Beskrivning
I den newtonska fysiken hade rum och tid sina oberoende identiteter, och ingen blandade ihop dem. Det var med relativitetsteorin, sammanställd i början av 20-talet, som att prata om rum-tid blev nästan oundvikligt. I relativitetsteori är det inte längre sant att rum och tid har separata, objektiva betydelser. Det som verkligen existerar är rum-tid, och att dela upp den i rum och tid är bara en användbar mänsklig konvention.
En av de viktigaste anledningarna till att relativitet har rykte om att vara svår att förstå är att våra intuitioner tränar oss att tänka på rum och tid som separata saker. Vi upplever objekt som har utsträckning i "rymden", och det verkar vara ett ganska objektivt faktum. I slutändan räcker det för oss eftersom vi i allmänhet färdas genom rymden med hastigheter som är mycket lägre än ljusets hastighet, så pre-relativistisk fysik fungerar.
Men denna obalans mellan intuition och teori gör språnget till ett rum-tidsperspektiv något skrämmande. Vad värre är, presentationer av relativitet har ofta en nedifrån-och-upp-strategi - de börjar med våra vardagliga föreställningar om rum och tid och förändrar dem i det nya relativitetsteget.
Vi kommer att vara lite olika. Vår väg in i den speciella relativitetsteorien kan ses som uppifrån och ner, att ta tanken på en enhetlig rumtid på allvar från början och se vad det innebär. Vi kommer att behöva sträcka ut våra hjärnor lite, men resultatet kommer att bli en mycket djupare förståelse av det relativistiska perspektivet på vårt universum.
Relativitetsutvecklingen tillskrivs vanligtvis Albert Einstein, men han gav slutstenen för en teoretisk byggnad som hade varit under uppbyggnad sedan James Clerk Maxwell förenade elektricitet och magnetism till en enda teori om elektromagnetism på 1860-talet. Maxwells teori förklarade vad ljus är - en oscillerande våg i elektromagnetiska fält - och verkade fästa en speciell betydelse för den hastighet med vilken ljus färdas. Idén om ett fält som existerade i sig självt var inte helt intuitivt för forskare vid den tiden, och det var naturligt att undra vad som egentligen "vinkade" i en ljusvåg.
Olika fysiker undersökte möjligheten att ljus fortplantade sig genom ett medium som de kallade den lysande etern. Men ingen kunde hitta bevis för någon sådan eter, så de var tvungna att hitta på allt mer komplicerade skäl till varför detta ämne skulle vara omöjligt att upptäcka. Einsteins bidrag 1905 var att påpeka att etern hade blivit helt onödig, och att vi bättre kunde förstå fysikens lagar utan den. Allt vi behövde göra var att acceptera en helt ny uppfattning om rum och tid. (OK, det är mycket, men det visade sig vara helt värt det.)
Einsteins teori kom att bli känd som den speciella relativitetsteorin, eller helt enkelt speciell relativitet. I sin grunduppsats, "Om rörliga kroppars elektrodynamik”, argumenterade han för nya sätt att tänka om längd och varaktighet. Han förklarade ljusets hastighets speciella roll genom att anta att det finns en absolut hastighetsgräns i universum - en hastighet med vilken ljus bara råkar färdas när det rör sig genom tomma rymden - och att alla skulle mäta den hastigheten för att vara densamma, oavsett hur de rörde sig. För att få det att fungera var han tvungen att ändra våra konventionella föreställningar om tid och rum.
Men han gick inte så långt som att förespråka att sammanfoga rum och tid till en enda enhetlig rumtid. Det steget lämnades till hans tidigare universitetsprofessor, Hermann Minkowski, i början av 20-talet. Arenan för speciell relativitet är idag känd som Minkowski rum-tid.
När du väl har idén att tänka på rum-tid som ett enhetligt fyrdimensionellt kontinuum, kan du börja ställa frågor om dess form. Är rum-tid platt eller krökt, statisk eller dynamisk, ändlig eller oändlig? Minkowskis rumtid är platt, statisk och oändlig.
Einstein arbetade i ett decennium för att förstå hur tyngdkraften kunde införlivas i hans teori. Hans slutliga genombrott var att inse att rum-tid kunde vara dynamisk och krökt, och att effekterna av den krökningen är vad du och jag upplever som "gravitation". Frukterna av denna inspiration är vad vi nu kallar allmän relativitet.
Så speciell relativitetsteorin är teorin om en fixerad, platt rumtid, utan gravitation; allmän relativitetsteorin är teorin om dynamisk rumtid, där krökning ger upphov till gravitation. Båda räknas som "klassiska" teorier även om de ersätter några av principerna i den newtonska mekaniken. För fysiker betyder klassisk inte "icke-relativistisk"; det betyder "icke-kvantum". Alla principer för klassisk fysik är helt intakta i det relativistiska sammanhanget.
Vi borde vara villiga att släppa vår före-relativitetsförkärlek för separatiteten mellan rum och tid, och tillåta dem att lösas upp i rum-tidens enhetliga arena. Det bästa sättet att komma dit är att tänka ännu mer noggrant på vad vi menar med "tid". Och det bästa sättet att göra det är att återigen gå tillbaka till hur vi tänker på rymden.
Tänk på två platser i rymden, som ditt hem och din favoritrestaurang. Vad är avståndet mellan dem?
Jo, det beror på, tänker man direkt. Det finns avståndet "fågelvägen", om vi kunde tänka oss att ta en perfekt rak linje mellan de två punkterna. Men det finns också den sträcka du skulle resa på en verklig resa, där du kanske är begränsad till att ta allmänna gator och trottoarer, undvika byggnader och andra hinder på vägen. Rutten du tar kommer alltid att vara längre än fågelvägen, eftersom en rak linje är det kortaste avståndet mellan två punkter.
Betrakta nu två händelser i rum-tid. I relativitetsteorins tekniska jargong är en "händelse" bara en enda punkt i universum, specificerad av platser i både rum och tid. En händelse, kalla det A, kan vara "hemma kl. 6", och händelse B kan vara "på restaurangen kl. 7". Håll dessa två händelser fixerade i ditt sinne och tänk på en resa mellan A och B. Du kan inte skynda att komma till B tidigare; om du anländer till restaurangen 6:45 måste du sitta och vänta till 7 för att nå händelsen i rymdtid som vi har märkt B.
Nu kan vi fråga oss själva, precis som vi gjorde för det rumsliga avståndet mellan hem och restaurang, hur lång tid som går mellan dessa två händelser.
Du kanske tycker att det här är en trickfråga. Om den ena händelsen är klockan 6 och den andra klockan 7, så är det en timme mellan dem, eller hur?
Inte så snabbt, säger Einstein. I en föråldrad, newtonsk världsuppfattning, visst. Tiden är absolut och universell, och om tiden mellan två händelser är en timme, är det allt som finns att säga.
Relativitet berättar en annan historia. Nu finns det två distinkta föreställningar om vad som menas med "tid". En föreställning om tid är som en koordinat för rum-tid. Rum-tid är ett fyrdimensionellt kontinuum, och om vi vill specificera platser inom det, är det bekvämt att fästa ett tal som kallas "tiden" till varje punkt inom den. Det är i allmänhet vad vi har i åtanke när vi tänker på "6" och "7". Det är värden för en koordinat för rum-tid, etiketter som hjälper oss att lokalisera händelser. Alla ska förstå vad vi menar när vi säger "träffas på restaurangen kl. 7"
Men, säger relativitetsteorien, precis som avståndet fågelvägen i allmänhet skiljer sig från det avstånd du faktiskt färdas mellan två punkter i rymden, kommer den tid du upplever i allmänhet inte att vara densamma som den universella koordinattiden. Du upplever en tid som kan mätas av en klocka som du har med dig på resan. Detta är den rätta tiden längs stigen. Och varaktigheten som mäts av en klocka, precis som den tillryggalagda sträckan som mäts av vägmätaren på din bil, beror på vägen du tar.
Det är en aspekt av vad det betyder att säga att "tid är relativ." Vi kan tänka både på en gemensam tid i termer av en koordinat på rum-tid och på en personlig tid som vi individuellt upplever längs vår väg. Och tid är som rymden - dessa två föreställningar behöver inte sammanfalla. (Som historikern Peter Galison har påpekat, är det inte en slump att Einstein arbetade på ett schweiziskt patentkontor vid en tidpunkt då snabba tågresor tvingade européer att tänka på vad klockan var i andra städer över hela kontinenten, så att bygga bättre klockor blev en viktig teknisk gräns.)
Ändå måste det finnas något sätt på vilket tid inte är som rymden, annars skulle vi bara prata om fyrdimensionell rymd, snarare än att peka ut tid som förtjänar sin egen etikett. Och vi tänker inte på tidens pil här - för tillfället befinner vi oss i en enkel värld med få rörliga delar, där entropi och oåterkallelighet inte är saker vi behöver oroa oss för.
Skillnaden är denna: I rymden beskriver en rät linje det kortaste avståndet mellan två punkter. I rum-tid, däremot, ger en rak bana den längsta förflutna tiden mellan två händelser. Det är vändningen från kortaste avstånd till längsta tid som skiljer tid från rymden.
Med en "rak bana" i rum-tid menar vi både en rät linje i rymden och en konstant färdhastighet. Med andra ord, en tröghetsbana, en utan acceleration. Fixa två händelser i rum-tid - två platser i rymden och motsvarande ögonblick i tiden. En resenär kan göra resan mellan dem i en rak linje med konstant hastighet (oavsett vilken hastighet måste vara för att de ska komma fram vid rätt tidpunkt), eller så kan de glida fram och tillbaka i en icke-tröghetsbana. Rutten fram och tillbaka kommer alltid att innebära mer rumsligt avstånd, men mindre korrekt tid som förflutit, än den raka versionen.
Varför är det så? För fysiken säger det. Eller, om du föredrar det, för det är så universum är. Kanske kommer vi så småningom att upptäcka någon djupare anledning till varför det måste vara så här, men i vårt nuvarande kunskapsläge är det ett av grundantagandena som vi bygger fysik på, inte en slutsats vi drar från djupare principer. Raka linjer i rymden är kortast möjliga avstånd; raka vägar i rum-tid är den längsta möjliga tiden.
Det kan tyckas kontraintuitivt att stigar med längre avstånd tar mindre tid. Det är ok. Om det vore intuitivt hade du inte behövt vara Einstein för att komma på idén.
Anpassad från De största idéerna i universum av Sean Carroll, med tillstånd från Dutton, ett avtryck från Penguin Publishing Group, en division av Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 av Sean Carroll.
