Capítulo 2
Seção 3: O espaço-tempo absoluto de Einstein
Como modelo de Newton, Einstein modelo da realidade física evoca uma referência absoluta, um quadro de referência final na revista Nature chamou absoluto espaço-tempo. [7] Portanto, de acordo com a relatividade geral, um balde em um universo vazio pode ser acelerado ou girar. Spacetime fornece a referência pela qual podemos definir esta aceleração por causa da íntima correlação entre o movimento que retrata através do espaço e movimento através do tempo.
Se um objeto viaja através do espaço-tempo de uma forma consistente e imutável, então não é acelerado. No entanto, se um objeto muda seu movimento através do espaço-tempo -, alterando a sua direção, ou a sua velocidade - então o objeto acelerou. Uma vez que qualquer mudança na experiência de um objeto de tempo exige uma mudança em sua experiência de espaço, e vice-versa, espaço-tempo é a referência para a aceleração. É constante movimento cada objeto através do espaço-tempo que faz com que o espaço-tempo o quadro de referência final - pelo menos macroscopicamente. É por isso que Einstein marcado o ponto de referência absoluto "espaço-tempo absoluto."
Para fazer isto mais um pouco, considerar o seguinte: todos os objectos pode mover-se através do tempo e espaço, mas o seu movimento combinado através do tempo e espaço é sempre igual à velocidade da luz (c). Nas duas extremidades do espectro um objecto pode ser movendo-se apenas através do espaço, em que ele não progride ao longo do tempo em todos, ou apenas através do tempo, em que ele não progride através do espaço de todo.
Conceito de Einstein do espaço-tempo absoluto é uma melhoria definitiva sobre o espaço absoluto de Newton, mas não pode ser a resposta completa, pois ela não revela por que outras medidas de natureza estritamente relacional. Isso nos dá um quadro de referência final (um campo espaço-tempo de curvatura zero), mas a estrutura do quadro de referência que não nos dá uma explicação para posição, velocidade, etc, são quantidades relacionais.
Isto é, tanto quanto nós chegamos em nossa busca para descobrir quadro da Natureza referência final. Estamos ainda com uma completa descrição geométrica do espaço-tempo - que é capaz de, simultaneamente, proporcionando-nos uma referência que define a aceleração, e explicar por que as medidas relacionais (posição, velocidade, etc) não são exclusivamente fixado por esse quadro de referência. Para ir mais longe, precisamos entender muito mais sobre a coisa que chamamos de espaço-tempo do que fazemos atualmente. Nós estabelecemos que o espaço-tempo é uma coisa, mas o que é isso? O espaço é parte dela, o tempo é parte dela, deforma e ondulações são algumas de suas propriedades, e constrói a referência pela qual a aceleração fica o seu significado. Mas o que é essa coisa que chamamos de espaço-tempo? Como estamos plenamente mapear ou compreendê-lo? Por que é que este espaço-tempo não estritamente definir coisas como posição e velocidade?
Enquanto refletimos sobre o que é o espaço-tempo, vamos discutir algumas das pistas sobre o espaço eo tempo que foram descobertos mais recentemente. (As respostas às questões colocadas neste capítulo requerem uma introdução ao nosso novo modelo de espaço-tempo Eles podem ser encontrados depois que a introdução -.. Ver Capítulo 10)
Pistas modernos para um quadro de referência final
A Física Quântica descobriu que o reino ultramicroscópico está impregnado com nervosismo quântica. O que isso significa? Bem, a resposta habitual tende a incluir palestra de campos e / ou flutuações do vácuo, sendo que ambos parecem evitar uma explicação gráfica, respondendo com termos tão confuso. Isto não é feito com qualquer intenção de enganar. A verdade é que um quadro completo do espaço-tempo ainda está faltando, portanto, qualquer conversa sobre o nervosismo do quantum (ou qualquer das outras ocorrências mecânicas quântica) tende a ser técnica ou matemática. No entanto, estas observações podem servir como vislumbres da estrutura do espaço-tempo. Eles podem nos dar pistas sobre como a estrutura do espaço-tempo deve ser - pistas que irão nos ajudar em nosso objetivo de construir um mapa completo.
Hendrik Casimir prevista uma dessas pistas. Ele previu que duas placas de metal não carregadas (ou espelhos) irá mover para o outro, quando são colocados no vácuo e estão dispostas paralelas umas às outras. Uma vez que a força gravitacional entre estas duas placas é demasiado fraca para explicar este movimento e nada mais do que o espaço é incluído no sistema, este efeito é muito interessante.
Para explicar este movimento, Casimir sugerido que as flutuações quânticas de espaço em si são análogos a uma pressão causada pelos movimentos combinados de muitas moléculas. Com base nesta hipótese, mostrou que, quando as duas placas são colocados muito próximos uns aos outros a «pressão molecular 'do espaço deve diminuir ligeiramente entre as placas, devido às respectivas diferenças em dentro' movimento molecular 'e fora das placas. (Figura 2-6) Em outras palavras, se o espaço-tempo realmente tem algum tipo de pressão associado, então as duas chapas será "empurrado" juntos, porque apenas partículas com um comprimento de onda / energia [8] menor do que a distância entre as placas podem ser no interior da abertura, enquanto que partículas de qualquer comprimento de onda / energia pode ser do lado de fora das placas. O resultado é que existem mais partículas que empurram as placas em conjunto do que empurrando-los. Devido a isso, as placas de colidir em conjunto como um par de pratos minúsculas. Ou em outras palavras, o sistema termina com menos espaço entre as placas. Casimiro afirmou que a geometria interativa do espaço em si poderia causar esse movimento. Nós agora se referem a ele como o efeito Casimir.
[PLACEHOLDER FIGURA]
Figura 2-6 Efeito Casimir O.
Apesar de Casimir fez esta previsão em 1948, o equipamento sensível o suficiente para medir esse efeito não foi tecnologicamente disponível até 1996. Durante este período de tempo, a previsão de Casimir foi amplamente assumido a ser apenas um capricho da matemática. Então, em 1997 Steve Lamoreaux produziu uma demonstração convincente do efeito. [9] Hoje em dia, "lidar com o efeito Casimir se tornou uma questão de urgência para nanotecnólogos." (Saswato Das, 2008) O efeito Casimir fortemente argumenta que os tremores de campo quântica são o resultado das interações de alguns teóricos de moléculas 'ou' átomos 'que de alguma forma compõem o meio do espaço. [10]
Por isso é importante? Quando nós sondar o reino microscópico, descobrimos que o espaço-tempo perde a sua função como o quadro de referência final. Este é um problema significativo, porque se nós já não temos um quadro de referência absoluto, então todas as questões introduzidas pelo balde de Newton ficam sem resposta novamente. Até podemos descobrir um quadro de referência final que não se dissolve nas escalas microscópicas, permanecerá neste nuvem de confusão. É por isso que é importante para nós estudarmos as pistas que o reino microscópico pode oferecer. Se nós podemos usá-las para descrever uma nova imagem da Natureza, então que a imagem deve, naturalmente, revelar o quadro de referência final. A clareza que viria de uma teoria coerente é o que estamos buscando.
Visão de Einstein da transcendência humana exige que aceitar nada menos do que uma teoria que dá conta completamente coerente dos fenômenos individuais. Trabalhando em direção a uma teoria requer que nos tornamos conscientes de todos os fenômenos únicos na Natureza que exigem explicação e que ativamente investigar esses fenómenos. Todas as ocorrências inexplicáveis nos diz algo sobre as deficiências dos nossos mapas existentes fragmentários (ou descrições) da realidade física. A maioria dessas pistas apontam para a necessidade de controlo mais rigoroso do reino microscópico. Este é o lugar onde nossos mistérios inexplicáveis origem, e é aí que vamos encontrar nossas dicas mais valiosas por que reescrever um rico mapa completo da realidade física. Vamos investigar um pouco mais dessas pistas.
Em 2005, Theodore A. Jacobson e Renaud Parentani mostrou que "a propagação do som em um fluxo de fluido desigual é estreitamente análogo à propagação da luz no espaço-tempo curvo." Este trabalho sugere que "o espaço-tempo pode, como o líquido de um material , ser granular e ter um quadro preferido de referência que se manifesta em escalas finas ... "(Jacobson e Parentani 2005, 70) Após apoio a esta inferência vem do famoso argumento de Stephen Hawking de que buracos negros não são realmente negros. Na década de 1970 Hawking previu que buracos negros emitem radiação térmica, mas as demandas da relatividade que toda a radiação emitida pela superfície de um buraco negro será infinitamente esticado como se propaga de distância - tornando-o impossível de medir. Este infinito alongamento assume que o espaço-tempo é infinitamente divisível. Mas se tratarmos como espaço-tempo granular, então podemos representá-lo como um sistema de fluido. Quando fazemos isso, "a estrutura molecular do fluido corta o alongamento infinita e substitui os mistérios microscópicas do espaço-tempo da física conhecidas." (Jacobson e Parentani 2005, 70)
Esta abordagem apoiar a reivindicação de Hawking, mas até agora ninguém veio acima com um quadro de realidade física que descreve uma estrutura granular para o espaço-tempo. Uma razão para isso pode ser que esse quadro deve ser o que os físicos chamam de uma formulação de fundo independente. Isto significa que a estrutura não pode pressupor as flutuações de campos quânticos, ou as vibrações da teoria das cordas, para ser preso dentro de espaço-tempo. Em vez disso, essa formulação é necessária para explicar os efeitos quânticos como o resultado de interações dentro de um quadro-espacial e intemporal. Por definição, esse requisito só pode ser satisfeita em um modelo de dimensão superior, mas até à data, de dimensão superior modelos tenham escapado representação intuitiva.
Outra pista que temos sobre o reino microscópico é que os teóricos mínimos valores discretos para o espaço eo tempo existem. [11] Se continuarmos a dividir uma região do espaço, ou um intervalo de tempo, acabaremos por chegar a uma escala de divisão, onde mais de esses parâmetros produz resultados sem sentido. O espaço não pode ser dividida em unidades mais pequenas do que o comprimento de Planck (l p), porque abaixo que o espaço tamanho próprio retém nenhuma definição. Da mesma forma, o tempo não pode ser dividida em unidades mais pequenas do que o tempo de Planck (t p), porque a dimensão do tempo não retém definição para além dessa escala.
Hoje existe uma infinidade de provas que sustentem a existência física destes limites mínimos. As constantes de Planck são universalmente aceitos valores dentro da formulação da mecânica quântica. O matemático sueco Oskar Klein originalmente escolhido o comprimento de Planck em 1926 como um valor único porque é o comprimento que só poderia naturalmente aparecem em uma teoria quântica da gravidade. Uma vez que a gravidade está directamente ligado à forma do espaço, este valor parecia um requisito necessário. O tempo de Planck é um valor único porque é o único valor que pode ser combinada com o comprimento de Planck para originar c, a velocidade de espaço-tempo - também conhecido como a velocidade da luz.
A existência desses valores Planck restringe todas as medidas de distância e tempo para múltiplos números inteiros das unidades de Planck. No espaço de dois objetos podem estar a uma distância de 77 comprimentos de Planck de distância, mas eles não podem ser de 77,5 unidades de comprimento de Planck separados. Dois eventos podem ocorrer 33 unidades de tempo de Planck à parte, mas não podem ocorrer 33,5 unidades de tempo de Planck (chronons) de distância.
Todas estas pistas conduzir à ideia de que o espaço-tempo é um fluido - que tem uma estrutura granular. Este ponto merece alguma ruminação porque essa condição tecnicamente requer a existência literal físico de dimensões adicionais. Isso significa que o mapa completo da Natureza devem ser dimensionalmente mais rico do que temos assumido. Se descobrir como compreender e explorar essas dimensões toda uma nova área pode abrir para nós. Mas antes mesmo que possamos começar a compreender, ou explorar, dimensões desconhecidas é pertinente que entendemos exatamente o que é uma dimensão. Portanto, voltamos agora para definir e explorar o que os físicos querem dizer com 'dimensões'. Em última análise, será nossa compreensão de dimensões que determina o nosso novo título. Aprender a ler a lenda do nosso novo mapa (como entender as dimensões em que o mapa) nos permitirá solucionar os mistérios revelados por Newton e seu balde.
A partir do próximo livro:
A intuição de Einstein
por Thad Roberts
Representado por
Sam Fleishman
Literárias Representantes Artistas
New York, New York
NOTAS:
[1] "Cale-se com algum amigo na cabine principal abaixo do convés principal em algum grande navio, e ter com você essas mesmas moscas, borboletas e outros pequenos animais voadores. Tenha uma tigela grande de água com alguns peixes nele; desligar uma garrafa que se esvazia gota a gota para um recipiente largo embaixo. Com o navio parado, observe com cuidado como os pequenos animais a voar com velocidades iguais para todos os lados da cabine e, em lançar algo para o seu amigo, você precisa jogá-la mais fortemente em alguma direção que o outro, as distâncias são iguais; saltar com os pés juntos, que você passa espaços iguais em todas as direções. Quando você tiver obtido todas estas coisas com cuidado, ter o navio prosseguir com qualquer velocidade que você quiser, desde que o movimento é uniforme e não flutuante desta maneira e que. Você vai descobrir não a mudança menos em todos os efeitos nomeados, nem poderia dizer de qualquer um deles se o navio foi parado ou em movimento. "Galileo Galilei, Diálogo sobre os Dois Principais Sistemas do Mundo de 1632, traduzido por Stillman Drake, p . 186, Walter Isaacson, Einstein, pp 108-9.
[2] Kip Thorne, 1979, citação de Einstein por Walter Isaacson, p. 133.
[3] Al-Farabi, 1951, «Artigo Farabi sobre vácuo, 'N. e A. Lugal Sayili (ed. e trad.), Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.
[4] Isaac Newton, Principia, Escólio em espaço e tempo absolutos Florian Cajori, trans, Berkeley:. University of California Press, 1934; reimpresso em O embasamento científico para a filosofia moderna, editado por Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis / Cambridge, 1989, pp 139-146: Cohen, I. Bernard. A Revolução Newtoniana. Cambridge: Cambridge University Press, 1980; Manuel, Frank E. Um Retrato de Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968; Westfall, Richard S.Never at Rest: Uma biografia de Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
[5] Leibniz disse: "Eu tenho espaço para ser algo meramente relativo, pois o tempo é ... eu prendê-lo a ser uma ordem de coexistências, como o tempo é uma ordem de sucessões". HG Alexander, "A correspondência Leibniz-Clarke, ' Manchester University Press (1956), terceiro papel, § 4 º; Física relacionais Olaf secador "e espaço Quântica, arXivig -qc/0404054v1, 13 de abril de 2004.
[6] É claro que um universo contendo apenas um balde de água não poderia possuir gravidade suficiente por que para manter a água de flutuar para longe. Assim, neste caso, uma vez que queremos dizer a discutir aceleração em geral, em vez imaginar que foram posicionados dentro de um balde grande. Se o balde giravam você se sentiria uma atração em direção a sua borda externa. Reivindicação de Mach é que, sem outra referência, através da qual a definir as fiação do balde ele não pode ser fiação. Portanto, nessa visão, é impossível em um universo vazio, a sentir uma atração para as paredes do balde.
[7] Ironicamente, Einstein começou seu esforço intelectual, tentando provar que Mach estava correto em sua abordagem relacional.
[8] Em tudo o quantum mecânica tem uma dualidade onda-partícula. Tudo, portanto, tem um comprimento de onda associado.
[9] A publicação desta demonstração pode ser encontrada em - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5
[10] Mesmo sem o efeito Casimir como energia do vácuo explicação seria ainda mantêm como uma reivindicação válida e segura através do fenômeno bem estabelecido conhecido como deslocamento de Lamb. A inferência é assim: uma vez que as previsões para os comprimentos de onda da luz absorvida e emitida por moléculas (que só combinar observação se os físicos assumem que as moléculas vibrando conter energia do ponto zero) pode ser estendido para explicar como "as flutuações do vácuo alterar as freqüências de luz que o hidrogênio átomos absorvem e emitem "energia ponto zero deve ser inerente a flutuações do vácuo. A "mesma teoria básica que funciona para moléculas diz que o vácuo contém energia ponto zero também, não há razão para acreditar no contrário." (David Shiga, "Something for Nothing", New Scientist, outubro de 2005:. 34-37)
[11] Estes valores são chamados de comprimento de Planck (l p), eo tempo de Planck (t p). Existe também um valor mínimo para a massa discreta chamado a massa de Planck (m p), de Planck carga (q p), e Planck 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
(Dígitos em itálico são teóricas).
Se interpretar a forma do espaço-tempo como um composto molecular ou atómica, em seguida, estes parâmetros podem ser facilmente entendido como os valores físicos que se relacionam com 'moléculas "o indivíduo ou' átomos 'de que o meio. O Suporte para esta interpretação vem do fato de que as constantes da relatividade geral ea mecânica quântica são derivados naturais de constantes fundamentais.
As constantes primárias da relatividade geral ea mecânica quântica são:
(C é a velocidade característica do espaço-tempo, coloquialmente referida como a velocidade da luz, é a constante de Planck, e G é a constante gravitacional,.)
Estas constantes podem ser derivadas a partir das constantes fundamentais do quanta espaço da seguinte maneira:
l P / t P = c, l P 3 / m P t P 2 = G, m P l P 2 / P t = h
Trabalhando para trás podemos resolver l p, p m e p t em termos de geral relativística e quântica constantes mecânicas (valores medidos) desta maneira:
l P = O HG / c 3, t P = O HG / c 5, m P = O hc / G
Há muitas outras constantes da natureza que aparecem por toda a física, química, eletrônica, etc, que também acabam por ser compostos naturais dos parâmetros de Planck. Por exemplo: a magnético constante (μ 0), a constante eléctrico (ε 0), a constante de Boltzmann (k), e da impedância característica do vácuo (Z 0). Vamos discutir essas relações, e vários outros, em maior detalhe no Capítulo 16.