СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА И ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ

Управление образования МО городской округ «Охинский»

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №5 г. Охи

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА И ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ

Автор работы:

 ученица  11 класса

 МБОУ СОШ №5 г. Охи

Руководитель:

ТимошенкоНурия Галиевна

учитель физики

            МБОУ СОШ №5 г. Охи

Оха, 2011

Тема моей исследовательской работы «Специальная теория относительности Эйнштейна и путешествия во времени» 

Проблема взаимоотношений пространства и времени издавна  волновала человечество.

Возможно, ли заглянуть в прошлое и попасть  в будущее?

Мгновенно оказаться в любой точке пространства и изменить ход времени?

Познаваемы ли свойства пространства и времени или там действуют принципы запрета? Первой попыткой решить эти вопросы стала специальная теория относительности.

Поэтому цель моей работы:

• Собрать и обобщить информацию по специальной теории относительности Эйнштейна.
• Определить возможности практического  применения специальной теории относительности для путешествия человека во времени.

Задачи работы:

• -Установить, в чем революционное отличие теории относительности от классической механики Ньютона.

-Изучить следствия, вытекающие из теории  относительности.

В 1905 г. выдающийся физик XX в. Альберт Эйнштейн опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», в которой заложил основы специальной теории относительности (СТО).

Она заставила пересмотреть систему мира Ньютона самым радикальным образом.

Природы строй, ее закон

В извечной тьме таился.

И Бог сказал: «Явись, Ньютон!»

И всюду свет разлился.

Но сатана не долго ждал реванша-

Пришел Эйнштейн, и стало все, как раньше.

Знаменитые уравнения Эйнштейна подарили нам новый мир, сильно отличающийся от мира Ньютона. Как образно говорят физики, в теории относительности пространство «говорит» материи, как ей двигаться, а материя «указывает» пространству, как ему искривляться.

Из научных публикаций я узнала, что  основой специальной теории относительности являются два постулата.

Первый постулат  говорит об одинаковости  законов природы во всех инерциальных системах отсчета, а второй о постоянстве   скорости  света в этих системах.

Из этого вытекает важнейшее следствие. Оказывается,    скорость движения  света – максимально возможная скорость любого движения  в нашей Вселенной.

Теперь выясним, чем мир Ньютона принципиально отличается от мира Эйнштейна? Исаак Ньютон считал, что время и трехмерное пространство абсолютны и не зависят друг от друга.

А СТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одна из координат – время.

Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя себе представить наглядно: двухмерна плоскость, трехмерный шар и куб, но как вообразить себе четырехмерие?

Математики имеют дело с пространствами и больших размерностей, но для них это абстракции. Мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция.

Мы живем геометрически в трехмерном пространстве, однако, все физические процессы в нашем мире связаны со временем, а сам ход времени для  наблюдателя зависит от свойств  пространства и от скорости процессов. Поэтому время в мире Эйнштейна связано с геометрией, а геометрия со временем.

Я считаю, что СТО вполне можно назвать геометродинамикой.

             Геометродинамика СТО предсказывает удивительные явления, которые должны  происходить в нашем мире: изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения, гравитационные коллапсы и многое другое.

             Эйнштейн показал, что световой луч, проходящий вблизи небесного тела, отклоняется от прямолинейного распространения на определенный угол.

Для Солнца этот угол должен составлять  около 20.

       Наблюдения подтвердили расчеты Эйнштейна. Впервые в науке факт отклонения лучей света далекой звезды от прямой в поле тяготения небесного тела был обнаружен во время солнечного затмения 29 мая 1919 года. Свет шел от далекой звезды и, проходя вблизи  Солнца,  отклонился на 20.Это полностью подтвердило правоту Эйнштейна.

Другим важным  следствием ОТО является эффект замедления времени: время в неподвижной системе отсчета и движущейся относительно нее течет с разной скоростью.

Замедлением времени объясняется парадокс близнецов: вернувшийся из космического путешествия близнец стареет гораздо меньше, чем его брат, оставшийся на Земле.

Парадокс близнецов экспериментально подтвердился в 1971 году. Было проведено сравнение хода цезиевых часов: одни часы находились в полете вокруг Земли на реактивном самолете, а другие оставались в обсерватории на Земле.

При приземлении самолета отставание часов, путешествующих вокруг Земли, составило около 200 наносекунд.

Зависимость хода времени от условий эксперимента хорошо всем знакома. Один и тот же промежуток времени может представляться вечностью или мигом в зависимости от того, сколько событий совершилось в течение него.

Кроме того, теория относительности  Эйнштейна позволила  получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной. Первым человеком, которому удалось сделать это, был советский математик Фридман.

Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин «Вселенные Фридмана». Что же это такое?

Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна. Каждое из них зависит от средней плотности материи во Вселенной.

Если средняя плотность  или равна ей, то конечная или бесконечная Вселенная будет расширяться всегда. Если же значение средней плотности больше критической, то неизбежно получается замкнутая, но безграничная Вселенная. В этом случае силы гравитации должны, в конце концов, остановить ее расширение и Вселенная рано или поздно начнет сжиматься.

Искривлением пространства и  наличием верхнего предела скорости объясняется существование одного из самых необычных астрономических объектов - черной дыры.  

Черная дыра образуется при гравитационном сжатии массивной звезды. Если масса звезды более чем в 3 раза превосходит массу Солнца, ядро этой звезды, сжимаясь, достигает такой плотности, что даже свет не может преодолеть силы его тяготения. Размеры такой дыры всего несколько км.

Также, исходя из своей теории,  А. Эйнштейн установил закон взаимосвязи массы и энергии и впервые определил, что масса является мерой энергии.

Необычным следствием замкнутости Вселенной  является возможность путешествия во времени.

Мировая наука имеет все необходимые теоретические знания для того, чтобы с полным правом утверждать: путешествие во времени возможно".

Ученые, опираясь на следствия (СТО) сделали вывод  о возможности значительной деформации пространства-времени, вплоть до скручивания его в тороподобную структуру — "бублик".

По окружности этого "бублика" существует гравитационное поле.  В "дырке бублика" пространство-время сжимается до такой степени, что время начинает течь вспять, т.е. в прошлое.

Задача капитана космического корабля найти в просторах Космоса такой "бублик" и вовремя нырнуть в него. Только заметили ли путешественники маленькое объявление на входном тамбуре космопорта: "Рейс без права возвращения"?

В 1975 г. профессор Ричард Готт назвал первого в мире путешественника в будущее

Им стал советский космонавт Сергей Авдеев, который, в общем, свыше двух лет находился на станции "Мир"

и крутился над нашей планетой со скоростью 8 км/с. В итоге он оказался в будущем примерно на 1/50 секунды! 

Впервые идею путешествия во времени предложил австрийский математик и философ Курт Гедель.

Он считал, что все объекты Вселенной вращаются и запутывают пространственно- временные линии в тугой клубок. Перемещаясь по этим линиям, можно попадать в прошлое и будущее.

В новых теориях  движителем  сегодня выступает гравитация.

 Именно ей под силу деформировать и скрутить пространство-время в "бараний рог", точнее, в баранку, тор, бублик. Ее жертвами становятся звезды, галактики, скопления галактик, Вселенная. Она способна протянуть свои мощные щупальца и в микромир, даже проникнуть в другие размерности и там навести свой порядок.

В настоящее время просматривается  два магистральных направления решения проблемы деформации пространства и времени.

I способ- механический — с помощью так называемых уорп – механизмов,

 они деформируют пространство-время таким образом, что в нем появляются ходы и туннели, связывающие отдаленные части космоса.

 Пространство перед космическим кораблем с уорп - двигателем чрезвычайно сжимается, а позади него — расширяется.

Для наблюдателя, оставшегося на Земле, корабль будет двигаться со сверхсветовой скоростью, а для самого космонавта — замрет на месте. Идею такого двигателя выдвинул мексиканский физик Мигель Алькубьере в 1994 г

2 способ путешествий во времени – с помощью космических  струн. Его предложил Принстонский физик Джон Готт. Космические струны это один из возможных реликтов, оставшихся со времени Большого Взрыва.

Каждый "погонный метр" подобной струны весит — ни много ни мало — сто квадриллионов тонн (при толщине, сравнимой с размером протона). Естественно, что в их окрестностях существуют мощнейшие гравитационные поля. Космический корабль, облетевший две проходящие рядом  струны, получит столь мощную "гравитационную встряску", что улетит невесть куда (в прошлое или будущее). Для возвращения в свое время незадачливым путешественникам придется рыскать по всему Космосу, подыскивая вторую подходящую пару струн.

Те же расчеты показывают, что подобного рода транспортное средство — дело очень далекого будущего, ибо энергетические затраты  потребуют ресурсов всей Галактики.

Однако путешествие во времени требует очень четкого ответа на вопрос, а каковы будут последствия нарушения причинно-следственных связей при перемещении в прошлое и будущее (например, "парадокс дедушки": может ли изобретатель машины времени, отправившись в свое прошлое, убить своего предка?).

Именно это и стало головной болью стареющего Эйнштейна. Сейчас проблемой «Парадокса дедушки» занимаются   не столько физики, сколько философы.

К сожалению, ограниченное время не позволяет подробно коснуться еще одного очень перспективного направления теоретических разработок современных ученых — проблем Мультивселенной. Здесь вопросы путешествия во времени сводятся, казалось бы, к более простой задаче — к путешествию в пространстве, но между разными Вселенными.

Проанализировав полученную информацию, я пришел к выводу, что на современном этапе практическое создание машины времени не по силам нашей цивилизации.

Во всех существующих  ныне моделях имеется досадный изъян —  они  не предусматривают "погружения"  глубже момента создания машины.

Но я надеюсь, что в недалеком будущем, ее непременно построят.

Каково же практическое применение СТО?

В последние десятилетия выводы СТО стали широко использоваться на практике

• для расчёта энергетического выхода ядерных реакций,
• при проектировании мощных ускорителей элементарных частиц.
• для   разработки новых научных идей.  

Уважаемые участники конференции!

На основании проведенных исследований я сделала  следующие выводы:

• Специальная теория относительности  – принципиально новое революционное учение  о пространстве и времени. Это самая красивая из всех существующих физических теорий.

• СТО способствует формированию научного мировоззрения на окружающий мир и дает человеку неограниченные возможности перемещаться  в пространстве и  времени.
• СТО позволяет создавать сложнейшие научно- экспериментальные и технические установки.

Спасибо за внимание!