Hoofdstuk 2
Deel 3: Absolute Spacetime Einstein
Net als het model van Newton, Einstein's model van de fysische werkelijkheid roept een absolute benchmark, een ultieme referentiekader in de natuur noemde hij absoluut de ruimtetijd. [7] Daarom is het volgens de algemene relativiteitstheorie, een emmer in een verder lege universum kan worden versnellen of te draaien. Ruimtetijd biedt aanknopingspunten waarmee we kunnen deze versnelling te definiëren vanwege de intieme relatie tussen het toont motion door de ruimte en beweging door de tijd.
Als een object reist door ruimtetijd op een consistente wijze onveranderlijk, dan is het niet versnellende. Echter, als een object verandert van beweging door de ruimtetijd - door het veranderen van de richting, of zijn snelheid - dan is het object in een stroomversnelling. Aangezien veranderingen in ervaring van een object van de tijd vraagt om een verandering in de ervaring van ruimte, en visa versa, ruimtetijd is de benchmark voor de versnelling. Het is elk object de constante beweging door de ruimtetijd dat ruimtetijd het ultieme referentiekader maakt - in ieder geval macroscopisch. Dit is de reden waarom Einstein bestempeld als de absolute benchmark 'absolute ruimtetijd.'
Om dit een beetje duidelijker te maken, rekening met het volgende: elk object kan bewegen door tijd en ruimte, maar de gecombineerde beweging door tijd en ruimte is altijd gelijk aan de snelheid van het licht (c). Aan de beide uiteinden van het spectrum een voorwerp kan worden beweegt alleen door de ruimte, waarin het niet vooruit door de tijd, of slechts door de tijd, waarin het niet vooruit door ruimte in.
Einstein's begrip van de absolute ruimtetijd is een duidelijke verbetering ten opzichte van absolute ruimte van Newton, maar het kan niet het volledige antwoord, omdat het niet zien waarom andere maatregelen in de natuur zijn strikt relationele. Het geeft ons een ultieme referentiekader (een ruimtetijd gebied van nul kromming), maar de structuur van dat referentiekader geeft ons niet een verklaring waarom positie, snelheid, enz. zijn relationele hoeveelheden.
Dit is voor zover wij zijn gekomen in onze zoektocht naar de ultieme referentie van de natuur beeld te ontdekken. We zijn nog steeds met een volledige geometrische beschrijving van de ruimtetijd - een die in staat is om tegelijkertijd dat ons voorziet van een referentie die versnelling definieert, en uit te leggen waarom relationele maatregelen (positie, snelheid, etc.) zijn niet eenduidig vast door dat referentiekader. Om verder te gaan moeten we veel meer over het ding noemen we ruimte-tijd dan we nu doen begrijpen. We hebben vastgesteld dat ruimtetijd is iets, maar wat is het? De ruimte is deel van uit, tijd is een deel ervan, ketting-en rimpelingen zijn enkele van de eigenschappen, en het bouwt de verwijzing door die versnelling krijgt zijn betekenis. Maar wat is dit ding noemen we ruimtetijd? Hoe zijn wij volledig in kaart te brengen of te begrijpen? Hoe komt het dat dit ruimte-tijd geen restrictieve afbakening van zaken als de positie en snelheid?
Terwijl we nadenken over wat ruimtetijd is, laten we bespreken een aantal van de aanwijzingen over ruimte en tijd die zijn meer recent ontdekt. (Antwoorden op de vragen die in dit hoofdstuk vereist een kennismaking met ons nieuwe model van de ruimtetijd Ze zijn te vinden na die introductie -.. Zie hoofdstuk 10)
Moderne Aanwijzingen voor een Ultimate Reference Frame
De kwantumfysica is ontdekt dat de ultramicroscopische rijk ademt met quantum kriebels. Wat betekent dat? Welnu, de gebruikelijke antwoord meestal omvatten talk velden en / of vacuümschommelingen, die beide lijkt een grafische uitleg voorkomen door beantwoorden met termen zoals verwarrend. Dit wordt niet gedaan met de bedoeling te misleiden. De waarheid is dat een compleet beeld van de ruimtetijd nog steeds ontbreekt, dus elke praten over quantum nervositeit (of een van de andere quantummechanische gebeurtenissen) heeft de neiging om technische of wiskundige. Toch kunnen deze waarnemingen dienen als een kijkje in de structuur van de ruimtetijd. Ze kan ons aanwijzingen over hoe de structuur van de ruimtetijd moet zijn - aanwijzingen die ons helpen bij ons doel van bouw van een complete kaart.
Hendrik Casimir beoogde een van die aanwijzingen. Voorspelde dat twee ongeladen metalen platen (of spiegels) verplaatst naar elkaar zijn aangebracht in een vacuüm en parallel aan elkaar. Aangezien de zwaartekracht tussen beide platen te gering om verklaren beweging en niets anders dan ruimte in het systeem, dit verschijnsel zeer interessant.
Om deze beweging te verklaren, Casimir stelde voor dat de quantum fluctuaties van de ruimte zelf zijn analoog aan een druk veroorzaakt door de gecombineerde bewegingen van vele moleculen. Uitgaande van deze veronderstelling, toonde dat wanneer de twee platen zijn geplaatst zeer dicht bij elkaar het moleculaire druk "van de ruimte enigszins te verminderen tussen de platen door de respectieve verschillen in in 'moleculaire beweging en buiten de platen. (Figuur 2-6) Met andere woorden, als ruimtetijd werkelijk is een soort verbonden druk, waarna de twee platen worden "gedrukt" samen omdat alleen deeltjes met een golflengte / energie [8] kleiner dan de ruimte tussen de platen kan in de opening, terwijl deeltjes van elke golflengte / energie aan de buitenzijde van de platen. Het resultaat is dat er meer deeltjes indrukken van de platen samen dan duwen uit elkaar. Vanwege dit, de platen bij elkaar botsen als een stel kleine cimbalen. Met andere woorden, het systeem komt minder ruimte tussen de platen. Casimir beweerde dat de interactieve meetkunde van de ruimte zelf zou deze beweging veroorzaken. We verwijzen naar het als het Casimir-effect.
[FIGUUR placeholder]
Figuur 2-6 Het Casimir-effect.
Hoewel Casimir maakte deze voorspelling in 1948, van apparatuur die gevoelig genoeg om dit effect te meten was technisch gezien niet beschikbaar tot 1996. Gedurende deze tijd, werd Casimir's voorspelling algemeen aangenomen om gewoon een gril van de wiskunde te zijn. Dan, in 1997 Steve Lamoreaux leverde een overtuigende demonstratie van het effect. [9] Vandaag de dag, "omgaan met de Casimir effect is uitgegroeid tot een zaak van urgentie voor nanotechnologen." (Saswato Das, 2008) Het Casimir effect sterk op dat quantum veld kriebels stelt het resultaat van de interactie van een theoretische "moleculen" of "atomen die op enigerlei wijze vormen het medium in de ruimte. [10]
Waarom is dit belangrijk? Wanneer we de microscopische wereld onderzoeken, ontdekken we dat de ruimtetijd zijn functie verliest als de ultieme referentiekader. Dit is een groot probleem, want als we niet langer een ultieme referentiekader, dan alle vragen die bij emmer van Newton raken weer onbeantwoord. Totdat we een ultieme referentie frame dat niet oplost op de microscopische schaal te ontdekken, zullen we blijven in deze wolk van verwarring. Dit is waarom het belangrijk is voor ons de studie van de aanwijzingen die de microscopische wereld te bieden heeft. Als we kunnen ze gebruiken om een nieuwe foto van de natuur af te beelden, dan is dat beeld moet natuurlijk tonen de ultieme referentiekader. De duidelijkheid die zou komen van een dergelijke samenhangende theorie is wat we zijn na.
Einstein's visie op de menselijke transcendentie vereist dat we niets minder dan een theorie dat een volledig coherente rekening van de individuele verschijnselen geeft te accepteren. Het werken in de richting van een dergelijke theorie vereist dat we ons bewust worden van alle unieke verschijnselen in de natuur die uitleg nodig hebben en dat we actief onderzoek naar deze verschijnselen. Elke onverklaarbare gebeurtenis vertelt ons iets over de tekortkomingen van onze bestaande fragmentarische kaarten (of beschrijvingen) van de fysische werkelijkheid. De meeste van deze aanwijzingen wijzen in de richting van de noodzaak van een strengere controle van de microscopische wereld. Dit is waar onze onverklaarbare mysteries vandaan komen, en dit is waar vinden we onze meest waardevolle aanwijzingen waardoor een rijkere, complete kaart van de fysische werkelijkheid te herschrijven. We onderzoeken nog wat meer van die aanwijzingen.
In 2005, Theodore A. Jacobson en Renaud Parentani toonde aan dat "de voortplanting van het geluid in een ongelijkmatige vloeistofstroom is nauw analoog aan de voortplanting van licht in een gekromde ruimte-tijd." Dit onderzoek wijst erop dat 'ruimtetijd kan, als een materiaal dat vocht , zijn korrelig en beschikken over een geprefereerde referentiekader dat zich manifesteert op mooie schalen ... "(Jacobson en Parentani 2005, 70) Verdere ondersteuning van deze gevolgtrekking komt uit beroemde argument van Stephen Hawking dat zwarte gaten niet echt zwart. Naar in 1970 Hawking voorspelde zwarte gaten thermische straling uitzenden, maar relativiteit eisen dat straling uit het oppervlak van een zwarte gat oneindig uitgerekt zoals propageert weg - het onmogelijk te meten. Deze oneindige rekken gaat ervan uit dat de ruimtetijd is oneindig deelbaar. Maar als we behandelen ruimtetijd als korrelig, dan kunnen we beschrijven het als een vloeistof systeem. Als we dit doen, "De vloeistof van de moleculaire structuur snijdt het oneindige rekken en vervangt de microscopische mysteries van de ruimtetijd door middel van bekende natuurkunde." (Jacobson en Parentani 2005, 70)
Deze aanpak zou steunen Hawking's claim, maar tot nu toe niemand is gekomen met een kader voor de fysieke realiteit die een korrelige structuur voor de ruimte-tijd verbeeldt. Een reden hiervoor kan zijn dat een dergelijk kader moet zijn wat natuurkundigen een achtergrond onafhankelijke formulering noemen. Dit betekent dat het kader niet kunnen de fluctuaties van kwantumvelden of trillingen van snaartheorie veronderstellen, worden vast in ruimtetijd. In plaats daarvan is deze formulering moet kwantumeffecten leggen als gevolg van interacties binnen een ruimteloze tijdloze kader. Per definitie is deze eis kan alleen worden voldaan in een hogere-dimensionale model, maar tot op heden, hoger-dimensionale modellen zijn ontsnapt intuïtieve voorstelling.
Een andere aanwijzing die we hebben over de microscopische wereld is aanwezig dat de theoretische minimum discrete waarden voor ruimte en tijd. [11] Als we doorgaan met een gebied van ruimte, of een interval van tijd te verdelen, zullen we uiteindelijk komen tot een schaal waar verdere verdeling van deze parameters levert zinloos resultaten. De ruimte kan niet worden opgedeeld in eenheden kleiner dan de Planck-lengte (l p) want onder die maat de ruimte zelf houdt geen definitie. Ook kan de tijd niet worden verdeeld in eenheden kleiner dan de Planck-tijd (t p), omdat de dimensie van de tijd niet behouden definitie verder dan dat schaal.
Vandaag is er een overvloed aan bewijs voor de fysieke bestaan van deze minimumgrenzen worden genoemd. De Planck-constanten worden algemeen aanvaarde waarden binnen de formulering van de kwantummechanica. De Zweedse wiskundige Oskar Klein oorspronkelijk geplukt van de Planck-lengte in 1926 als een unieke waarde, omdat het de enige lengte die op natuurlijke wijze zou kunnen verschijnen in een kwantumtheorie van de zwaartekracht. Aangezien de zwaartekracht direct verbonden met de vorm van de ruimte, deze waarde bleek een noodzakelijke voorwaarde. De Planck is een unieke waarde omdat de enige die kan worden gecombineerd met de Planck lengte c de snelheid van ruimtetijd opleveren - ook wel de lichtsnelheid.
Het bestaan van deze Planck waarden beperkt alle maatregelen van de afstand en reistijd naar geheel getal een veelvoud van de Planck-eenheden. In de ruimte twee voorwerpen een afstand van 77 Planck lengte uit elkaar, maar niet uit elkaar 77,5 Planck eenheden. Twee gebeurtenissen uit elkaar kunnen optreden 33 Planck tijdseenheden, maar ze kunnen niet van elkaar optreden 33,5 Planck tijdseenheden (chronons).
Al deze aanwijzingen tot het idee dat ruimtetijd een vloeistof - dat het een korrelige structuur. Dit punt verdient herkauwen, omdat deze voorwaarde technisch vereist dat de letterlijke fysieke bestaan van extra dimensies. Het betekent dat de volledige kaart van de natuur moet zijn dimensionaal rijker dan we hebben aangenomen. Als we erachter te komen hoe om te begrijpen en te verkennen die dimensies een hele nieuwe wereld zou kunnen openstellen voor ons. Maar voordat we kunnen zelfs beginnen te begrijpen, of verkennen, onbekende afmetingen is het relevant dat we begrijpen precies wat een dimensie is. Daarom draaien we nu te definiëren en wat natuurkundigen bedoelen met verkennen 'dimensies'. Uiteindelijk zal het inzicht dimensies die nieuwe titel bepaalt. Leren hoe je de legende van onze nieuwe kaart (hoe je de afmetingen in die kaart te begrijpen) lezen zal ons in staat om eindelijk het oplossen van de mysteries onthuld door Newton en zijn emmer.
Vanaf het komende boek:
Einstein's Intuition
door Thad Roberts
Vertegenwoordigd door
Sam Fleishman
Literaire Artiesten vertegenwoordigers
New York, New York
OPMERKINGEN:
[1] "Shut jezelf met enkele vriend in de kajuit benedendeks op een aantal grote schepen, en met u hebben deze zelfde vliegen, vlinders en andere kleine vliegende dieren. Neem een grote kom water met wat vissen erin, op te hangen een fles die druppel voor druppel leeg in een groot vat eronder. Met het schip stil te staan, zorgvuldig te observeren hoe de beestjes vliegen met gelijke snelheid naar alle kanten van de cabine, en in het gooien van iets om je vriend, je hulp nodig hebt gooi het niet meer sterk in andere richting dan de andere, de afstanden gelijk; springen met je voeten bij elkaar, u passeert identieke ruimten in alle richtingen. Wanneer u al deze dingen zorgvuldig verkregen, hebben het schip verder te gaan met welke snelheid je wilt, zolang de beweging is een uniforme en niet fluctuerende heen en weer. U ontdekt niet de minste verandering in alle genoemde effecten, noch kon je zien aan een van hen of het schip werd stilstaat of zich voortbeweegt. "Galileo Galilei, Dialoog over de twee Chief Systems Wereld, 1632, vertaald door Stillman Drake, p . 186; Walter Isaacson, Einstein, pp 108-9.
[2] Kip Thorne, 1979, Citaat van Einstein van Walter Isaacson, p. 133.
[3] al-Farabi, 1951, 'Farabi's artikel over Vacuum,' N. Lugal en A. Sayili (ed. en vert.), Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.
[4] Isaac Newton, Principia, Scholium op absolute ruimte en tijd Florian Cajori, trans, Berkeley. University of California Press, 1934; herdrukt in de wetenschappelijke achtergrond van de Moderne Filosofie, Bewerkt door Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis / Cambridge, 1989, blz. 139-146: Cohen, I. Bernard. De Newtoniaanse revolutie. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Een portret van Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S.Never at Rest: Een biografie van Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
[5] Leibniz zei: "Ik houd de ruimte om iets slechts relatief zijn, als de tijd is ... Ik houd het bij een bestelling van coexistences te zijn, als de tijd is een orde van erfopvolging." HG Alexander, 'De Leibniz-Clarke Correspondentie,' Manchester University Press (1956), 3e papier, § 4; Olaf Dryer 'Relationele Natuurkunde en Quantum ruimte, arXivig -qc/0404054v1, 13 april, 2004.
[6] Natuurlijk is een universum met alleen een emmer water kon niet beschikken over genoeg zwaartekracht door om het water te houden van wegdrijven. Dus in dit geval, aangezien we betekenen voor de versnelling te bespreken in het algemeen, in plaats voorstellen dat je ze in een grote emmer. Als de emmer draaiden je je zou voelen een pull in de richting van de buitenste rand. Mach stelling dat zonder een verwijzing voor het definiëren het spinnen van de bak kan worden draaien. Daarom is in deze visie, is het onmogelijk in een verder leeg heelal, te voelen een pull in de richting van de wanden van de bak.
[7] Ironisch genoeg, Einstein begon zijn intellectuele inspanning door te proberen te bewijzen dat Mach correct was in zijn relationele benadering.
[8] In de kwantummechanica alles heeft een deeltje-golf dualiteit. Alles heeft dus een bijbehorende golflengte.
[9] De publicatie van deze demonstratie is te vinden op - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5
[10] Ook zonder de Casimir-effect als verklaring vacuüm energie zou stil te houden als een geldige en veilige vordering door de gevestigde fenomeen dat bekend staat als Lamb-verschuiving. De conclusie gaat als volgt: sinds voorspellingen voor de golflengten van het licht geabsorbeerd en uitgezonden door moleculen (die alleen passen observatie als fysici gaan ervan uit dat trillende moleculen nulpuntsenergie bevatten) kan worden uitgebreid om uit te leggen hoe "vacuümschommelingen de frequenties van het licht te veranderen dat waterstof atomen absorberen en uitzenden, "zero-point energy moeten inherent zijn aan vacuümschommelingen. De "dezelfde basistheorie die werkt voor moleculen zegt dat het vacuüm zero-point energy Ook bevat, is er geen reden om iets anders te geloven." (David Shiga, "iets voor niets," New Scientist, oktober 2005:. 34-37)
[11] Deze waarden worden genoemd de Planck (l p) en de Planck (t p). Er bestaat ook een minimum discrete waarde voor de massa riep de Planck-massa (m p), Planck lading (q p), en Planck temperatuur (T p).
l P = 1.616252 (81) '10 - 35 m
t P = 5.39124 (11) "10 tot 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
(Schuin cijfers zijn theoretisch.)
Als we interpreteren het medium van de ruimtetijd als een moleculaire of atomaire composiet, dan zijn deze parameters kan gemakkelijk worden opgevat als de fysieke waarden die betrekking hebben op 'moleculen' het individu of 'atomen' van dat medium. Ondersteuning voor deze interpretatie komt van het feit dat de constanten van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn natuurlijke derivaten van deze fundamentele constanten.
De primaire constanten van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn:
(C de snelheid van kenmerk ruimtetijd, doorgaans bekend zijn als de snelheid van het licht, is de constante van Planck, en G de gravitatieconstante,.)
Deze constanten kan worden afgeleid uit de fundamentele constanten van de ruimte quanta op de volgende wijze:
l P / t P = c, l P 3 / m P t P 2 = G, m P l P 2 / t P = h
Werk hierbij kunnen wij voor l p, m p en t p op te lossen op het gebied van de algemene relativistische en kwantummechanische constanten (gemeten waarden) op deze manier:
l P = Ö HG / c 3, t P = Ö HG / c 5, m P = Ö HC / G
Er zijn vele andere constanten van de natuur die alles lijkt de hele fysica, chemie, elektronica etc., die ook blijken te zijn natuurlijke composieten van de Planck parameters. Bijvoorbeeld: de magnetische constant (μ 0), de elektrische constante (ε 0), de constante van Boltzmann (k) en de karakteristieke impedantie van het vacuüm (Z 0). We bespreken deze relaties, en een aantal anderen, meer in detail in hoofdstuk 16.