Capitolo 2
Sezione 3: Einstein Spacetime Absolute
Come il modello di Newton, il modello di Einstein della realtà fisica evoca un punto di riferimento assoluto, un sistema di riferimento massimo in termini di Nature ha chiamato in assoluto dello spazio-tempo. [7] Di conseguenza, secondo la relatività generale, un secchio in un universo altrimenti vuota può essere accelerazione o spinning. Spacetime fornisce il riferimento con cui possiamo definire questa accelerazione a causa della intima correlazione tra il movimento si rappresenta attraverso lo spazio e il movimento attraverso il tempo.
Se un oggetto viaggia attraverso lo spazio-tempo in modo coerente immutabile, allora non sta accelerando. Tuttavia, se un oggetto cambia il suo movimento attraverso lo spazio-tempo - cambiando la sua direzione, o la sua velocità - l'oggetto ha accelerato. Dal momento che ogni cambiamento nell'esperienza di un oggetto del tempo richiede un cambiamento nella sua esperienza dello spazio, e viceversa, lo spazio-tempo è il punto di riferimento per l'accelerazione. E 'costante movimento ogni oggetto attraverso lo spazio-tempo che rende la struttura dello spazio-tempo di riferimento finale - almeno macroscopicamente. Questo è il motivo Einstein definito il punto di riferimento assoluto 'spazio-tempo assoluto.'
Per rendere questo un po 'più chiaro, considerare quanto segue: ogni oggetto che si muove attraverso il tempo e lo spazio, ma il suo movimento combinato attraverso il tempo e lo spazio è sempre uguale alla velocità della luce (c). Alle due estremità dello spettro un oggetto può muoversi solo attraverso lo spazio, in cui non progredisce nel tempo del tutto, o solo nel tempo, in cui non progredisce attraverso lo spazio.
Einstein concetto di spazio-tempo assoluto è un netto miglioramento nello spazio assoluto di Newton, ma non può essere la risposta completa, perché non rivelare perché altre misure in natura sono strettamente relazionale. Ci dà un quadro definitivo di riferimento (un campo di curvatura spazio-temporale pari a zero), ma la struttura di tale sistema di riferimento non ci dà una spiegazione del perché la posizione, velocità, ecc sono quantità relazionali.
Questo è quanto abbiamo fatto nella nostra ricerca per scoprire quadro di riferimento ultimo della Natura. Siamo ancora con una completa descrizione geometrica dello spazio-tempo - uno che è in grado di contemporaneamente ci fornisce un riferimento che definisce l'accelerazione, e spiegando perché le misure relazionali (posizione, velocità, ecc) non sono univocamente fissati da tale quadro di riferimento. Per andare oltre abbiamo bisogno di capire molto di più la cosa che chiamiamo spazio-tempo di quello che attualmente facciamo. Abbiamo stabilito che lo spazio-tempo è una cosa, ma che cos'è? Lo spazio è parte di esso, il tempo è parte di essa, fili di ordito e increspature sono alcune delle sue proprietà, e si costruisce il riferimento con cui l'accelerazione prende il suo significato. Ma che cos'è questa cosa che chiamiamo spazio-tempo? Come siamo a mappare tutto o comprenderla? Perché è che questo spazio-tempo non strettamente definire le cose, come la posizione e la velocità?
Mentre riflettiamo ciò che è spazio-tempo, proviamo ad esaminare alcuni degli indizi sullo spazio e il tempo che sono stati scoperti più di recente. (Le risposte alle domande poste in questo capitolo richiedono un'introduzione al nostro nuovo modello di spazio-tempo Essi possono essere trovati dopo che l'introduzione -.. Vedi Capitolo 10)
Indizi moderne per un sistema di riferimento ultimo
La fisica quantistica ha scoperto che il regno ultramicroscopiche è soffuso di nervosismi quantistica. Cosa significa? Bene, la risposta al solito tende ad includere parlare di campi e / o fluttuazioni di vuoto, entrambi i quali sembrano per evitare una spiegazione grafica rispondendo con i termini altrettanto confuso. Questo non è fatto con qualsiasi intento di indurre in errore. La verità è che un quadro completo dello spazio-tempo è ancora mancante, in modo che qualsiasi parlare di nervosismo quantistica (o uno qualsiasi degli altri fenomeni della meccanica quantistica) tende ad essere tecnico o matematico. Tuttavia, queste osservazioni possono servire come squarci nella struttura dello spazio-tempo. Essi possono darci degli indizi su come la struttura dello spazio-tempo deve essere - gli indizi che ci aiuteranno nel nostro obiettivo di costruire una mappa completa.
Hendrik Casimir previsto uno di quegli indizi. Si prevede che due piastre metalliche (non cariche o specchi) si sposta verso l'altro quando essi sono posti in un vuoto e sono disposti paralleli tra loro. Poiché la forza gravitazionale tra queste due piastre è troppo debole per spiegare questo movimento e altro che lo spazio è incluso nel sistema, questo effetto è molto interessante.
Per spiegare questo movimento, Casimir ha suggerito che le fluttuazioni quantistiche dello spazio stesso sono analoghe ad una pressione causata dai movimenti combinati di molte molecole. Sulla base di questo presupposto, ha dimostrato che quando le due piastre sono posti molto vicini l'uno all'altro la 'pressione molecolare' di spazio dovrebbe diminuire leggermente tra le piastre a causa delle rispettive differenze all'interno di 'movimento molecolare' e al di fuori delle piastre. (Figura 2-6) In altre parole, se lo spazio-tempo è davvero una sorta di pressione associato, quindi i due placche saranno "spinta" insieme perché solo le particelle con una lunghezza d'onda / energia [8] minore della distanza tra le piastre possono essere all'interno del gap, mentre le particelle di qualsiasi lunghezza d'onda / energia può essere all'esterno delle piastre. Il risultato è che vi sono più particelle spingono le piastre insieme di spinta separarli. Per questo motivo, le piastre si scontrano insieme come una coppia di piatti piccoli. In altre parole, il sistema termina con meno spazio tra le piastre. Casimir ha sostenuto che la geometria interattiva dello spazio stesso potrebbe causare questo movimento. Ora riferiscono ad essa come l'effetto Casimir.
[PLACEHOLDER FIGURA]
Figura 2-6 L'effetto Casimir.
Anche se Casimir fatto questa previsione nel 1948, le attrezzature abbastanza sensibile per misurare questo effetto non era tecnologicamente disponibile fino al 1996. Durante questo arco di tempo, le previsioni di Casimir è stato ampiamente ipotizzato di essere solo un capriccio della matematica. Poi, nel 1997 Steve Lamoreaux prodotto una dimostrazione convincente degli effetti. [9] Oggi, "fare con l'effetto Casimir è diventata una questione di urgenza per nanotecnologie." (Saswato Das, 2008) L'effetto Casimir sostiene con forza che i nervosismi dei campi quantistici sono il risultato delle interazioni di alcune molecole teorici dei 'o' degli atomi che compongono qualche modo il mezzo di spazio. [10]
Perché è importante? Quando abbiamo sondare il regno microscopico, si scopre che lo spazio-tempo perde la sua funzione come il quadro di riferimento finale. Questo è un problema significativo, perché se non abbiamo più un quadro definitivo di riferimento, allora tutte le domande introdotte con un secchio di Newton diventano ancora una volta senza risposta. Fino a quando possiamo scoprire un telaio ultimo riferimento che non si scioglie sulle scale microscopiche, rimarremo in questa nube di confusione. Questo è il motivo per cui per noi è importante per studiare gli indizi che il regno microscopico in grado di offrire. Se possiamo usare per descrivere una nuova immagine della natura, allora che l'immagine dovrebbe naturalmente rivelare il quadro di riferimento finale. La chiarezza che sarebbe venuto da una tale teoria coerente è ciò che siamo dopo.
La visione di Einstein della trascendenza umana richiede che noi accettiamo niente di meno che una teoria che dà un resoconto del tutto coerente di fenomeni individuali. Lavorare verso tale teoria richiede che ci rendiamo conto di tutti i fenomeni unici in natura che richiedono una spiegazione e che noi attivamente studiare questi fenomeni. Ogni evento inspiegabile ci dice qualcosa circa le carenze delle nostre mappe esistenti (o frammentarie descrizioni) della realtà fisica. La maggior parte di questi indizi puntano verso la necessità di un rigoroso controllo del regno microscopico. Questo è dove i nostri misteri inspiegabili origine, ed è qui che troveremo i nostri indizi più importanti con cui riscrivere una più ricca, la mappa completa della realtà fisica. Indaghiamo un po 'più di tali indizi.
Nel 2005, Theodore A. Jacobson e Renaud Parentani ha dimostrato che "la propagazione del suono in un flusso del fluido irregolare è strettamente analoga alla propagazione della luce in uno spazio-tempo curvo." Questo lavoro suggerisce che "lo spazio-tempo può, come un fluido materiale , essere granulari e in possesso di un quadro di riferimento privilegiato che si manifesta su scale belle ... "(Jacobson e Parentani 2005, 70) Ulteriore supporto di questa deduzione viene dal famoso argomento Stephen Hawking, secondo cui i buchi neri non sono veramente neri. Nel 1970 Hawking ha predetto che i buchi neri emettono radiazione termica, ma esige la relatività che ogni radiazione emessa dalla superficie di un buco nero sarà infinitamente teso come si propaga via - rendendo impossibile da misurare. Questo infinito che si estende dal presupposto che lo spazio-tempo è infinitamente divisibile. Ma se ci rifiutiamo di spazio-tempo come granulare, allora possiamo descrivere come un sistema fluido. Quando facciamo questo, "la struttura molecolare del fluido interrompe l'allungamento infinito e sostituisce i misteri microscopiche dello spazio-tempo dalla fisica conosciute." (Jacobson e Parentani 2005, 70)
Questo approccio avrebbe sostenuto affermazione di Hawking, ma finora nessuno ha messo a punto un quadro per la realtà fisica che raffigura una struttura granulare per lo spazio-tempo. Una ragione per questo può essere che un tale quadro deve essere quello che i fisici chiamano una formulazione indipendente sfondo. Ciò significa che il quadro non può presupporre le fluttuazioni dei campi quantistici, o le vibrazioni della teoria delle stringhe, ad essere bloccato all'interno dello spazio-tempo. Invece, questa formulazione è tenuto a spiegare gli effetti quantistici come il risultato delle interazioni all'interno di un quadro senza spazio e senza tempo. Per definizione questo requisito può essere affrontata solo in un più alto modello tridimensionale, ma fino ad oggi, superiore modelli tridimensionali sono sfuggiti rappresentazione intuitiva.
Un altro indizio che abbiamo circa il regno microscopico è che i valori teorici minimi discreti per lo spazio e il tempo esiste. [11] Se continuiamo a dividere una regione di spazio, o un intervallo di tempo, alla fine arrivare ad una scala in cui la divisione ulteriore questi parametri produce risultati privi di significato. Lo spazio non può essere diviso in unità più piccole rispetto alla lunghezza di Planck (l p) perché lo spazio sotto di tale dimensione si mantiene una definizione. Allo stesso modo, il tempo non può essere diviso in unità minori del tempo di Planck (t p) perché la dimensione di tempo non mantiene definizione oltre tale scala.
Oggi c'è una pletora di prove a sostegno dell'esistenza fisica di questi limiti minimi. Le costanti di Planck sono universalmente accettati valori all'interno della formulazione della meccanica quantistica. Il matematico svedese Oskar Klein originariamente scelto la lunghezza di Planck nel 1926 come un valore unico, perché unica è la lunghezza che poteva naturalmente apparire in una teoria quantistica della gravità. Poiché gravità è direttamente connesso alla forma dello spazio, questo valore sembrava un requisito necessario. Il tempo di Planck è un valore unico in quanto è l'unico valore che può essere combinata con la lunghezza di Planck cedere c, la velocità di spazio-tempo - altrimenti noto come la velocità della luce.
L'esistenza di questi valori Planck limita tutte le misure di distanza e il tempo a multipli interi numero delle unità di Planck. Nello spazio di due oggetti possono essere una distanza di 77 lunghezze di Planck a parte, ma non possono essere 77,5 unità di lunghezza di Planck a parte. Due eventi possono verificarsi 33 unità di tempo di Planck a parte, ma non può verificarsi 33,5 unità di tempo di Planck (crononi) a parte.
Tutti questi indizi portare l'idea che spazio-tempo è un fluido - che ha una struttura granulare. Questo punto merita un po 'ruminazione, perché questa condizione richiede tecnicamente l'esistenza letterale fisica di dimensioni aggiuntive. Ciò significa che la mappa completa della natura devono essere dimensionalmente più ricchi di noi hanno assunto. Se a capire come comprendere ed esplorare le dimensioni di un intero nuovo regno potrebbe aprire a noi. Ma prima ancora di iniziare a comprendere, o esplorare, dimensioni sconosciute è pertinente che abbiamo capito esattamente che cosa è una dimensione. Pertanto, ci rivolgiamo ora a definire ed esplorare ciò che i fisici intende per 'dimensioni.' In ultima analisi, sarà la nostra comprensione di dimensioni che determina la nostra nuova rubrica. Imparare a leggere la leggenda della nostra nuova mappa (come comprendere le dimensioni di quella mappa) ci consentirà di risolvere finalmente i misteri rivelati da Newton e il suo secchio.
[Continua per il terzo capitolo]
Dal libro di prossima pubblicazione:
L'intuizione di Einstein
da Thad Roberts
Rappresentata da
Sam Fleishman
Rappresentanti Artisti letterarie
New York, New York
NOTE:
[1] "Shut te stesso con qualche amico nella cabina principale sottocoperta su una nave di grandi dimensioni, e avete con voi stessi queste mosche, farfalle e altri piccoli animali volanti. Avere una grande ciotola di acqua con alcuni pesci in esso; riagganciare una bottiglia che si svuota goccia a goccia in un recipiente largo sotto di esso. Con la nave ferma, osservare attentamente come i piccoli animali volare con velocità uguali a tutte le parti della cabina e, nel lanciare qualcosa al tuo amico, hai bisogno di gettare più forte in una direzione che in un'altra, le distanze a parità; saltando con i piedi uniti, si passa spazi uguali in ogni direzione. Dopo aver ottenuto tutte queste cose con attenzione, la nave di procedere con qualsiasi velocità che ti piace, a condizione che il moto è uniforme e non fluttuante qua e di là. Scoprirete non meno importante cambiamento in tutti gli effetti di nome, né poteva dire da nessuno di loro se la nave era in movimento o fermo. "Galileo Galilei, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo, 1632, tradotto da Stillman Drake, p . 186; Walter Isaacson, Einstein, pp 108-9.
[2] Kip Thorne, 1979, Citato da Einstein da Walter Isaacson, p. 133.
[3] al-Farabi, 1951, 'l'articolo Farabi sul Vacuum,' N. Lugal e Sayili A. (a cura e trad.), Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.
[4] Isaac Newton, Principia, Scolio su spazio e tempo assoluti Florian Cajori, trans, Berkeley:. University of California Press, 1934, ristampato in background scientifico alla filosofia moderna, a cura di Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis / Cambridge, 1989, pp 139-146: Cohen, I. Bernard. La rivoluzione newtoniana. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. A Portrait of Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S.Never a riposo: Una biografia di Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
[5] Leibniz ha detto, "ritengo che lo spazio sia qualcosa di puramente relativo, il tempo è ... ritengo che sia un ordine di coesistenze, il tempo è un ordine delle successioni". HG Alexander, 'The Leibniz-Clarke Corrispondenza,' Manchester University Press (1956), carta 3, § 4; Fisica relazionali Dryer Olaf 'e spazio quantico, le arXivig -qc/0404054v1 13 aprile 2004.
[6] Naturalmente un universo che contiene solo un secchio d'acqua non poteva possedere sufficiente forza di gravità con cui mantenere l'acqua dal galleggiante di distanza. Quindi in questo caso, poiché si intende discutere accelerazione in generale, immaginare invece che sono stati posizionati all'interno di un grosso secchio. Se il secchio si gira si sente un tiro verso il suo bordo esterno. Affermazione Mach è che senza un altro riferimento per definire la rotazione del secchio non può essere filatura. Pertanto, in questo punto di vista, è impossibile in un universo altrimenti vuoto, a sentire una spinta verso le pareti del secchio.
[7] Per ironia della sorte, Einstein iniziò il suo sforzo intellettuale, cercando di dimostrare che Mach aveva ragione nel suo approccio relazionale.
[8] In tutto ciò che la meccanica quantistica ha una dualità onda-particella. Tutto, pertanto, ha una lunghezza d'onda associata.
[9] La pubblicazione di questa dimostrazione si trova a - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5
[10] Anche senza l'effetto Casimir come energia del vuoto spiegazione sarebbe ancora ritenere per un reclamo valido e sicuro attraverso la consolidata fenomeno noto come spostamento di Lamb. La conclusione è questa: dal momento che le previsioni per le lunghezze d'onda della luce assorbita ed emessa dalle molecole (che si abbinano solo l'osservazione se i fisici supporre che le molecole vibranti contengono Zero Point Energy) può essere estesa a spiegare come "fluttuazioni di vuoto modificare le frequenze di luce che l'idrogeno gli atomi assorbono ed emettono, "energia di punto zero devono essere inerenti fluttuazioni del vuoto. La "stessa teoria di base che funziona per le molecole dice che il vuoto contiene energia di punto zero anche, non c'è motivo di credere il contrario." (David Shiga, "Something for Nothing," New Scientist, ottobre 2005:. 34-37)
[11] Questi valori sono chiamati lunghezza di Planck (l p), e il tempo di Planck (t p). Esiste anche un valore minimo di massa chiamato discreto per la massa di Planck (m p), la carica di Planck (q p), Planck e la temperatura (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
(Cifre in corsivo sono teoriche.)
Se interpretiamo il mezzo di spazio-tempo come un composto molecolare o atomica, allora questi parametri possono essere facilmente comprensibile come i valori fisici che si riferiscono a 'molecole' l'individuo o degli atomi 'di quel mezzo. Il supporto per questa interpretazione deriva dal fatto che le costanti della relatività generale e meccanica quantistica sono derivati naturali di queste costanti fondamentali.
Le costanti primarie di relatività generale e meccanica quantistica sono:
(C è la velocità caratteristica di spazio-tempo, conosciuti come la velocità della luce, è la costante di Planck, e G è la costante gravitazionale,.)
Queste costanti possono essere derivate dalle costanti fondamentali della quanti spazio nel modo seguente:
l P / t P = c, P 3 l / m P t = P 2 G, m P l P 2 / P t = h
Andando a ritroso siamo in grado di risolvere per l p, m p e t p in termini di generali costanti relativistica e della meccanica quantistica (valori misurati) in questo modo:
l P = Ö HG / c 3, t P = Ö HG / c 5, m P = Ö hc / G
Ci sono molte altre costanti della natura che appaiono durante tutto fisica, chimica, elettronica, ecc, che anche rivelarsi compositi parametri naturali del Planck. Ad esempio: la magnetico costante (μ 0), la costante elettrico (ε 0), la costante di Boltzmann (k), e l'impedenza caratteristica del vuoto (Z 0). Discuteremo di questi rapporti, e molti altri, in maggior dettaglio nel capitolo 16.