Introduksjon
I newtonsk fysikk hadde rom og tid sine uavhengige identiteter, og ingen har noen gang blandet dem sammen. Det var med relativitetsteorien, satt sammen tidlig på 20-tallet, at det å snakke om rom-tid ble nesten uunngåelig. I relativitetsteori er det ikke lenger sant at rom og tid har separate, objektive betydninger. Det som virkelig eksisterer er rom-tid, og å dele det opp i rom og tid er bare en nyttig menneskelig konvensjon.
En av de viktigste grunnene til at relativitet har et rykte for å være vanskelig å forstå, er at intuisjonene våre trener oss til å tenke på rom og tid som separate ting. Vi opplever at objekter har utstrekning i "rommet", og det virker som et ganske objektivt faktum. Til syvende og sist er det nok for oss fordi vi vanligvis reiser gjennom rommet med hastigheter som er langt lavere enn lysets hastighet, så pre-relativistisk fysikk fungerer.
Men dette misforholdet mellom intuisjon og teori gjør spranget til et rom-tidsperspektiv noe skremmende. Hva verre er, presentasjoner av relativitet tar ofte en nedenfra og opp-tilnærming - de starter med våre daglige oppfatninger av rom og tid og endrer dem i den nye konteksten av relativitet.
Vi kommer til å være litt annerledes. Vår vei inn i spesiell relativitetsteori kan tenkes som ovenfra og ned, og tar ideen om en enhetlig romtid på alvor fra starten og ser hva det innebærer. Vi må strekke hjernen litt, men resultatet vil være en mye dypere forståelse av det relativistiske perspektivet på universet vårt.
Relativitetsutviklingen tilskrives vanligvis Albert Einstein, men han ga grunnsteinen for et teoretisk byggverk som hadde vært under bygging siden James Clerk Maxwell forenet elektrisitet og magnetisme til en enkelt teori om elektromagnetisme på 1860-tallet. Maxwells teori forklarte hva lys er - en oscillerende bølge i elektromagnetiske felt - og så ut til å legge en spesiell betydning til hastigheten som lyset beveger seg med. Ideen om et felt som eksisterte helt av seg selv var ikke helt intuitivt for forskere på den tiden, og det var naturlig å lure på hva som egentlig "bølget" i en lysbølge.
Ulike fysikere undersøkte muligheten for at lys forplantet seg gjennom et medium de kalte den lysende eteren. Men ingen kunne finne bevis for en slik eter, så de ble tvunget til å finne på stadig mer kompliserte grunner til at dette stoffet skulle være uoppdagelig. Einsteins bidrag i 1905 var å påpeke at eteren var blitt helt unødvendig, og at vi bedre kunne forstå fysikkens lover uten den. Alt vi måtte gjøre var å akseptere en helt ny oppfatning av rom og tid. (OK, det er mye, men det viste seg å være helt verdt det.)
Einsteins teori ble kjent som den spesielle relativitetsteorien, eller rett og slett spesiell relativitet. I sin grunnleggende artikkel, "Om elektrodynamikken til bevegelige kropper", argumenterte han for nye måter å tenke lengde og varighet på. Han forklarte den spesielle rollen til lyshastigheten ved å anta at det er en absolutt fartsgrense i universet - en hastighet som lyset tilfeldigvis beveger seg med når det beveger seg gjennom tomt rom - og at alle ville måle den hastigheten til å være den samme, uansett hvordan de beveget seg. For å få det til å fungere, måtte han endre våre konvensjonelle forestillinger om tid og rom.
Men han gikk ikke så langt som å gå inn for å slå sammen rom og tid til en enkelt enhetlig romtid. Det trinnet ble overlatt til hans tidligere universitetsprofessor, Hermann Minkowski, på begynnelsen av 20-tallet. Arenaen for spesiell relativitet er i dag kjent som Minkowski rom-tid.
Når du har ideen om å tenke på rom-tid som et enhetlig firedimensjonalt kontinuum, kan du begynne å stille spørsmål om formen. Er rom-tid flat eller buet, statisk eller dynamisk, endelig eller uendelig? Minkowski rom-tid er flat, statisk og uendelig.
Einstein jobbet i et tiår for å forstå hvordan tyngdekraften kunne innlemmes i teorien hans. Hans endelige gjennombrudd var å innse at rom-tid kunne være dynamisk og buet, og at effektene av den krumningen er det du og jeg opplever som "tyngdekraft". Fruktene av denne inspirasjonen er det vi nå kaller generell relativitet.
Så spesiell relativitetsteori er teorien om en fast, flat romtid, uten gravitasjon; generell relativitetsteori er teorien om dynamisk rom-tid, der krumning gir opphav til gravitasjon. Begge teller som "klassiske" teorier selv om de erstatter noen av prinsippene i newtonsk mekanikk. For fysikere betyr ikke klassisk "ikke-relativistisk"; det betyr "ikke-kvante". Alle prinsippene i klassisk fysikk er fullstendig intakte i den relativistiske konteksten.
Vi bør være villige til å gi slipp på vår pre-relativitetsforkjærlighet for atskiltheten mellom rom og tid, og tillate dem å oppløses i rom-tidens enhetlige arena. Den beste måten å komme dit på er å tenke enda mer nøye over hva vi mener med «tid». Og den beste måten å gjøre det på er å gå tilbake, nok en gang, til hvordan vi tenker på verdensrommet.
Vurder to steder i verdensrommet, for eksempel hjemmet ditt og favorittrestauranten din. Hva er avstanden mellom dem?
Vel, det kommer an på, tenker du umiddelbart. Det er avstanden "i luftlinje", hvis vi kunne tenke oss å ta en perfekt rettlinjet bane mellom de to punktene. Men det er også avstanden du vil reise på en virkelig reise, hvor du kanskje er begrenset til å ta offentlige gater og fortau, unngå bygninger og andre hindringer underveis. Ruten du tar kommer alltid til å være lengre enn avstanden i luftlinje, siden en rett linje er den korteste avstanden mellom to punkter.
Vurder nå to hendelser i rom-tid. I relativitetsteoriens tekniske sjargong er en "hendelse" bare et enkelt punkt i universet, spesifisert av steder i både rom og tid. En hendelse, kall det A, kan være "hjemme klokken 6", og hendelse B kan være "på restauranten klokken 7" Hold disse to hendelsene fast i tankene dine, og tenk på en reise mellom A og B. Du kan ikke skynde meg å komme til B tidligere; hvis du ankommer restauranten kl. 6, må du sitte og vente til kl. 45 for å nå arrangementet i rom-tid vi har merket B.
Nå kan vi spørre oss selv, akkurat som vi gjorde for den romlige avstanden mellom hjem og restaurant, hvor lang tid som går mellom disse to hendelsene.
Du tror kanskje dette er et lurespørsmål. Hvis det ene arrangementet er kl. 6 og det andre er kl. 7, er det en time mellom dem, ikke sant?
Ikke så fort, sier Einstein. I en foreldet, newtonsk oppfatning av verden, helt klart. Tid er absolutt og universell, og hvis tiden mellom to hendelser er én time, er det alt som skal sies.
Relativitet forteller en annen historie. Nå er det to forskjellige forestillinger om hva som menes med "tid." En forestilling om tid er som en koordinat for rom-tid. Rom-tid er et firedimensjonalt kontinuum, og hvis vi ønsker å spesifisere steder innenfor det, er det praktisk å knytte et tall kalt "tiden" til hvert punkt i det. Det er generelt det vi har i tankene når vi tenker på "6" og "7". Dette er verdier for en koordinat på rom-tid, etiketter som hjelper oss med å finne hendelser. Alle skal forstå hva vi mener når vi sier "møt opp på restauranten kl. 7"
Men, sier relativitetsteorien, akkurat som luftlinjeavstanden generelt sett er forskjellig fra avstanden du faktisk reiser mellom to punkter i rommet, vil varigheten av tiden du opplever vanligvis ikke være den samme som den universelle koordinattiden. Du opplever en mengde tid som kan måles av en klokke som du har med deg på reisen. Dette er riktig tidspunkt langs stien. Og varigheten målt av en klokke, akkurat som den tilbakelagte avstanden målt av kilometertelleren på bilen din, vil avhenge av veien du tar.
Det er ett aspekt av hva det betyr å si at "tid er relativt." Vi kan tenke både på en felles tid i form av en koordinat på rom-tid og på en personlig tid som vi individuelt opplever langs vår vei. Og tid er som rom - disse to forestillingene trenger ikke være sammenfallende. (Som historikeren Peter Galison har påpekt, er det ikke tilfeldig at Einstein jobbet i et sveitsisk patentkontor i en tid da raske togreiser tvang europeere til å tenke på hva klokken var i andre byer over hele kontinentet, slik at bygge bedre klokker ble en viktig teknologisk grense.)
Likevel må det være en måte tid ikke er som rom, ellers snakker vi bare om firedimensjonalt rom, i stedet for å trekke frem tid som fortjener sin egen merkelapp. Og vi tenker ikke på tidens pil her – for øyeblikket er vi i en enkel verden med få bevegelige deler, der entropi og irreversibilitet ikke er ting vi trenger å bekymre oss for.
Forskjellen er denne: I verdensrommet beskriver en rett linje den korteste avstanden mellom to punkter. I rom-tid, derimot, gir en rett bane den lengste medgåtte tiden mellom to hendelser. Det er vendingen fra korteste avstand til lengste tid som skiller tid fra rom.
Med en "rett bane" i rom-tid, mener vi både en rett linje i rommet og en konstant reisehastighet. Med andre ord, en treghetsbane, en uten akselerasjon. Fiks to hendelser i rom-tid - to steder i rommet og tilsvarende øyeblikk i tid. En reisende kan foreta reisen mellom dem i en rett linje med konstant hastighet (uansett den hastigheten må være for at de skal ankomme til rett tid), eller de kan glide frem og tilbake i en ikke-treghetsbane. Ruten frem og tilbake vil alltid innebære mer romlig avstand, men mindre medgått tid enn den rette versjonen.
Hvorfor er det sånn? Fordi fysikk sier det. Eller, hvis du foretrekker det, fordi det er slik universet er. Kanskje vil vi etter hvert avdekke en dypere grunn til at det måtte være slik, men i vår nåværende kunnskapstilstand er det en av grunnfjellsantakelsene vi bygger fysikk på, ikke en konklusjon vi trekker fra dypere prinsipper. Rette linjer i rommet er kortest mulig avstand; rette veier i rom-tid er lengst mulig tid.
Det kan virke motintuitivt at stier med større avstand tar kortere tid. Det er greit. Hvis det var intuitivt, hadde du ikke trengt å være Einstein for å komme på ideen.
Tilpasset fra De største ideene i universet av Sean Carroll, med tillatelse fra Dutton, et avtrykk fra Penguin Publishing Group, en avdeling av Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 av Sean Carroll.
