Sissejuhatus
Newtoni füüsikas oli ruumil ja ajal oma sõltumatu identiteet ja keegi ei ajanud neid kunagi segamini. Just 20. sajandi alguses kokku pandud relatiivsusteooriaga muutus aegruumist rääkimine peaaegu vältimatuks. Relatiivsusteoorias pole enam tõsi, et ruumil ja ajal on eraldi objektiivsed tähendused. See, mis tegelikult eksisteerib, on aegruum ning selle tükeldamine ruumiks ja ajaks on lihtsalt kasulik inimlik kokkulepe.
Üks peamisi põhjuseid, miks relatiivsusteooria maine on raskesti mõistetav, on see, et meie intuitsioonid õpetavad meid mõtlema ruumist ja ajast kui eraldiseisvatest asjadest. Me kogeme objektide ulatust "ruumis" ja see tundub üsna objektiivne fakt. Lõppkokkuvõttes meile sellest piisab, sest me liigume üldiselt läbi ruumi kiirusega, mis on palju väiksem kui valguse kiirus, seega eelrelativistlik füüsika toimib.
Kuid see ebakõla intuitsiooni ja teooria vahel muudab hüppe aegruumi perspektiivi mõnevõrra hirmutavaks. Mis veelgi hullem, relatiivsusteooria esitlused kasutavad sageli alt-üles lähenemisviisi – need algavad meie igapäevastest ruumi- ja ajakäsitustest ning muudavad neid uues relatiivsuse kontekstis.
Me oleme natuke teistsugused. Meie teekonda erirelatiivsusteooriasse võib pidada ülalt alla, võttes ühtse aegruumi ideed algusest peale tõsiselt ja vaadates, mida see tähendab. Peame oma aju pisut venitama, kuid tulemuseks on palju sügavam arusaam meie universumi relativistlikust vaatenurgast.
Relatiivsusteooria arengut omistatakse tavaliselt Albert Einsteinile, kuid ta oli nurgakivi teoreetilisele ehitisele, mida ehitati pärast seda, kui James Clerk Maxwell ühendas elektri ja magnetismi üheks elektromagnetismi teooriaks 1860. aastatel. Maxwelli teooria selgitas, mis on valgus – elektromagnetväljades võnkuv laine – ja näis andvat erilist tähtsust valguse liikumiskiirusele. Idee iseseisvast väljast ei olnud tol ajal teadlastele veel täiesti intuitiivne ja oli loomulik, et tekkis küsimus, mis valguslaines tegelikult “vehkis”.
Erinevad füüsikud uurisid võimalust, et valgus levis läbi keskkonna, mida nad nimetasid helendavaks eetriks. Kuid keegi ei leidnud sellise eetri kohta tõendeid, mistõttu nad olid sunnitud leiutama üha keerulisemaid põhjuseid, miks see aine peaks olema tuvastamatu. Einsteini panus 1905. aastal oli juhtida tähelepanu sellele, et eeter on muutunud täiesti ebavajalikuks ja et ilma selleta saaksime füüsikaseadustest paremini aru. Meil tuli vaid leppida täiesti uue ruumi- ja ajakäsitusega. (OK, see on palju, kuid see osutus täiesti seda väärt.)
Einsteini teooriat hakati nimetama erirelatiivsusteooriaks või lihtsalt erirelatiivsusteooriaks. Oma alusdokumendis "Liikuvate kehade elektrodünaamikast,” väitis ta uusi mõtteviise pikkusest ja kestusest. Ta selgitas valguse kiiruse erilist rolli väitega, et universumis on absoluutne kiiruspiirang – kiirus, millega valgus lihtsalt liigub läbi tühja ruumi – ja et kõik mõõdavad seda kiirust ühesugusena. olenemata sellest, kuidas nad liikusid. Et see õnnestuks, pidi ta muutma meie tavapäraseid arusaamu ajast ja ruumist.
Kuid ta ei jõudnud nii kaugele, et propageeris ruumi ja aja ühendamist üheks ühtseks aegruumiks. See samm jäi 20. sajandi alguses tema endisele ülikooliprofessorile Hermann Minkowskile. Erirelatiivsusteooria areen on tänapäeval tuntud Minkowski aegruumi nime all.
Kui teil on tekkinud idee mõelda aegruumist kui ühtsest neljamõõtmelisest kontiinumist, võite hakata esitama küsimusi selle kuju kohta. Kas aegruum on tasane või kõver, staatiline või dünaamiline, lõplik või lõpmatu? Minkowski aegruum on tasane, staatiline ja lõpmatu.
Einstein töötas kümme aastat, et mõista, kuidas gravitatsioonijõudu saaks tema teooriasse lisada. Tema lõplik läbimurre oli mõistmine, et aegruum võib olla dünaamiline ja kõver ning et selle kõveruse mõju on see, mida teie ja mina kogeme "gravitatsioonina". Selle inspiratsiooni viljad on see, mida me nüüd nimetame üldrelatiivsusteooriaks.
Nii et erirelatiivsusteooria on fikseeritud tasase aegruumi teooria, ilma gravitatsioonita; üldrelatiivsusteooria on dünaamilise aegruumi teooria, milles kõverus tekitab gravitatsiooni. Mõlemat peetakse "klassikalisteks" teooriateks, kuigi need asendavad mõningaid Newtoni mehaanika põhimõtteid. Füüsikute jaoks ei tähenda klassikaline mitterelativistlik; see tähendab "mitte-kvant". Kõik klassikalise füüsika põhimõtted on relativistlikus kontekstis täiesti puutumatud.
Peaksime olema valmis lahti laskma oma relatiivsuse-eelsest kiindumusest ruumi ja aja lahususe vastu ning laskma neil lahustuda aegruumi ühtsesse areeni. Parim viis selleni jõudmiseks on veelgi hoolikamalt mõelda, mida me mõtleme aja all. Ja parim viis seda teha on veel kord mõelda, kuidas me kosmosest mõtleme.
Mõelge kahele ruumile asukohale, nagu teie kodu ja lemmikrestoran. Kui suur on nende vaheline kaugus?
No see oleneb, mõtled kohe. Vahemaa on linnulennult, kui kujutaksime ette, et nende kahe punkti vahel kulgeb täiesti sirge tee. Kuid on ka vahemaa, mille läbiksite reaalsel reisil, kus võib-olla piirdute avalike tänavate ja kõnniteedega, vältides teel hooneid ja muid takistusi. Teie valitud marsruut on alati linnulennult pikem, kuna sirgjoon on lühim vahemaa kahe punkti vahel.
Vaatleme nüüd kahte sündmust aegruumis. Relatiivsusteooria tehnilises žargoonis on "sündmus" vaid üks punkt universumis, mida määratlevad asukohad nii ruumis kui ka ajas. Üks sündmus, nimetage seda A-ks, võib olla "kodus kell 6" ja sündmus B võib olla "restoranis kell 7". Hoidke need kaks sündmust meeles ja mõelge teekonnale A ja B vahel. ei saa kiirustada B-sse varem jõudma; kui jõuate restorani kell 6:45, peate istuma ja ootama kella 7-ni, et jõuda sündmusele meie poolt märgistatud aegruumis.
Nüüd võime endalt küsida, täpselt nagu kodu ja restorani ruumilise kauguse puhul, kui palju aega nende kahe sündmuse vahele jääb.
Võib arvata, et see on trikiga küsimus. Kui üks üritus on kell 6 ja teine kell 7, on nende vahel üks tund ju?
Mitte nii kiiresti, ütleb Einstein. Vananenud, newtoni maailmakäsitluses, kindlasti. Aeg on absoluutne ja universaalne ning kui kahe sündmuse vaheline aeg on üks tund, siis see on kõik, mida saab öelda.
Relatiivsusteooria räägib hoopis teist lugu. Nüüd on kaks erinevat mõistet selle kohta, mida mõeldakse "aja" all. Üks aja mõiste on aegruumi koordinaat. Ruum-aeg on neljamõõtmeline kontiinum ja kui tahame selle sees asukohti täpsustada, on mugav igale selle punktile lisada number nimega "aeg". See on üldiselt see, mida me silmas peame, kui mõtleme sõnadele „6“ ja „7“. Need on aegruumi koordinaatide väärtused, sildid, mis aitavad meil sündmusi leida. Kõik peaksid aru saama, mida me mõtleme, kui ütleme "kohtume kell 7 restoranis"
Kuid relatiivsusteooria järgi erineb kaugus linnulennul üldiselt kahe ruumipunkti vahel tegelikult läbitavast vahemaast, nii et teie kogetav aeg ei ole üldiselt sama, mis universaalne koordinaataeg. Kogete palju aega, mida saab mõõta reisil kaasas oleva kellaga. See on õige aeg teel. Ja kellaga mõõdetud kestus, nagu ka teie auto läbisõidumõõdiku järgi läbitud vahemaa, sõltub teie valitud teest.
See on üks aspekt, mida tähendab öelda, et "aeg on suhteline". Võime mõelda nii ühisele ajale aegruumi koordinaatidena kui ka isiklikule ajale, mida me oma teel individuaalselt kogeme. Ja aeg on nagu ruum – need kaks mõistet ei pea kokku langema. (Nagu ajaloolane Peter Galison on märkinud, ei ole juhus, et Einstein töötas Šveitsi patendiametis ajal, mil kiire rongiliiklus sundis eurooplasi mõtlema, mis kell on teistes kontinendi linnades, et paremini ehitada. kellad said oluliseks tehnoloogiliseks piiriks.)
Siiski peab olema mingi viis, kuidas aeg pole nagu ruum, vastasel juhul räägiksime lihtsalt neljamõõtmelisest ruumist, selle asemel, et eristada aega kui oma silti väärivat. Ja me ei mõtle siin aja noolele – hetkel oleme lihtsas maailmas, kus on vähe liikuvaid osi, kus entroopia ja pöördumatus ei ole asjad, mille pärast peaksime muretsema.
Erinevus on järgmine: Ruumis kirjeldab sirgjoon lühimat vahemaad kahe punkti vahel. Seevastu aegruumis annab sirge tee kahe sündmuse vahelise pikima aja. See on see pööre lühimast vahemaast pikima ajale, mis eristab aega ruumist.
„Sirge tee“ all aegruumis peame silmas nii sirgjoont ruumis kui ka konstantset liikumiskiirust. Teisisõnu, inertsiaalne trajektoor, ilma kiirenduseta. Fikseerige kaks sündmust aegruumis – kaks asukohta ruumis ja vastavad hetked ajas. Reisija võib sõita nende vahel sirgjooneliselt konstantse kiirusega (mis iganes see kiirus peab olema, et nad õigel ajal kohale jõuaksid) või liikuda edasi-tagasi mitteinertsiaalsel teel. Edasi-tagasi marsruut hõlmab alati rohkem ruumilist vahemaad, kuid kulub vähem aega kui sirge marsruut.
Miks see nii on? Sest füüsika ütleb nii. Või kui soovite, sest universum on selline. Võib-olla avastame lõpuks mõne sügavama põhjuse, miks see nii pidi olema, kuid meie praeguste teadmiste kohaselt on see üks aluspõhistest eeldustest, millele füüsika rajame, mitte järeldus, mille teeme sügavamatest põhimõtetest. Sirged jooned ruumis on lühim võimalik vahemaa; sirged teed aegruumis on pikim võimalik aeg.
Võib tunduda vastuoluline, et suurema vahemaa teed võtavad vähem aega. See on korras. Kui see oleks intuitiivne, poleks te pidanud idee välja mõtlemiseks olema Einstein.
Kohandatud alates Universumi suurimad ideed Autor Sean Carroll, Duttoni loal, Penguin Publishing Groupi, Penguin Random House LLC osakond, jäljend. Autoriõigus © 2022, Sean Carroll.
