Можно ли путешествовать « во времени?»

МОУ Сухобезводненская средняя общеобразовательная школа
Районный конкурс исследовательских и проектных работ
«Юный исследователь»
Номинация: «Техника»
Исследовательский проект по теме:
«Можно ли путешествовать
во времени?»
Проект выполнили учащиеся 10 класса:
Белугина Маргарита.
Руководитель проекта:
учитель физики
Булатова Нина Сергеевна
п. Сухобезводное
2010 год
Содержание
I.
Введение……………………………………………………………2
II.
Основная часть…………………………………………………….3
1. Изучение истории времени.
1.1 История времени……………………………………………………..3
1.2 Эволюция приборов для измерения времени……………………...5
2. Манипулирование временем.
2.1 Свойства времени………………………………………………….…7
2.2 Замедление времени……………………………………………….…7
2.3 Способы перемещения в прошлое………………………………….8
2.4 Способы перемещения в будущее………………………………....11
2.5 Принцип путешествия во времени………………………………....11
III.
Выводы…………………………………………………………....14
IV.
Литература и интернет ресурсы………………………………...15
V. Рецензия……………………………………………………………..16
VI. Тезисы………………………………………………………………17
I. Введение
Что такое время? Физики и философы уже давно ломают голову над этим
вопросом. Легче сказать, чем оно не является. Разумеется, это не предмет, который
занимает определенное место и имеет определенные размеры, не состояние вещества,
как, например, давление или температура. Время – это не свойство, как например вес.
Оно не уменьшается, если предмет исчезает. Может быть, оно является лишь
необходимой предпосылкой для нашего мировоззрения?
Некоторые считают, что время, это величина придуманная человеком, для
измерения чего-либо, но как такового его не существует. Другие же наоборот,
полагают, что время существует, и что им можно манипулировать. Но возможны ли на
самом деле путешествия во времени?
Цель работы: Знакомство с версиями представления о времени, а так же поиск и
изучение различных возможностей путешествия во времени.
Задачи:
1. Узнать историю времени.
2. Проследить эволюцию приборов для измерения времени.
3. С помощью теории относительности Эйнштейна, доказать, возможность
замедления времени.
4. Изучить способы путешествия во времени.
Объект исследования: время.
Гипотеза: путешествия во времени реальны.
2
II. Основная часть
1.Изучение истории времени
1.1 История времени
Наиболее раннее доказательство отслеживания времени появилось около
20000 лет назад; доказательства в виде засечек, сделанных на палках и костях
приблизительно того времени в Европе, считаются записями дней между двумя
последующими новолуниями. Было создано множество древних календарей, но в
качестве краткого примера приводится египетский календарь приблизительно 4500
года до нашей эры.
Для египтян было важно знать, когда разливается Нил, это играло
огромную роль в развитии их календаря, начиная с ранней версии 4500 года до н.э.,
которая основывалась на месяцах. Начиная с 4236 года до н.э. в качестве начала
года был выбран гелиакический восход Сириуса, самой яркой звезды на небе.
Гелиакический восход – это первое появление звезды после периода, когда
она настолько близка к солнцу, что не видна на небе. Было подсчитано, что длина
года равна 365 дням, и такая точность была получена к 2776 году до н.э.
Гражданский календарь из 365 дней был создан для записи дат.
Позднее для длины года было разработано более точное значение равное
3651/4 дням, но гражданский календарь никогда не изменялся с целью учитывания
этого факта.
В действительности два календаря функционировали параллельно, один из
них, тот который использовался для практических целей таких, как посев зерновых,
жатва и т.д., был основан на лунном месяце.
Торжество техники и искусства, Страсбургские астрономические часы
ясно демонстрировали, как понималось время в XVI веке. Время было
астрономическим, основанным на движении небесных тел, и это было представлено
глобусом звездного неба с 48 созвездиями и 1022 звездами. Были показаны
движения солнца, луны и пяти планет. Также были представлены солнечное и
лунное затмения, фазы луны и астролябия, которая была спроектирована по
птолемеевской версии вселенной.
3
Приблизительно в 3000 году до н.э. шумеры разделили день на 12
периодов, и каждый период разделили на 30 частей.
Вавилонская цивилизация, которая возникла, как и ранняя шумерская
цивилизация, на территории современного Ирака, но на 1000 лет позднее, разделила
день на 24 часа, каждый час на 60 минут, каждую минуту на 60 секунд.
Это их деление дня дало нам широко используемые современные единицы
времени. Следует, конечно, отметить, что эти современные единицы, несмотря на
то, что получены из вавилонских аналогов, сегодня определяются не
астрономическими данными. Также следует отметить, что многие ранние единицы
времени изменялись в течение года, как длина дня и ночи изменялась со сменой
времен года.
Рассмотрим работу XIV века «Об отношении отношений», написанную
Николаем Оресмом. В ней Оресм рассматривает вопрос, измеримы ли небесные
движения, или, другими словами, существует ли элементарный временной
промежуток такой, что день, месяц и год в точности равны целым числам, кратным
этому промежутку. С одной стороны, Оресм говорит, что можно ожидать, что
Творец организовал все так, что это верно. Тем не менее, он заканчивает
рассуждение тем, что склоняется к выводу, что никакие два небесных движения не
соизмеримы.
Это восхитительное исследование, которое, по существу, ставит вопрос,
является ли время, измеряемое по солнцу и луне, одним и тем же временем.
В XVII веке Галилей открыл «часы» на небе, которые регистрировали
«абсолютное время», а именно моменты затмений лун Юпитера. Теоретически это
давало решение проблемы долготы, но на практике наблюдение затмений лун
Юпитера с палубы корабля было по существу невозможно.
За решение проблемы определения долготы было предложено несколько
крупных вознаграждений, и Галилей в 1616 году пытался убедить Испанский Суд,
что он может определять абсолютное время, используя луны Юпитера, а после
неудачи этого убеждения пытался уверить в своем методе голландцев,
предложивших в 1636 году большую награду за решение той же проблемы.
4
Это был не единственный вклад Галилея в изучение времени. Задолго до его
открытия лун Юпитера он открыл фундаментальное свойство маятника в 1583 году.
Во время проведения службы в пизанском соборе было замечено, что раскачивание
лампы в соборе занимает одинаковое время независимо от величины начального
отклонения. Конечно, здраво будет спросить, каким образом он это обнаружил, так
как во времена Галилея не было устройств для точного измерения коротких
промежутков времени.
На самом деле Галилей использовал встроенные в его организм
биологические часы, он использовал свой пульс для сравнения времени,
требующегося маятнику для колебаний. Похоже, что Галилей затем много лет не
осознавал, что его открытие может быть использовано для разработки точных
часов, но приблизительно в 1640 году он все-таки сконструировал первые часы с
маятником. Галилей умер в начале 1642 года, но значение его модели часов было
осознано его сыном, который пытался сделать часы по эскизу Галилея, но потерпел
неудачу.
1.2 Эволюция приборов для измерения времени.
История измерения и счета времени вообще и история часов в частности
берут свое начало в далеком прошлом, когда наши предки были еще язычниками.
В те времена естественными часами природы были Солнце и Луна. Так по тени,
отбрасываемой предметами, наши прародители могли судить о времени дня. А
узнавать о нем они научились по так называемым солнечным часам - это было
первое, сделанное человеком, устройство, которое специально предназначалось для
того, чтобы узнавать время. Представляло оно собой вертикально поставленный
брусок.
Конечно, солнце не могло использоваться для определения времени ночью,
и с 1500 года до н.э. в Египте использовались клепсидра или водяные часы. Вода
вытекала из отверстия в дне сосуда, внутренняя сторона стенок которого имела
линии для индикации течения времени. Ранние версии не учитывали тот факт, что с
падением давления вода вытекает медленнее. Также использовался песок в по5
прежнему привычном часовом стакане, в котором песок сочится из сосуда, требуя
установленного промежутка времени, чтобы полностью иссякнуть.
Приблизительно в конце VI века н.э., устройства для измерения
промежутков времени были несколько усовершенствованы. Однако новых типов
часов не появилось, просто был улучшен дизайн солнечных и водяных часов.
В Европе прогресс в хронометрии отсутствовал приблизительно с 500 до 1300
года н.э., но в других странах развитие продолжалось за счет механических часов,
введенных в Китае.
Тем не менее, изобретение в Европе в XIV веке регулятора хода часов
привело к революции в области механических часов. Регулятор хода действовал
посредством колеса с зубьями на ободе, вращению которого препятствовали две
металлические пластинки, перемещавшиеся вверх и вниз таким образом, что
зубчатое колесо двигалось на один зубец за раз. Пластинки были прикреплены к
фолиоту, массивной перекладине, по которой перемещались небольшие веса для
регулировки скорости колебания перекладины. Сам механизм приводился в
действие тяжелыми грузами, которые управляли зубчатым колесом. Такие часы
были более точными, чем любой другой способ измерения времени ранее, но их
было очень тяжело регулировать. Скорость, с которой шли часы, по-прежнему
полностью зависела от энергии, придаваемой грузами, и от силы трения.
Время приобрело определенное положение в обществе, которым оно ранее
не обладало. Механические часы были важным статусным символом, но города
задавали только свое местное время в течение следующих 500 лет, пока появление
поездов не потребовало стандартных временных зон.
Первым, кому удалось сделать часы с маятником, был Гюйгенс в 1656
году. Это изобретение принесло с собой более высокую точность измерений
времени, причем начальные его версии достигали величины ошибки менее чем 1
минута в день. По позднее улучшенному дизайну Гюйгенс мог построить часы,
точность которых была в пределах 10 секунд в день. Гук использовал свободные
колебания пружины для регулировки баланса часов и несколько лет после
Гюйгенса также экспериментировал с балансиром и комплектом пружин, которые
до сих пор можно найти в механических наручных часах.
6
2.Манипулирование временем.
2.1.Свойства времени.
Для изучения законов природы важны не формальные определения времени, а
его свойства, познаваемые на опыте. Опыт говорит о том, что время одномерно и
однородно.
Одномерность времени проявляется в том, что для указания момента
наступления какого-либо события или длительности какого-либо процесса
достаточно одного числа.
Однородность времени проявляется в неизменности физических законов:
какими они были во времена Ньютона, такими остаются в наши дни, такими будут
и завтра.
2.2.Замедление времени.
В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879—1955), тогда скромный служащий
Швейцарского патентного бюро в Берне, опубликовал работу, посвященную частной
(специальной) теории относительности, которая разрешила проблемы
электродинамики и эксперимента Майкельсона—Морли и окончательно разрушила
шаткие основы классических понятий пространства и времени. Эта теория
основывалась на двух положениях.
Согласно первому из них, принципу относительности, все инерциальные системы
отсчета эквивалентны друг другу в отношении постановки в них любых физических
экспериментов. Это означает, что равномерное и прямолинейное, движение такой
лабораторной системы никак не отражается на результатах, проводимых в ней опытов,
если она не ускоряется и не вращается.
Из положений частной теории относительности Эйнштейна следует ряд
любопытных выводов.
Замедление времени.
В быстро движущемся космическом корабле время течет медленнее, чем в
лаборатории «неподвижного» наблюдателя. Если бы наблюдатель, находящийся на
Земле, мог следить за часами в летящей с большой скоростью ракете, то он пришел бы
7
к выводу, что они идут медленнее его собственных.
Эффект замедления времени на борту ракеты касается буквально всего,
включая атомные процессы и даже биологические ритмы экипажа. В противном
случае нарушился бы принцип относительности, поскольку тогда экипаж имел бы
возможность производить измерения, обнаруживающие факт движения корабля;
например, люди заметили бы, что они стареют чуть быстрее, чем это должен отмечать
ход их хронометра.
B 1971 г. Дж. К. Хафеле и Р. Е. Китинг осуществили прямую проверку
эффекта замедления времени, отправив атомные часы в «кругосветное путешествие»
на реактивном самолете и сравнив их ход с ходом таких же «покоящихся» часов в
лаборатории ВМС США; результат этого эксперимента находился в полном согласии с
теорией.
Эффект замедления времени открывает возможность путешествий во времени,
но только в будущее. Путешествие в прошлое, согласно этой теории, невозможно.
2.3.Способы перемещения в прошлое.
Оказывается, еще со времени зарождения вселенной в результате
«Большого взрыва» в космосе возникли естественные тоннели – как бы «ходы
кротов», с помощью которых можно путешествовать во времени. Могут они
возникать там, где пространство сильно изогнуто. Например, где существуют
«черные дыры». Через эти-то пространственно-временные коридоры и можно за
минуты слетать в прошлое или будущее.
Своими расчетами Красников доказывает: «ходы» могут быть
настолько большими, что позволят космическим кораблям почти мгновенно
перемещаться сквозь пространство и время. Выводы ученого основаны на
квантовой теории и общей теории относительности Эйнштейна.
Что такое «кротовый ход»?
На листе бумаге сверху отметьте точкой положение Земли. В нижней
части листа поставьте другую отметку. Пусть это будет некое место в космосе на
расстоянии нескольких световых лет.
8
А теперь скатайте бумажный лист так, чтобы обе точки
соприкоснулись. Путь стал намного короче. Завершите эксперимент, проделав в
бумажном листе два отверстия. Это и есть тот самый «ход».
Дело теперь за «малым», - остается найти эти туннели, которые
писатели-фантасты называют «звездными вратами». Или – построить. Так же как
туннель сквозь горный хребет, который короче объездной дороги. Только в данном
случае придется прибегнуть к ускорителям элементарных частиц, создав «воронку»
в пространстве. И увеличивать ее до приемлемых размеров, используя
энергетические поля, схожие с теми, которые заставили космос мгновенно
расшириться сразу после «Большого взрыва».
Общая теория относительности допускает возможность
существования «кротовых нор». Но из уравнений Эйнштейна следует, что кротовая
нора схлопнется раньше, чем путешественник сумеет пройти через неё (как,
например, в случае «моста Эйнштейна-Розена» — первой описанной кротовой
норы), если её не будет удерживать от этого так называемая «экзотическая
материя» — материя с отрицательной плотностью энергии.
Существование экзотической материи подтверждено как теоретически,
так и экспериментально. Это квантовое электромагнитное поле с отрицательной
энергией. Такую «материю» уже удавалось получить в лабораторных условиях.
Правда, пока «слабенькую». Но через год-два ученые надеются получить более
стабильные результаты.
«Экзоматерия», выдерживающая давление в миллиарды миллиардов
атмосфер, буде препятствовать стремлению туннеля сжаться в точку и стать
«черной дырой» только с одним входом – без выхода.
Чтобы приспособить туннель для путешествий в пространстве, надо
будет один вход расположить у земли, а второй отбуксировать к нужной звезде с
помощью специального межзвездного корабля. Тогда, согласно теории Эйнштейна,
возникнет парадокс: если для космонавтов на корабле путешествие займет,
например, год, то на Земле за это время пройдет 10 000 лет. Вот тут-то и выручит
«кротовина». Вместо того чтобы год тащиться обратно, корабль нырнет в
отбуксированный им же туннель и вынырнет с его другого конца рядом с Землей.
9
Для земного наблюдателя корабль вернется в обратную точку (к Земле)
через мгновение после старта.
«Кротовина» будет работать и как машина времени, и как самое
скоростное средство для перемещения в пространстве.
В 1936 г. Ван Штокум обнаружил, что тело, вращающееся вокруг
массивного и бесконечно длинного цилиндра, попадёт в прошлое (позже Ф. Типлер
предположил, что это возможно и в случае цилиндра конечной длины ). Таким
цилиндром могла бы быть так называемая космическая струна, но нет надёжных
свидетельств, что космические струны существуют, и вряд ли есть способ создавать
новые.
10
2.4.Способы перемещения в будущее.
Современная наука допускает несколько возможных способов
путешествия в будущее (строго говоря, любой человек путешествует в будущее,
даже когда он просто лежит на диване, так что речь идет об ускоренном
путешествии):
Физический (на основе следствий теории относительности):
Движение со скоростью, близкой к скорости света. Время путешествия, измеренное
по часам того, кто двигался с такой скоростью, всегда меньше измеренного по
часам того, кто оставался неподвижен (см. выше).
Нахождение в области сверхвысокой гравитации, например, вблизи горизонта
событий чёрной дыры.
Биологический — остановка метаболизма тела с последующим
восстановлением. Например, замораживание (крионика).
Следует заметить, что все названные способы не предусматривают какого-либо
обратного возвращения в исходный (точнее, любой более ранний) момент времени,
то есть не отвечают критериям «машины времени», описанной в научнофантастической литературе.
2.5 Принцип путешествия во времени.
Рис.1
11
«Глобальная линия» тела m вытянута вдоль координаты времени T (см.
Рис.1). Вдоль координаты времени T распространяются «волны времени»
...,T1,T2,T3,T4,... В точках пересечения «волн времени» и глобальной линии тела
m имеются его отражения .
Путешественник в прошлое должен изменить свойства своей «глобальной
линии» и изогнуть ее так, как это показано на Рис.2. При этом отражение
путешественника 0 перемещается из точки пересечения «глобальной линии» и
«волны времени» T2 в точку 0 на «волне времени» T4. «Глобальная линия» в
измененном состоянии прорисована красным цветом.
Рис.2
Рис.3
Когда путешественник из прошлого вернется в свое время на «волну
времени» T2, то это волна будет иметь уже другое положение на координате
времени (см. Рис.3). Т.е. он не сможет вернуться точно в то же время, которое
покинул. Время его отсутствия будет равно времени пребывания в области
«волны времени» T4, помноженное на коэффициент разности скорости
протекания физических процессов.
12
Рис.4
Рис.5
Возникают вопросы: что будет с петлей «глобальной линии», когда
путешественник из прошлого вернется в свое время?
Петля сохранится?
Что будет с отражением путешественника 1 «волны времени» T3
(см. Рис.3), когда оно достигнет точки изгиба петли «глобальной линии», если
это отражение передумает прыгать в прошлое? Какой стресс ему предстоит
испытать?
Вероятно, путешественнику во времени необходимо будет
следить за положением петли «глобальной линии» и вовремя «убирать свои
хвосты».
Путешествие в будущее будет аналогичным.
Путешественник в будущее должен изменить свойства своей «глобальной
линии» и изогнуть ее так, как это показано на Рис.4. При этом отражение
путешественника 0 перемещается из точки пересечения «глобальной линии» и
«волны времени» T4 в точку 0 на «волне времени» T1 («глобальная линия» в
измененном состоянии прорисована красным цветом.)
13
Когда путешественник из будущего вернется в свое время на «волну
времени» T4, то это волна будет иметь уже другое положение на координате
времени (см. Рис.5). Время его отсутствия будет равно времени пребывания в
области «волны времени» T1, помноженное на коэффициент разности скорости
протекания физических процессов.
III. Выводы
Собрав большое количество информации, можно утверждать, что:
1) Люди с древнейших времён пытаются отследить и измерить время.
2) Согласно СТО перемещаться во времени можно только вперёд (в будущее).
3) Путешественник во времени не сможет вернуться в тоже время, которое
покинул. Время его отсутствия будет равно времени занявшем его
путешествие.
4) В наши дни путешествия во времени не возможны. Не исключено, что они
станут реальны в ближайшем будущем.
14
IV.Литература и интернет ресурсы

Е. И. Бутников, А. С. Кондратьев. Физика: для углублённого изучения. Том 1
Механика. МОСКВА ФИЗМАТЛИТ 2004, стр. 11
 Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. Физика: Учебник для 11 класса
общеобразовательных учреждений. Москва «Просвещение»,2005.
 http://ru.wikipedia.org/wiki/Путешествие_во_времени
 http://www.spinfields.hut2.ru/ALMANACH/2n01/TimeTravel.htm
 http://maxmaxovich.livejournal.com/57255.html
 http://theory.moy.su/forum/31-29-1
15
V.Рецензия
Автор пытается определить, что же такое время? Единого понятия времени
не существует. Каждые учёные дают разные определения времени. Некоторые
присваивают времени физические свойства, некоторые связывают время с различными
явлениями, но всё равно на данный момент мы практически ничего уверенно сказать
не можем о времени. Эта тема физики изучена далеко не до конца, и может быть, гдето через столетия, человек будет знать о времени всё.
Тема интересная, многогранная. Автор рассматривает, в основном, путешествия
во времени.
Время, как течение быстрой реки , переносит нас из прошлого в будущее. А как
иногда хочется остановить прекрасное мгновение, чтобы минуты счастья длились
дольше. А возможно - ли такое?
Сегодня можно слышать и такие суждения о времени, как его искривление и
замедление.
Загадка времени и в том, что со временем сегодня связывают различные пара
нормальные явления, такие, как, например, переход в параллельные миры.
Всё это очень интересно и я думаю, что проектную работу можно продолжить не
только в тех аспектах, что представил автор, но во многих других.
16
VI.Тезисы
1.Что такое время? Физики и философы уже давно ломают голову над этим
вопросом. Легче сказать, чем оно не является. Разумеется, это не предмет, который
занимает определенное место и имеет определенные размеры, не состояние вещества,
как, например, давление или температура. Время – это не свойство, как например вес.
Оно не уменьшается, если предмет исчезает. Может быть, оно является лишь
необходимой предпосылкой для нашего мировоззрения?
2. Наиболее раннее доказательство отслеживания времени появилось около 20000
лет назад; доказательства в виде засечек, сделанных на палках и костях
приблизительно того времени в Европе, считаются записями дней между двумя
последующими новолуниями. Было создано множество древних календарей, но в
качестве краткого примера приводится египетский календарь приблизительно 4500
года до нашей эры.
3. Торжество техники и искусства, Страсбургские астрономические часы ясно
демонстрировали, как понималось время в XVI веке. Время было астрономическим,
основанным на движении небесных тел, и это было представлено глобусом звездного
неба с 48 созвездиями и 1022 звездами. Были показаны движения солнца, луны и пяти
планет. Также были представлены солнечное и лунное затмения, фазы луны и
астролябия, которая была спроектирована по птолемеевской версии вселенной.
4. Время приобрело определенное положение в обществе, которым оно ранее не
обладало. Механические часы были важным статусным символом, но города задавали
только свое местное время в течение следующих 500 лет, пока появление поездов не
потребовало стандартных временных зон.
5. Для изучения законов природы важны не формальные определения времени, а
его свойства, познаваемые на опыте. Опыт говорит о том, что время одномерно и
однородно.
6. Замедление времени. В быстро движущемся космическом корабле время течет
медленнее, чем в лаборатории «неподвижного» наблюдателя. Если бы наблюдатель,
находящийся на Земле, мог следить за часами в летящей с большой скоростью ракете,
то он пришел бы к выводу, что они идут медленнее его собственных.
7.Современная наука допускает несколько возможных способов путешествия в
будущее: Физический (на основе следствий теории относительности):
Движение со скоростью, близкой к скорости света. Биологический — остановка
метаболизма тела с последующим восстановлением. Например, замораживание
(крионика).
8. В наши дни путешествия во времени не возможны. Не исключено, что они станут
реальны в ближайшем будущем.
17