål? Lad os komplicere geometrien lidt: lad der være tokosmiske strings (fig. 2). I dette tilfælde er der to korte ruter # 1 og # 3 (de er begge kortere end den direkte rute # 2).

Fig. 2. Geometri af plads med to kosmiske strenge. Figur fra bogen Velkommen til universet

opgave

Efter at have opdaget en potentielt beboelig planet B uden for to kosmiske strenge, gik en ekspedition fra planet A ud for at studere den. Senere viste det sig, at Planet B var fuldstændig ubeboelig, og den snedige ekspeditions kaptajn besluttede at gå tilbage i tiden og advare sig selv og holdet mod ekspeditionen dømt til fiasko.

Er det muligt? Hvis ja, under hvilke betingelser og hvilke instruktioner skal der gives til kaptajnen? Hvis ikke, hvordan kan du forklare umuligheden?


Tip 1

Hvad hvis strengene ikke hviler, men bevæg dig? Skifter det noget? Faktisk er observatørens bevægelse i forhold til strengen eller bevægelsen af ​​strengen i forhold til observatøren den samme.


Tip 2

Prøv at bruge ejendommen af ​​rumligt lignende baner. Hvis tricket virker en gang, så kan det gentages, og det andet.


beslutning

På trods af at opgaven er tidsindstillet til 1. april, er der ingen fangst her. En sådan rejse frem i fortiden er faktisk teoretisk muligt, og blev beskrevet i en artikel af JR Gott Closed Timelike Solutions i 1991.Lad os forstå, hvordan dette er muligt.

Så der er to begivenheder forbundet med et rumlignende interval: ekspeditionen afgår fra planet A og når planet B langs rute nr. 1 (se figur 2). Intervallet er rumligt ens, da lyset langs den direkte vej nr. 2 fra A til B vil rejse længere end rumfartøjet langs sti nr. 1. Da intervallet er rumlignende, er det muligt at finde en observatør, der bevæger sig ved en bestemt hastighed langs sti nr. 2 (til venstre), til hvem det forekommer, at disse to begivenheder (afgang fra A og ankomst til B) fandt sted samtidig. Lad os ringe til denne observatør Marty.

Bare i tilfælde af at vi gentager: for Marty, der flyver i høj hastighed til venstre, paradoksalt, som det måske lyder, forlader ekspeditionen samtidig fra planet A og ankommer til planet B. Bemærk at i det væsentlige intet vil ændre sig, hvis i stedet for Marty, der flyver til venstre flyve streng nummer 1: det er som at overføre til en ny referenceramme. Så til de hvile (på et hvilket som helst punkt i sti nr. 2) på Martys sted (med strengen som flyver til højre) vil disse to begivenheder også virke samtidige.

Tricket kan gentages, nu vender tilbage fra planet B tilbage til planet A på stienummer 3 (det vil sige omkring den anden streng).Og igen, hvis den anden streng bevæger sig til venstre med en bestemt hastighed, vil Marty synes at ekspeditionen vil afvige fra planet B samtidig med at den kommer tilbage til planet A.

Det viser sig, at hvis de to strenge bevæger sig meget hurtigt i den modsatte retning, for en observatør ved hvile tre arrangementer – begyndelsen af ​​ekspeditionen på planeten A, sin ankomst på planeten B (på vej №1) og vende tilbage til planeten A (på vej №3) – opstår samtidigt!

I fig. Figur 3 viser, hvordan denne rejse vil se ud ud fra Martys synspunkt allerede i ro. Objektene på sådanne diagrammer kaldes ofte verdenslinjer. For en genstand, der hviler på ét sted, er verdenslinjen simpelthen en lodret retlinie, da den kun "bevæges" i tide. På grund af at strængerne flyver i modsatte retninger, er deres verdenslinjer to skærende lige linjer. Hvis du skærer dette diagram med et vandret plan i en eller anden højde, får du et stykke tid: et øjebliksbillede af rummet på et bestemt tidspunkt. Således forekommer to begivenheder placeret på det samme horisontale plan samtidigt.

Figur 3. Planlægning af tidsrejse med to strenge, der hurtigt flyver i modsatte retninger. I denne ordning strømmer tiden sammen lodret akseog rummet er todimensionalt. Figur fra bogen Velkommen til universet

Som følge heraf opnår vi en sådan plan for ekspeditionen. Den starter fra planet A (den lodrette linje angiver, at ekspeditionen var på denne planet engang før starten). Inden afgang mester ser sig selv fra fremtiden blot fløjet fra planeten B. Det så flyver rundt de bevægelige strenge at planeten B, mens du er på det vandrette plan (som til hvile Marty sin afgang og ankomst tilbage at forekomme i den samme tid). Han går så tilbage til planet A og møder sig fra fortiden.


efterskrift

Paradoksalt og unaturligt som det kan lyde, teoretisk, sådan rejse er det muligt inden for rammerne af almen relativitet. Faktum er, at alle love i GR (herunder lov om bevarelse af energi og kausalitetsprincippet) er rent lokale. Med andre ord, i et plan geometri, uden nogen fejl og funktioner (for eksempel hvis pladsen er tom, eller hvis vi betragter love frit fald nær observatøren), det bør virkelig blive gemt og årsagen tilsluttet.Men i det generelle tilfælde er det ikke tilfældet: rumtid kan have nogen form for oddities.

Et andet eksempel på tidsrejser ved hjælp af den ikke-trivielle geometri af rummet er Alcubierre-motoren (se: M. Alcubierre, 1994. Vriddrevet: hyper-hurtig rejse inden for generel relativitet), som på en eller anden måde fordrejer rummet ved at trække det under så du kan rejse med enhver hastighed. Et andet eksempel er ormehuller, som kan forbinde to fjerntliggende dele af universet som ønsket. Ved hjælp af sådanne typer af geometriske exotika kan man helt rejse i tide (for Alcubjerre-motoren er dette beskrevet i artiklen A. E. Everett, 1996. Warp-drev og årsagssammenhæng).

Det er værd at bemærke, at i Gotta-løsningen såvel som i alle andre eksotiske geometrier, hvor tidsrejser er mulige, er der en lille nuance. Tidsrejser er ikke altid mulige, men kun inden for et bestemt område (i figur 3 er dette området uden for de blå kegler). Med andre ord kan man ikke rejse "uendelig" tilbage i fortiden.

Eksistensen af ​​en sådan afgrænset region – Cauchy horisonten – er en fælles ejendom af sådanne underlige geometrier. Hvis du forestiller digat vi på en eller anden måde har skabt en tidsmaskine (ved hjælp af to bevægelige strenge eller kædeløb Alcubierre) i 2100, kan vi ikke sige "flyve" tilbage til 2018 fra 2150 (vi vil kun kunne flyve efter år 2100). Dette forklarer især det berømte Hawking paradoks om, hvorfor vi ikke møder tid rejsende.

Er strengene virkelig til stede? I øjeblikket er der ingen tegn på eksistensen af ​​kosmiske strings, men der er meget strenge restriktioner (fra observationer og teorien om universets oprindelse) på antallet af sådanne strings i det observerbare univers.

Men selvfølgelig må der være en slags trick? Er det umuligt at rejse og rejse gennem tiden, selv med sådanne begrænsninger? Hvad med global kausalitet?

Der er en fangst her. Faktum er, at mens vi overvejede ren kinematik – bevæger materialets bevægelse sig i en kompleks geometri af rumtiden. Men verden består ikke af vakuum og materielle punkter, det består af marker og excitationer i dem. Faktum er, at hvis vi tilføjer vederlaget ud over den buede rumtid (det vil sige tyngdekraften) også kvantefelter (hvoraf vi alle er), og så forsøger at gøre den samme analyse bliver billedet lidt mere kompliceret.

Problemet er, at i et buet rumtid er et vakuum ikke rigtigt et vakuum: Hvis det oprindeligt tomme rum er buet, kan observatøren se (registrere) partikler født fra et vakuum. I fladt rum sker det også – virtuelle partikler bliver konstant født og ødelagt, men balancen er aldrig brudt, og vi kan ikke se nogen rigtige partikler. I et buet rum er denne balance imidlertid forstyrret. For eksempel i nærheden af ​​horisonten af ​​et sort hul kan partikler dannes fra vakuum (Hawking-stråling). Og i Cauchys horisont (i tilfælde af geometrien af ​​to strenge) kan der være noget analogt med Hawking-stråling fra et vakuum.

Specielt for Alcubierre-motoren viser "simple" beregninger (S. Finazzi et al., 2009. Semiklassisk ustabilitet af dynamiske warp-drev), at denne stråling kan være uendeligt intens i øjeblikket med horisontaldannelse og vil "ødelægge" alt inde kapsler. Disse beregninger er "simple" i den forstand, at de ikke er baseret på en uafhængig teori om kvantegravethed, som simpelthen er nødvendig for konsistente resultater, men på en semiklassisk metode: feltteori mod baggrunden (!) Af buet rumtid (dvs. markerne tages ikke i betragtning, de er adskilt fra hinanden, hvilket ikke er helt fysisk).Derfor bør sådanne resultater naturligvis behandles med forsigtighed.

Men det giver alligevel en vis antydning om, at naturen på trods af vores listighed i at forsøge at bedrage tid, kan ende med at være mere listet end os.

Opgaven er baseret på John Richard Gottes værker på rummets geometri i nærværelse af kosmiske strenge.

Hjælp til den særlige relativitetsteori

For at forstå hvorfor for en hvilken som helst to begivenheder, der er adskilt fra hinanden med et mellemrum i rummet, kan du finde en observatør for hvem disse hændelser forekommer samtidigt. Lad os henvende os til diagrammer fra den specielle relativitetsteori, hvoraf den ene er vist i fig. 3. På Youtube kanal minutephysics er der en glimrende video om, hvordan man tænker på sådanne diagrammer:

I fig. A (til venstre) viser et sådant diagram: tidskoordinaten (når begivenheden opstod) er plottet på den lodrette akse, den rumlige koordinat (hvor hændelsen opstod) er tegnet på den vandrette akse. For nemheds skyld måler vi tiden i år, og længden – i lysår (dette er den afstand, som lyset rejser over et år).

Fig. A. Til venstre – Hændelsesdiagram med to tids- og rumlignende områder. Til højre – samtidige og ikke-samtidige begivenheder

Begivenheder, hvis tid (i år) er længere end afstanden til dem (i deres egne år) kaldes tidsmæssigt, og begivenheder, der er mindre tid fra hinanden, er rumligt ens. Forskellen mellem disse begivenheder er, at vi ikke kan påvirke de rumlignende hændelser (de er i det røde område på diagrammet), fordi vi herfor skulle sende et signal, der skal flyve hurtigere end lys, og det er umuligt. For eksempel i fig. Og (til venstre) er den røde prik nedenfor bare en sådan begivenhed. Det vil ske om 2 år i en afstand på 10 sv. år fra os. Og for at kunne påvirke denne begivenhed, ville det være nødvendigt at flytte med en gennemsnitlig hastighed på 5c (det vil sige 5 gange hurtigere end lysets hastighed).

På den anden side er det let at vise, at vi kan påvirke begivenhederne i det blå område. Den grønne linje, der løber i en vinkel på 45 °, er en lys linje, der viser, hvordan lyset spredes: i 10 år passerer det 10 lyspunkter. år. Følgelig linjerne i en mindre vinkel på aksen x svarer til superluminale hastigheder under bcirkatop – dosvetovymi.

Begivenheder kaldes samtidige, hvis deres tidskoordinater er ens. Eksemplet er vist til højre i fig.A: de to bundbegivenheder opstår på samme tid. t1 og for os er de samtidige.

Imidlertid er samtidighed i den specielle relativitetsteori ikke en absolut ting: to samtidige begivenheder i en referenceramme kan vise sig at være ikke-samtidige i den anden. I fig. B viser bare et sådant eksempel.

Fig. B. To samtidige i systemet (t, x) begivenheder (til venstre) er ikke-samtidige i systemet (t\’, x') og omvendt (til højre). Stiplede linjer holdt parallelt med akserne x og x\’

I systemet (t, x) to hændelser opstår på samme tid t1. I dette tilfælde for observatøren i systemet (t\’, x'), der bevæger sig med en vis hastighed i forhold til det indledende system, er disse to begivenheder ikke-samtidige på grund af at akserne komprimeres (det kan vises at jo højere hastighed jo større komprimering af akserne til lyslinjen). Minutephysics har en detaljeret video af hvorfor dette sker:

Den modsatte situation er vist i fig. B til højre: to samtidige begivenheder for observatøren i systemet (t\’, x') opstod for øjeblikket t\’1, forekommer ikke-samtidigt for observatøren i systemet (t, x).

Spørgsmålet opstår: om der er to begivenheder En = (tEn, xEn) og B = (tB, xB) Det er muligt at vælge et referencesystem (det vil sige en sådan observatørhastighed) for hvilke to hændelser vil forekomme samtidigt: \ (t_A '= t_B' \)?

Det viser sig at nej. Ser på billedet. B og efter den ovenfor beskrevne logik kan man let verificere, at for begivenheder forbundet med røde intervaller (hvis vinkel er med aksen x mere end 45 °), dette er umuligt at gøre, mens det for begivenheder forbundet med blå intervaller er muligt. De røde intervaller i denne figur viser sig derfor at være tidlige, og de blå er rummelige. Hvis to begivenheder adskilles af et mellemrum som mellemrum, kan man ikke påvirke den anden på nogen måde!

Fig. V. Begivenheder adskilt af pladslignende (blå) og tidlige (rød) intervaller


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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