Introducere
În fizica newtoniană, spațiul și timpul aveau identitățile lor independente și nimeni nu le-a amestecat niciodată. Odată cu teoria relativității, reunită la începutul secolului al XX-lea, vorbirea despre spațiu-timp a devenit aproape inevitabil. În relativitate, nu mai este adevărat că spațiul și timpul au semnificații separate, obiective. Ceea ce există cu adevărat este spațiu-timp, iar tăierea lui în spațiu și timp este doar o convenție umană utilă.
Unul dintre motivele majore pentru care relativitatea are reputația de a fi greu de înțeles este că intuițiile noastre ne antrenează să gândim spațiul și timpul ca lucruri separate. Experimentăm obiectele ca având întindere în „spațiu” și acesta pare a fi un fapt destul de obiectiv. În cele din urmă, ne este suficient pentru că în general călătorim prin spațiu cu viteze mult mai mici decât viteza luminii, așa că fizica pre-relatistă funcționează.
Dar această nepotrivire între intuiție și teorie face saltul către o perspectivă spațiu-timp oarecum intimidant. Mai rău, prezentările relativității au adesea o abordare de jos în sus - ele încep cu concepțiile noastre de zi cu zi despre spațiu și timp și le modifică în noul context al relativității.
Vom fi puțin diferiți. Drumul nostru către relativitatea specială ar putea fi considerat de sus în jos, luând în serios ideea unui spațiu-timp unificat de la început și văzând ce implică asta. Va trebui să ne întindem puțin creierul, dar rezultatul va fi o înțelegere mult mai profundă a perspectivei relativiste asupra universului nostru.
Dezvoltarea relativității este de obicei atribuită lui Albert Einstein, dar el a oferit piatra de temelie pentru un edificiu teoretic care fusese în construcție de când James Clerk Maxwell a unificat electricitatea și magnetismul într-o singură teorie a electromagnetismului în anii 1860. Teoria lui Maxwell a explicat ce este lumina – o undă oscilantă în câmpuri electromagnetice – și părea să acorde o semnificație specială vitezei cu care se deplasează lumina. Ideea unui domeniu care să existe de la sine nu era complet intuitivă pentru oamenii de știință de la acea vreme și era firesc să ne întrebăm ce „flutură” de fapt într-o undă luminoasă.
Diferiți fizicieni au investigat posibilitatea ca lumina să se propagă printr-un mediu pe care l-au numit eterul luminifer. Dar nimeni nu a putut găsi dovezi pentru un astfel de eter, așa că au fost forțați să inventeze motive din ce în ce mai complicate pentru care această substanță ar trebui să fie nedetectabilă. Contribuția lui Einstein în 1905 a fost să sublinieze că eterul devenise complet inutil și că am putea înțelege mai bine legile fizicii fără el. Tot ce trebuia să facem a fost să acceptăm o concepție complet nouă despre spațiu și timp. (OK, sunt multe, dar s-a dovedit a merita pe deplin.)
Teoria lui Einstein a ajuns să fie cunoscută sub numele de teoria relativității speciale, sau pur și simplu relativitatea specială. În lucrarea sa de bază, „Despre electrodinamica corpurilor în mișcare”, a susținut el pentru noi moduri de a gândi despre lungime și durată. El a explicat rolul special al vitezei luminii postulând că există o limită de viteză absolută în univers - o viteză la care lumina se întâmplă să călătorească atunci când se deplasează prin spațiul gol - și că toată lumea ar măsura acea viteză ca fiind aceeași, indiferent cum se mișcau. Pentru ca acest lucru să funcționeze, a trebuit să modifice noțiunile noastre convenționale despre timp și spațiu.
Dar el nu a mers atât de departe încât să susțină unirea spațiului și timpului într-un singur spațiu-timp unificat. Acest pas a fost lăsat fostului său profesor universitar, Hermann Minkowski, la începutul secolului al XX-lea. Arena relativității speciale este astăzi cunoscută sub numele de spațiu-timp Minkowski.
Odată ce aveți ideea de a gândi spațiul-timp ca un continuum unificat cu patru dimensiuni, puteți începe să puneți întrebări despre forma lui. Este spațiu-timp plat sau curbat, static sau dinamic, finit sau infinit? Minkowski spațiu-timp este plat, static și infinit.
Einstein a lucrat timp de un deceniu pentru a înțelege cum ar putea fi încorporată forța gravitației în teoria sa. Eventuala lui descoperire a fost să realizeze că spațiu-timp ar putea fi dinamic și curbat și că efectele acelei curburi sunt ceea ce noi și tu experimentăm ca „gravitație”. Fructele acestei inspirații sunt ceea ce numim acum relativitate generală.
Deci relativitatea specială este teoria unui spațiu-timp fix, plat, fără gravitație; relativitatea generală este teoria spațiu-timp dinamic, în care curbura dă naștere gravitației. Ambele sunt considerate teorii „clasice”, chiar dacă înlocuiesc unele dintre principiile mecanicii newtoniene. Pentru fizicieni, clasic nu înseamnă „non-relativist”; Înseamnă „non-quantum”. Toate principiile fizicii clasice sunt pe deplin intacte în contextul relativist.
Ar trebui să fim dispuși să renunțăm la pasiunea noastră pre-relativă pentru separarea spațiului și timpului și să le permitem să se dizolve în arena unificată a spațiului-timp. Cel mai bun mod de a ajunge acolo este să ne gândim și mai atent la ceea ce înțelegem prin „timp”. Și cel mai bun mod de a face asta este să ne întoarcem, încă o dată, la modul în care gândim despre spațiu.
Luați în considerare două locații în spațiu, cum ar fi casa și restaurantul preferat. Care este distanța dintre ei?
Ei bine, asta depinde, te gândești imediat. Există distanța „în aer liber”, dacă ne-am putea imagina că luăm o cale perfect dreaptă între cele două puncte. Dar există și distanța pe care ați parcurge-o într-o călătorie în lumea reală, în care poate vă limitați la a merge pe străzile publice și pe trotuare, evitând clădirile și alte obstacole de-a lungul drumului. Traseul pe care îl parcurgeți va fi întotdeauna mai lung decât distanța în avion, deoarece o linie dreaptă este cea mai scurtă distanță dintre două puncte.
Acum luați în considerare două evenimente în spațiu-timp. În jargonul tehnic al teoriei relativității, un „eveniment” este doar un singur punct din univers, specificat de locații atât în spațiu, cât și în timp. Un eveniment, numit-l A, ar putea fi „acasă la ora 6”, iar evenimentul B ar putea fi „la restaurant la ora 7”. Păstrați aceste două evenimente fixe în minte și gândiți-vă la o călătorie între A și B. Nu mă pot grăbi să ajung la B mai devreme; dacă ajungeți la restaurant la 6:45, va trebui să stați și să așteptați până la ora 7 pentru a ajunge la evenimentul în spațiu-timp pe care l-am etichetat B.
Acum ne putem întreba, la fel cum am făcut pentru distanța spațială dintre casă și restaurant, cât timp trece între aceste două evenimente.
S-ar putea să credeți că aceasta este o întrebare șmecheră. Dacă un eveniment este la 6:7 și celălalt este la XNUMX:XNUMX, este o oră între ele, nu?
Nu atât de repede, spune Einstein. Într-o concepție învechită, newtoniană despre lume, sigur. Timpul este absolut și universal, iar dacă timpul dintre două evenimente este de o oră, asta este tot ce trebuie spus.
Relativitatea spune o poveste diferită. Acum există două noțiuni distincte despre ceea ce se înțelege prin „timp”. O noțiune de timp este ca o coordonată pe spațiu-timp. Spațiul-timp este un continuum cu patru dimensiuni și, dacă dorim să specificăm locații în cadrul acestuia, este convenabil să atașăm un număr numit „timpul” fiecărui punct din el. În general, asta avem în vedere când ne gândim la „6 pm” și „7 pm” Acestea sunt valori ale unei coordonate în spațiu-timp, etichete care ne ajută să localizăm evenimentele. Toată lumea ar trebui să înțeleagă la ce ne referim când spunem „ne întâlnim la restaurant la 7:XNUMX”
Dar, spune relativitatea, la fel cum distanța în avion este în general diferită de distanța pe care o parcurgeți de fapt între două puncte din spațiu, durata de timp pe care o experimentați în general nu va fi aceeași cu coordonatele universale de timp. Experimentați o perioadă de timp care poate fi măsurată de un ceas pe care îl porți cu tine în călătorie. Acesta este momentul potrivit de-a lungul căii. Iar durata măsurată de un ceas, la fel ca distanța parcursă măsurată de contorul de parcurs de pe mașină, va depinde de calea pe care o parcurgeți.
Acesta este un aspect al ceea ce înseamnă să spui că „timpul este relativ”. Ne putem gândi atât la un timp comun în termeni de coordonată pe spațiu-timp, cât și la un timp personal pe care îl experimentăm individual de-a lungul drumului nostru. Și timpul este ca spațiul - aceste două noțiuni nu trebuie să coincidă. (După cum a subliniat istoricul Peter Galison, nu este o coincidență faptul că Einstein a lucrat într-un birou de brevete elvețian într-un moment în care călătoriile rapide pe calea ferată îi forțau pe europeni să se gândească la ce oră era în alte orașe de pe continent, astfel încât să construiască mai bine. ceasurile au devenit o frontieră tehnologică importantă.)
Totuși, trebuie să existe un fel în care timpul nu este ca spațiul, altfel am vorbi doar despre spațiu cu patru dimensiuni, mai degrabă decât să identificăm timpul ca meritând propria etichetă. Și nu ne gândim la săgeata timpului aici - pentru moment, suntem într-o lume simplă, cu puține părți în mișcare, în care entropia și ireversibilitatea nu sunt lucruri pentru care trebuie să ne îngrijorăm.
Diferența este următoarea: în spațiu, o linie dreaptă descrie cea mai scurtă distanță dintre două puncte. În spațiu-timp, dimpotrivă, o cale dreaptă dă cel mai lung timp scurs între două evenimente. Este acea schimbare de la cea mai scurtă distanță la cea mai lungă perioadă de timp care distinge timpul de spațiu.
Prin „cale dreaptă” în spațiu-timp, înțelegem atât o linie dreaptă în spațiu, cât și o viteză constantă de deplasare. Cu alte cuvinte, o traiectorie inerțială, una fără accelerație. Fixați două evenimente în spațiu-timp - două locații în spațiu și momente corespunzătoare în timp. Un călător ar putea face călătoria între ei într-o linie dreaptă, cu o viteză constantă (indiferent de viteza necesară pentru ca ei să ajungă la momentul potrivit), sau ar putea să se deplaseze înainte și înapoi pe o cale non-inerțială. Traseul dus-întors va implica întotdeauna mai multă distanță spațială, dar mai puțin timp adecvat, decât versiunea dreaptă.
De ce este așa? Pentru că fizica spune asta. Sau, dacă preferați, pentru că așa este universul. Poate că în cele din urmă vom descoperi un motiv mai profund pentru care a trebuit să fie așa, dar în starea noastră actuală de cunoștințe este una dintre ipotezele de bază pe care construim fizica, nu o concluzie pe care o tragem din principii mai profunde. Liniile drepte în spațiu sunt distanța cea mai scurtă posibilă; căile drepte în spațiu-timp sunt cel mai lung timp posibil.
Ar putea părea contraintuitiv că căile de distanță mai mare necesită mai puțin timp. Asta e ok. Dacă ar fi intuitiv, nu ar fi fost nevoie să fii Einstein pentru a veni cu ideea.
Luat din Cele mai mari idei din univers de Sean Carroll, cu permisiunea lui Dutton, o amprentă a Penguin Publishing Group, o divizie a Penguin Random House LLC. Copyright © 2022 de Sean Carroll.
