Capítulo 2

Sección 3: espacio-tiempo absoluto de Einstein

Al igual que el modelo de Newton, el modelo de Einstein de la realidad física evoca una referencia absoluta, un marco de referencia fundamental en la naturaleza que llamó espacio-tiempo absoluto. [7] Por lo tanto, de acuerdo con la relatividad general, un cubo en un universo por lo demás vacía puede estar acelerando o girando. Espacio-tiempo proporciona la referencia por el cual podemos definir esta aceleración debido a la íntima correlación que representa entre el movimiento a través del espacio y el movimiento a través del tiempo.

Si un objeto viaja a través del espacio-tiempo de una manera inmutable consistente, entonces no se está acelerando. Sin embargo, si un objeto cambia su movimiento a través del espacio-tiempo - por cambiar su dirección o su velocidad - a continuación, el objeto se ha acelerado. Dado que cualquier cambio en la experiencia de un objeto de tiempo exige un cambio en su experiencia del espacio, y viceversa, el espacio-tiempo es el punto de referencia para la aceleración. Es un movimiento constante todos los objetos a través del espacio-tiempo que hace que el espacio-tiempo el marco de referencia absoluto - por lo menos macroscópicamente. Esta es la razón por Einstein marcado el punto de referencia absoluto "espacio-tiempo absoluto.

Para que esto sea un poco más clara, considere lo siguiente: todos los objetos pueden moverse a través del tiempo y el espacio, pero su movimiento combinado a través del tiempo y el espacio es siempre igual a la velocidad de la luz (c). En los dos extremos del espectro de un objeto se puede mover sólo a través del espacio, en el que no progresa a través del tiempo en absoluto, o sólo a través del tiempo, en el que no progresa a través del espacio en absoluto.

Concepto de Einstein de la absoluta espacio-tiempo es una clara mejora en el espacio absoluto de Newton, pero no puede ser la respuesta completa, ya que no revela por qué otras medidas de naturaleza estrictamente relacional. Nos da un marco de referencia absoluto (un campo espacio-tiempo de curvatura cero), pero la estructura de ese marco de referencia no nos da una explicación de por qué la posición, velocidad, etc cantidades relacional.

Esto es todo lo que hemos llegado en nuestra búsqueda para descubrir marco de referencia fundamental de la naturaleza. Todavía estamos con una completa descripción geométrica del espacio-tiempo - que es capaz de simultáneamente nos proporciona una referencia que define la aceleración, y explicar por qué las medidas de relación (posición, velocidad, etc) no son los únicos fijos en ese marco de referencia. Para ir más lejos tenemos que entender mucho más acerca de lo que llamamos espacio-tiempo de lo que en la actualidad. Hemos establecido que el espacio-tiempo es algo, pero ¿qué es? El espacio es parte de ella, el tiempo es parte de ella, las deformaciones y ondulaciones son algunas de sus propiedades, y construye la referencia por el cual la aceleración adquiere su significado. Pero, ¿qué es esta cosa que llamamos espacio-tiempo? ¿Cómo vamos a mapa completo o entenderlo? ¿Por qué es que este espacio-tiempo no se define estrictamente cosas como la posición y la velocidad?

Mientras reflexionamos sobre lo que es el espacio-tiempo, vamos a discutir algunas de las claves sobre el espacio y el tiempo que se han descubierto más recientemente. (Las respuestas a las preguntas planteadas en este capítulo requieren una introducción a nuestro nuevo modelo de espacio-tiempo Se pueden encontrar después de que la introducción -. Véase el capítulo 10.)

Las pistas modernas para un marco de referencia último

La física cuántica ha descubierto que el reino ultramicroscópicos está impregnada de nerviosismo cuántica. ¿Qué significa esto? Bueno, la respuesta habitual suele incluir hablar de los campos y / o las fluctuaciones del vacío, los cuales parecen evitar una explicación gráfica de responder con términos tan confuso. Esto no se hace con cualquier intención de engañar. La verdad es que una imagen completa del espacio-tiempo que aún falta, por lo que cualquier conversación acerca de nerviosismo cuántica (o cualquiera de las otras ocurrencias de la mecánica cuántica) tiende a ser de carácter técnico o matemático. Sin embargo, estas observaciones pueden servir como destellos en la estructura del espacio-tiempo. Que nos pueden dar pistas acerca de cómo la estructura del espacio-tiempo debe ser - las pistas que nos ayudarán en nuestro objetivo de construir un mapa completo.

Hendrik Casimir prevista una de esas pistas. Él predijo que dos placas metálicas sin carga (o espejos) se mueve uno hacia el otro cuando se colocan en el vacío y se disponen paralelas entre sí. Puesto que la fuerza gravitatoria entre estas dos placas es demasiado débil para explicar este movimiento, y nada más que el espacio está incluido en el sistema, este efecto es muy intrigante.

Para explicar este movimiento, Casimir sugirió que las fluctuaciones cuánticas del espacio en sí son análogos a una presión causada por los movimientos combinados de muchas moléculas. Con base en este supuesto, se demostró que cuando las dos placas se colocan muy cerca uno del otro la "presión molecular" del espacio debería disminuir ligeramente entre las placas debido a las diferencias respectivas en "movimiento molecular" dentro y fuera de las placas. (Figura 2-6) En otras palabras, si el espacio-tiempo realmente tiene algún tipo de presión asociada, las dos placas se "empuja" juntos, porque sólo las partículas con una longitud de onda / energía [8] más pequeña que la distancia entre las placas se pueden dentro de la brecha, mientras que las partículas de cualquier longitud de onda / energía puede ser en el exterior de las placas. El resultado es que hay más partículas de empujar las placas juntas de empujar a distancia. Debido a esto, las placas chocan entre sí como un par de platillos pequeños. O en otras palabras, el sistema termina con menos espacio entre las placas. Casimiro afirmó que la geometría interactiva del espacio mismo podría causar este movimiento. Ahora nos referimos a él como el efecto Casimir.

[FIGURA MARCADOR]

Figura 6.2 El Efecto Casimir.

A pesar de Casimir hizo esta predicción en 1948, lo suficiente como equipos sensibles para medir este efecto no era tecnológicamente disponible hasta 1996. Durante este lapso de tiempo, la predicción de Casimir se asumió que sólo una peculiaridad de las matemáticas. Luego, en 1997, Steve Lamoreaux producido una demostración convincente de los efectos. [9] Hoy en día, "relacionada con el efecto Casimir se ha convertido en un asunto de urgencia para la nanotecnología." (Saswato Das, 2008) El efecto Casimir fuerte sostiene que el nerviosismo del campo cuántico son el resultado de las interacciones de algunos teóricos "moléculas" o "átomos" que de alguna manera componen el medio del espacio. [10]

¿Por qué es importante esto? Cuando la sonda el ámbito microscópico, descubrimos que el espacio-tiempo pierde su función como marco de referencia definitivo. Este es un problema importante, porque si no tenemos un marco de referencia absoluto, entonces todas las preguntas introducidas por el cubo de Newton se ha convertido en nuevo sin respuesta. Hasta que podamos descubrir un marco de referencia absoluto que no se disuelve en la escala microscópica, nos mantendremos en esta nube de confusión. Es por esto que es importante para nosotros para estudiar las pistas que el reino microscópico puede ofrecer. Si podemos utilizar para representar una nueva imagen de la naturaleza, entonces esa foto, naturalmente, debe revelar el marco de referencia definitiva. La claridad que provienen de una teoría coherente es lo que estamos buscando.

La visión de Einstein de la trascendencia humana requiere que aceptar nada menos que una teoría que da cuenta por completo coherente de los fenómenos individuales. Trabajar hacia una teoría requiere que tomemos conciencia de todos los fenómenos únicos en la naturaleza que requieren una explicación y que activamente investigar esos fenómenos. Cada aparición inexplicable nos dice algo acerca de los defectos de nuestros mapas existentes fragmentaria (o descripciones) de la realidad física. La mayoría de los indicios apuntan hacia la necesidad de un escrutinio más estricto de la esfera microscópica. Aquí es donde se originan los grandes misterios, y es aquí donde nos encontraremos con nuestras pistas más valiosas por lo que volver a escribir una más rica, mapa completo de la realidad física. Vamos a investigar un poco más de las pistas.

En 2005, Theodore A. Jacobson y Parentani Renaud demostró que "la propagación del sonido en un fluido uniforme es muy similar a la propagación de la luz en un espacio-tiempo curvo." Este trabajo sugiere que el "espacio-tiempo puede, como un material fluido , se granular y poseen un marco de referencia preferido que se manifiesta a escalas muy bien ... "(Jacobson y Parentani 2005, 70) Seguir apoyando de esta deducción proviene el famoso argumento de Stephen Hawking de que los agujeros negro no son realmente negro. En los años 1970 Hawking predijo que los agujeros negro emiten radiación térmica, sino que exige la relatividad que cualquier radiación emitida desde la superficie de un agujero negro será infinitamente estira a medida que se propaga a distancia - por lo que es imposible de medir. Este estiramiento infinito asume que el espacio-tiempo es infinitamente divisible. Pero si tratamos el espacio-tiempo como granular, entonces podemos describir como un sistema de fluidos. Cuando hacemos esto, "la estructura molecular del fluido corta el estiramiento infinito y sustituye a los misterios microscópicos del espacio-tiempo de la física conocida." (Jacobson y Parentani 2005, 70)

Este enfoque permitiría apoyar la afirmación de Hawking, pero hasta ahora nadie ha llegado con un marco de realidad física que representa a una estructura granular de espacio-tiempo. Una razón para esto puede ser que dicho marco debe ser lo que los físicos llaman una formulación independiente de fondo. Esto significa que el marco no se puede presuponer las fluctuaciones de los campos cuánticos, o las vibraciones de la teoría de cuerdas, para ser pegado en el espacio-tiempo. En cambio, esta fórmula es necesaria para explicar los efectos cuánticos, como resultado de las interacciones dentro de un marco sin espacio y sin tiempo. Por definición, este requisito sólo puede cumplirse en un modelo de mayores dimensiones, pero hasta la fecha, los modelos de mayores dimensiones han escapado de la representación intuitiva.

Otra pista que tenemos sobre el campo microscópico es que los valores mínimos teóricos discretos para el espacio y el tiempo existen. [11] Si se siguen dividiendo a una región del espacio, o un intervalo de tiempo, al final llegaremos a una escala en la división de más de los parámetros de rendimiento de resultados sin sentido. El espacio no puede ser dividido en unidades más pequeñas que la longitud de Planck (l _p) por debajo de ese espacio de tamaño se conserva ninguna definición. Del mismo modo, el tiempo no puede ser dividido en unidades más pequeñas que el tiempo de Planck (t _p), porque la dimensión del tiempo no retiene la definición más allá de esa escala.

Hoy en día hay una gran cantidad de evidencia que apoya la existencia física de estos límites mínimos. Las constantes de Planck son universalmente aceptados los valores dentro de la formulación de la mecánica cuántica. El matemático sueco Oskar Klein escogió originalmente la longitud de Planck en el año 1926 como un valor único porque es la única longitud que, naturalmente, podría aparecer en una teoría cuántica de la gravedad. Ya que la gravedad está directamente conectado con la forma del espacio, este valor parece un requisito necesario. El tiempo de Planck es un valor único porque es el único valor que se puede combinar con la longitud de Planck para obtener c, la velocidad del espacio-tiempo - también conocida como la velocidad de la luz.

La existencia de estos valores Planck restringe todas las medidas de distancia y tiempo a múltiplos número total de las unidades de Planck. En el espacio de dos objetos pueden estar a una distancia de 77 longitudes de Planck aparte, pero no se puede 77,5 unidades de longitud de Planck aparte. Dos eventos pueden producirse 33 unidades de tiempo de Planck, aparte, pero no se puede producir 33,5 unidades de tiempo de Planck (cronones) de distancia.

Todos estos indicios llevan a la idea de que el espacio-tiempo es un líquido - que tiene una estructura granular. Este punto merece una reflexión, porque esta condición técnica requiere de la existencia física literal de las dimensiones adicionales. Esto significa que el mapa completo de la naturaleza debe ser de dimensiones más rico que hemos asumido. Si la manera de comprender y explorar las dimensiones de un campo totalmente nuevo podría abrirse para nosotros. Pero antes de que podamos empezar a comprender, o explorar, dimensiones desconocidas, es pertinente que entendemos exactamente lo que es una dimensión. Por lo tanto, pasamos a definir y explorar lo que los físicos entendemos por "las dimensiones". En última instancia, será nuestra comprensión de las dimensiones que determina nuestro nuevo rumbo. Aprender a leer la leyenda de nuestro nuevo mapa (la manera de entender las dimensiones en el mapa) que nos permitirá resolver definitivamente los misterios revelados por Newton y su cubo.

[Sigue el Capítulo Tres]

Desde el libro de próxima aparición:

La intuición de Einstein
por Thad Roberts

Representado por
Sam Fleishman
Representantes de los artistas literarios
Nueva York, Nueva York

NOTAS:

[1] "encerrarse con algún amigo en la cabina principal bajo la cubierta de un barco grande, y tiene con usted mismo estas moscas, mariposas y otros pequeños animales voladores. Tener un recipiente grande de agua con un poco de pescado en ella, colgar una botella que se vacía gota a gota en un vaso ancho debajo de ella. Con el barco parado, observar cuidadosamente cómo los animalitos volar con una velocidad igual a todos los lados de la cabina, y en tirar algo a su amigo, es necesario tirar ninguna con más fuerza en alguna dirección que otro, las distancias son iguales; saltar con los pies juntos, se pasa espacios iguales en todas las direcciones. Cuando se han obtenido todas estas cosas con cuidado, tiene el buque acuda a cualquier velocidad que te gusta, siempre y cuando el movimiento es uniforme y no fluctuante de esta manera y que. Puede descubrir no el menor cambio en todos los efectos el nombre, ni podría decir de cualquiera de ellos si el barco estaba en movimiento o parado. "Galileo Galilei, Diálogo sobre los dos máximos sistemas del mundo, 1632, traducido por Stillman Drake, p . 186, Walter Isaacson, Einstein, pp 108-9.

[2] Kip Thorne, 1979, Cita de Einstein por Walter Isaacson, p. 133.

[3] al-Farabi, 1951, "el artículo Farabi en vacío", N. y A. Lugal Sayili (ed. y trad.), Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.

[4] Isaac Newton, los Principia, Escolio sobre el espacio y tiempo absolutos Florian Cajori, trans, Berkeley: University of California Press, 1934, reimpreso en la base científica para la Filosofía Moderna, editado por Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis /. Cambridge, 1989, pp 139-146: Cohen, I. Bernard. La revolución newtoniana. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Un retrato de Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S. Never at Rest: Una biografía de Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

[5] Leibniz, dijo, "tengo espacio para ser algo meramente relativo, como el tiempo es ... tengo que ser un orden de las coexistencias, como el tiempo es un orden de sucesión." HG Alexander, "La correspondencia Leibniz-Clarke," Manchester University Press (1956), papel de tercero, § 4; Física relacional Secador de Olaf y el espacio de Quantum, arXivig -qc/0404054v1, 13 de abril de 2004.

[6] Por supuesto, un universo que contiene sólo un cubo de agua no podían poseer la suficiente gravedad por lo que para mantener el agua vaya flotando. Así que en este caso, ya que tenemos la intención de discutir la aceleración, en general, imagine que usted se encuentra dentro de una cubeta grande. Si el cubo se gira lo haría sentir un tirón hacia su borde exterior. Reclamación de Mach es que, sin otra referencia que para definir la rotación de la cuchara no se puede girar. Por lo tanto, en este punto de vista, es imposible en un universo de otra manera vacío, a sentir una atracción hacia las paredes de la cubeta.

[7] Irónicamente, Einstein comenzó su esfuerzo intelectual por tratar de demostrar que Mach era correcta en su punto de vista relacional.

[8] En la mecánica cuántica todo lo que tiene una dualidad onda-partícula. Todo, por tanto, tiene una longitud de onda asociada.

[9] La publicación de esta demostración se puede encontrar en - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5

[10] Incluso sin el efecto Casimir como una energía de vacío explicación seguiría teniendo como un reclamo válido y seguro a través del fenómeno bien establecido se conoce como desplazamiento de Lamb. La conclusión es la siguiente: dado que las predicciones para las longitudes de onda de la luz absorbida y emitida por las moléculas (que sólo coinciden con la observación si los físicos suponen que las moléculas vibran contienen energía de punto cero) se puede extender a explicar cómo "las fluctuaciones del vacío alterar las frecuencias de la luz que el hidrógeno los átomos absorben y emiten, "energía de punto cero deben ser inherentes a las fluctuaciones del vacío. La "teoría de la misma base que trabaja para las moléculas dice que el vacío contiene energía de punto cero también, no hay ninguna razón para creer lo contrario." (David Shiga, "algo por nada", New Scientist, Octubre de 2005:. 34-37)

[11] Estos valores se llaman la longitud de Planck (l _p), y el tiempo de Planck (t _p). También existe un valor mínimo para la masa discreta llamada de la masa de Planck (m _p), encargado de Planck (q _p), y la temperatura de Planck (T _p).

l _P = 1.616252 (81) '10 - ³⁵ m

t _P = 5.39124 (11) 10 a ⁴⁴ s

m _P = 2.17644 (11) 10 a ⁸ kg

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

T _p = 1.416785 (71) x 10 ³² K

(Cifras en cursiva son teóricas.)

Si interpretamos el medio del espacio-tiempo como una composición molecular o atómica, entonces estos parámetros pueden ser fácilmente entendida como los valores físicos que se relacionan con "moléculas" de la persona o "átomos" de ese medio. El apoyo a esta interpretación proviene del hecho de que las constantes de la relatividad general y mecánica cuántica son derivados naturales de estas constantes fundamentales.

Las constantes principales de la relatividad general y mecánica cuántica son los siguientes:

(C es la velocidad característica del espacio-tiempo, conocida coloquialmente como la velocidad de la luz, es la constante de Planck, y G es la constante gravitacional,.)

Estas constantes se pueden derivar de las constantes fundamentales de los cuantos de espacio de la siguiente manera:

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

Trabajando hacia atrás podemos resolver para l _{p, p} m y _p t en función de las constantes generales de mecánica relativista y la cuántica (valores medidos) de esta manera:

l _P = O HG / c ^3, t _P = O HG / c ^5, m _p = O hc / G

Hay muchas otras constantes de la naturaleza que aparecen a lo largo de toda la física, química, electrónica, etc, que también resultan ser los compuestos naturales de los parámetros de Planck. Por ejemplo: el campo magnético constante (μ _0), el eléctrico constante (ε _0), la constante de Boltzmann (k), y la impedancia característica del vacío (Z _0). Vamos a discutir estas relaciones, y varios otros, con mayor detalle en el capítulo 16.