פרק 2

סעיף 3: המרחב והזמן מוחלטים של איינשטיין

כמו המודל של ניוטון, המודל של איינשטיין המציאות הפיזית מעוררת אמת מידה מוחלטת, הייחוס האולטימטיבית הטבע קרא למרחב המוחלט. [7] לכן, על פי תורת היחסות הכללית, דלי ביקום ריק אחרת יכול להיות מואץ או ספינינג. מרחבי זמן מספק את הפניה שבאמצעותו אנו יכולים להגדיר את האצת בגלל הקשר האינטימי הוא מתאר בין תנועה במרחב ותנועה דרך הזמן.

אם אובייקט עובר למרחב בצורה עקבית ובלתי משתנה, אז זה לא מאיץ. עם זאת, אם אובייקט שינויים בתנועה שלה דרך למרחב - ידי שינוי הכיוון שלו, או המהירות שלו - אז האובייקט הואץ. מאז כל שינוי חוויה של האובייקט הזמן דורש שינוי החוויה של החלל, ולהיפך, המרחב והזמן הוא benchmark עבור האצה. הוא בתנועה מתמדת של כל אובייקט דרך למרחב שעושה מסגרת ההתייחסות למרחב האולטימטיבי - לפחות macroscopically. זו הסיבה לכך שאיינשטיין כינה את אמת המידה המוחלטת "מרחבי זמן מוחלט."

כדי להפוך את זה קצת יותר ברור, לשקול את הדברים הבאים: כל חפץ יכול לעבור דרך זמן ומרחב, אבל בשילוב תנועה שלה בזמן ובמרחב תמיד שווה למהירות האור (ג). בשלב שני הקצוות של הספקטרום אובייקט ניתן לנוע רק בחלל, שבו אין התקדמות לאורך זמן בכלל, או רק דרך הזמן, שבו אין התקדמות בחלל בכלל.

הרעיון של איינשטיין למרחב המוחלט הוא שיפור ניכר לעומת החלל המוחלט של ניוטון, אבל זה לא יכול להיות תשובה מלאה כי זה אינו חושף מדוע אמצעים אחרים בטבע הם יחסיים בלבד. זה נותן לנו הייחוס האולטימטיבית (שדה למרחב של עקמומיות אפס) אבל המבנה של מסגרת התייחסות לא נותן לנו הסבר מדוע, עמדה מהירות, וכו 'הם כמויות יחסיים.

זהו ככל הגענו בחיפושינו לגלות הייחוס האולטימטיבית של הטבע. אנחנו עדיין עם תיאור גיאומטרי מוחלטת של המרחב והזמן - אחד כי הוא מסוגל בו זמנית לתת לנו התייחסות המגדירה תאוצה, ומסביר מדוע אמצעים יחסיים (עמדה מהירות וכו ') אינם קבועים באופן ייחודי על ידי מסגרת התייחסות. כדי להמשיך הלאה אנחנו צריכים להבין הרבה יותר על הדבר שאנחנו קוראים מרחבי זמן ממה שאנחנו עושים כיום. קבענו כי המרחב והזמן משהו, אבל מה זה? החלל הוא חלק ממנו, הזמן הוא חלק ממנה, ו warps אדוות כמה נכסים שלה, והיא בונה את הפניה על ידי האצת אשר מקבלת את משמעותה. אבל מה זה הדבר הזה שאנו מכנים המרחב והזמן? איך אנחנו באופן מלא מפה או להבין את זה? למה זה למרחב זה אינו מוחלט להגדיר דברים כמו המיקום ואת המהירות?

בעוד אנו להרהר מה שמרחב הזמן הוא, בואו נדבר על כמה רמזים לגבי מרחב וזמן כי התגלו לאחרונה. (תשובות לשאלות שהוצגו בפרק זה דורש היכרות עם מודל חדש של המרחב והזמן שלנו ניתן למצוא אותם לאחר ההקדמה -. ראה פרק 10.)

רמזים המודרנית מסגרת הפניה האולטימטיבי

פיזיקה קוונטית מצא כי התחום ultramicroscopic הוא רווי עצבנות הקוונטים. מה זה אומר? ובכן, התשובה הרגילה נוטה לכלול לדבר על שדות ו / או תנודות ואקום, אשר שניהם נראים להימנע הסבר גרפי על ידי מענה עם תנאים בדיוק כמו מבלבל. זה לא נעשה מתוך כוונה להטעות כלשהו. האמת היא תמונה מלאה של המרחב והזמן הוא עדיין חסר, כל כך לדבר על עצבנות הקוונטים (או כל המופעים האחרים מכניקת הקוואנטים) נוטה להיות טכני או מתמטי. עם זאת, תצפיות אלו יכולים לשמש הצצה לתוך המבנה של המרחב והזמן. הם יכולים לתת לנו רמזים על איך המבנה של המרחב והזמן חייב להיות - רמזים יסייעו לנו המטרה שלנו בבניית מפה מלאה.

הנדריק קזימיר בחזונו אחד הרמזים האלה. הוא ניבא כי שתי צלחות מתכת טעונים (או מראות) ינוע לכיוון אחד את השני כאשר הם ממוקמים בחלל ריק מסודרים מקבילות זו לזו. מאז כוח המשיכה בין שני הלוחות הוא חלש מדי כדי להסביר את התנועה הזו ולא שום דבר אחר מאשר שטח כלולה במערכת, אפקט זה מסקרן מאוד.

כדי להסביר זאת תנועה, הציע קזימיר כי התנודות הקוונטיות של המרחב עצמו הן מקביל בלחץ נגרמת על ידי שילוב תנועות של מולקולות רבות. על בסיס הנחה זו, הוא הראה כי כאשר שתי צלחות ממוקמים קרוב מאוד אחד לשני את "הלחץ מולקולרי" של שטח צריך קצת ירידה בין הלוחות בגלל ההבדלים בהתאמה ב 'מולקולרית תנועה "בתוך ומחוץ הצלחות. (איור 2-6) במילים אחרות, אם למרחב באמת יש איזשהו לחץ קשורה, אז שתי צלחות יהיה "דחף" יחד כי רק חלקיקים עם אורך גל / אנרגיה [8] קטן יותר מאשר הפער בין הצלחות יכול להיות בתוך הפער, ואילו חלקיקי הגל כל / אנרגיה יכול להיות בצד החיצוני של הלוחות. התוצאה היא כי יש יותר חלקיקים דוחפים את הצלחות ביחד מאשר לדחוף אותם בנפרד. בגלל זה, צלחות ההתנגשות יחד כמו זוג מצילתיים קטנים. או במילים אחרות, המערכת בסופו של דבר עם פחות מקום בין הצלחות. קזימיר טען כי גיאומטריה אינטראקטיבית של החלל עצמו יגרום זו תנועה. כעת אנו מתייחסים אליו כאל אפקט קזימיר.

[PLACEHOLDER FIGURE]

איור 2-6 אפקט קזימיר.

קזימיר אמנם עשה זאת התחזית, בשנת 1948, ציוד רגיש מספיק כדי למדוד את האפקט הזה לא היה זמין מבחינה טכנולוגית עד 1996. במהלך פרק הזמן הזה, התחזית של קזימיר ההנחה הרווחת להיות רק גחמה של המתמטיקה. לאחר מכן, בשנת 1997 הפיק סטיב Lamoreaux הוכחה משכנעת של השפעת. [9] כיום, "התמודדות עם אפקט קזימיר הפך עניין של דחיפות עבור nanotechnologists." (Saswato דאס, 2008) אפקט קזימיר בתוקף טוען כי עצבנות השדה הקוונטי הם תוצאה של אינטראקציות של כמה "מולקולות" או תיאורטית "אטומים" שאיכשהו להלחין את המדיום של החלל. [10]

למה זה חשוב? כאשר אנו לחקור את התחום המיקרוסקופי, נגלה כי המרחב והזמן מאבד את תפקידו כמסגרת ההתייחסות האולטימטיבית. זו בעיה משמעותית, שכן אם אין לנו עוד הייחוס האולטימטיבי, אז כל השאלות שהוצגו על ידי הדלי של ניוטון להיות שוב ללא מענה. עד שנוכל לגלות הייחוס האולטימטיבית שלא לפזר על קשקשים מיקרוסקופיים, נישאר בתוך ענן זה של בלבול. זוהי הסיבה מדוע חשוב לנו ללמוד את הרמזים כי התחום מיקרוסקופיים יכולים להציע. אם אנחנו יכולים להשתמש בהם כדי לתאר תמונה חדשה של הטבע, אז התמונה באופן טבעי צריך לחשוף את הייחוס האולטימטיבי. בהירות כי תבוא תיאוריה כזו קוהרנטית מה שאנחנו אחרי.

החזון של איינשטיין התעלות האדם דורש כי אנו מקבלים לא פחות מאשר תיאוריה שנותן חשבון עקבית לחלוטין של תופעות בודדות. עבודה לקראת תיאוריה כזו מחייבת אותנו להיות מודע לכל התופעות ייחודיים בטבע שדורשים הסבר שאנחנו פעיל לחקור תופעות אלה. כל התרחשות בלתי מוסברת מספרת לנו משהו על החסרונות של מפות מקוטע הקיימים שלנו (או תיאורים) של המציאות הפיזית. רוב הרמזים הללו מצביעים על הצורך בדיקה קפדנית של התחום מיקרוסקופיים. זה המקום שבו תעלומות בלתי מוסברת שלנו מקורם, וכאן אנו מוצאים רמזים חשובים ביותר שלנו שבו לשכתב עשירה, מפה מלאה של המציאות הפיזית. בואו לחקור עוד כמה רמזים אלה.

בשנת 2005, הראה תיאודור א יעקובסון ורנו Parentani כי "התפשטות של קול זרימת נוזל אחיד מקביל הדוק התפשטות האור מעוקל מרחב זמן." עבודה זו עולה כי "ייתכן המרחב והזמן, כמו נוזל החומר , להיות פרטנית ובעלי מסגרת המועדפת של הפניה באה לידי ביטוי על סולמות בסדר ... "(יעקובסון Parentani 2005, 70) כמו כן תמיכה של היקש זה בא הטיעון המפורסם סטיבן הוקינג כי חורים שחורים הם לא שחורים באמת. חזרה בשנות ה -1970 ניבא הוקינג כי חורים שחורים פולטים קרינה תרמית, אבל הדרישות היחסות שכל הקרינה הנפלטת מפני השטח של חור שחור יהיה נמתח עד אין קץ כפי שהיא מפיצה במרחק - מה שהופך אותו ניתן למדוד. זה אינסופי מתיחה מניח כי המרחב והזמן מתחלק לאין שיעור. אבל אם אנחנו מתייחסים למרחב כמו פרטנית, אז אנחנו יכולים לתאר אותו כמערכת נוזל. כאשר אנחנו עושים את זה ", מבנה מולקולרי של נוזל מנתקת מתיחה אינסופית ומחליף את המסתורין מיקרוסקופי של המרחב והזמן של הפיסיקה הידועים." (יעקובסון Parentani 2005, 70)

גישה זו תתמוך טענתו של הוקינג, אך עד כה אף אחד לא לבוא עם מסגרת המציאות הפיזית המתארת ​​מבנה גרגרי עבור המרחב והזמן. אחת הסיבות לכך עשויה להיות כזו מסגרת חייב להיות מה שקרוי בפי הפיסיקאים ניסוח רקע עצמאית. משמעות הדבר היא כי המסגרת לא יכול מראש את תנודות של שדות קוונטית, או התנודות של תורת המיתרים, להיות תקוע בתוך המרחב והזמן. במקום זאת, ניסוח זה נדרש להסביר אפקטים קוונטיים כתוצאה של אינטראקציות במסגרת spaceless נצחיות. על פי ההגדרה דרישה זו יכולה להיות רק נפגשו מודל גבוה מימדי, אך עד היום, יותר ממדי המודלים ברחו תיאור אינטואיטיבי.

עוד רמז לנו על התחום המיקרוסקופי הוא תיאורטי ערכים בדידים מינימום המרחב והזמן קיימים. [11] אם נמשיך לחלק את אזור החלל, או מרווח זמן, אנו מגיעים בסופו של דבר בקנה מידה בה חלוקה נוספת של פרמטרים אלה מניבה תוצאות משמעות. שטח שלא ניתן לחלק ליחידות קטנות יותר מאורך פלאנק (l _p) כי בהמשך חלל בגודל עצמה שומרת על כל הגדרה. כמו כן, הזמן אינו ניתן לחלוקה ליחידות קטנות יותר מאשר זמן פלנק (t _p) כי מימד הזמן אינו שומר הגדרה מעבר בקנה מידה זה.

כיום יש שפע של ראיות התומכות הקיום הפיזי של מגבלות אלה מינימום. הקבועים פלאנק מתקבלים ערכים אוניברסלית בתוך הניסוח של מכניקת הקוונטים. המתמטיקאי השוודי אוסקר קליין במקור הרים אורך פלאנק בשנת 1926 כערך ייחודי משום שהוא אורך היחיד שיכול טבעי מופיעים תיאוריה קוונטית של הכבידה. מאז המשיכה מחובר ישירות לעצב את החלל, ערך זה היה תנאי הכרחי. זמן פלאנק הוא ערך ייחודי משום שהוא הערך היחיד שיכול להיות משולב עם אורך פלנק להניב ג, את המהירות של המרחב והזמן - הידוע גם בשם מהירות האור.

קיומם של ערכים אלה פלאנק מגביל את כל האמצעים של מרחק וזמן לכפולות מספר שלם של יחידות פלאנק. במרחב שני עצמים יכולים להיות מרחק של 77 אורכי פלאנק בנפרד, אבל הם לא יכולים להיות 77.5 יחידות פלאנק באורך מזה. שני אירועים יכולים להתרחש 33 יחידות פלאנק זמן בנפרד, אבל הם לא יכולים להתרחש 33.5 יחידות פלאנק זמן (chronons) בנפרד.

כל הרמזים הללו מובילים לרעיון כי המרחב והזמן הוא נוזל - כי יש לו מבנה פרטנית. נקודה זו ראויה כמה ומהורהר כי מצב זה דורש מבחינה טכנית את קיומו הפיזי המילולית של ממדים נוספים. זה אומר את המפה המלאה של טבע חייב להיות ממד עשיר יותר הנחנו. אם נוכל להבין כיצד להבין ולחקור אותם ממדים ממלכה חדשה עשויה להיפתח אלינו. אבל לפני שאנחנו יכולים אפילו להתחיל להבין, או לחקור, מידות מוכר זה רלוונטי כי אנחנו מבינים בדיוק מה הוא ממד. לכן, אנו פונים כעת להגדיר ולחקור מה פיזיקאים מתכוון "מידות". בסופו של דבר, זה יהיה הבנתנו ממדים הקובע הכותרת החדשה שלנו. ללמוד איך לקרוא את האגדה של המפה החדשה שלנו (איך להבין את המימדים מפה) יאפשר לנו סוף סוף לפתור את התעלומות מתגלה על ידי ניוטון דלי שלו.

[המשך פרק ג']

מתוך הספר הבא:

איינשטיין אינטואיציה
על ידי טד רוברטס

ע"י ב"כ
סם פליישמן
ספרות האמנים הנבחרים
ניו יורק, ניו יורק

הערות:

[1] "סתום את עצמך עם איזה חבר בתא הראשי מתחת לסיפון הספינה קצת גדול, יש את אלה עם זבובים אותו, פרפרים ושאר חיות קטנות לטוס. יש קערה גדולה של מים עם דגים מסוימים בו; לתלות בקבוק מרוקן טיפה אחר טיפה לתוך כלי רחב מתחתיו. עם הספינה עומד עדיין, לבחון בקפידה כיצד החיות הקטנות לטוס עם מהירויות שוות לכל הצדדים של התא, ו, לזרוק משהו לחבר שלך, אתה צריך לזרוק את זה לא יותר חזק לכיוון קצת אחר מאשר, המרחקים שווים; קפיצה עם הרגליים ביחד, אתה עובר רווחים שווה לכל הכיוונים. כאשר יש לך להשיג את כל הדברים האלה בזהירות, יש את הספינה להמשיך עם מהירות שתרצה, כל עוד התנועה היא אחידה ולא תנודות לכאן ולכאן. תגלו לא לשנות לפחות את כל האפקטים שם, ולא היה אפשר לראות כל אחד מהם אם הספינה נע או עומד עדיין. "גלילאו גליליי, דיאלוג בעניין שתי מערכות העולם הראשי, 1632, בתרגומו של סטילמן דרייק, p . 186: וולטר אייזקסון, איינשטיין, עמ '108-9.

[2] קיפ ת'ורן, 1979, ציטוט של איינשטיין על ידי וולטר איזקסון, עמ ' 133.

[3] אל Farabi, 1951, "מאמר של Farabi על אבק," נ Lugal וא Sayili (עורך ושומני טראנס.) באנקרה: טורק Tarih Kurumu Basimevi.

[4] אייזק ניוטון, Principia, Scholium על שטח מוחלט ושעה פלוריאן Cajori, טראנס, ברקלי: אוניברסיטת קליפורניה, 1934, הודפס מחדש הרקע המדעי על פילוסופיה מודרנית, בעריכת ר 'מייקל מתיוס, האקט הוצאת החברה באינדיאנפוליס /. Cambridge, 1989, עמ '139-146: כהן, י' ברנרד. המהפכה הניוטונית. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; מנואל, פרנק א דיוקנו של אייזק ניוטון. בקיימברידג', מסצ'וסטס: Harvard University Press, 1968; Westfall, ריצ'רד ס לעולם במנוחה: ביוגרפיה של אייזיק ניוטון. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.

[5] לייבניץ אמר, "אני מחזיק את המרחב להיות משהו פשוט יחסית, כמו הזמן ... אני מחזיק את זה כדי להיות צו של coexistences, ככל שהזמן הוא צו של מערכותיה." HG אלכסנדר, "את התכתובת לייבניץ, קלארק," מנצ'סטר University Press (1956), נייר 3, § 4; פיזיקה יחסי מייבש "אולף וחלל קוונטית, arXivig -qc/0404054v1, 13 באפריל 2004.

[6] כמובן יקום המכיל רק דלי מים לא יכול להחזיק מספיק כוח הכבידה שבו כדי לשמור את המים צף משם. אז במקרה זה, שכן אנו מתכוונים לדון תאוצה בכלל, דמיינו שאתם במקום הוצבו בתוך דלי גדול. אם הדלי היו ספינינג היית מרגיש משיכה לכיוון הקצה החיצוני שלה. הטענה של מאך היא ללא התייחסות נוספת שבאמצעותה להגדיר את ספינינג של הדלי זה לא יכול להיות מסתובב. לכן, לפי השקפה זו, אין זה אפשרי ביקום ריק אחרת, לחוש משיכה כלפי קירות הדלי.

[7] באופן אירוני, החל איינשטיין מאמץ אינטלקטואלי שלו בניסיון להוכיח כי מאך צדק הגישה ההתייחסותית שלו.

[8] בשנת הכל מכניקת הקוונטים יש הדואליות חלקיק גל. הכל, אם כן, יש גל קשורים.

[9] פרסום על הפגנה זו ניתן למצוא ב - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5

[10] גם בלי אפקט קזימיר כאנרגיה ואקום הסבר עדיין מחזיקים כמו תביעה תקפה ומאובטח באמצעות תופעה ומבוססת המכונה משמרת כבש. המסקנה הולך ככה: מאז התחזיות עבור אורכי הגל של האור הנפלט נספג על ידי מולקולות (אשר רק להתאים תצפית אם הפיזיקאים להניח כי מולקולות רוטט מכילים אנרגיה אפס נקודה) ניתן להאריך להסביר כיצד "תנודות ואקום לשנות את התדרים של האור מימן אטומים פולטים לספוג, "נקודת האפס האנרגיה חייב להיות הטמון תנודות ואקום. "התיאוריה הבסיסית זהה שמתאימה מולקולות אומר ואקום מכיל אפס נקודות אנרגיה מדי, אין שום סיבה להאמין אחרת." (דוד שיגה, "משהו בשביל שום דבר," ניו סיינטיסט, אוקטובר 2005:. 34-37)

[11] ערכים אלה נקראים אורך פלאנק (l _p), והזמן פלאנק (t _p). יש גם קיים ערך בדידה מסת המינימום עבור המכונה מסת פלאנק (m _p), תשלום פלאנק _(p q), ו פלאנק טמפרטורה (T _p).

אני _P = 1.616252 (81) ^"10-35 מ '

לא _P = 5.39124 (11) ^"10-44 s

מ _P = 2.17644 (11) ^'10-8 ק"ג

_{q p} = 1.875545870 (47) x 10 ^-18 C

T _p = 1.416785 (71) 10 x ³² K

(ספרות נטוי הם תיאורטיים.)

אם אנו מפרשים את המדיום של המרחב והזמן כפי מרוכבים מולקולרי או אטומי, אז פרמטרים אלו ניתן להבין בקלות את הערכים פיזי להתייחס "מולקולות" האדם או "אטומים" של המדיום הזה. תמיכה עבור פרשנות זו נובעת מהעובדה כי קבועים של תורת היחסות הכללית ואת מכניקת הקוואנטים הם נגזרות הטבעי של אלה קבועי היסוד.

הקבועים העיקרי של תורת היחסות הכללית ואת מכניקת הקוונטים הן:

(ג היא המהירות האופיינית למרחב, המכונה בפיהם בשם למהירות האור, הוא קבוע פלאנק, ו-G הוא קבוע הכבידה,.)

קבועים אלה יכולים להיות נגזר קבועי היסוד של הקוונטים החלל באופן הבא:

אני _P / t _P = ג, אני _P ³ / m ² _P לא _P = G, l מ _{P P} ² / t _p = H

עבודה לאחור נוכל לפתור עבור _p l, מ _p ו-t _p במונחים של קבועי כללי מכני היחסות ואת הקוונטים (הערכים שנמדדו) באופן זה:

אני _P = O ג'/ C ^3, לא _P = O HG / c ^5, מ _'P = O HC / G

יש קבועים רבים אחרים של הטבע המופיעות לאורך כל פיזיקה, כימיה, אלקטרוניקה וכו ', כי גם להתברר מרוכבים הטבעית של פרמטרים פלאנק. לדוגמה: מגנטי קבוע (μ _0), החשמלי קבוע (ε _0), קבוע בולצמן (k), ואת העכבה האופיינית של החלל (ת _0). אנו נדון יחסים אלה, ועוד כמה, בפירוט רב יותר בפרק 16.