Kapitel 2

Afsnit 3: Einsteins Absolut Rumtid

Ligesom Newtons model, fremkalder Einsteins model af den fysiske virkelighed en absolut benchmark, en ultimativ referenceramme i Nature han kaldte absolut rumtiden. [7] Derfor Ifølge almen relativitet, en spand i et ellers tomt univers kan fremskynde eller spinning. Rumtid giver henvisning, som vi kan definere denne acceleration på grund af den intime sammenhæng det forestiller mellem bevægelse gennem rummet og bevægelse gennem tiden.

Hvis et objekt bevæger sig gennem rumtiden på en konsistent uforanderlig måde, er det ikke accelererende. Men, hvis et objekt ændrer dens bevægelse gennem rumtid - ved at ændre sin retning, eller dets hastighed - så objektet er accelereret. Da enhver ændring i et objekts oplevelse af tid kræver en ændring i sin oplevelse af rum, og omvendt, rumtiden er benchmark for acceleration. Det er hvert objekt konstant bevægelse gennem rumtiden, der gør rumtiden den ultimative referenceramme - mindst makroskopisk. Dette er grunden til Einstein mærket det absolut benchmark 'absolut rumtiden. "

For at gøre dette til en lidt klarere, overveje følgende: hvert objekt kan bevæge sig gennem tid og rum, men dens samlede bevægelse gennem tid og rum er altid lig med lysets hastighed (c). Ved de to ender af spektret en genstand kan bevæge kun gennem rummet, er det hvorved ikke frem gennem tid overhovedet, eller kun gennem tid, hvor ikke videre gennem rummet overhovedet.

Einsteins begreb absolut rumtiden er en klar forbedring i forhold til Newtons absolutte rum, men det kan ikke være hele svaret, fordi det ikke afsløre, hvorfor andre foranstaltninger i naturen er strengt relationel. Det giver os en ultimativ referenceramme (en rumtid felt på nul krumning), men strukturen af ​​denne referenceramme ikke give os en forklaring på, hvorfor position, hastighed, etc. er relationelle mængder.

Det er så langt, som vi er kommet i vores stræben efter at opdage naturens ultimative referenceramme. Vi er stadig med en komplet geometrisk beskrivelse af rumtiden - en der er i stand til samtidigt at forsyne os med en reference, der definerer acceleration, og forklare hvorfor relationelle foranstaltninger (position, hastighed, etc.) er ikke entydigt fastsættes af denne referenceramme. At gå længere vi nødt til at forstå langt mere om de ting, vi kalder rumtid, end vi i øjeblikket gør. Vi har konstateret, at rumtiden er noget, men hvad er det? Rummet er en del af det, tiden er en del af det, slår sig og krusninger er nogle af dets egenskaber, og det konstruerer angivelse, hvorved accelerationen får sin betydning. Men hvad er det, vi kalder rumtid? Hvordan skal vi helt kortlægge eller forstå det? Hvorfor er det, at denne rumtiden ikke strengt definere ting som position og hastighed?

Mens vi overveje, hvad rumtiden er, lad os diskutere nogle af de fingerpeg om rum og tid, der er blevet opdaget for nylig. (Svar på spørgsmålene i dette kapitel kræve en introduktion til vores nye model af rumtiden De kan findes efter, at indførelsen -.. Se kapitel 10)

Moderne spor for en Ultimate referenceramme

Kvantefysik har konstateret, at ultramicroscopic rige er gennemtrængt af quantum rystesyge. Hvad betyder det? Nå, det sædvanlige svar tendens til også at omfatte tale om områder og / eller vacuumfluktuationerne, som begge synes at undgå en grafisk forklaring ved at besvare med vilkårene lige så forvirrende. Dette er ikke gjort med nogen hensigt til at vildlede. Sandheden er, at et fuldstændigt billede af rumtidens stadig mangler, så enhver snak om kvante rystesyge (eller nogen af ​​de andre kvantemekaniske hændelser) tendens til at være teknisk eller matematisk. Alligevel kan disse observationer tjene som glimt ind i strukturen af ​​rumtiden. De kan give os fingerpeg om, hvordan strukturen af ​​rumtiden skal være - spor, der vil hjælpe os i vores mål om opførelse af et komplet kort.

Hendrik Casimir planlagt en af ​​disse spor. Han forudsagde, at to ikke-ladede metalplader (eller spejl) vil bevæge sig mod hinanden, når de placeres i et vakuum, og er anbragt parallelt med hinanden. Idet tyngdekraften mellem disse to plader er alt for svag til at forklare denne bevægelse og intet andet end rum er inkluderet i systemet, denne effekt er meget interessant.

At forklare denne bevægelse Casimir foreslået, at kvantefluktuationer selve rummet er analoge til et tryk forårsaget af de kombinerede bevægelser af mange molekyler. Baseret på denne antagelse, viste han, at når de to plader er placeret meget tæt på hinanden 'molekylære presset "af rummet skal falde lidt mellem pladerne på grund af de respektive forskelle i' molekylær bevægelse 'i og uden pladerne. (Figur 2-6) Med andre ord, hvis rumtiden virkelig er en form for forbindelse tryk, skal de to plader vil blive "skubbes" sammen, fordi kun partikler med en bølgelængde / energi [8] er mindre end mellemrummet mellem pladerne kan være i mellemrummet, partikler af enhver bølgelængde / energi henviser kan være på ydersiden af ​​pladerne. Resultatet er, at der er flere partikler presser pladerne sammen for at presse dem fra hinanden. På grund af dette, kollidere pladerne sammen som et par små bækkener. Eller med andre ord, ender i systemet op med mindre afstand mellem pladerne. Casimir hævdede, at interaktiv geometri af rummet i sig selv ville medføre denne bevægelse. Vi har nu henvise til det som Casimir-effekten.

[Figur PLACEHOLDER]

Figur 2-6 Den Casimir Effect.

Selv Casimir lavede denne forudsigelse i 1948, udstyr følsom nok til at måle denne effekt var ikke teknologisk tilgængelige indtil 1996. I løbet af dette tidsrum blev Casimir forudsigelse generelt antages at være bare en særhed af matematik. Så, i 1997 Steve Lamoreaux produceret en overbevisende demonstration af effekten. [9] I dag, "beskæftiger sig med Casimir virkningen er blevet en hastesag for nanoteknologer." (Saswato Das, 2008) Den Casimir virkningen stærkt argumenterer for, at kvantefeltteorier rystesyge er resultatet af samspillet mellem nogle teoretiske 'molekyler' eller 'atomer', som en eller anden måde komponere mediet af plads. [10]

Hvorfor er dette vigtigt? Når vi undersøge det mikroskopiske område, opdager vi, at rumtiden mister sin funktion som den ultimative referenceramme. Dette er et væsentligt problem, for hvis vi ikke længere har en ultimativ referenceramme, så alle de spørgsmål, der blev indført ved Newtons spand bliver ubesvaret igen. Indtil vi kan finde en ultimativ referenceramme, som ikke opløses på mikroskopiske skalaer, vil vi forblive i denne sky af forvirring. Det er derfor, det er vigtigt for os at studere de spor, den mikroskopiske verden kan tilbyde. Hvis vi kan bruge dem til at skildre et nyt billede af naturen, så det billede skal selvfølgelig afsløre ultimative referenceramme. Den klarhed, der ville komme fra en sådan sammenhængende teori er, hvad vi er ude efter.

Einsteins vision af menneskets transcendens kræver, at vi accepterer intet mindre end en teori, der giver en helt sammenhængende redegørelse for de enkelte fænomener. Arbejde hen imod en sådan teori kræver, at vi bliver bekendt med alle de unikke fænomener i naturen, der kræver forklaring, og at vi aktivt undersøge disse fænomener. Hver uforklarlig hændelse fortæller os noget om manglerne i vores eksisterende fragmentariske kort (eller beskrivelser) af fysiske virkelighed. De fleste af disse spor peger i retning af behovet for strengere kontrol af mikroskopiske område. Det er her vores uforklarlige mysterier stammer, og det er her vi finder vores mest værdifulde spor, som at omskrive en rigere, komplet kort over den fysiske virkelighed. Lad os undersøge nogle flere af disse spor.

I 2005 viste Theodore A. Jacobson og Renaud Parentani at "udbredelsen af ​​lyd i en ujævn væskestrøm er tæt svarer til udbredelsen af ​​lys i en krumme rum-tid." Dette arbejde tyder på, at "rumtiden kan, som et materiale væske være granulært og har en foretrukken referenceramme, der manifesterer sig på fine skalaer ... "(Jacobson og Parentani 2005, 70) Yderligere støtte for denne slutning kommer fra Stephen Hawking berømte argument om, at sorte huller ikke er virkelig sort. Tilbage i 1970'erne Hawking forudsagt, at sorte huller udsender varmestråling, men relativitetsteori kræver, at enhver stråling fra overfladen af ​​et sort hul vil blive uendeligt spændt, da det breder sig - gør det umuligt at måle. Denne uendelige strækker forudsætter, at rumtiden er uendeligt delelig. Men hvis vi behandler rumtiden som kornet, så vi kan afbilde det som et flydende system. Når vi gør det, "Den flydende molekylære struktur, afskærer det uendelige strække og erstatter de mikroskopiske mysterier rumtidens af kendte fysik." (Jacobson og Parentani 2005, 70)

Denne tilgang vil understøtte Hawkings påstand, men hidtil ingen er kommet op med en ramme for fysisk realitet, der viser en kornet struktur for rumtiden. En af grundene til dette kan være, at en sådan ramme bør være, hvad fysikerne kalder en baggrund selvstændig formulering. Det betyder, at rammen ikke kan forudsætte udsving i kvantefelter, eller de vibrationer af strengteori, at blive hængende i rumtiden. I stedet er denne formulering skal forklare kvantevirkninger som følge af interaktioner inden for en spaceless og tidløst rammer. Pr. definition dette krav kun kan opfyldes på en højere dimensional model, men til dato har højere-dimensionelle modeller undslap intuitiv afbildningen.

En anden ledetråd, vi har om det mikroskopiske område er, at teoretiske minimum diskrete værdier for tid og rum eksisterer. [11] Hvis vi fortsætter med at opdele et område af rummet, eller et interval af tid, vil vi i sidste ende nå frem til en skala, hvor yderligere opdeling af disse parametre giver meningsløse resultater. Rummet kan ikke opdeles i enheder mindre end Planck længden (l _p), fordi under denne størrelse selve rummet bevarer ingen definition. Ligeledes, kan tiden ikke opdeles i enheder mindre end Planck tid (t _p), fordi dimension af tid, ikke bevarer definition ud over denne skala.

I dag er der et væld af dokumentation for den fysiske tilstedeværelse af disse minimumsgrænser. Planck konstanter er universelt accepterede værdier i formuleringen af ​​kvantemekanikken. Den svenske matematiker Oskar Klein oprindeligt plukket Planck længden i 1926 som en unik værdi, fordi det er den eneste længde, som kunne naturligvis vises i en kvanteteori for gravitation. Eftersom tyngdekraftsdræning direkte forbundet til formen af ​​rummet, idet denne værdi var en nødvendig betingelse. Planck tid er en unik værdi, fordi det er den eneste værdi, der kan kombineres med Planck længde til opnåelse C, hastigheden rumtidens - ellers kendt som hastigheden af lys.

Eksistensen af ​​disse Planck værdier begrænser alle foranstaltninger i afstand og tid til at hele antal multipla af Planck enheder. I rummet to objekter kan være en afstand af 77 Planck længder fra hinanden, men de kan ikke være 77,5 Planck længden enheder fra hinanden. To begivenheder kan forekomme 33 Planck tidsenheder fra hinanden, men de kan ikke forekomme 33,5 Planck tidsenheder (chronons) fra hinanden.

Alle disse spor fører til ideen at rumtiden er en væske, - at den har en granulær struktur. Dette punkt fortjener nogle drøvtygning, da denne betingelse teknisk kræver bogstavelig fysiske tilstedeværelse af ekstra dimensioner. Det betyder, at den fulde kort over Naturen skal være dimensionelt rigere, end vi har antaget. Hvis vi finde ud af at forstå og udforske disse dimensioner en helt ny verden måske åbne op for os. Men før vi overhovedet kan begynde at forstå, eller udforske ukendte dimensioner, er det relevant, at vi forstår præcis, hvad en dimension er. Derfor vender vi os nu til at definere og undersøge, hvad fysikere mener med "dimensioner." I sidste ende, vil det være vores forståelse af dimensioner, der bestemmer vores ny overskrift. At lære at læse legenden om vores nye kort (hvordan man skal forstå de dimensioner i dette kort) vil gøre det muligt for os endelig at løse de mysterier afsløret af Newton og hans spand.

[Fortsæt til kapitel tre]

Fra den kommende bog:

Einsteins Intuition
af Thad Roberts

Repræsenteret af
Sam Fleishman
Litterære Kunstnere Repræsentanter
New York, New York

BEMÆRKNINGER:

[1] "Luk dig op med nogle venner i de vigtigste kabinen under dæk på nogle store skib, og har med dig de samme fluer, sommerfugle, og andre små flyvende dyr. Har en stor skål vand med nogle fisk i det, hænge en flaske, der tømmer dråbe for dråbe i et stort fartøj under den. Med skibet står stille, observere nøje, hvordan de små dyr flyve med samme hastigheder til alle sider af kabinen, og i at smide noget til din ven, skal du smide det ikke stærkere i nogle retninger end en anden, afstandene lige; hoppe med fødderne sammen, du passerer lige rum i hver retning. Når du har fået alle disse ting grundigt, har skibet fortsætter med en hastighed, du vil, så længe bevægelsen er ensartet og ikke svingende frem og tilbage. Du vil opdage ikke mindst forandringer i alle de nævnte effekter, kunne heller ikke fortælle fra nogen af ​​dem, om skibet var på vej eller stå stille. "Galileo Galilei, dialog om de to ledende Verdens Systems, 1632, oversat af Stillman Drake, s. . 186, Walter Isaacson, Einstein, s. 108-9.

[2] Kip Thorne, 1979, citat fra Einstein af Walter Isaacson, s.. 133.

[3] al-Farabi, 1951, 'Farabi' s artikel om Vacuum, "N. Lugal og A. Sayili (red. og trans.), Ankara: tyrker Tarih Kurumu Basimevi.

[4] Isaac Newton, Principia, Scholium på absolut rum og tid Florian Cajori, trans, Berkeley:. University of California Press, 1934; genoptrykt i den videnskabelige baggrund for moderne filosofi, redigeret af Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis / Cambridge, 1989, pp. 139-146: Cohen, I. Bernard. Den newtonsk Revolution. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Et portræt af Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S.Never på Rest: En Biografi af Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

[5] Leibniz sagde: "Jeg holder plads til at være noget blot relativ, som tiden er ... jeg holder det for at være en ordre på coexistences, som tiden er en rækkefølge af arvesager." HG Alexander, 'The Leibniz-Clarke Korrespondance,' Manchester University Press (1956), 3. papir, § 4, Olaf Tørretumbler "Relationelle Fysik og Quantum Space, arXivig -qc/0404054v1, April 13, 2004.

[6] selvfølgelig et univers, der kun indeholder en spand vand kunne ikke besidder nok tyngdekraften, som for at holde vandet fra flyde væk. Så i dette tilfælde, da vi mener at diskutere acceleration i almindelighed, forestille sig, i stedet, at du blev placeret inde i en stor spand. Hvis spanden blev spinding du ville føle et træk mod sin uden kant. Mach krav er, at uden en anden reference, som til at definere spinding af spanden ikke kan dreje. Derfor, i dette synspunkt, er det umuligt i et ellers tomt univers, at føle et træk mod væggene af spanden.

[7] Ironisk nok, Einstein begyndte sin intellektuelle bestræbelse ved at forsøge at bevise, at Mach var korrekt i sit relationelle tilgang.

[8] i kvantemekanik alt har en partikel-bølge dualitet. Alt har derfor en tilhørende bølgelængde.

[9] Udgivelsen af denne demonstration kan findes på - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5

[10] Selv uden Casimir virkning som en forklaring vakuum energi vil stadig have en gyldig og sikker krav gennem veletablerede fænomen kendt som Lamb-skiftet. Den slutning går sådan her: Da forudsigelser for de bølgelængder af lys absorberes og udsendes af molekyler (som kun passer til observation, hvis fysikerne antager, at vibrerende molekyler indeholder nulpunkt energi) kan udvides til at forklare, hvordan "vakuumsvingninger ændre de frekvenser af lys, brint atomer absorberer og udsender, "zero-point energi skal være forbundet med vakuumsvingninger. Den "samme grundlæggende teori, der arbejder for molekyler, siger, at det tomrum, der indeholder nulpunktsenergi også, er der ingen grund til at tro andet." (David Shiga, "noget for ingenting," New Scientist, oktober 2005:. 34-37)

[11] Disse værdier kaldes Planck længde (l _p), og Planck (t _p). Der findes også et minimum diskret værdi for masse kaldet Planck masse (m _p), Planck ladning (q _p), og Planck temperatur (T _p).

l _P = 1.616252 (81) "10 til ³⁵ m

t _P = 5,39124 (11) »10 til ⁴⁴ s

m _P = 2,17644 (11) «10 - ⁸ kg

_{q p} = 1,875545870 (47) x 10 ^-18 C

_Tp = 1.416785 (71) x 10 ³² K

(Kursiv cifre er teoretisk.)

Hvis vi fortolker mediet af rumtiden som en molekylær eller atomar sammensat, så disse parametre kan let forstås som de fysiske værdier, der relaterer sig til den enkeltes molekyler 'eller' atomer 'af dette medie. Støtte til denne fortolkning kommer fra det faktum, at de konstanter af almen relativitet og kvantemekanik er naturlige derivater af disse grundlæggende konstanter.

De primære konstanter generelle relativitetsteori og kvantemekanik er:

(C er den karakteristiske hastighed rumtiden, i daglig tale kaldet lysets hastighed, er Plancks konstant, og G er gravitationskonstanten,.)

Disse konstanter kan afledes fra de grundlæggende konstanter rummet Quanta på følgende måde:

l _P / t _P = c, l _P ³ / m _P t _P ² = G, m _P l _P ² / t _P = H

Arbejde baglæns vi kan løse for l _p, m _p og t _p i forhold til de generelle relativistisk og kvantemekanisk konstanter (målte værdier) på denne måde:

l _P = O Hg / c ^3, T _P = O Hg / C ^5, m _P = O HC / G

Der er mange andre af naturens konstanter, der vises alle i hele fysik, kemi, elektronik osv., der også vise sig at være naturlige kompositter af Planck parametre. For eksempel: magnetiske konstant (μ _0), den elektriske konstant (ε _0), Boltzmann konstant (k), og den karakteristiske impedans af vakuum (Z _0). Vi vil diskutere disse relationer, og flere andre, mere detaljeret i kapitel 16.