Εισαγωγή
Στη νευτώνεια φυσική, ο χώρος και ο χρόνος είχαν τις ανεξάρτητες ταυτότητές τους και κανείς δεν τα μπέρδεψε ποτέ. Με τη θεωρία της σχετικότητας, σε συνδυασμό στις αρχές του 20ου αιώνα, η συζήτηση για τον χωροχρόνο έγινε σχεδόν αναπόφευκτη. Στη σχετικότητα, δεν είναι πλέον αλήθεια ότι ο χώρος και ο χρόνος έχουν ξεχωριστές, αντικειμενικές έννοιες. Αυτό που πραγματικά υπάρχει είναι ο χωροχρόνος, και η κοπή του στο χώρο και τον χρόνο είναι απλώς μια χρήσιμη ανθρώπινη σύμβαση.
Ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους η σχετικότητα έχει τη φήμη ότι είναι δυσνόητη είναι ότι η διαίσθησή μας μας εκπαιδεύει να σκεφτόμαστε τον χώρο και τον χρόνο ως ξεχωριστά πράγματα. Βιώνουμε τα αντικείμενα σαν να έχουν έκταση στον «χώρο», και αυτό φαίνεται σαν ένα αρκετά αντικειμενικό γεγονός. Τελικά, μας αρκεί γιατί γενικά ταξιδεύουμε στο διάστημα με ταχύτητες πολύ χαμηλότερες από την ταχύτητα του φωτός, επομένως η προσχετιστική φυσική λειτουργεί.
Αλλά αυτή η αναντιστοιχία μεταξύ διαίσθησης και θεωρίας κάνει το άλμα προς μια χωροχρονική προοπτική κάπως τρομακτικό. Το χειρότερο, οι παρουσιάσεις της σχετικότητας συχνά ακολουθούν μια προσέγγιση από κάτω προς τα πάνω — ξεκινούν με τις καθημερινές μας αντιλήψεις για τον χώρο και τον χρόνο και τις αλλάζουν στο νέο πλαίσιο της σχετικότητας.
Θα είμαστε λίγο διαφορετικοί. Η διαδρομή μας προς την ειδική σχετικότητα μπορεί να θεωρηθεί ως από πάνω προς τα κάτω, λαμβάνοντας σοβαρά υπόψη την ιδέα ενός ενοποιημένου χωροχρόνου από την αρχή και βλέποντας τι σημαίνει αυτό. Θα πρέπει να τεντώσουμε λίγο το μυαλό μας, αλλά το αποτέλεσμα θα είναι μια πολύ βαθύτερη κατανόηση της σχετικιστικής προοπτικής για το σύμπαν μας.
Η ανάπτυξη της σχετικότητας συνήθως αποδίδεται στον Άλμπερτ Αϊνστάιν, αλλά παρείχε την αρχή για ένα θεωρητικό οικοδόμημα που ήταν υπό κατασκευή από τότε που ο James Clerk Maxwell ενοποίησε τον ηλεκτρισμό και τον μαγνητισμό σε μια ενιαία θεωρία ηλεκτρομαγνητισμού τη δεκαετία του 1860. Η θεωρία του Maxwell εξήγησε τι είναι το φως - ένα ταλαντούμενο κύμα στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία - και φαινόταν να αποδίδει μια ιδιαίτερη σημασία στην ταχύτητα με την οποία το φως ταξιδεύει. Η ιδέα ενός πεδίου που υπήρχε από μόνο του δεν ήταν εντελώς διαισθητική για τους επιστήμονες εκείνη την εποχή, και ήταν φυσικό να αναρωτιούνται τι πραγματικά «κυμάτιζε» σε ένα φωτεινό κύμα.
Διάφοροι φυσικοί ερεύνησαν την πιθανότητα το φως να διαδίδεται μέσω ενός μέσου που ονόμασαν φωτεινό αιθέρα. Αλλά κανείς δεν μπόρεσε να βρει στοιχεία για τέτοιους αιθέρες, έτσι αναγκάστηκαν να εφεύρουν όλο και πιο περίπλοκους λόγους για τους οποίους αυτή η ουσία θα έπρεπε να είναι μη ανιχνεύσιμη. Η συμβολή του Αϊνστάιν το 1905 ήταν να επισημάνει ότι ο αιθέρας είχε γίνει εντελώς περιττός και ότι μπορούσαμε να κατανοήσουμε καλύτερα τους νόμους της φυσικής χωρίς αυτόν. Το μόνο που έπρεπε να κάνουμε ήταν να αποδεχτούμε μια εντελώς νέα αντίληψη του χώρου και του χρόνου. (Εντάξει, είναι πολλά, αλλά αποδείχθηκε ότι άξιζε τον κόπο.)
Η θεωρία του Αϊνστάιν έγινε γνωστή ως ειδική θεωρία της σχετικότητας ή απλά ειδική θεωρία σχετικότητας. Στο θεμελιώδες έγγραφο του, «Σχετικά με την Ηλεκτροδυναμική των Κινούμενων Σωμάτων», υποστήριξε για νέους τρόπους σκέψης σχετικά με τη διάρκεια και τη διάρκεια. Εξήγησε τον ειδικό ρόλο της ταχύτητας του φωτός θέτοντας ότι υπάρχει ένα απόλυτο όριο ταχύτητας στο σύμπαν - μια ταχύτητα με την οποία το φως απλώς ταξιδεύει όταν κινείται μέσα στον κενό χώρο - και ότι όλοι θα μετρούσαν αυτή την ταχύτητα για να είναι η ίδια. όπως κι αν κινούνταν. Για να πετύχει αυτό, έπρεπε να αλλάξει τις συμβατικές μας αντιλήψεις για το χρόνο και τον χώρο.
Αλλά δεν έφτασε τόσο μακριά ώστε να υποστηρίξει την ένωση του χώρου και του χρόνου σε έναν ενιαίο ενιαίο χωροχρόνο. Αυτό το βήμα αφέθηκε στον πρώην καθηγητή του πανεπιστημίου, Hermann Minkowski, στις αρχές του 20ου αιώνα. Η αρένα της ειδικής σχετικότητας είναι σήμερα γνωστή ως χωροχρόνος Minkowski.
Μόλις έχετε την ιδέα να σκεφτείτε τον χωροχρόνο ως ένα ενοποιημένο τετραδιάστατο συνεχές, μπορείτε να αρχίσετε να κάνετε ερωτήσεις σχετικά με το σχήμα του. Είναι ο χωροχρόνος επίπεδος ή καμπύλος, στατικός ή δυναμικός, πεπερασμένος ή άπειρος; Ο χωροχρόνος Minkowski είναι επίπεδος, στατικός και άπειρος.
Ο Αϊνστάιν εργάστηκε για μια δεκαετία για να καταλάβει πώς η δύναμη της βαρύτητας θα μπορούσε να ενσωματωθεί στη θεωρία του. Η τελική του ανακάλυψη ήταν να συνειδητοποιήσει ότι ο χωροχρόνος θα μπορούσε να είναι δυναμικός και καμπύλος και ότι τα αποτελέσματα αυτής της καμπυλότητας είναι αυτά που βιώνουμε εσείς και εγώ ως «βαρύτητα». Οι καρποί αυτής της έμπνευσης είναι αυτό που τώρα ονομάζουμε γενική σχετικότητα.
Άρα η ειδική σχετικότητα είναι η θεωρία ενός σταθερού, επίπεδου χωροχρόνου, χωρίς βαρύτητα. Η γενική σχετικότητα είναι η θεωρία του δυναμικού χωροχρόνου, στην οποία η καμπυλότητα προκαλεί τη βαρύτητα. Και οι δύο θεωρούνται ως «κλασικές» θεωρίες, παρόλο που αντικαθιστούν ορισμένες από τις αρχές της Νευτώνειας μηχανικής. Για τους φυσικούς, το κλασικό δεν σημαίνει «μη σχετικιστικό». σημαίνει «μη κβαντικό». Όλες οι αρχές της κλασικής φυσικής είναι πλήρως άθικτες στο σχετικιστικό πλαίσιο.
Θα πρέπει να είμαστε πρόθυμοι να εγκαταλείψουμε την προ-σχετικότητα μας αγάπη για τον χωρισμό του χώρου και του χρόνου και να τους επιτρέψουμε να διαλυθούν στην ενοποιημένη αρένα του χωροχρόνου. Ο καλύτερος τρόπος για να φτάσετε εκεί είναι να σκεφτείτε ακόμη πιο προσεκτικά τι εννοούμε με τον όρο «χρόνος». Και ο καλύτερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να ανατρέξουμε, για άλλη μια φορά, στο πώς σκεφτόμαστε για το διάστημα.
Εξετάστε δύο τοποθεσίες στο διάστημα, όπως το σπίτι σας και το αγαπημένο σας εστιατόριο. Ποια είναι η απόσταση μεταξύ τους;
Λοιπόν, αυτό εξαρτάται, σκέφτεσαι αμέσως. Υπάρχει η απόσταση «καθώς πετάει το κοράκι», αν μπορούσαμε να φανταστούμε να παίρνουμε μια τέλεια ευθεία διαδρομή μεταξύ των δύο σημείων. Υπάρχει όμως και η απόσταση που θα διανύατε σε ένα πραγματικό ταξίδι, όπου ίσως περιορίζεστε στο να παίρνετε δημόσιους δρόμους και πεζοδρόμια, αποφεύγοντας κτίρια και άλλα εμπόδια στο δρόμο. Η διαδρομή που θα ακολουθήσετε θα είναι πάντα μεγαλύτερη από την απόσταση που πετάει το κοράκι, αφού μια ευθεία είναι η μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων.
Τώρα εξετάστε δύο γεγονότα στο χωροχρόνο. Στην τεχνική ορολογία της θεωρίας της σχετικότητας, ένα «γεγονός» είναι απλώς ένα μόνο σημείο στο σύμπαν, που προσδιορίζεται από τοποθεσίες τόσο στον χώρο όσο και στον χρόνο. Ένα γεγονός, ονομάστε το Α, μπορεί να είναι «στο σπίτι στις 6 μ.μ.» και το γεγονός Β μπορεί να είναι «στο εστιατόριο στις 7 μ.μ.» Κρατήστε αυτά τα δύο γεγονότα σταθερά στο μυαλό σας και σκεφτείτε ένα ταξίδι μεταξύ Α και Β. Εσείς Δεν μπορώ να βιαστείτε να φτάσετε στο Β νωρίτερα. αν φτάσετε στο εστιατόριο στις 6:45, θα πρέπει να καθίσετε και να περιμένετε μέχρι τις 7 μ.μ. για να φτάσετε στο γεγονός στο χωροχρόνο που έχουμε χαρακτηρίσει Β.
Τώρα μπορούμε να αναρωτηθούμε, όπως ακριβώς κάναμε για τη χωρική απόσταση μεταξύ σπιτιού και εστιατορίου, πόσος χρόνος μεσολαβεί μεταξύ αυτών των δύο γεγονότων.
Μπορεί να νομίζετε ότι αυτή είναι μια ερώτηση τέχνασμα. Αν το ένα συμβάν είναι στις 6 το απόγευμα και το άλλο στις 7 το απόγευμα, υπάρχει μία ώρα μεταξύ τους, σωστά;
Όχι τόσο γρήγορα, λέει ο Αϊνστάιν. Σε μια απαρχαιωμένη, νευτώνεια αντίληψη του κόσμου, σίγουρα. Ο χρόνος είναι απόλυτος και καθολικός, και αν ο χρόνος μεταξύ δύο γεγονότων είναι μία ώρα, αυτό είναι το μόνο που πρέπει να ειπωθεί.
Η σχετικότητα λέει μια διαφορετική ιστορία. Τώρα υπάρχουν δύο διακριτές έννοιες για το τι σημαίνει «χρόνος». Μια έννοια του χρόνου είναι ως συντεταγμένη στον χωροχρόνο. Ο χωροχρόνος είναι ένα τετραδιάστατο συνεχές, και αν θέλουμε να καθορίσουμε θέσεις μέσα σε αυτό, είναι βολικό να επισυνάψουμε έναν αριθμό που ονομάζεται «ο χρόνος» σε κάθε σημείο του. Αυτό είναι γενικά αυτό που έχουμε κατά νου όταν σκεφτόμαστε το «6 μ.μ.» και το «7 μ.μ.» Αυτές είναι τιμές μιας συντεταγμένης στον χωροχρόνο, ετικέτες που μας βοηθούν να εντοπίσουμε γεγονότα. Όλοι υποτίθεται ότι καταλαβαίνουν τι εννοούμε όταν λέμε «συναντιόμαστε στο εστιατόριο στις 7 μ.μ.»
Αλλά, λέει η σχετικότητα, ακριβώς όπως η απόσταση καθώς πετάει το κοράκι είναι γενικά διαφορετική από την απόσταση που διανύετε πραγματικά μεταξύ δύο σημείων στο διάστημα, η διάρκεια του χρόνου που βιώνετε γενικά δεν θα είναι ίδια με τον παγκόσμιο χρόνο συντεταγμένων. Βιώνετε ένα χρονικό διάστημα που μπορεί να μετρηθεί από ένα ρολόι που έχετε μαζί σας στο ταξίδι. Αυτή είναι η κατάλληλη στιγμή κατά μήκος της διαδρομής. Και η διάρκεια που μετριέται με ένα ρολόι, όπως ακριβώς η απόσταση που διανύθηκε όπως μετράται από το χιλιομετρητή του αυτοκινήτου σας, θα εξαρτηθεί από τη διαδρομή που θα ακολουθήσετε.
Αυτή είναι μια πτυχή του τι σημαίνει να πούμε ότι «ο χρόνος είναι σχετικός». Μπορούμε να σκεφτούμε τόσο για έναν κοινό χρόνο με όρους μιας συντεταγμένης στον χωροχρόνο όσο και για έναν προσωπικό χρόνο που βιώνουμε μεμονωμένα στην πορεία μας. Και ο χρόνος είναι σαν το διάστημα — αυτές οι δύο έννοιες δεν χρειάζεται να συμπίπτουν. (Όπως έχει επισημάνει ο ιστορικός Peter Galison, δεν είναι τυχαίο ότι ο Αϊνστάιν εργαζόταν σε ένα ελβετικό γραφείο διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας σε μια εποχή που τα γρήγορα σιδηροδρομικά ταξίδια ανάγκαζαν τους Ευρωπαίους να σκεφτούν τι ώρα ήταν σε άλλες πόλεις σε όλη την ήπειρο, έτσι ώστε η οικοδόμηση καλύτερα τα ρολόγια έγιναν ένα σημαντικό τεχνολογικό σύνορο.)
Ωστόσο, πρέπει να υπάρχει κάποιος τρόπος με τον οποίο ο χρόνος δεν μοιάζει με το χώρο, διαφορετικά θα μιλούσαμε απλώς για τετραδιάστατο χώρο, αντί να ξεχωρίζουμε τον χρόνο ως άξιο της δικής του ετικέτας. Και δεν σκεφτόμαστε το βέλος του χρόνου εδώ — προς το παρόν, βρισκόμαστε σε έναν απλό κόσμο με λίγα κινούμενα μέρη, όπου η εντροπία και η μη αντιστρεψιμότητα δεν είναι πράγματα για τα οποία πρέπει να ανησυχούμε.
Η διαφορά είναι η εξής: Στο διάστημα, μια ευθεία γραμμή περιγράφει τη μικρότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων. Στον χωροχρόνο, αντίθετα, μια ευθεία διαδρομή αποδίδει τον μεγαλύτερο χρόνο που μεσολάβησε μεταξύ δύο γεγονότων. Είναι αυτό το χτύπημα από τη μικρότερη απόσταση στον μεγαλύτερο χρόνο που διακρίνει το χρόνο από το διάστημα.
Με τον όρο «ευθεία διαδρομή» στον χωροχρόνο, εννοούμε τόσο μια ευθεία γραμμή στο χώρο όσο και μια σταθερή ταχύτητα ταξιδιού. Με άλλα λόγια, μια αδρανειακή τροχιά, χωρίς επιτάχυνση. Διορθώστε δύο συμβάντα στο χωροχρόνο — δύο θέσεις στο χώρο και αντίστοιχες στιγμές στο χρόνο. Ένας ταξιδιώτης θα μπορούσε να κάνει το ταξίδι μεταξύ τους σε μια ευθεία γραμμή με σταθερή ταχύτητα (όποια κι αν είναι αυτή η ταχύτητα για να φτάσουν την κατάλληλη στιγμή), ή θα μπορούσε να κάνει φερμουάρ εμπρός και πίσω σε μια μη αδρανειακή διαδρομή. Η διαδρομή μπρος-πίσω θα περιλαμβάνει πάντα μεγαλύτερη χωρική απόσταση, αλλά λιγότερο κατάλληλο χρόνο, από την ευθεία έκδοση.
Γιατί είναι έτσι; Γιατί η φυσική το λέει. Ή, αν προτιμάτε, γιατί έτσι είναι το σύμπαν. Ίσως τελικά θα αποκαλύψουμε κάποιον βαθύτερο λόγο για τον οποίο έπρεπε να είναι έτσι, αλλά στην τρέχουσα κατάσταση των γνώσεών μας είναι μία από τις βασικές υποθέσεις πάνω στις οποίες χτίζουμε τη φυσική, όχι ένα συμπέρασμα που αντλούμε από βαθύτερες αρχές. Οι ευθείες γραμμές στο διάστημα είναι η μικρότερη δυνατή απόσταση. οι ευθείες διαδρομές στον χωροχρόνο είναι ο μεγαλύτερος δυνατός χρόνος.
Μπορεί να φαίνεται αντιφατικό ότι τα μονοπάτια μεγαλύτερης απόστασης απαιτούν λιγότερο κατάλληλο χρόνο. Εντάξει. Αν ήταν διαισθητικό, δεν θα χρειαζόταν να είσαι ο Αϊνστάιν για να σκεφτείς την ιδέα.
Προσαρμοσμένο από Οι Μεγαλύτερες Ιδέες στο Σύμπαν από τον Sean Carroll, με άδεια από τον Dutton, αποτύπωμα της Penguin Publishing Group, τμήμα της Penguin Random House LLC. Πνευματικά δικαιώματα © 2022 από τον Sean Carroll.
