Giriş
Newton fiziğinde, uzay ve zamanın bağımsız kimlikleri vardı ve hiç kimse onları birbirine karıştırmadı. 20. yüzyılın başlarında bir araya getirilen görelilik teorisi ile uzay-zaman hakkında konuşmak neredeyse kaçınılmaz hale geldi. Görelilikte, uzay ve zamanın ayrı, nesnel anlamları olduğu artık doğru değil. Gerçekten var olan, uzay-zamandır ve onu uzay ve zamana dilimlemek, yalnızca yararlı bir insan geleneğidir.
Göreliliğin anlaşılması zor bir üne sahip olmasının başlıca nedenlerinden biri, sezgilerimizin bizi uzay ve zamanı ayrı şeyler olarak düşünmeye eğitmesidir. Nesneleri "uzayda" bir kapsama sahip olarak deneyimliyoruz ve bu oldukça nesnel bir gerçek gibi görünüyor. Nihayetinde bu bizim için yeterlidir çünkü genellikle uzayda ışık hızından çok daha düşük hızlarda seyahat ederiz, dolayısıyla görelilik öncesi fizik çalışır.
Ancak sezgi ve teori arasındaki bu uyumsuzluk, uzay-zaman perspektifine geçişi biraz korkutucu kılıyor. Daha da kötüsü, görelilik sunumları genellikle aşağıdan yukarıya bir yaklaşım benimser - gündelik uzay ve zaman kavramlarımızla başlarlar ve onları yeni görelilik bağlamında değiştirirler.
Biraz farklı olacağız. Özel göreliliğe giden yolumuz, birleşik bir uzay-zaman fikrini baştan ciddiye alarak ve bunun ne anlama geldiğini görerek yukarıdan aşağıya olarak düşünülebilir. Beynimizi biraz esnetmemiz gerekecek, ancak sonuç, evrenimize ilişkin göreli bakış açısına dair çok daha derin bir anlayış olacaktır.
Göreliliğin gelişimi genellikle Albert Einstein'a atfedilir, ancak James Clerk Maxwell'in 1860'larda elektrik ve manyetizmayı tek bir elektromanyetizma teorisinde birleştirmesinden bu yana yapım aşamasında olan teorik bir yapı için temel taşı sağladı. Maxwell'in teorisi, ışığın ne olduğunu açıkladı - elektromanyetik alanlarda salınan bir dalga - ve ışığın hareket etme hızına özel bir önem veriyor gibiydi. Tek başına var olan bir alan fikri, o zamanlar bilim adamları için tamamen sezgisel değildi ve bir ışık dalgasında gerçekte neyin "sallandığını" merak etmek doğaldı.
Çeşitli fizikçiler, ışığın ışık saçan eter adını verdikleri bir ortamda yayılma olasılığını araştırdılar. Ancak hiç kimse böyle bir eter için kanıt bulamadı, bu yüzden bu maddenin neden tespit edilemez olması gerektiğine dair giderek daha karmaşık nedenler icat etmek zorunda kaldılar. Einstein'ın 1905'teki katkısı, etherin tamamen gereksiz hale geldiğine ve fizik yasalarını onsuz daha iyi anlayabileceğimize işaret etmekti. Tek yapmamız gereken, tamamen yeni bir uzay ve zaman kavramını kabul etmekti. (Tamam, bu çok fazla, ama buna tamamen değdiği ortaya çıktı.)
Einstein'ın teorisi, özel görelilik teorisi veya sadece özel görelilik olarak bilinir hale geldi. Temel makalesinde, “Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine”, uzunluk ve süre hakkında yeni düşünme yolları için tartıştı. Işık hızının özel rolünü, evrende mutlak bir hız sınırı olduğunu - ışığın boş uzayda hareket ederken hareket ettiği bir hız - olduğunu ve herkesin bu hızı aynı olarak ölçeceğini öne sürerek açıkladı. nasıl hareket ettikleri önemli değil. Bunu başarmak için geleneksel zaman ve uzay kavramlarımızı değiştirmek zorunda kaldı.
Ancak uzay ve zamanı tek bir birleşik uzay-zamanda birleştirmeyi savunacak kadar ileri gitmedi. Bu adım, 20. yüzyılın başlarında eski üniversite profesörü Hermann Minkowski'ye bırakıldı. Özel görelilik arenası bugün Minkowski uzay-zaman olarak biliniyor.
Uzay-zamanı birleşik bir dört boyutlu süreklilik olarak düşünme fikrine sahip olduğunuzda, onun şekli hakkında sorular sormaya başlayabilirsiniz. Uzay-zaman düz mü yoksa eğri mi, statik mi yoksa dinamik mi, sonlu mu yoksa sonsuz mu? Minkowski uzay-zaman düz, statik ve sonsuzdur.
Einstein, yerçekimi kuvvetinin teorisine nasıl dahil edilebileceğini anlamak için on yıl çalıştı. Nihai buluşu, uzay-zamanın dinamik ve eğri olabileceğini ve bu eğriliğin etkilerinin sizin ve benim "yerçekimi" olarak deneyimlediğimiz şey olduğunu anlamaktı. Bu ilhamın meyveleri, şimdi genel görelilik dediğimiz şeydir.
Yani özel görelilik, yerçekimi olmayan sabit, düz bir uzay-zaman teorisidir; genel görelilik, eğriliğin yerçekimine yol açtığı dinamik uzay-zaman teorisidir. Newton mekaniğinin bazı ilkelerinin yerini alsalar da her ikisi de "klasik" teoriler olarak kabul edilir. Fizikçiler için klasik, “göreceli olmayan” anlamına gelmez; "kuantum olmayan" anlamına gelir. Klasik fiziğin tüm ilkeleri, göreli bağlamda tamamen bozulmamıştır.
Uzay ve zamanın ayrılığına yönelik görelilik öncesi tutkumuzu bırakmaya ve onların birleşik uzay-zaman arenasında erimelerine izin vermeye istekli olmalıyız. Oraya ulaşmanın en iyi yolu, “zaman” ile ne demek istediğimizi daha dikkatli düşünmektir. Ve bunu yapmanın en iyi yolu, uzay hakkında nasıl düşündüğümüze bir kez daha geri dönmek.
Eviniz ve en sevdiğiniz restoran gibi uzayda iki yer düşünün. Aralarındaki mesafe nedir?
Bu duruma göre değişir, hemen düşünürsünüz. İki nokta arasında mükemmel bir düz çizgi izlediğimizi hayal edebilseydik, "kuş uçtukça" bir mesafe vardır. Ancak, belki de halka açık sokakları ve kaldırımları kullanmak, yol boyunca binalardan ve diğer engellerden kaçınmakla sınırlı olduğunuz bir gerçek dünya yolculuğunda kat edeceğiniz mesafe de vardır. Düz bir çizgi iki nokta arasındaki en kısa mesafe olduğundan, izlediğiniz rota her zaman kuş uçuşu mesafesinden daha uzun olacaktır.
Şimdi uzay-zamandaki iki olayı ele alalım. Görelilik teorisinin teknik jargonunda, bir "olay", hem uzayda hem de zamandaki konumlarla belirtilen evrende yalnızca tek bir noktadır. Bir olay, buna A deyin, "evde 6'de" olabilir ve B olayı "7'de restoranda" olabilir Bu iki olayı aklınızda tutun ve A ile B arasında bir yolculuk düşünün. B'ye daha erken ulaşmak için acele edemez; Restorana 6:45'te varırsanız, B olarak etiketlediğimiz uzay-zamandaki etkinliğe ulaşmak için oturup saat 7'ye kadar beklemeniz gerekecek.
Şimdi ev ile restoran arasındaki uzamsal mesafe için yaptığımız gibi, bu iki olay arasında ne kadar zaman geçtiğini kendimize sorabiliriz.
Bunun hileli bir soru olduğunu düşünebilirsiniz. Bir etkinlik 6'de diğeri 7'da ise aralarında bir saat var, değil mi?
O kadar hızlı değil, diyor Einstein. Eskimiş, Newtoncu bir dünya anlayışıyla, elbette. Zaman mutlak ve evrenseldir ve iki olay arasındaki süre bir saat ise söylenecek tek şey bu.
Görelilik farklı bir hikaye anlatır. Şimdi “zaman” ile ne kastedildiğine dair iki farklı kavram var. Bir zaman kavramı, uzay-zaman üzerinde bir koordinat gibidir. Uzay-zaman dört boyutlu bir sürekliliktir ve içindeki yerleri belirtmek istersek, içindeki her noktaya “zaman” adı verilen bir sayı eklemek uygun olur. “6:7” ve “7:XNUMX” deyince aklımıza genellikle bunlar gelir. Bunlar uzay-zaman üzerindeki bir koordinatın değerleridir, olayları bulmamıza yardımcı olan etiketlerdir. “Restoranda akşam XNUMX'de buluşalım” dediğimizde ne demek istediğimizi herkesin anlaması gerekiyor.
Ancak görelilik, kuş uçuşu mesafesinin uzayda iki nokta arasında gerçekte seyahat ettiğiniz mesafeden genel olarak farklı olması gibi, genel olarak deneyimlediğiniz zaman süresi evrensel koordinat zamanı ile aynı olmayacaktır. Yolculukta yanınızda taşıdığınız bir saatle ölçülebilecek bir süre yaşarsınız. Bu, yol boyunca uygun zamandır. Ve bir saat tarafından ölçülen süre, tıpkı arabanızdaki kilometre sayacı tarafından ölçülen katedilen mesafe gibi, gittiğiniz yola bağlı olacaktır.
Bu, “zaman görecelidir” demenin bir yönüdür. Hem uzay-zaman üzerindeki bir koordinat açısından ortak bir zaman hem de yolumuz boyunca bireysel olarak deneyimlediğimiz kişisel bir zaman hakkında düşünebiliriz. Ve zaman uzay gibidir - bu iki kavramın çakışması gerekmez. (Tarihçi Peter Galison'un işaret ettiği gibi, hızlı tren yolculuğunun Avrupalıları kıtadaki diğer şehirlerde saatin kaç olduğunu düşünmeye zorladığı bir zamanda Einstein'ın bir İsviçre patent ofisinde çalışması tesadüf değildir, böylece bina daha iyi inşa edilebilirdi. saatler önemli bir teknolojik sınır haline geldi.)
Yine de, zamanın uzay gibi olmadığı bir yol olmalı, aksi takdirde zamanı kendi etiketine layık olarak seçmek yerine sadece dört boyutlu uzaydan bahsederdik. Ve burada zamanın okunu düşünmüyoruz - şu an için, entropi ve tersinmezliğin endişelenmemiz gereken şeyler olmadığı, birkaç hareketli parçası olan basit bir dünyadayız.
Aradaki fark şudur: Uzayda, düz bir çizgi iki nokta arasındaki en kısa mesafeyi tanımlar. Uzay-zamanda, aksine, düz bir yol, iki olay arasında geçen en uzun süreyi verir. Zamanı uzaydan ayıran şey, en kısa mesafeden en uzun zamana geçiştir.
Uzay-zamanda bir "düz yol" ile hem uzayda düz bir çizgiyi hem de sabit bir seyahat hızını kastediyoruz. Başka bir deyişle, ivmesi olmayan bir eylemsiz yörünge. Uzay-zamanda iki olayı düzeltin - uzayda iki konum ve zamanda karşılık gelen anlar. Bir yolcu, aralarındaki yolculuğu düz bir çizgide sabit hızda yapabilir (doğru zamanda varmaları için bu hız ne olursa olsun) veya eylemsiz olmayan bir yolda ileri geri zipleyebilir. İleri-geri rota, düz versiyona göre her zaman daha fazla uzaysal mesafe içerecek, ancak daha az uygun zaman geçmiş olacaktır.
Bu neden böyle? Çünkü fizik öyle diyor. Ya da isterseniz, çünkü evren böyledir. Belki sonunda bunun neden böyle olması gerektiğine dair daha derin bir nedeni ortaya çıkaracağız, ancak mevcut bilgi durumumuzda bu, daha derin ilkelerden çıkardığımız bir sonuç değil, fiziği üzerine inşa ettiğimiz temel varsayımlardan biridir. Uzaydaki düz çizgiler mümkün olan en kısa mesafedir; uzay-zamandaki düz yollar, mümkün olan en uzun zamandır.
Daha uzun mesafeli yolların daha az uygun zaman alması mantıksız görünebilir. Bu iyi. Sezgisel olsaydı, fikri ortaya atmak için Einstein olmanıza gerek kalmazdı.
Dan uyarlandı Evrendeki En Büyük Fikirler Sean Carroll tarafından, Penguin Random House LLC'nin bir bölümü olan Penguin Publishing Group'un bir baskısı olan Dutton'ın izniyle. Telif hakkı © 2022 Sean Carroll'a aittir.
