Bevezetés
A newtoni fizikában a térnek és az időnek független azonossága volt, és soha senki nem keverte össze őket. A 20. század elején összeállított relativitáselmélet révén vált szinte elkerülhetetlenné a téridőről való beszéd. A relativitáselméletben már nem igaz, hogy a térnek és az időnek külön, objektív jelentése van. Ami valóban létezik, az a téridő, és ennek térre és időre való feldarabolása csupán egy hasznos emberi konvenció.
Az egyik fő oka annak, hogy a relativitáselmélet nehezen érthető hírében áll, hogy megérzéseink arra tanítanak bennünket, hogy a térre és az időre különálló dolgokként gondoljunk. Azt tapasztaljuk, hogy a tárgyak kiterjedtek a „térben”, és ez meglehetősen objektív ténynek tűnik. Végső soron ez is elegendő számunkra, mert általában a fénysebességnél jóval kisebb sebességgel haladunk a térben, tehát a prerelativista fizika működik.
De az intuíció és az elmélet közötti eltérés némileg megfélemlítővé teszi a tér-idő perspektíva felé való ugrást. Ami még rosszabb, a relativitáselmélet bemutatása gyakran alulról felfelé építkező megközelítést alkalmaz – a térről és időről alkotott mindennapi elképzeléseinkből indul ki, és a relativitáselmélet új kontextusában változtatja meg azokat.
Kicsit mások leszünk. A speciális relativitáselmélethez vezető útunkat felülről lefelé irányulónak tekinthetjük, amikor az egységes téridő gondolatát már a kezdetektől komolyan vesszük, és meglátjuk, hogy ez mit takar. Kicsit meg kell feszítenünk az agyunkat, de az eredmény az univerzumunk relativisztikus perspektívájának sokkal mélyebb megértése lesz.
A relativitáselmélet kifejlődését általában Albert Einsteinnek tulajdonítják, de ő adta a zárókövét egy elméleti építménynek, amely James Clerk Maxwell óta épült, és az 1860-as években egyetlen elektromágneses elméletté egyesítette az elektromosságot és a mágnesességet. Maxwell elmélete elmagyarázta, mi a fény – az elektromágneses mezőkben oszcilláló hullám –, és úgy tűnt, hogy különös jelentőséget tulajdonít a fény terjedési sebességének. Az önmagában létező mező gondolata akkoriban még nem volt teljesen intuitív a tudósok számára, és természetes volt, hogy kíváncsi volt, mi is „hullámozott” valójában egy fényhullámban.
Különböző fizikusok vizsgálták annak lehetőségét, hogy a fény egy olyan közegben terjed, amelyet világító éternek neveztek el. De senki sem talált bizonyítékot ilyen éterre, így kénytelenek voltak egyre bonyolultabb okokat kitalálni, hogy miért nem lehet kimutatni ezt az anyagot. Einstein közreműködése 1905-ben az volt, hogy rámutasson arra, hogy az éter teljesen szükségtelenné vált, és jobban megérthetjük nélküle a fizika törvényeit. Már csak egy teljesen új tér- és időfelfogást kellett elfogadnunk. (Rendben, ez sok, de kiderült, hogy teljesen megérte.)
Einstein elméletét speciális relativitáselméletként, vagy egyszerűen speciális relativitáselméletként ismerték. Alapító dolgozatában „A mozgó testek elektrodinamikájáról” – érvelt a hosszúsággal és időtartammal kapcsolatos új gondolkodásmódok mellett. A fénysebesség különleges szerepét azzal magyarázta, hogy az univerzumban abszolút sebességkorlátozás van – ez a sebesség, amellyel a fény csak véletlenül halad, amikor üres térben halad át –, és ezt a sebességet mindenki azonosnak mérné. nem számít, hogyan mozogtak. Ahhoz, hogy ez sikerüljön, meg kellett változtatnia az időről és a térről alkotott hagyományos fogalmainkat.
De nem jutott el egészen odáig, hogy a tér és az idő egyetlen egységes téridővé való összekapcsolását szorgalmazta. Ezt a lépést egykori egyetemi tanárára, Hermann Minkowskira bízta a 20. század elején. A speciális relativitáselmélet színtere ma Minkowski téridő néven ismert.
Ha megvan az az elképzelés, hogy a téridőt egységes, négydimenziós kontinuumként gondolja, elkezdhet kérdéseket feltenni az alakjával kapcsolatban. A téridő lapos vagy görbült, statikus vagy dinamikus, véges vagy végtelen? Minkowski téridő lapos, statikus és végtelen.
Einstein egy évtizeden át dolgozott azon, hogy megértse, hogyan illeszthető be a gravitációs erő elméletébe. Végső áttörése az volt, hogy felismerte, hogy a téridő dinamikus és görbült is lehet, és ennek a görbületnek a hatásait te és én „gravitációként” éljük meg. Ennek az ihletnek a gyümölcse az, amit ma általános relativitáselméletnek nevezünk.
Tehát a speciális relativitáselmélet egy rögzített, sík téridő elmélete, gravitáció nélkül; Az általános relativitáselmélet a dinamikus téridő elmélete, amelyben a görbület gravitációt eredményez. Mindkettő „klasszikus” elméletnek számít, annak ellenére, hogy a newtoni mechanika egyes alapelveit helyettesíti. A fizikusok számára a klasszikus nem azt jelenti, hogy „nem relativisztikus”; azt jelenti, hogy „nem kvantum”. A klasszikus fizika minden elve teljes mértékben érintetlen a relativisztikus kontextusban.
Hajlandónak kell lennünk arra, hogy elengedjük a tér és az idő elkülönülése iránti relativitás előtti rajongásunkat, és engedjük, hogy feloldódjanak a téridő egységes színterében. A legjobb módja annak, hogy odaérjünk, ha még alaposabban átgondoljuk, mit értünk „idő” alatt. Ennek pedig a legjobb módja, ha ismét visszagondolunk arra, hogyan gondolkodunk a térről.
Vegye figyelembe az űrben két helyet, például otthonát és kedvenc éttermét. Mekkora a távolság köztük?
Nos, ez attól függ, azonnal gondolod. Légvonalban van a távolság, ha el tudnánk képzelni, hogy a két pont között egy tökéletesen egyenes ösvényen haladjunk. De ott van az a távolság is, amelyet egy valós utazás során megtenne, ahol talán csak nyilvános utcákon és járdákon kell megtennie, elkerülve az épületeket és egyéb akadályokat. A megtett útvonal mindig hosszabb lesz, mint a légvonalban mért távolság, mivel az egyenes a legrövidebb távolság két pont között.
Tekintsünk most két eseményt a téridőben. A relativitáselmélet szakzsargonjában az „esemény” csupán egyetlen pont az univerzumban, amelyet mind térben, mind időben helyek határoznak meg. Az egyik esemény, nevezzük A-nak, lehet, hogy „otthon 6 órakor”, a B esemény pedig „este 7 órakor az étteremben”. Tartsa észben ezt a két eseményt, és gondoljon egy utazásra A és B között. Nem siethet hamarabb B-be érni; ha 6:45-kor érkezik az étterembe, ülnie kell és várnia kell 7 óráig. hogy elérjük az eseményt a téridőben, amit B-vel jelöltünk.
Most feltehetjük magunknak a kérdést, akárcsak az otthon és az étterem közötti térbeli távolság esetében, hogy mennyi idő telik el a két esemény között.
Azt gondolhatja, hogy ez egy trükkös kérdés. Ha az egyik esemény 6 órakor van. a másik pedig este 7-kor van, egy óra van köztük ugye?
Nem olyan gyorsan, mondja Einstein. Egy régi, newtoni világfelfogásban, persze. Az idő abszolút és univerzális, és ha két esemény között egy óra telik el, akkor csak ennyit kell mondani.
A relativitáselmélet más történetet mesél el. Jelenleg két különböző fogalom létezik arról, hogy mit jelent az „idő”. Az idő egyik fogalma a téridő koordinátája. A téridő egy négydimenziós kontinuum, és ha helyeket akarunk meghatározni azon belül, akkor kényelmes, ha minden ponthoz egy „idő” nevű számot csatolunk. Általában erre gondolunk, amikor „6:7”-ra gondolunk. és „7:XNUMX.” Ezek a tér-idő koordinátáinak értékei, címkék, amelyek segítenek megtalálni az eseményeket. Mindenkinek meg kell értenie, mire gondolunk, amikor azt mondjuk: „Találkozzunk az étteremben XNUMX órakor”.
De a relativitáselmélet szerint, ahogy a légvonalban mért távolság általában különbözik attól a távolságtól, amelyet a tér két pontja között ténylegesen megtesz, az általad tapasztalt időtartam általában nem lesz azonos az univerzális koordinátaidővel. Olyan sok időt tapasztal, amelyet egy órával mérhet, amelyet magával visz az utazásra. Ez a megfelelő idő az úton. Az óra által mért időtartam, csakúgy, mint az autó kilométer-számlálója által megtett távolság, az Ön által megtett úttól függ.
Ez az egyik aspektusa annak, ha azt mondjuk, hogy „az idő relatív”. Gondolhatunk egy közös időre a téridő koordinátájában és egy személyes időre, amelyet egyénileg tapasztalunk meg utunk során. Az idő pedig olyan, mint a tér – ennek a két fogalomnak nem kell egybeesnie. (Amint Peter Galison történész rámutatott, nem véletlen, hogy Einstein egy svájci szabadalmi hivatalban dolgozott akkoriban, amikor a gyors vasúti közlekedés arra kényszerítette az európaiakat, hogy gondolkodjanak el azon, hány óra van a kontinens más városaiban, hogy jobban építhessenek. az órák fontos technológiai határrésszé váltak.)
Valamilyen módon azonban kell lennie annak, hogy az idő nem olyan, mint a tér, különben csak négydimenziós térről beszélnénk, ahelyett, hogy kijelölnénk az időt, mint amely megérdemelné a saját címkéjét. És itt nem az idő nyilaira gondolunk – pillanatnyilag egy egyszerű, kevés mozgó alkatrészből álló világban élünk, ahol az entrópia és a visszafordíthatatlanság nem olyan dolog, ami miatt aggódnunk kell.
A különbség a következő: A térben egy egyenes a két pont közötti legrövidebb távolságot írja le. Ezzel szemben a téridőben az egyenes út adja a két esemény között eltelt leghosszabb időt. A legrövidebb távolságról a leghosszabb időre való átfordulás az, ami megkülönbözteti az időt a tértől.
Az „egyenes út” a téridőben egyaránt értjük a térbeli egyenest és az állandó haladási sebességet. Más szóval, tehetetlenségi pálya, gyorsulás nélkül. Rögzítsen két eseményt a téridőben – két helyet a térben és a megfelelő pillanatokat az időben. Egy utazó megteheti az utat közöttük egy egyenes vonalban, állandó sebességgel (bármelyik sebességnek kell lennie ahhoz, hogy a megfelelő időben érkezzen), vagy előre-hátra cipzározhat egy nem inerciális úton. Az oda-vissza útvonal mindig nagyobb térbeli távolságot, de kevesebb megfelelő időt foglal magában, mint az egyenes változat.
Miért van ez így? Mert a fizika azt mondja. Vagy ha úgy tetszik, mert ilyen az univerzum. Talán végül feltárunk valami mélyebb okot, hogy miért kellett ennek így lennie, de jelenlegi tudásunk szerint ez az egyik alapfeltevés, amelyre a fizikát építjük, nem pedig egy mélyebb elvekből levont következtetés. Az egyenes vonalak a térben a lehető legrövidebb távolságot jelentik; az egyenes utak a téridőben a lehető leghosszabb idő.
Ellentétesnek tűnhet, hogy a nagyobb távolságú utak kevesebb időt vesznek igénybe. Rendben van. Ha intuitív lenne, nem kellett volna Einsteinnek lenned ahhoz, hogy kitaláld az ötletet.
Átvett A világegyetem legnagyobb ötletei Sean Carroll, a Dutton engedélyével, a Penguin Publishing Group, a Penguin Random House LLC részlege lenyomata. Copyright © 2022, Sean Carroll.
