esittely
Newtonilaisessa fysiikassa tilalla ja ajalla oli oma itsenäinen identiteettinsä, eikä kukaan koskaan sekoittunut niitä. 20-luvun alussa kootun suhteellisuusteorian myötä aika-avaruudesta puhuminen tuli melkein väistämätöntä. Suhteellisuusteoriassa ei ole enää totta, että tilalla ja ajalla on erilliset objektiiviset merkitykset. Se, mikä todella on olemassa, on aika-avaruus, ja sen leikkaaminen avaruuteen ja aikaan on vain hyödyllinen inhimillinen sopimus.
Yksi tärkeimmistä syistä, miksi suhteellisuusteoriaa pidetään vaikeasti ymmärrettävänä, on se, että intuitiomme kouluttaa meitä ajattelemaan tilaa ja aikaa erillisinä asioina. Koemme esineillä olevan laajuutta "avaruudessa", ja se näyttää melko objektiiviselta tosiasialta. Viime kädessä se riittää meille, koska kuljemme yleensä avaruuden halki nopeuksilla, jotka ovat paljon valon nopeutta pienemmät, joten esirelativistinen fysiikka toimii.
Mutta tämä epäsuhta intuition ja teorian välillä tekee harppauksesta aika-avaruusperspektiiviin hieman pelottavan. Mikä pahempaa, suhteellisuusteorian esitykset käyttävät usein alhaalta ylös -lähestymistapaa – ne alkavat jokapäiväisistä käsitteistämme tilasta ja ajasta ja muuttavat niitä uudessa suhteellisuusteorian kontekstissa.
Tulemme olemaan hieman erilaisia. Reittiämme erityiseen suhteellisuusteoriaan voidaan ajatella ylhäältä alaspäin suuntautuvana, ottamalla ajatuksen yhtenäisestä aika-avaruudesta vakavasti alusta alkaen ja katsomalla, mitä se tarkoittaa. Meidän on venytettävä aivojamme hieman, mutta tuloksena on paljon syvempi ymmärrys universumimme relativistisesta näkökulmasta.
Suhteellisuusteorian kehitystä pidetään yleensä Albert Einsteinin ansioksi, mutta hän loi yläkiven teoreettiselle rakennukselle, joka oli ollut rakenteilla siitä lähtien, kun James Clerk Maxwell yhdisti sähkön ja magnetismin yhdeksi sähkömagnetismin teoriaksi 1860-luvulla. Maxwellin teoria selitti, mitä valo on - värähtelevä aalto sähkömagneettisissa kentissä - ja näytti kiinnittävän erityisen merkityksen valon kulkunopeudelle. Ajatus itsestään olemassa olevasta kentästä ei ollut täysin intuitiivinen tutkijoille tuolloin, ja oli luonnollista pohtia, mikä todellisuudessa "heilui" valoaaltossa.
Useat fyysikot tutkivat mahdollisuutta, että valo eteni väliaineen läpi, jota he kutsuivat valoeetteriksi. Mutta kukaan ei löytänyt todisteita sellaiselle eetterille, joten heidän oli pakko keksiä yhä monimutkaisempia syitä, miksi tämän aineen pitäisi olla havaitsematon. Einsteinin panos vuonna 1905 oli huomauttaa, että eetteri oli tullut täysin tarpeettomaksi ja että voisimme ymmärtää paremmin fysiikan lakeja ilman sitä. Meidän piti vain hyväksyä täysin uusi käsitys tilasta ja ajasta. (OK, se on paljon, mutta se osoittautui täysin sen arvoiseksi.)
Einsteinin teoria tuli tunnetuksi erityiseksi suhteellisuusteoriaksi tai yksinkertaisesti erityiseksi suhteellisuusteoriaksi. Perustuspaperissaan "Liikkuvien kehojen elektrodynamiikasta”, hän perusteli uusia tapoja ajatella pituudesta ja kestosta. Hän selitti valonnopeuden erityistä roolia olettamalla, että universumissa on absoluuttinen nopeusrajoitus - nopeus, jolla valo vain sattuu kulkemaan liikkuessaan tyhjän tilan läpi - ja että kaikki mittaisivat tämän nopeuden olevan sama. riippumatta siitä, kuinka he liikkuivat. Jotta se onnistuisi, hänen täytyi muuttaa tavanomaisia käsityksiämme ajasta ja tilasta.
Mutta hän ei mennyt aivan niin pitkälle, että olisi kannattanut tilan ja ajan yhdistämistä yhdeksi yhtenäiseksi aika-avaruudeksi. Tämä askel jätettiin hänen entiselle yliopistoprofessorille Hermann Minkowskille 20-luvun alussa. Erityisen suhteellisuusteorian areena tunnetaan nykyään Minkowskin tila-aikana.
Kun sinulla on ajatus ajatella aika-avaruutta yhtenäisenä neliulotteisena jatkumona, voit alkaa kysyä kysymyksiä sen muodosta. Onko aika-avaruus tasainen vai kaareva, staattinen vai dynaaminen, äärellinen vai ääretön? Minkowskin aika-avaruus on tasaista, staattista ja ääretöntä.
Einstein työskenteli vuosikymmenen ajan ymmärtääkseen, kuinka painovoima voitaisiin sisällyttää hänen teoriaansa. Hänen lopullinen läpimurtonsa oli ymmärtää, että aika-avaruus voi olla dynaamista ja kaarevaa ja että tämän kaarevuuden vaikutukset ovat mitä sinä ja minä koemme "painovoimana". Tämän inspiraation hedelmiä kutsumme nykyään yleiseksi suhteellisuusteoriaksi.
Joten erityinen suhteellisuusteoria on teoria kiinteästä, tasaisesta aika-avaruudesta ilman painovoimaa; yleinen suhteellisuusteoria on dynaamisen aika-avaruuden teoria, jossa kaarevuus synnyttää painovoiman. Molemmat lasketaan "klassisiksi" teorioiksi, vaikka ne korvaavat osan Newtonin mekaniikan periaatteista. Fyysikoille klassinen ei tarkoita "ei-relativistista"; se tarkoittaa "ei-kvanttia". Kaikki klassisen fysiikan periaatteet ovat täysin koskemattomia relativistisessa kontekstissa.
Meidän pitäisi olla valmiita luopumaan suhteellisuusteoriaa edeltävästä kiintymyksestämme tilan ja ajan eristyneisyyteen ja sallia niiden liueta avaruuden ja ajan yhtenäiseen areenaan. Paras tapa päästä sinne on miettiä entistä tarkemmin, mitä tarkoitamme "ajalla". Ja paras tapa tehdä se on palata jälleen kerran siihen, miten ajattelemme avaruudesta.
Harkitse kahta paikkaa avaruudessa, kuten kotisi ja suosikkiravintolasi. Mikä on niiden välinen etäisyys?
No, se riippuu, ajattelet heti. Etäisyys on linnuntietä, jos voisimme kuvitella kulkevan täysin suoraviivaista polkua kahden pisteen välillä. Mutta on myös matka, jonka kulkisit todellisella matkalla, jossa ehkä rajoitat julkisilla kaduilla ja jalkakäytävillä, vältät rakennuksia ja muita esteitä matkan varrella. Kuljettu reitti tulee aina olemaan pidempi kuin linnuntietä, koska suora on lyhin etäisyys kahden pisteen välillä.
Tarkastellaan nyt kahta tapahtumaa aika-avaruudessa. Suhteellisuusteorian teknisessä jargonissa "tapahtuma" on vain yksi piste universumissa, jonka määrittävät paikat sekä avaruudessa että ajassa. Yksi tapahtuma, nimeltään A, saattaa olla "kotona klo 6" ja tapahtuma B voi olla "ravintolassa klo 7". Pidä nämä kaksi tapahtumaa mielessäsi ja mieti matkaa A:n ja B:n välillä. ei voi kiirehtiä päästäkseen B:hen aikaisemmin; jos saavut ravintolaan klo 6, joudut istumaan ja odottamaan klo 45 asti päästäksesi tapahtumaan B:llä merkitsemässämme aika-avaruudessa.
Nyt voimme kysyä itseltämme, aivan kuten teimme kodin ja ravintolan välisen etäisyyden osalta, kuinka kauan näiden kahden tapahtuman välillä kuluu aikaa.
Saatat ajatella, että tämä on temppukysymys. Jos yksi tapahtuma on klo 6 ja toinen klo 7, niiden välillä on tunti, eikö niin?
Ei niin nopeasti, Einstein sanoo. Vanhentuneessa, newtonilaisessa maailmankäsityksessä, varmasti. Aika on ehdoton ja universaali, ja jos kahden tapahtuman välinen aika on yksi tunti, siinä on kaikki sanottavaa.
Suhteellisuusteoria kertoo toisenlaisen tarinan. Nyt on kaksi erillistä käsitettä siitä, mitä tarkoitetaan "ajalla". Yksi käsitys ajasta on aika-avaruuden koordinaatti. Avaruus-aika on neliulotteinen jatkumo, ja jos haluamme määrittää paikkoja sen sisällä, on kätevää liittää "aika"-niminen numero jokaiseen sen sisällä olevaan pisteeseen. Tämä on yleensä se, mitä meillä on mielessä, kun ajattelemme "6" ja "7". Nämä ovat avaruus-aikakoordinaattien arvoja, tarroja, jotka auttavat meitä paikantamaan tapahtumat. Kaikkien pitäisi ymmärtää, mitä tarkoitamme, kun sanomme "tavataan ravintolassa klo 7".
Mutta suhteellisuusteorian mukaan aivan kuten linnunlennolla oleva etäisyys on yleensä erilainen kuin etäisyys, jonka kuljet kahden avaruuden pisteen välillä, kokemasi aika ei yleensä ole sama kuin universaali koordinaattiaika. Koet paljon aikaa, joka voidaan mitata matkalla mukanasi olevalla kellolla. Tämä on oikea aika polulla. Ja kellolla mitattu kesto, aivan kuten autosi matkamittarilla mitattu matka, riippuu valitsemastasi reitistä.
Se on yksi näkökohta siitä, mitä tarkoittaa sanonta, että "aika on suhteellista". Voimme ajatella sekä yhteistä aikaa aika-avaruuskoordinaattina että henkilökohtaista aikaa, jonka koemme yksilöllisesti polullamme. Ja aika on kuin avaruus – näiden kahden käsitteen ei tarvitse olla samat. (Kuten historioitsija Peter Galison on huomauttanut, ei ole sattumaa, että Einstein työskenteli sveitsiläisessä patenttivirastossa aikana, jolloin nopea junamatka pakotti eurooppalaiset miettimään kellonaikaa muissa mantereen kaupungeissa, jotta rakentaminen olisi parempi. kelloista tuli tärkeä teknologinen raja.)
Silti täytyy olla jollain tapaa, jolla aika ei ole avaruuden kaltainen, muuten puhuisimme vain neliulotteisesta avaruudesta sen sijaan, että erotettaisiin ajasta oman leimansa ansaitsevana. Emmekä ajattele tässä ajan nuolta – tällä hetkellä olemme yksinkertaisessa maailmassa, jossa on vähän liikkuvia osia ja jossa entropia ja peruuttamattomuus eivät ole asioita, joista meidän ei tarvitse huolehtia.
Ero on tämä: Avaruudessa suora kuvaa lyhimmän etäisyyden kahden pisteen välillä. Sitä vastoin avaruudessa suora polku antaa pisimmän kuluneen ajan kahden tapahtuman välillä. Se kääntö lyhyimmästä etäisyydestä pisimpään aikaan erottaa ajan avaruudesta.
"Suoralla polulla" aika-avaruudessa tarkoitamme sekä suoraa linjaa avaruudessa että jatkuvaa kulkunopeutta. Toisin sanoen inertiaradalla, jolla ei ole kiihtyvyyttä. Korjaa kaksi tapahtumaa aika-avaruudessa – kaksi paikkaa avaruudessa ja vastaavat hetket ajassa. Matkustaja voisi tehdä matkan niiden välillä suoraa linjaa pitkin vakionopeudella (mitä tahansa nopeuden on oltava, jotta hän saapuisi oikeaan aikaan), tai hän voisi vetää edestakaisin ei-inertiaa pitkin. Edestakaisin reitillä on aina enemmän tilaetäisyyttä, mutta vähemmän oikeaa aikaa kulunut kuin suorassa versiossa.
Miksi se on niin? Koska fysiikka sanoo niin. Tai jos haluat, koska sellainen maailmankaikkeus on. Ehkä löydämme lopulta jonkin syvemmän syyn, miksi sen piti olla näin, mutta nykyisen tietämyksemme mukaan se on yksi perusoletuksista, joille rakennamme fysiikkaa, ei johtopäätös, jonka teemme syvemmistä periaatteista. Suorat viivat avaruudessa ovat lyhin mahdollinen etäisyys; suorat polut aika-avaruudessa ovat pisin mahdollinen aika.
Saattaa tuntua ristiriitaiselta, että pidemmät polut vievät vähemmän aikaa. Se on okei. Jos se olisi intuitiivinen, sinun ei olisi tarvinnut olla Einstein keksiäksesi idean.
Mukautettu Universumin suurimmat ideat Tekijä Sean Carroll Duttonin luvalla, Penguin Publishing Groupin, Penguin Random House LLC:n osaston, jäljennös. Tekijänoikeus © 2022, Sean Carroll.
