Wprowadzenie
W fizyce newtonowskiej przestrzeń i czas miały swoje niezależne tożsamości i nikt nigdy ich nie pomieszał. To właśnie dzięki teorii względności, opracowanej na początku XX wieku, mówienie o czasoprzestrzeni stało się niemal nieuniknione. W teorii względności nie jest już prawdą, że przestrzeń i czas mają oddzielne, obiektywne znaczenia. Tym, co naprawdę istnieje, jest czasoprzestrzeń, a pocięcie jej na przestrzeń i czas jest jedynie pożyteczną ludzką konwencją.
Jednym z głównych powodów, dla których teoria względności jest trudna do zrozumienia, jest to, że nasza intuicja uczy nas myślenia o przestrzeni i czasie jako odrębnych rzeczach. Doświadczamy, że przedmioty mają zasięg w „przestrzeni” i wydaje się to całkiem obiektywnym faktem. Ostatecznie nam to wystarcza, ponieważ generalnie podróżujemy w przestrzeni z prędkościami znacznie mniejszymi niż prędkość światła, więc działa fizyka przedrelatywistyczna.
Ale ta rozbieżność między intuicją a teorią sprawia, że przeskok do perspektywy czasoprzestrzennej jest nieco onieśmielający. Co gorsza, prezentacje teorii względności często przyjmują podejście oddolne — zaczynają się od naszych codziennych wyobrażeń o przestrzeni i czasie i zmieniają je w nowym kontekście względności.
Będziemy trochę inni. Nasza droga do szczególnej teorii względności może być postrzegana jako odgórna, poważnie biorąc ideę zunifikowanej czasoprzestrzeni od samego początku i widząc, co to oznacza. Będziemy musieli trochę rozciągnąć nasze mózgi, ale rezultatem będzie znacznie głębsze zrozumienie relatywistycznej perspektywy naszego wszechświata.
Rozwój teorii względności jest zwykle przypisywany Albertowi Einsteinowi, ale to on zapewnił zwieńczenie teoretycznego gmachu, który był budowany od czasu, gdy James Clerk Maxwell zjednoczył elektryczność i magnetyzm w jedną teorię elektromagnetyzmu w latach 1860. XIX wieku. Teoria Maxwella wyjaśniała, czym jest światło — fala oscylująca w polu elektromagnetycznym — i wydawała się przywiązywać szczególne znaczenie do prędkości, z jaką porusza się światło. Idea pola istniejącego samoistnie nie była w tym czasie całkowicie intuicyjna dla naukowców i naturalne było zastanawianie się, co tak naprawdę „faluje” w fali świetlnej.
Różni fizycy badali możliwość rozchodzenia się światła przez ośrodek, który nazwali świetlistym eterem. Nikt jednak nie mógł znaleźć dowodów na istnienie takiego eteru, więc zmuszeni byli do wymyślania coraz bardziej skomplikowanych powodów, dla których substancja ta powinna być niewykrywalna. Wkład Einsteina w 1905 r. polegał na wskazaniu, że eter stał się całkowicie niepotrzebny i bez niego moglibyśmy lepiej zrozumieć prawa fizyki. Wystarczyło zaakceptować zupełnie nową koncepcję przestrzeni i czasu. (OK, to dużo, ale okazało się, że było warto.)
Teoria Einsteina stała się znana jako szczególna teoria względności lub po prostu szczególna teoria względności. W swoim założycielskim artykule „O elektrodynamice ciał w ruchu”, argumentował za nowymi sposobami myślenia o długości i czasie trwania. Wyjaśnił szczególną rolę prędkości światła, zakładając, że we wszechświecie istnieje bezwzględne ograniczenie prędkości – prędkość, z którą światło akurat się porusza, gdy porusza się w pustej przestrzeni – i że wszyscy mierzą tę prędkość jako taką samą. bez względu na to, jak się poruszali. Aby to zadziałało, musiał zmienić nasze konwencjonalne pojęcie czasu i przestrzeni.
Ale nie posunął się aż tak daleko, by zalecać połączenie przestrzeni i czasu w jedną zunifikowaną czasoprzestrzeń. Ten krok pozostawiono jego dawnemu profesorowi uniwersyteckiemu, Hermannowi Minkowskiemu, na początku XX wieku. Arena szczególnej teorii względności jest dziś znana jako czasoprzestrzeń Minkowskiego.
Kiedy już wpadniesz na pomysł myślenia o czasoprzestrzeni jako zunifikowanym czterowymiarowym kontinuum, możesz zacząć zadawać pytania o jej kształt. Czy czasoprzestrzeń jest płaska czy zakrzywiona, statyczna czy dynamiczna, skończona czy nieskończona? Czasoprzestrzeń Minkowskiego jest płaska, statyczna i nieskończona.
Einstein pracował przez dekadę, aby zrozumieć, w jaki sposób siła grawitacji może zostać włączona do jego teorii. Jego ostatecznym przełomem było uświadomienie sobie, że czasoprzestrzeń może być dynamiczna i zakrzywiona, a skutki tej krzywizny są tym, co ty i ja doświadczamy jako „grawitacji”. Owocem tej inspiracji jest to, co obecnie nazywamy ogólną teorią względności.
Zatem szczególna teoria względności to teoria stałej, płaskiej czasoprzestrzeni bez grawitacji; ogólna teoria względności to teoria dynamicznej czasoprzestrzeni, w której krzywizna powoduje powstanie grawitacji. Obie liczą się jako „klasyczne” teorie, mimo że zastępują niektóre zasady mechaniki Newtona. Dla fizyków klasyka nie oznacza „nierelatywizmu”; oznacza „niekwantowy”. Wszystkie zasady fizyki klasycznej pozostają nienaruszone w kontekście relatywistycznym.
Powinniśmy chcieć puścić nasze przedwzględnościowe zamiłowanie do odrębności przestrzeni i czasu i pozwolić im rozpuścić się w zjednoczonej arenie czasoprzestrzeni. Najlepszym sposobem, aby się tam dostać, jest jeszcze dokładniejsze przemyślenie tego, co rozumiemy przez „czas”. A najlepszym sposobem na to jest ponowne przypomnienie tego, jak myślimy o przestrzeni.
Rozważ dwie lokalizacje w kosmosie, takie jak dom i ulubiona restauracja. Jaka jest odległość między nimi?
Cóż, to zależy, od razu myślisz. Jest odległość „w linii prostej”, gdybyśmy mogli sobie wyobrazić, że między tymi dwoma punktami podążamy idealnie prostą ścieżką. Ale jest też odległość, którą przebyłbyś podczas podróży w świecie rzeczywistym, gdzie być może ograniczasz się do poruszania się po publicznych ulicach i chodnikach, unikania budynków i innych przeszkód po drodze. Trasa, którą wybierasz, zawsze będzie dłuższa niż odległość w linii prostej, ponieważ linia prosta to najkrótsza odległość między dwoma punktami.
Rozważmy teraz dwa wydarzenia w czasoprzestrzeni. W technicznym żargonie teorii względności „zdarzenie” to tylko jeden punkt we wszechświecie, określony przez położenie zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Jedno wydarzenie, nazwijmy je A, może być „w domu o 6:7”, a zdarzenie B może być „w restauracji o 6:45”. Zapamiętaj te dwa wydarzenia i pomyśl o podróży między A i B. nie mogę się śpieszyć, żeby dostać się do B wcześniej; jeśli przybędziesz do restauracji o 7:XNUMX, będziesz musiał usiąść i poczekać do XNUMX:XNUMX, aby dotrzeć do wydarzenia w czasoprzestrzeni, którą oznaczyliśmy jako B.
Teraz możemy zadać sobie pytanie, podobnie jak w przypadku odległości przestrzennej między domem a restauracją, ile czasu upływa między tymi dwoma wydarzeniami.
Możesz pomyśleć, że to podchwytliwe pytanie. Jeśli jedno wydarzenie jest o 6:7, a drugie o XNUMX:XNUMX, to między nimi jest godzina, prawda?
Nie tak szybko, mówi Einstein. Jasne, w przestarzałej, newtonowskiej koncepcji świata. Czas jest absolutny i uniwersalny, a jeśli czas między dwoma wydarzeniami wynosi jedną godzinę, to wszystko, co można powiedzieć.
Teoria względności opowiada inną historię. Teraz istnieją dwa różne pojęcia tego, co rozumie się przez „czas”. Jedno pojęcie czasu to współrzędna czasoprzestrzeni. Czasoprzestrzeń jest czterowymiarowym kontinuum i jeśli chcemy określić w nim lokalizacje, wygodnie jest dołączyć liczbę zwaną „czas” do każdego jej punktu. Generalnie to mamy na myśli, gdy myślimy o „6” i „7”. Są to wartości współrzędnych w czasoprzestrzeni, etykiety, które pomagają nam lokalizować zdarzenia. Każdy powinien zrozumieć, co mamy na myśli, gdy mówimy „spotkaj się w restauracji o 7:XNUMX”
Ale, mówi teoria względności, tak jak odległość w linii prostej jest zasadniczo różna od odległości, którą faktycznie pokonujesz między dwoma punktami w przestrzeni, czas, którego doświadczasz, na ogół nie będzie taki sam, jak czas uniwersalnych współrzędnych. Doświadczasz ilości czasu, którą można zmierzyć zegarem, który nosisz ze sobą w podróży. To jest właściwy czas na ścieżce. A czas trwania mierzony przez zegar, podobnie jak przebyta odległość mierzona licznikiem kilometrów w samochodzie, będzie zależał od obranej drogi.
To jeden z aspektów tego, co oznacza powiedzenie, że „czas jest względny”. Możemy myśleć zarówno o wspólnym czasie w kategoriach współrzędnej czasoprzestrzeni, jak io osobistym czasie, którego doświadczamy indywidualnie na naszej ścieżce. A czas jest jak przestrzeń — te dwa pojęcia nie muszą się pokrywać. (Jak zauważył historyk Peter Galison, nie jest przypadkiem, że Einstein pracował w szwajcarskim urzędzie patentowym w czasie, gdy szybkie podróże koleją zmuszały Europejczyków do zastanowienia się, która jest godzina w innych miastach na całym kontynencie, aby lepiej budować zegary stały się ważną granicą technologiczną).
Jednak musi być jakiś sposób, w jaki czas nie jest taki jak przestrzeń, w przeciwnym razie po prostu mówilibyśmy o czterowymiarowej przestrzeni, zamiast wyróżniać czas jako zasługujący na własną etykietę. I nie myślimy tutaj o strzałce czasu — na razie jesteśmy w prostym świecie z kilkoma ruchomymi częściami, gdzie entropia i nieodwracalność nie są rzeczami, o które musimy się martwić.
Różnica polega na tym, że w przestrzeni linia prosta opisuje najkrótszą odległość między dwoma punktami. Natomiast w czasoprzestrzeni prosta ścieżka daje najdłuższy czas, jaki upłynął między dwoma zdarzeniami. To właśnie ta zmiana z najkrótszej odległości do najdłuższego czasu odróżnia czas od przestrzeni.
Przez „prostą ścieżkę” w czasoprzestrzeni rozumiemy zarówno linię prostą w przestrzeni, jak i stałą prędkość podróży. Innymi słowy, trajektoria bezwładności, bez przyspieszenia. Napraw dwa wydarzenia w czasoprzestrzeni — dwie lokalizacje w przestrzeni i odpowiadające im momenty w czasie. Podróżnik może odbyć podróż między nimi w linii prostej ze stałą prędkością (niezależnie od tego, jaka prędkość jest potrzebna, aby przybyć we właściwym czasie) lub może skakać tam i z powrotem po ścieżce bezwładności. Trasa tam i z powrotem zawsze będzie wiązała się z większą odległością przestrzenną, ale upływa mniej czasu niż w przypadku wersji prostej.
Dlaczego tak jest? Ponieważ tak mówi fizyka. Albo, jeśli wolisz, bo taki jest wszechświat. Może w końcu odkryjemy jakiś głębszy powód, dlaczego tak było, ale w naszym obecnym stanie wiedzy jest to jedno z podstawowych założeń, na których budujemy fizykę, a nie wniosek, który wyprowadzamy z głębszych zasad. Proste linie w przestrzeni to najkrótsza możliwa odległość; proste ścieżki w czasoprzestrzeni to najdłuższy możliwy czas.
Może wydawać się sprzeczne z intuicją, że ścieżki o większej odległości zajmują mniej czasu. W porządku. Gdyby to było intuicyjne, nie musiałbyś być Einsteinem, żeby wpaść na ten pomysł.
Przyjęty z Największe idee we wszechświecie Sean Carroll, za zgodą Dutton, wydawnictwa Penguin Publishing Group, oddziału Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 by Sean Carroll.
