Bab 2

Bagian 3: ruang-waktu Einstein Mutlak

Seperti model Newton, model Einstein tentang realitas fisik membangkitkan patokan mutlak, suatu kerangka acuan utama dalam Alam ia sebut ruang-waktu absolut. [7] Oleh karena itu, menurut relativitas umum, ember di alam semesta yang kosong dapat mempercepat atau berputar. Ruang-waktu menyediakan referensi yang kita dapat menentukan percepatan ini karena korelasi intim itu menggambarkan antara gerakan melalui ruang dan gerak melalui waktu.

Jika suatu benda bergerak melalui ruang-waktu dengan cara tidak berubah konsisten, maka itu tidak dipercepat. Namun, jika perubahan gerak sebuah objek melalui ruang-waktu - dengan mengubah arah, atau kecepatan - maka objek telah dipercepat. Karena setiap perubahan dalam pengalaman obyek waktu menuntut perubahan dalam pengalaman ruang, dan sebaliknya, ruang-waktu adalah patokan untuk percepatan. Ini adalah gerakan konstan setiap benda melalui ruang-waktu yang membuat ruang-waktu kerangka acuan utama - setidaknya makroskopik. Inilah sebabnya mengapa Einstein label patokan absolut 'ruang-waktu mutlak. "

Untuk membuat ini lebih jelas sedikit, pertimbangkan hal berikut: setiap benda dapat bergerak melalui ruang dan waktu, tetapi gerakan dikombinasikan melalui ruang dan waktu selalu sama dengan kecepatan cahaya (c). Pada dua ujung spektrum suatu benda dapat bergerak hanya melalui ruang, dimana tidak kemajuan melalui waktu sama sekali, atau hanya melalui waktu, dimana kemajuan tidak melalui ruang sama sekali.

Konsep Einstein tentang ruang-waktu mutlak adalah perbaikan pasti lebih dari ruang absolut Newton, tetapi tidak dapat menjadi jawaban yang lengkap karena tidak mengungkapkan mengapa langkah-langkah lain di Alam secara ketat relasional. Ini memberikan kita suatu kerangka acuan akhir (bidang ruang-waktu dari nol kelengkungan) tetapi struktur dari kerangka acuan yang tidak memberikan penjelasan mengapa posisi, kecepatan, dll jumlah relasional.

Ini sejauh yang kita telah datang dalam pencarian kita untuk menemukan kerangka acuan utama Alam. Kami masih dengan deskripsi geometris lengkap dari ruang-waktu - salah satu yang mampu secara simultan memberikan kita dengan referensi yang mendefinisikan percepatan, dan menjelaskan mengapa tindakan relasional (posisi, kecepatan, dll) tidak unik yang ditetapkan oleh kerangka acuan. Untuk melangkah lebih jauh kita perlu memahami lebih jauh tentang hal yang kita sebut ruang-waktu dari yang kita lakukan saat ini. Kami telah menetapkan bahwa ruang-waktu adalah sesuatu, tapi apa itu? Ruang adalah bagian dari itu, waktu adalah bagian dari itu, warps dan riak adalah beberapa sifat-sifatnya, dan konstruksi referensi dimana percepatan mendapatkan maknanya. Tapi apa hal yang kita sebut ruang-waktu? Bagaimana kita untuk sepenuhnya peta atau memahaminya? Mengapa hal ini ruang-waktu tidak ketat mendefinisikan hal-hal seperti posisi dan kecepatan?

Sementara kita merenungkan apa ruang-waktu, mari kita bahas beberapa petunjuk tentang ruang dan waktu yang telah ditemukan baru-baru ini. (Jawaban untuk pertanyaan-pertanyaan yang diajukan dalam bab ini memerlukan pengenalan model baru kami ruang-waktu Mereka dapat ditemukan setelah pendahuluan yang -. Lihat Bab 10.)

Petunjuk modern untuk Ultimate Bingkai Referensi

Fisika kuantum telah menemukan bahwa dunia ini diliputi dengan ultramicroscopic kegelisahan kuantum. Apa artinya ini? Nah, jawaban yang biasa cenderung mencakup bicara bidang dan / atau fluktuasi vakum, baik yang tampaknya untuk menghindari penjelasan grafis dengan menjawab dengan istilah-istilah seperti membingungkan. Hal ini tidak dilakukan dengan maksud untuk menyesatkan. Yang benar adalah bahwa gambaran yang lengkap dari ruang-waktu masih hilang, sehingga setiap berbicara tentang kegelisahan kuantum (atau salah satu dari kejadian kuantum mekanis lainnya) cenderung teknis atau matematika. Namun demikian, pengamatan ini dapat berfungsi sebagai sekilas ke dalam struktur ruang-waktu. Mereka dapat memberi kita petunjuk tentang bagaimana struktur ruang-waktu harus - petunjuk yang akan membantu kami dalam tujuan kami untuk membangun sebuah peta yang lengkap.

Hendrik Casimir membayangkan salah satu dari mereka petunjuk. Dia meramalkan bahwa dua pelat logam bermuatan (atau cermin) akan bergerak ke arah satu sama lain ketika mereka ditempatkan dalam ruang hampa dan disusun sejajar satu sama lain. Karena gaya gravitasi antara dua pelat terlalu lemah untuk menjelaskan gerakan ini dan tidak lain dari ruang termasuk dalam sistem, efek ini sangat menarik.

Untuk menjelaskan gerakan ini, Casimir menyarankan bahwa fluktuasi kuantum ruang itu sendiri yang analog dengan tekanan yang disebabkan oleh gerakan gabungan banyak molekul. Berdasarkan asumsi ini, ia menunjukkan bahwa ketika dua pelat ditempatkan sangat dekat satu sama lain 'tekanan molekul' dari ruang sedikit harus mengurangi antara pelat karena perbedaan masing-masing dalam 'gerak molekular' di dalam dan luar piring. (Gambar 2-6) Dengan kata lain, jika ruang-waktu benar-benar memiliki semacam tekanan terkait, maka dua piring akan "mendorong" bersama-sama karena partikel hanya dengan panjang gelombang / energi [8] lebih kecil dari kesenjangan antara pelat dapat dalam kesenjangan, sedangkan partikel dari setiap panjang gelombang / energi dapat di bagian luar piring. Hasilnya adalah bahwa ada partikel yang lebih mendorong piring bersama-sama daripada mendorong mereka terpisah. Karena itu, bentrokan piring bersama-sama seperti sepasang simbal kecil. Atau dengan kata lain, sistem berakhir dengan sedikit ruang antara pelat. Casimir mengklaim bahwa geometri interaktif ruang itu sendiri akan menyebabkan gerakan ini. Kami sekarang menyebutnya sebagai efek Casimir.

[TEMPAT GAMBAR]

Gambar 2-6 Pengaruh Casimir.

Meskipun Casimir membuat prediksi ini pada tahun 1948, peralatan yang cukup sensitif untuk mengukur efek ini tidak teknologi tersedia sampai 1996. Selama rentang waktu ini, prediksi Casimir adalah secara luas dianggap hanya permainan kata-kata matematika. Kemudian, pada tahun 1997 Steve Lamoreaux menghasilkan demonstrasi meyakinkan efek. [9] Hari ini, "berurusan dengan efek Casimir telah menjadi hal yang mendesak untuk nanotechnologists." (Saswato Das, 2008) Efek Casimir sangat berpendapat bahwa kegelisahan medan kuantum adalah hasil dari interaksi beberapa 'molekul' teoretis atau 'atom' yang entah bagaimana media membentuk ruang. [10]

Mengapa hal ini penting? Ketika kita meneliti alam mikroskopis, kita menemukan bahwa ruang-waktu kehilangan fungsinya sebagai kerangka acuan utama. Ini adalah masalah yang signifikan, karena jika kita tidak lagi memiliki kerangka acuan utama, maka semua pertanyaan diperkenalkan oleh Newton ember menjadi terjawab lagi. Sampai kita dapat menemukan suatu kerangka acuan utama yang tidak larut pada skala mikroskopik, kita akan tetap dalam awan kebingungan. Inilah sebabnya mengapa penting bagi kita untuk mempelajari petunjuk bahwa alam mikroskopis dapat menawarkan. Jika kita dapat menggunakannya untuk menggambarkan gambar baru Alam, kemudian gambar yang secara alami harus mengungkapkan kerangka acuan utama. Kejelasan yang akan datang dari seperti teori yang koheren adalah apa yang kita setelah.

Visi Einstein tentang transendensi manusia memerlukan bahwa kita menerima tidak kurang dari sebuah teori yang memberikan account benar-benar koheren fenomena individu. Bekerja menuju teori semacam itu mensyaratkan bahwa kita menjadi menyadari semua fenomena yang unik dalam Nature yang membutuhkan penjelasan dan bahwa kita secara aktif menyelidiki fenomena tersebut. Setiap kejadian yang tidak dapat dijelaskan memberitahu kita sesuatu tentang kekurangan dari peta yang ada fragmentaris (atau deskripsi) dari realitas fisik. Kebanyakan dari mereka petunjuk menunjuk ke arah perlunya pengawasan ketat dari dunia mikroskopis. Ini adalah tempat kami berasal dijelaskan misteri, dan ini adalah di mana kita akan menemukan petunjuk kami yang paling berharga yang digunakan untuk menulis ulang peta, kaya lengkap realitas fisik. Mari kita menyelidiki beberapa lebih dari mereka petunjuk.

Pada tahun 2005, Theodore A. Jacobson dan Renaud Parentani menunjukkan bahwa "propagasi suara dalam aliran fluida rata erat analog dengan propagasi cahaya dalam ruang-waktu melengkung." Karya ini menunjukkan bahwa "mungkin ruang-waktu, seperti bahan cairan , menjadi granular dan memiliki kerangka acuan yang disukai memanifestasikan dirinya pada skala yang baik ... "(Jacobson dan Parentani 2005, 70) lebih lanjut mendukung kesimpulan ini berasal dari argumen yang terkenal Stephen Hawking bahwa lubang hitam tidak benar-benar hitam. Kembali di tahun 1970-an Hawking memprediksi bahwa lubang hitam memancarkan radiasi termal, tapi relativitas menuntut bahwa setiap radiasi yang dipancarkan dari permukaan lubang hitam akan jauh membentang seperti merambat menjauh - sehingga mustahil untuk mengukur. Hal ini terbatas peregangan mengasumsikan bahwa ruang-waktu sangat jauh dibagi. Tetapi jika kita memperlakukan ruang-waktu sebagai granular, maka kita dapat menggambarkan sebagai sebuah sistem fluida. Ketika kita melakukan ini, "memotong struktur molekul Cairan itu dari peregangan yang tak terbatas dan menggantikan misteri mikroskopis dari ruang-waktu oleh fisika yang dikenal." (Jacobson dan Parentani 2005, 70)

Pendekatan ini akan mendukung klaim Hawking, tapi sejauh ini belum ada yang datang dengan sebuah kerangka untuk realitas fisik yang menggambarkan struktur granular untuk ruang-waktu. Salah satu alasan untuk ini mungkin bahwa kerangka seperti apa yang harus fisikawan panggilan formulasi latar belakang independen. Ini berarti bahwa kerangka kerja tidak dapat mengandaikan fluktuasi medan kuantum, atau getaran dari teori string, akan terjebak dalam ruang-waktu. Sebaliknya, formulasi ini diperlukan untuk menjelaskan efek kuantum sebagai akibat dari interaksi dalam kerangka tak terbatas dan abadi. Dengan definisi persyaratan ini hanya dapat dipenuhi dalam suatu model dimensi yang lebih tinggi, namun sampai saat ini, model dimensi yang lebih tinggi telah lolos penggambaran intuitif.

Petunjuk lain yang kita miliki tentang dunia mikroskopis adalah bahwa nilai-nilai diskrit teoritis minimum untuk ruang dan waktu yang ada. [11] Jika kita terus membagi daerah ruang, atau interval waktu, kita akhirnya akan sampai pada skala di mana pembagian lebih lanjut dari parameter tersebut memberikan hasil yang berarti. Ruang tidak dapat dibagi menjadi unit yang lebih kecil dari panjang Planck (l _p) karena di bawah itu ruang ukuran itu sendiri tetap tidak ada definisi. Demikian juga, waktu tidak dapat dibagi menjadi unit yang lebih kecil daripada waktu Planck (t _p) karena dimensi waktu tidak mempertahankan definisi di luar skala itu.

Hari ini ada sejumlah besar bukti yang mendukung keberadaan fisik dari batas minimum. Konstanta Planck secara universal diterima nilai-nilai dalam formulasi mekanika kuantum. Ahli matematika Swedia Oskar Klein awalnya memilih panjang Planck pada tahun 1926 sebagai nilai unik karena panjang-satunya yang secara alami bisa muncul dalam teori kuantum gravitasi. Karena gravitasi secara langsung terhubung ke bentuk ruang, nilai ini tampak kebutuhan yang diperlukan. Waktu Planck adalah nilai unik karena merupakan satu-satunya nilai yang dapat dikombinasikan dengan panjang Planck untuk menghasilkan c, kecepatan ruang-waktu - atau dikenal sebagai kecepatan cahaya.

Keberadaan nilai-nilai Planck membatasi semua tindakan jarak dan waktu untuk kelipatan seluruh jumlah unit Planck. Dalam ruang dua objek dapat menjadi jarak 77 panjang Planck terpisah, tetapi mereka tidak dapat 77,5 unit Planck panjang terpisah. Dua peristiwa dapat terjadi 33 unit Planck waktu terpisah, tetapi mereka tidak dapat terjadi 33,5 unit waktu Planck (chronons) terpisah.

Semua petunjuk mengarah pada gagasan bahwa ruang-waktu adalah fluida - bahwa ia memiliki struktur granula. Hal ini layak memamah biak sebagian karena kondisi ini secara teknis membutuhkan keberadaan fisik literal dari dimensi tambahan. Ini berarti bahwa peta penuh dimensi Alam harus lebih kaya dari yang kita miliki diasumsikan. Jika kita mencari cara untuk memahami dan mengeksplorasi dimensi-dimensi sebuah dunia baru bisa terbuka kepada kita. Tapi sebelum kita bahkan dapat mulai untuk memahami, atau menjelajahi, dimensi asing adalah relevan bahwa kita mengerti apa dimensi adalah. Oleh karena itu, kita beralih sekarang untuk mendefinisikan dan mengeksplorasi apa fisikawan maksud dengan 'dimensi. " Pada akhirnya, itu akan pemahaman kita tentang dimensi yang menentukan pos baru kami. Belajar bagaimana membaca legenda peta baru kami (bagaimana memahami dimensi dalam peta yang) akan memungkinkan kita untuk akhirnya menyelesaikan misteri yang diungkapkan oleh Newton dan ember-nya.

[Lanjutkan ke Bab Tiga]

Dari buku yang akan datang:

Einstein Intuisi
oleh Thad Roberts

Diwakili oleh
Sam Fleishman
Seniman Sastra Perwakilan
New York, New York

CATATAN:

[1] "Diam diri dengan beberapa teman di kabin utama di bawah geladak pada beberapa kapal besar, dan memiliki dengan Anda ini sama lalat, kupu-kupu, dan hewan terbang kecil. Memiliki mangkuk besar air dengan beberapa ikan di dalamnya; menggantung sebuah botol yang bermuara setetes demi setetes ke dalam pembuluh lebar di bawahnya. Dengan kapal masih berdiri, mengamati dengan seksama bagaimana binatang-binatang kecil terbang dengan kecepatan sama dengan semua sisi kabin, dan, di melemparkan sesuatu ke teman Anda, Anda perlu membuang itu tidak lebih kuat dalam beberapa arah daripada yang lain, jarak yang sama; melompat dengan kaki Anda bersama-sama, Anda lulus ruang yang sama dalam segala arah. Bila Anda telah mendapatkan semua hal ini dengan hati-hati, memiliki kapal melanjutkan dengan kecepatan yang Anda suka, asalkan gerakan seragam dan tidak berfluktuasi dengan cara ini dan itu. Anda akan menemukan bukan perubahan paling tidak dalam semua efek bernama, atau kau bisa tahu dari salah satu dari mereka apakah kapal itu bergerak atau berdiri masih "Galileo Galilei, Dialog Menyangkut Kepala Dua Sistem Dunia,, 1632 diterjemahkan oleh Stillman Drake, p. . 186, Walter Isaacson, Einstein, hlm 108-9.

[2] Kip Thorne, 1979, Quote from Einstein oleh Walter Isaacson, hal 133.

[3] Al-Farabi, 1951, 'Pasal Farabi di Vacuum,' N. Lugal dan A. Sayili (ed. dan trans.), Ankara: Turki Tarih Kurumu Basimevi.

[4] Isaac Newton, Principia, Scholium pada Absolute Space dan Waktu Florian Cajori, trans, Berkeley: University of California Press, 1934; dicetak ulang dalam Latar Belakang Ilmiah Filsafat modern, Diedit oleh Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis /. Cambridge, 1989, hlm 139-146: Cohen, I. Bernard. Revolusi Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Potret Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S. Jangan di Istirahat: Sebuah Biografi Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

[5] Leibniz berkata, "saya pegang ruang untuk sesuatu hanya relatif, sebagai waktu ... saya pegang untuk menjadi urutan coexistences, waktu adalah urutan suksesi." HG Alexander, 'The Correspondence Leibniz-Clarke,' Manchester University Press (1956), 3 kertas, § 4; Fisika Relasional Olaf pengering 'dan Antariksa Quantum, arXivig -qc/0404054v1, 13 April 2004.

[6] Tentu saja alam semesta yang hanya berisi seember air tidak bisa memiliki gravitasi yang cukup yang digunakan untuk menyimpan air dari melayang pergi. Jadi dalam hal ini, karena kita maksudkan untuk membahas percepatan pada umumnya, bayangkan bukan bahwa Anda diposisikan di dalam ember besar. Jika ember berputar Anda akan merasa tarik ke arah tepi luarnya. Klaim Mach adalah bahwa tanpa referensi lain yang digunakan untuk mendefinisikan berputar dari ember itu tidak dapat berputar. Oleh karena itu, dalam pandangan ini, adalah mustahil di alam semesta yang kosong, merasa tarik ke arah dinding ember.

[7] Ironisnya, Einstein memulai usaha intelektual dengan mencoba untuk membuktikan bahwa Mach adalah benar dalam pendekatan relasional nya.

[8] Dalam segala hal mekanika kuantum memiliki dualitas partikel-gelombang. Semuanya, oleh karena itu, memiliki panjang gelombang yang terkait.

[9] Publikasi pada demonstrasi ini dapat ditemukan di - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5

[10] Bahkan tanpa efek Casimir sebagai energi vakum penjelasan masih akan terus sebagai klaim yang sah dan aman melalui fenomena mapan dikenal sebagai pergeseran Anak Domba. Kesimpulannya berjalan seperti ini: karena prediksi untuk panjang gelombang cahaya yang diserap dan dipancarkan oleh molekul (yang hanya cocok pengamatan jika fisikawan menganggap bahwa molekul bergetar mengandung titik nol energi) dapat diperpanjang untuk menjelaskan bagaimana "fluktuasi vakum mengubah frekuensi cahaya bahwa hidrogen atom menyerap dan memancarkan, "titik nol energi harus melekat dalam fluktuasi vakum. "Teori dasar yang sama yang bekerja untuk molekul mengatakan bahwa vakum berisi titik nol energi juga, tidak ada alasan untuk percaya sebaliknya." (David Shiga, "Sesuatu untuk Tidak ada," New Scientist, Oktober 2005:. 34-37)

[11] Nilai-nilai ini disebut panjang Planck (l _p), dan waktu Planck (t _p). Ada juga ada nilai minimum untuk massa diskrit disebut massa Planck (m _p), Planck muatan (q _p), dan Planck temperatur (T _p).

l _P = 1.616252 (81) '10 - ³⁵ m

t _P = 5,39124 (11) ^'10-44 s

m _P = 2,17644 (11) ^'10-8 kg

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

T _p = 1.416785 (71) x 10 ³² K

(Digit Miring bersifat teoretis.)

Jika kita menafsirkan media ruang-waktu sebagai gabungan molekul atau atom, maka parameter-parameter ini dapat dengan mudah dipahami sebagai nilai-nilai fisik yang berhubungan dengan 'molekul' individu atau 'atom' medium itu. Dukungan untuk penafsiran ini berasal dari fakta bahwa konstanta relativitas umum dan mekanika kuantum adalah turunan alami dari konstanta fundamental.

Konstanta utama relativitas umum dan mekanika kuantum adalah:

(C adalah kecepatan karakteristik dari ruang-waktu, bahasa sehari-hari disebut sebagai kecepatan cahaya, adalah konstanta Planck, dan G adalah konstanta gravitasi,.)

Konstanta ini dapat diturunkan dari konstanta fundamental dari kuanta ruang dalam cara berikut:

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

Bekerja mundur kita bisa memecahkan l _p, m _p dan t _p dalam hal konstanta umum mekanik kuantum relativistik dan (nilai yang terukur) dengan cara ini:

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

Ada konstanta lain dari Alam yang muncul di seluruh fisika, kimia, elektronik dll, yang juga berubah menjadi komposit alami dari parameter Planck. Sebagai contoh: magnet konstan (μ _0), konstanta listrik (ε _0), konstanta Boltzmann (k), dan impedansi karakteristik vakum (Z _0). Kita akan membahas hubungan ini, dan beberapa yang lain, secara lebih rinci dalam Bab 16.