Kapittel 2
§ 3: Einsteins Absolute rom og tid
Som Newtons modell, fremkaller Einsteins modell av fysiske virkeligheten en absolutt benchmark, en ultimate referanseramme i Nature han kalte absolutt rom og tid. [7] Derfor, ifølge generell relativitetsteori, en bøtte i en ellers tom univers kan akselerere eller spinning. Rom og tid gir referansen som vi kan definere denne akselerasjonen på grunn av den intime sammenhengen det viser mellom bevegelse gjennom rommet og bevegelse gjennom tid.
Hvis et objekt reiser gjennom rom og tid på en konsekvent uforanderlig måte, så er det ikke akselererende. Men hvis et objekt endrer sin bevegelse gjennom rom og tid - ved å endre retning eller hastighet - så objektet har akselerert. Siden noen endring i et objekt opplevelse av tid krever en endring i sin opplevelse av rom, og visa versa, er rom og tid standarden for akselerasjon. Det er hver gjenstand konstant bevegelse gjennom rom og tid som gjør rom og tid den ultimate referanseramme - minst makroskopisk. Dette er grunnen til Einstein merket den absolutte benchmark "absolutt rom og tid. '
For å gjøre dette litt klarere, bør du vurdere følgende: hver gjenstand kan bevege seg gjennom tid og rom, men kombinert bevegelse gjennom tid og rom er alltid lik lysets hastighet (c). På de to endene av skalaen et objekt kan være å flytte bare gjennom rommet, hvor det ikke komme seg gjennom tid i det hele tatt, eller bare gjennom tiden, der det ikke komme seg gjennom verdensrommet i det hele tatt.
Einsteins begrep om absolutt rom og tid er en klar forbedring i forhold til Newtons absolutte rom, men det kan ikke være hele svaret fordi det ikke avsløre hvorfor andre tiltak i naturen er strengt relasjonell. Det gir oss en ultimat referanseramme (en rom og tid felt av null krumning), men strukturen som referanseramme ikke gir oss en forklaring på hvorfor posisjon, hastighet, etc. er relasjonelle mengder.
Dette er så langt vi har kommet i vår søken etter å oppdage naturens ultimate referanseramme. Vi er fortsatt med en fullstendig geometrisk beskrivelse av rom og tid - en som er i stand til samtidig å gi oss med en referanse som definerer akselerasjon, og forklare hvorfor relasjonelle tiltak (posisjon, hastighet, etc.) ikke er entydig løst ved at referanseramme. For å gå videre må vi forstå langt mer om den tingen vi kaller rom og tid enn vi gjør i dag. Vi har etablert at rom og tid er noe, men hva er det? Space er en del av det, er tid en del av det, fordreier og krusninger er noen av dens egenskaper, og det konstruerer referansen der akselerasjon får sin betydning. Men hva er det vi kaller rom og tid? Hvordan skal vi fullt ut kartlegge eller forstå det? Hvorfor er det at dette rom og tid ikke definerer strengt ting som posisjon og hastighet?
Mens vi tenke hva rom og tid er, la oss diskutere noen av de hint om tid og rom som har blitt oppdaget mer nylig. (Svar til de spørsmål som reises i dette kapitlet krever en introduksjon til vår nye modell på rom og tid de kan bli funnet etter at introduksjon -.. Se kapittel 10)
Moderne ledetråder for en Ultimate Reference Frame
Kvantefysikk har funnet at ultramicroscopic riket er preget av kvante jitters. Hva betyr dette? Vel, tenderer den vanlige svaret å inkludere diskusjon av felt og / eller vakuum svingninger, som begge synes å unngå en grafisk forklaring ved å svare med vilkår like forvirrende. Dette gjøres ikke med noen hensikt å villede. Sannheten er at et fullstendig bilde av rom og tid er fortsatt savnet, så alt snakk om kvante jitters (eller noen av de andre kvantemekaniske forekomster) pleier å være teknisk eller matematisk. Likevel kan disse observasjonene tjene som glimt i strukturen i rom og tid. De kan gi oss hint om hvordan strukturen på rom og tid må være - ledetråder som vil hjelpe oss i vår målsetting om å bygge et komplett kart.
Hendrik Casimir planlagte ett av disse ledetråder. Han spådde at to uncharged metallplater (eller speil) vil bevege seg mot hverandre når de er plassert i et vakuum, og arrangeres parallelt med hverandre. Siden gravitasjonskraft mellom disse to platene er altfor svak til å forklare denne bevegelsen, og ingenting annet enn plass er inkludert i systemet, er denne effekten svært spennende.
For å forklare denne bevegelsen, foreslo Casimir at Quantum svingningene i selve rommet er analog til en press forårsaket av den kombinerte bevegelser av mange molekyler. Basert på denne forutsetningen, viste han at når de to platene er plassert svært nær hverandre den "molekylære presset" av plass skal litt minke mellom platene på grunn av de respektive forskjeller i "molekylær bevegelse" i og utenfor platene. (Figur 2-6) Med andre ord, hvis rom og tid virkelig har noen form for assosiert press, da de to platene vil bli "presset" sammen fordi kun partikler med en bølgelengde / energi [8] mindre enn gapet mellom platene kan være innenfor åpningen, mens partikler av alle bølgelengder / energi kan være på utsiden av platene. Resultatet er at det er flere partikler presser platene sammen enn å skyve dem fra hverandre. På grunn av dette, platene kolliderer sammen som et par små cymbaler. Eller med andre ord, ender systemet opp med mindre mellomrom mellom platene. Casimir hevdet at den interaktive geometri plass i seg selv ville føre til denne bevegelsen. Vi har nå referere til det som Casimir effekt.
[FIGUR PLACEHOLDER]
Figur 2-6 Den Casimir Effect.
Selv Casimir gjort denne spådommen i 1948, var utstyr følsom nok til å måle denne effekten ikke er teknologisk tilgjengelig før 1996. I løpet av denne tidsperioden, ble Casimir spådommer allment antatt å være bare et innfall av matematikk. Så, i 1997 Steve Lamoreaux produsert en overbevisende demonstrasjon av effekten. [9] I dag, "arbeider med Casimir effekten har blitt en hastesak for nanotechnologists." (Saswato Das, 2008) Casimir effekten sterkt hevder at kvantefeltteori jitters er et resultat av interaksjoner av noen teoretiske 'Choice molekyler' eller 'atomer' som liksom poster mediet plass. [10]
Hvorfor er dette viktig? Når vi sondere mikroskopiske riket, oppdager vi at rom og tid mister sin funksjon som den ultimate referanseramme. Dette er et betydelig problem, fordi hvis vi ikke lenger har en ultimate referanseramme, så alle spørsmålene introdusert av Newtons bøtte blir ubesvart igjen. Inntil vi kan oppdage en ultimate referanseramme som opphever ikke på mikroskopiske skalaer, vil vi forbli i denne skyen av forvirring. Det er derfor det er viktig for oss å studere spor som den mikroskopiske verden kan tilby. Hvis vi kan bruke dem til å skildre et nytt bilde av naturen, så det bildet bør selvsagt avsløre den ultimate referanseramme. Den klarhet som ville komme fra en slik helhetlig teori er hva vi er ute etter.
Einstein visjon av menneskelig transcendens krever at vi aksepterer intet mindre enn en teori som gir en helt sammenhengende hensyn til individuelle fenomener. Arbeide mot en slik teori krever at vi blir klar over alle de unike fenomener i naturen som krever forklaring og at vi aktivt etterforske disse fenomener. Hver uforklarlig hendelse forteller oss noe om svakhetene i våre eksisterende fragmentariske kart (eller beskrivelser) av fysisk virkelighet. De fleste av disse ledetrådene peker mot behovet for strengere kontroll av den mikroskopiske riket. Det er der våre uforklarlige mysterier stammer, og det er her vi finner våre mest verdifulle ledetråder ved å skrive om et rikere, komplett kart av fysisk virkelighet. La oss undersøke litt mer av disse ledetråder.
I 2005 viste Theodore A. Jacobson og Renaud Parentani at "utbredelsen av lyden i en ujevn strømning er tett analog til spredning av lys i en buet space-time." Dette arbeidet antyder at "rom og tid kan, som et materiale væske , være kornet og har en foretrukket referanseramme som manifesterer seg på fine skalaer ... "(Jacobson og 2005 Parentani, 70) Ytterligere støtte for dette slutning kommer fra Stephen Hawking berømte argument om at sorte hull er ikke virkelig svart. Tilbake i 1970 Hawking spådde at svarte hull avgir termisk stråling, men relativitetsteori krav at enhver stråling fra overflaten av et sort hull vil bli uendelig strekkes så den forplanter seg bort - noe som gjør det umulig å måle. Dette uendelig strekk forutsetter at rom og tid er uendelig delbar. Men hvis vi behandler rom og tid som kornet, så vi kan skildre det som en væske system. Når vi gjør dette, "Væsken molekylære struktur stenger uendelig strekk og erstatter de mikroskopiske mysterier rom og tid av kjente fysikk." (Jacobson og 2005 Parentani, 70)
Denne tilnærmingen ville støtte Hawking påstand, men så langt har ingen kommet opp med et rammeverk for fysisk virkelighet som viser en detaljert struktur for rom og tid. En årsak til dette kan være at et slikt rammeverk må være det fysikerne kaller en bakgrunn uavhengig formulering. Dette betyr at rammene ikke kan forutsette svingningene i kvante felt, eller vibrasjoner fra strengteori, å bli sittende fast i rom og tid. I stedet er denne formuleringen nødvendig for å forklare kvanteeffekter som et resultat av interaksjon innenfor en spaceless og tidløs rammeverk. Per definisjon dette kravet kan bare løses i en høyere dimensjonal modell, men til dags dato, har høyere-dimensjonale modeller rømte intuitiv fremstilling.
En annen ledetråd vi har om den mikroskopiske riket er at teoretiske minimum diskrete verdier for tid og rom eksisterer. [11] Hvis vi fortsetter å dele en region av plass, eller et intervall av tid, vil vi til slutt fram til en skala der ytterligere oppdeling av disse parametrene gir meningsløse resultater. Space kan ikke deles opp i enheter mindre enn Planck lengden (l p) fordi under den størrelsen plass beholder selv ingen definisjon. Likeledes kan ikke tiden deles opp i enheter mindre enn Planck tiden (t p) fordi dimensjon av tid ikke beholde definisjon utover det skala.
I dag er det en mengde bevis som støtter den fysiske eksistensen av disse minimumsgrenser. Planck konstanter er universelt akseptert verdier innenfor formulering av kvantemekanikk. Den svenske matematikeren Oskar Klein opprinnelig plukket Planck lengden i 1926 som en unik verdi fordi det er den eneste lengden som kunne naturlig vises i en kvante gravitasjonsteori. Siden tyngdekraften er direkte knyttet til formen på plass, syntes denne verdien en nødvendig forutsetning. Planck tiden er en unik verdi fordi det er den eneste verdien som kan kombineres med Planck lengden å gi c, hastigheten på rom og tid - ellers kjent som lysets hastighet.
Eksistensen av disse Planck verdiene begrenser alle tiltak av avstand og tid til hele tall multipler av Plancks enheter. I verdensrommet to objekter kan være en avstand av 77 Plancks lengder fra hverandre, men de kan ikke være 77,5 Plancks lengde enheter fra hverandre. To hendelser kan inntreffe 33 Plancks tidsenheter hverandre, men de kan ikke forekomme 33.5 Planck tidsenheter (chronons) fra hverandre.
Alle disse sporene fører til ideen om at rom og tid er en væske - at det har en kornet struktur. Dette punktet fortjener litt grubling fordi denne tilstanden teknisk krever den bokstavelige fysiske eksistensen av flere dimensjoner. Det betyr at hele kartet over naturen må være dimensionally rikere enn vi har antatt. Hvis vi finne ut hvordan å forstå og utforske disse dimensjonene en helt ny verden kan åpne seg for oss. Men før vi kan begynne å forstå, eller utforske, ukjente dimensjoner det er relevant at vi forstår nøyaktig hva en dimensjon er. Derfor slår vi nå å definere og utforske hva fysikere mener med 'dimensjoner.' I siste instans vil det være vår forståelse av dimensjoner som bestemmer vår nye posisjon. Lære å lese legenden om vår nye kart (hvordan å forstå dimensjonene i dette kartet) vil gjøre oss i stand til å endelig løse mysteriene avslørt av Newton og hans bøtte.
Fra kommende bok:
Einsteins Intuition
av Thad Roberts
Representert ved
Sam Fleishman
Litterære Artister Representanter
New York, New York
MERKNADER:
[1] "Hold deg opp med noen venn i hovedhytta under dekk på noen store skip, og har med deg de samme fluer, sommerfugler og andre små flygende dyr. Ha en stor bolle med vann med litt fisk i det, henge opp en flaske som tømmes dråpe for dråpe i et stort fartøy under den. Med skipet står stille, observere nøye hvordan de små dyrene fly med lik hastighet til alle sider av hytta, og, i å kaste noe til vennen din, trenger du kaster den ikke sterkere i noen retning enn en annen, avstandene er like; hopping med føttene sammen, passerer du like mellomrom i alle retninger. Når du har fått alle disse tingene nøye, har skipet fortsette med en hastighet du vil, så lenge bevegelsen er ensartet og ikke svingende denne måten og det. Du vil oppdage ikke minst endring i alle effektene navngitte, eller kunne du fortelle fra noen av dem om skipet beveget seg eller står stille. "Galileo Galilei, Dialog om dei to verdssystema 1632, oversatt av Stillman Drake, p . 186, Walter Isaacson, Einstein, s. 108-9.
[2] Kip Thorne, 1979, Sitat fra Einstein av Walter Isaacson, s.. 133.
[3] al-Farabi, 1951, 'Farabi artikkel om Vacuum,' N. Lugal og A. Sayili (red. og trans.), Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.
[4] Isaac Newton, Principia, Scholium på Absolute Space og Time Florian Cajori, trans, Berkeley:. University of California Press, 1934; gjengitt i The vitenskapelig bakgrunn til Modern Philosophy, redigert av Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis / Cambridge, 1989, pp. 139-146: Cohen, I. Bernard. Den Newtonske Revolution. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Et portrett av Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S.Never i ro: A Biography of Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
[5] Leibniz sa: «Jeg holder plass til å være noe bare relativ, så tiden er ... jeg holder det å være en orden coexistences, som tiden er en orden av suksesjoner." HG Alexander, 'The Leibniz-Clarke Korrespondanse,' Manchester University Press (1956), 3. papir, § 4, Olaf Dryer 'Relasjonelle fysikk og Quantum plass, arXivig -qc/0404054v1, 13. april 2004.
[6] Selvfølgelig ett univers som bare inneholder en bøtte med vann kunne ikke ha nok tyngdekraften ved å holde vannet flyter bort. Så i dette tilfellet, siden vi mener å diskutere akselerasjon generelt, tenk i stedet at du var plassert inne i en stor bøtte. Hvis bøtta ble spinne du ville føle en dragning mot sin utenfor kanten. Mach påstand er at uten annen referanse ved å definere spinning av bøtta det kan ikke spinne. Derfor, i dette synet, er det umulig i et ellers tomt univers, til å føle en dragning mot veggene i bøtta.
[7] Ironisk nok begynte Einstein hans intellektuelle streben ved å prøve å bevise at Mach var korrekt i sin relasjonell tilnærming.
[8] I kvantemekanikken alt har en partikkel-bølge dualitet. Alt, derfor har en tilhørende bølgelengde.
[9] offentliggjøringen på denne demonstrasjonen kan bli funnet på - Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.78.5
[10] Selv uten Casimir virkning som en forklaring vakuumenergien ville fortsatt holde som en gyldig og sikker kravet gjennom veletablerte fenomen kjent som Lamb shift. Den slutning går som dette: Siden spådommer for bølgelengder av lys absorberes og slippes ut av molekyler (som bare passer observasjonen om fysikere anta at vibrerende molekyler inneholder nullpunktet energi) kan utvides til å forklare hvordan "vakuumsvingningene endre frekvenser av lys som hydrogen atomer absorberer og avgir "null-punkt energi må være iboende i vakuum svingninger. Den "samme grunnleggende teori som fungerer for molekyler forteller at vakuum inneholder null-punkt energi, er det ingen grunn til å tro noe annet." (David Shiga, "noe for ingenting," New Scientist, oktober 2005:. 34-37)
[11] Disse verdiene blir kalt Planck lengden (l p), og Planck tiden (t p). Det finnes også et minimum diskret verdi for massen kalles Planck massen (m p), Planck kostnad (q p), og 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
(Kursiverte siffer er teoretisk.)
Hvis vi tolker medium på rom og tid som en molekylær eller atom kompositt, så disse parametrene kan lett forstås som de fysiske verdiene som er knyttet til den enkeltes molekyler 'eller' atomer 'i dette mediet. Støtte for denne tolkningen kommer fra det faktum at de konstantene i generell relativitetsteori og kvantemekanikken er naturlige derivater av disse fundamentale konstanter.
De primære konstanter av generell relativitetsteori og kvantemekanikken er:
(C er det karakteristiske hastigheten på rom og tid, på folkemunne kalt lysets hastighet, er Plancks konstant, og G er gravitasjonskonstanten,.)
Disse konstantene kan utledes fra de fundamentale konstanter av plassen kvanter på følgende måte:
l P / t P = c, l P 3 / m P t P 2 = G, M P l P 2 / t P = h
Arbeide bakover vi kan løse for l p, m p og t p når det gjelder de generelle relativistiske og kvantemekaniske konstanter (målt verdier) på denne måten:
l P = O HG / c 3, t P = O HG / c 5, m P = O HC / G
Det er mange andre konstanter av natur som vises gjennom hele fysikk, kjemi, elektronikk etc., som også viser seg å være naturlige kompositter av Planck parametere. For eksempel: den magnetiske konstanten (μ 0), den elektriske konstant (ε 0), den Boltzmanns konstant (k), og den karakteristiske impedansen av vakuum (Z 0). Vi vil drøfte disse sammenhengene, og flere andre, i større detalj i kapittel 16.