Introduktion
I newtonsk fysik havde rum og tid deres uafhængige identiteter, og ingen fik dem nogensinde blandet sammen. Det var med relativitetsteorien, sat sammen i begyndelsen af det 20. århundrede, at tale om rum-tid blev næsten uundgåelig. I relativitetsteorien er det ikke længere sandt, at rum og tid har separate, objektive betydninger. Det, der virkelig eksisterer, er rum-tid, og at skære det op i rum og tid er blot en nyttig menneskelig konvention.
En af hovedårsagerne til, at relativitet har ry for at være svær at forstå, er, at vores intuition træner os til at tænke på rum og tid som separate ting. Vi oplever objekter som havende udstrækning i "rummet", og det virker som et ret objektivt faktum. I sidste ende er det tilstrækkeligt for os, fordi vi generelt rejser gennem rummet med hastigheder langt lavere end lysets hastighed, så præ-relativistisk fysik fungerer.
Men dette misforhold mellem intuition og teori gør springet til et rum-tidsperspektiv noget skræmmende. Hvad værre er, præsentationer af relativitet tager ofte en bottom-up tilgang - de starter med vores daglige opfattelse af rum og tid og ændrer dem i den nye kontekst af relativitet.
Vi bliver lidt anderledes. Vores vej ind i den særlige relativitetsteori kan opfattes som top-down, idet vi tager tanken om en samlet rumtid alvorligt fra starten og ser, hvad det indebærer. Vi bliver nødt til at strække vores hjerne lidt, men resultatet vil være en meget dybere forståelse af det relativistiske perspektiv på vores univers.
Relativitetsudviklingen tilskrives normalt Albert Einstein, men han gav endestenen til et teoretisk bygningsværk, der havde været under opførelse siden James Clerk Maxwell forenede elektricitet og magnetisme til en enkelt teori om elektromagnetisme i 1860'erne. Maxwells teori forklarede, hvad lys er - en oscillerende bølge i elektromagnetiske felter - og syntes at tillægge en særlig betydning for den hastighed, hvormed lyset bevæger sig. Ideen om et felt, der eksisterede helt af sig selv, var ikke helt intuitiv for videnskabsmænd på det tidspunkt, og det var naturligt at spekulere på, hvad der egentlig "bølgede" i en lysbølge.
Forskellige fysikere undersøgte muligheden for, at lys forplantede sig gennem et medium, som de kaldte den lysende æter. Men ingen kunne finde beviser for en sådan æter, så de blev tvunget til at opfinde stadig mere komplicerede grunde til, hvorfor dette stof skulle være uopdagligt. Einsteins bidrag i 1905 var at påpege, at æteren var blevet fuldstændig unødvendig, og at vi bedre kunne forstå fysikkens love uden den. Det eneste, vi skulle gøre, var at acceptere en helt ny opfattelse af rum og tid. (OK, det er meget, men det viste sig at være det hele værd.)
Einsteins teori blev kendt som den specielle relativitetsteori, eller simpelthen speciel relativitetsteori. I hans grundlæggende papir, "Om elektrodynamikken i bevægelige kroppe,” argumenterede han for nye måder at tænke længde og varighed på. Han forklarede den særlige rolle af lysets hastighed ved at antage, at der er en absolut hastighedsgrænse i universet - en hastighed, hvormed lyset tilfældigvis bevæger sig, når det bevæger sig gennem det tomme rum - og at alle ville måle den hastighed til at være den samme, uanset hvordan de bevægede sig. For at få det til at fungere, var han nødt til at ændre vores konventionelle forestillinger om tid og rum.
Men han gik ikke helt så langt som at gå ind for at samle rum og tid i et enkelt forenet rum-tid. Det skridt blev overladt til hans tidligere universitetsprofessor, Hermann Minkowski, i begyndelsen af det 20. århundrede. Arenaen for speciel relativitet er i dag kendt som Minkowski rum-tid.
Når du først har fået ideen om at tænke rumtid som et samlet firedimensionelt kontinuum, kan du begynde at stille spørgsmål om dens form. Er rumtid flad eller buet, statisk eller dynamisk, endelig eller uendelig? Minkowski rum-tid er flad, statisk og uendelig.
Einstein arbejdede i et årti for at forstå, hvordan tyngdekraften kunne inkorporeres i hans teori. Hans endelige gennembrud var at indse, at rum-tid kunne være dynamisk og buet, og at virkningerne af den krumning er, hvad du og jeg oplever som "tyngdekraft". Frugterne af denne inspiration er det, vi nu kalder generel relativitetsteori.
Så speciel relativitetsteori er teorien om en fast, flad rumtid, uden tyngdekraft; generel relativitetsteori er teorien om dynamisk rumtid, hvor krumning giver anledning til tyngdekraften. Begge tæller som "klassiske" teorier, selvom de erstatter nogle af principperne i newtonsk mekanik. For fysikere betyder klassisk ikke "ikke-relativistisk"; det betyder "ikke-kvante". Alle principperne i klassisk fysik er fuldt ud intakte i den relativistiske sammenhæng.
Vi burde være villige til at give slip på vores præ-relativitetskærlighed for adskillelsen af rum og tid, og tillade dem at opløses i rum-tidens forenede arena. Den bedste måde at komme dertil er at tænke endnu mere omhyggeligt over, hvad vi mener med "tid". Og den bedste måde at gøre det på er igen at vende tilbage til, hvordan vi tænker om rummet.
Overvej to steder i rummet, såsom dit hjem og din yndlingsrestaurant. Hvad er afstanden mellem dem?
Nå, det kommer an på, tænker man umiddelbart. Der er afstanden "i luftlinje", hvis vi kunne forestille os at tage en perfekt lige linje mellem de to punkter. Men der er også den afstand, du ville rejse på en rejse i den virkelige verden, hvor du måske er begrænset til at tage offentlige gader og fortove, undgå bygninger og andre forhindringer undervejs. Ruten du tager vil altid være længere end afstanden i luftlinje, da en lige linje er den korteste afstand mellem to punkter.
Overvej nu to begivenheder i rum-tid. I relativitetsteoriens tekniske jargon er en "begivenhed" blot et enkelt punkt i universet, specificeret af steder i både rum og tid. En begivenhed, kald det A, kan være "hjemme kl. 6", og begivenhed B kan være "på restauranten kl. 7". Hold disse to begivenheder fast i dit sind, og tænk på en rejse mellem A og B. Du kan ikke skynde sig at komme til B før; hvis du ankommer til restauranten kl. 6, skal du sidde og vente til kl. 45 for at nå den begivenhed i rumtid, vi har mærket B.
Nu kan vi spørge os selv, ligesom vi gjorde for den rumlige afstand mellem hjem og restaurant, hvor lang tid der går mellem disse to begivenheder.
Du tror måske, at dette er et trick spørgsmål. Hvis den ene begivenhed er kl. 6, og den anden er kl. 7, er der en time imellem dem, ikke?
Ikke så hurtigt, siger Einstein. I en forældet, newtonsk opfattelse af verden, selvfølgelig. Tid er absolut og universel, og hvis tiden mellem to begivenheder er en time, er det alt, der skal siges.
Relativitet fortæller en anden historie. Nu er der to forskellige forestillinger om, hvad der menes med "tid." En forestilling om tid er som en koordinat for rum-tid. Rum-tid er et firedimensionelt kontinuum, og hvis vi ønsker at specificere steder inden for det, er det praktisk at knytte et tal kaldet "tiden" til hvert punkt i det. Det er generelt, hvad vi har i tankerne, når vi tænker på "6" og "7". Det er værdier af en koordinat på rum-tid, etiketter, der hjælper os med at lokalisere begivenheder. Alle skal forstå, hvad vi mener, når vi siger "mød i restauranten kl. 7"
Men, siger relativitetsteorien, ligesom afstanden i luftlinje generelt er forskellig fra den afstand, du faktisk rejser mellem to punkter i rummet, vil varigheden af tid, som du oplever, generelt ikke være den samme som den universelle koordinattid. Du oplever en mængde tid, der kan måles af et ur, som du har med dig på rejsen. Dette er det rigtige tidspunkt langs stien. Og varigheden målt af et ur, ligesom den tilbagelagte afstand som målt af kilometertælleren på din bil, vil afhænge af den vej, du tager.
Det er et aspekt af, hvad det betyder at sige, at "tid er relativ." Vi kan både tænke på en fælles tid i form af en koordinat på rum-tid og om en personlig tid, som vi individuelt oplever på vores vej. Og tid er som rum - disse to forestillinger behøver ikke at falde sammen. (Som historikeren Peter Galison har påpeget, er det ikke en tilfældighed, at Einstein arbejdede i et schweizisk patentkontor på et tidspunkt, hvor hurtige togrejser tvang europæerne til at tænke over, hvad klokken var i andre byer på tværs af kontinentet, så byggeriet bedre ure blev en vigtig teknologisk grænse.)
Alligevel må der være en måde, hvorpå tid ikke er som rum, ellers ville vi bare tale om firedimensionelt rum, snarere end at fremhæve tiden som fortjener sin egen etiket. Og vi tænker ikke på tidens pil her - for øjeblikket er vi i en simpel verden med få bevægelige dele, hvor entropi og irreversibilitet ikke er ting, vi skal bekymre os om.
Forskellen er denne: I rummet beskriver en lige linje den korteste afstand mellem to punkter. I rum-tid, derimod, giver en lige vej den længste forløbne tid mellem to begivenheder. Det er det flip fra korteste afstand til længste tid, der adskiller tid fra rum.
Med en "lige vej" i rum-tid mener vi både en ret linje i rummet og en konstant rejsehastighed. Med andre ord en inertibane, en uden acceleration. Ret to begivenheder i rum-tid - to steder i rummet og tilsvarende øjeblikke i tid. En rejsende kunne foretage rejsen mellem dem i en lige linje med konstant hastighed (uanset hvilken hastighed skal være for at de kan ankomme på det rigtige tidspunkt), eller de kan lyne frem og tilbage i en ikke-inertial bane. Ruten frem og tilbage vil altid involvere mere rumlig afstand, men mindre korrekt forløbet tid end den lige version.
Hvorfor er det sådan? Fordi fysikken siger det. Eller, hvis du foretrækker det, fordi det er sådan universet er. Måske vil vi i sidste ende afsløre en dybere grund til, hvorfor det skulle være sådan, men i vores nuværende videnstilstand er det en af de grundlæggende antagelser, som vi bygger fysik på, ikke en konklusion, vi udleder fra dybere principper. Lige linjer i rummet er den kortest mulige afstand; lige veje i rum-tid er den længst mulige tid.
Det kan virke kontraintuitivt, at stier med større afstand tager mindre tid. Det er ok. Hvis det var intuitivt, ville du ikke have behøvet at være Einstein for at komme på ideen.
Tilpasset fra De største ideer i universet af Sean Carroll, med tilladelse fra Dutton, et aftryk af Penguin Publishing Group, en afdeling af Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 af Sean Carroll.
