Predstavitev
V Newtonovi fiziki sta imela prostor in čas svojo neodvisno identiteto in nihče ju nikoli ni pomešal. S teorijo relativnosti, sestavljeno v začetku 20. stoletja, je postalo govorjenje o prostoru-času skoraj neizogibno. V relativnosti ne drži več, da imata prostor in čas ločena, objektivna pomena. Kar v resnici obstaja, je prostor-čas in njegovo razrezovanje na prostor in čas je zgolj uporabna človeška konvencija.
Eden glavnih razlogov, zakaj relativnost slovi kot težko razumljiva, je ta, da nas naša intuicija uri, da razmišljamo o prostoru in času kot o ločenih stvareh. Predmete doživljamo tako, da imajo obseg v "prostoru", in to se zdi precej objektivno dejstvo. Navsezadnje nam to zadostuje, ker na splošno potujemo skozi vesolje s hitrostmi, ki so precej nižje od svetlobne hitrosti, tako da predrelativistična fizika deluje.
Toda zaradi tega neskladja med intuicijo in teorijo je preskok na prostorsko-časovno perspektivo nekoliko zastrašujoč. Kar je še huje, predstavitve relativnosti pogosto uporabljajo pristop od spodaj navzgor - začnejo z našimi vsakdanjimi predstavami o prostoru in času ter jih spremenijo v novem kontekstu relativnosti.
Bomo malo drugačni. Našo pot v posebno teorijo relativnosti bi si lahko predstavljali kot od zgoraj navzdol, resno jemljemo zamisel o enotnem prostoru-času od samega začetka in vidimo, kaj to pomeni. Malo si bomo morali napeti možgane, a rezultat bo veliko globlje razumevanje relativističnega pogleda na naše vesolje.
Razvoj teorije relativnosti se običajno pripisuje Albertu Einsteinu, vendar je on zagotovil temelj teoretične zgradbe, ki je bila v izgradnji, odkar je James Clerk Maxwell v šestdesetih letih 1860. stoletja združil elektriko in magnetizem v enotno teorijo elektromagnetizma. Maxwellova teorija je pojasnila, kaj je svetloba – nihajoče valovanje v elektromagnetnih poljih – in zdi se, da pripisuje poseben pomen hitrosti, s katero potuje svetloba. Zamisel o polju, ki obstaja samo po sebi, znanstvenikom v tistem času ni bila popolnoma intuitivna in bilo je naravno spraševati se, kaj pravzaprav "maha" v svetlobnem valu.
Različni fiziki so raziskovali možnost, da se svetloba širi skozi medij, ki so ga poimenovali svetlobni eter. Toda nihče ni mogel najti dokazov za kakršen koli tak eter, zato so bili prisiljeni izmišljevati vedno bolj zapletene razloge, zakaj naj bi bilo te snovi nezaznavno. Einsteinov prispevek leta 1905 je bil izpostaviti, da je eter postal popolnoma nepotreben in da bi lahko brez njega bolje razumeli zakone fizike. Vse, kar smo morali storiti, je bilo sprejeti popolnoma novo pojmovanje prostora in časa. (V redu, to je veliko, vendar se je izkazalo, da je popolnoma vredno.)
Einsteinova teorija je postala znana kot posebna teorija relativnosti ali preprosto posebna relativnost. V svojem temeljnem dokumentu "O elektrodinamiki gibajočih se teles,« je zagovarjal nove načine razmišljanja o dolžini in trajanju. Posebno vlogo svetlobne hitrosti je pojasnil s predpostavko, da obstaja absolutna omejitev hitrosti v vesolju - hitrost, s katero potuje svetloba, ko se premika skozi prazen prostor - in da bi vsi merili to hitrost, da je enaka, ne glede na to, kako so se premikali. Da bi to uspelo, je moral spremeniti naše običajne predstave o času in prostoru.
Vendar ni šel tako daleč, da bi zagovarjal združevanje prostora in časa v en sam enoten prostor-čas. Ta korak je bil v začetku 20. stoletja prepuščen njegovemu nekdanjemu univerzitetnemu profesorju Hermannu Minkowskemu. Prizorišče posebne teorije relativnosti je danes znano kot prostor-čas Minkowskega.
Ko imate idejo o razmišljanju o prostoru-času kot o enotnem štiridimenzionalnem kontinuumu, lahko začnete postavljati vprašanja o njegovi obliki. Je prostor-čas raven ali ukrivljen, statičen ali dinamičen, končen ali neskončen? Prostor-čas Minkowskega je raven, statičen in neskončen.
Einstein si je desetletje prizadeval razumeti, kako bi lahko silo težnosti vključili v svojo teorijo. Njegov morebitni preboj je bil spoznanje, da je prostor-čas lahko dinamičen in ukrivljen in da učinke te ukrivljenosti vi in jaz doživljamo kot »gravitacijo«. Sadovi tega navdiha so tisto, čemur danes pravimo splošna relativnost.
Posebna relativnost je torej teorija fiksnega, ravnega prostora-časa, brez gravitacije; splošna relativnost je teorija dinamičnega prostora-časa, v kateri ukrivljenost povzroči gravitacijo. Obe štejeta za "klasične" teorije, čeprav nadomeščata nekatera načela Newtonove mehanike. Za fizike klasično ne pomeni "nerelativistično"; pomeni "nekvantno". Vsa načela klasične fizike so v relativističnem kontekstu popolnoma nedotaknjena.
Morali bi biti pripravljeni opustiti našo naklonjenost ločenosti prostora in časa pred relativnostjo in jima dovoliti, da se raztopita v enotni areni prostora-časa. Najboljši način, da pridemo tja, je, da še bolj natančno razmislimo o tem, kaj mislimo s »časom«. In najboljši način za to je, da se še enkrat spomnimo, kako razmišljamo o vesolju.
Razmislite o dveh lokacijah v prostoru, kot sta vaš dom in vaša najljubša restavracija. Kolikšna je razdalja med njima?
No, odvisno, takoj pomisliš. Obstaja razdalja »zračne črte«, če bi si lahko predstavljali pot med obema točkama po popolnoma ravni črti. Obstaja pa tudi razdalja, ki bi jo prevozili na potovanju v resničnem svetu, kjer ste morda omejeni na vožnjo po javnih ulicah in pločnikih, izogibanje zgradbam in drugim oviram na poti. Pot, po kateri hodite, bo vedno daljša od zračne črte, saj je ravna črta najkrajša razdalja med dvema točkama.
Zdaj razmislite o dveh dogodkih v prostoru-času. V tehničnem žargonu relativnostne teorije je "dogodek" samo ena točka v vesolju, določena z lokacijami v prostoru in času. En dogodek, poimenujte ga A, je lahko »doma ob 6. uri«, dogodek B pa »v restavraciji ob 7. uri«. Ne pozabite na ta dva dogodka in pomislite na potovanje med A in B. ne more se mudi, da bi prej prišel do B; če pridete v restavracijo ob 6, boste morali sedeti in čakati do 45. ure, da dosežete dogodek v prostor-času, ki smo ga označili z B.
Zdaj se lahko vprašamo, tako kot smo se za prostorsko razdaljo med domom in restavracijo, koliko časa preteče med tema dvema dogodkoma.
Morda mislite, da je to trik vprašanje. Če je en dogodek ob 6. uri, drugi pa ob 7. uri, je med njima ena ura, kajne?
Ne tako hitro, pravi Einstein. V zastareli, Newtonovi predstavi sveta, seveda. Čas je absoluten in univerzalen, in če je čas med dvema dogodkoma ena ura, je to vse, kar lahko rečemo.
Relativnost pripoveduje drugačno zgodbo. Zdaj obstajata dve različni pojmi o tem, kaj pomeni »čas«. Eden od pojmov časa je kot koordinata v prostoru-času. Prostor-čas je štiridimenzionalni kontinuum in če želimo določiti lokacije v njem, je priročno, da vsaki točki v njem pripišemo številko, imenovano "čas". To je na splošno tisto, kar imamo v mislih, ko pomislimo na »6 pm« in »7 pm«. To sta vrednosti koordinate v prostoru-času, oznake, ki nam pomagajo locirati dogodke. Vsi bi morali razumeti, kaj mislimo, ko rečemo "dobimo se v restavraciji ob 7. uri".
Toda, kot pravi relativnost, tako kot je zračna razdalja na splošno drugačna od razdalje, ki jo dejansko prepotujete med dvema točkama v vesolju, trajanje časa, ki ga običajno doživite, ne bo enako univerzalnemu koordinatnemu času. Doživite količino časa, ki jo lahko izmerite z uro, ki jo nosite s seboj na pot. To je pravi čas na poti. Trajanje, ki ga meri ura, bo tako kot prevožena razdalja, ki jo meri števec kilometrov v vašem avtomobilu, odvisno od poti, ki jo uberete.
To je en vidik tega, kar pomeni reči, da je »čas relativen«. Tako o skupnem času lahko razmišljamo v smislu koordinate na prostor-času kot o osebnem času, ki ga individualno doživljamo na svoji poti. In čas je kot prostor - ni nujno, da ta dva pojma sovpadata. (Kot je poudaril zgodovinar Peter Galison, ni naključje, da je Einstein delal v švicarskem patentnem uradu v času, ko je hitro potovanje po železnici Evropejce prisililo k razmišljanju o tem, koliko je ura v drugih mestih po celini, tako da je gradnja boljša ure so postale pomembna tehnološka meja.)
Vseeno pa mora obstajati način, da čas ni podoben prostoru, sicer bi govorili samo o štiridimenzionalnem prostoru, namesto da bi izpostavili čas kot zasluži lastno oznako. In tukaj ne mislimo na puščico časa - trenutno smo v preprostem svetu z malo gibljivimi deli, kjer entropija in nepovratnost nista stvari, zaradi katerih bi nam bilo treba skrbeti.
Razlika je naslednja: v prostoru premica opisuje najkrajšo razdaljo med dvema točkama. Nasprotno pa v prostoru-času ravna pot daje najdaljši pretečeni čas med dvema dogodkoma. To je tisti preobrat z najkrajše razdalje na najdaljši čas, ki loči čas od prostora.
Z "ravno potjo" v prostoru-času mislimo tako na ravno črto v prostoru kot na konstantno hitrost potovanja. Z drugimi besedami, inercialna tirnica, tista brez pospeška. Popravite dva dogodka v prostoru-času — dve lokaciji v prostoru in ustrezne trenutke v času. Popotnik bi lahko potoval med njima v ravni liniji s konstantno hitrostjo (kakršna koli mora biti ta hitrost, da prispejo ob pravem času) ali pa bi lahko švigal naprej in nazaj po neinercialni poti. Pot naprej in nazaj bo vedno vključevala več prostorske razdalje, vendar manj pravilnega pretečenega časa kot ravna različica.
Zakaj je tako? Ker tako pravi fizika. Ali, če vam je ljubše, ker je tako vesolje. Mogoče bomo sčasoma odkrili kakšen globlji razlog, zakaj je moralo biti tako, toda glede na naše trenutno stanje znanja je to ena od temeljnih predpostavk, na katerih gradimo fiziko, ne pa sklep, ki ga izpeljemo iz globljih načel. Ravne črte v prostoru so najkrajša možna razdalja; ravne poti v prostoru-času so najdaljši možni čas.
Morda se zdi kontraintuitivno, da daljše poti potrebujejo manj časa. V redu je. Če bi bilo intuitivno, vam ne bi bilo treba biti Einstein, da bi prišli na idejo.
Prilagojeno od Največje ideje v vesolju avtor Sean Carroll, z dovoljenjem Duttona, impresum Penguin Publishing Group, oddelka Penguin Random House LLC. Avtorske pravice © 2022 Sean Carroll.
