Kapitel 2
Avsnitt 3: Einsteins Absolut Spacetime
Som Newtons modell väcker Einsteins modell av den fysiska verkligheten en absolut måttstock, en ultimat referensram i Nature han kallade absoluta rumtiden. [7] Därför, enligt allmänna relativitetsteorin kan en hink i ett annars tomt universum accelererar eller spinning. Rumtiden ger referensen som vi kan definiera denna acceleration på grund av det intima sambandet Den skildrar mellan rörelse genom rymden och rörelse genom tiden.
Om ett objekt färdas genom rumtiden på ett konsekvent oföränderligt sätt, då är det inte accelererar. Men om ett objekt byter rörelse genom rumtiden - genom att ändra dess riktning, eller dess hastighet - då objektet har accelererat. Eftersom någon förändring i ett objekts upplevelse av tid kräver en förändring i sin erfarenhet av rymden, och vice versa, är rumtiden riktmärket för accelerationen. Det är varje objekts ständig rörelse genom rumtiden som gör rumtiden den ultimata referensram - åtminstone makroskopiskt. Det är därför Einstein märkt det absolut riktmärke "absoluta rumtiden".
För att göra detta lite tydligare, tänka på följande: varje objekt kan röra sig genom tid och rum, men dess samlade rörelse genom tid och rum är alltid lika med ljusets hastighet (c). Vid de två ändarna av spektrumet ett objekt kan vara på väg bara genom rymden, där det inte framsteg genom tid alls, eller bara genom tiden, där det inte pågår genom rymden alls.
Einsteins begreppet absoluta rumtiden är en klar förbättring jämfört med Newtons absoluta utrymme, men det kan inte vara hela svaret, eftersom det inte avslöjar varför andra åtgärder i naturen är strängt relationella. Det ger oss en ultimat referensram (en rumtiden område noll krökning), men strukturen i denna referensram inte ge oss en förklaring till varför position, hastighet etc. är relationella mängder.
Detta är så långt vi har kommit i vår strävan att upptäcka naturens ultimata referensram. Vi är fortfarande med ett komplett geometrisk beskrivning av rumtiden - en som är kapabel att samtidigt ge oss en referens som definierar acceleration och förklarar varför relationsdatabaser åtgärder (position, hastighet etc.) inte unikt fastställs av den referensram. Att gå vidare måste vi förstå mycket mer om det vi kallar rumtiden än vi gör i dag. Vi har konstaterat att rumtiden är något, men vad är det? Rymden är en del av det, är tiden en del av den, trålvarpet och ringar är några av dess egenskaper, och det bygger referensen med vilka accelerationen får sin mening. Men vad är det vi kallar rumtiden? Hur ska vi helt kartan eller förstå det? Varför är det att denna rumtid inte strikt definierar saker som position och hastighet?
Medan vi begrundar vad rumtiden är, låt oss diskutera några av de ledtrådar om tid och rum som har upptäckts på senare tid. (Svar på de frågor som ställs i detta kapitel kräver en introduktion till vår nya modell av rumtiden De kan hittas efter att införandet. - Se kapitel 10.)
Moderna Ledtrådar för en Ultimate referensram
Kvantfysik har funnit att ultramikroskopiska riket är fylls av quantum panik. Vad innebär det? Tja, tenderar vanliga svaret att inkludera tala om fält och / eller fluktuationer vakuum, som båda verkar för att undvika en grafisk förklaring genom att svara med villkor lika förvirrande. Detta är inte gjort med någon avsikt att vilseleda. Sanningen är att en komplett bild av rumtiden fortfarande saknas, så alla pratar om quantum panik (eller något av övriga kvantmekaniska händelser) tenderar att vara tekniska eller matematiska. Ändå kan dessa observationer fungera som glimtar in i strukturen hos rumtiden. De kan ge oss ledtrådar om hur strukturen på rumtiden måste - ledtrådar som kan hjälpa oss i vårt mål att bygga en komplett karta.
Hendrik Casimir planerade en av dessa ledtrådar. Han förutspådde att två oladdade metallplattor (eller speglar) kommer att röra sig mot varandra när de placeras i ett vakuum och arrangeras parallellt med varandra. Eftersom gravitationskraften mellan dessa två plattor är alldeles för svag för att förklara denna rörelse och ingenting annat än yta ingår i systemet, är denna effekt mycket spännande.
För att förklara denna motion föreslog Casimir att den kvantmekaniska fluktuationer i rymden själv är att jämföra med ett tryck som orsakas av de kombinerade rörelser av många molekyler. Utifrån detta antagande visade han att när de två plattorna är placerade mycket nära varandra "molecular tryck" utrymme något bör minska mellan plattorna på grund av respektive skillnader i "molekylär rörelse" inom och utanför plattorna. (Figur 2-6) Med andra ord, om rumtiden verkligen har någon form av samband tryck, då två plattor kommer att "skjutas" tillsammans eftersom endast partiklar med en våglängd / energi [8] mindre än avståndet mellan plattorna kan vara inom gapet, medan partiklar av någon våglängd / energi kan på utsidan av plattorna. Resultatet är att det finns fler partiklar driver tallrikar tillsammans än att driva dem isär. På grund av detta, plattorna krockar ihop som ett par små cymbaler. Eller med andra ord, slutar systemet med mindre mellanrum mellan plattorna. Casimir hävdade att de interaktiva geometri i rymden i sig skulle leda till detta förslag. Vi hänvisar nu till det som Casimir effekt.
[BILD placeholder]
Figur 2-6 De Casimir Effect.
Trots att Casimir gjorde denna förutsägelse i 1948, var utrustning som är känslig nog för att mäta denna effekt inte tekniskt tillgängliga förrän 1996. Under denna tidsperiod var Casimir förutsägelse allmänt antas vara bara en ödets matematik. Då, i 1997 Steve Lamoreaux fram en övertygande demonstration av effekten. [9] I dag, "som handlar om Casimir effekt har blivit en brådskande fråga för nanoteknikerna." (Saswato Das, 2008) Den Casimir effekt starkt hävdar att kvantfältteori panik är resultatet av växelverkan mellan några teoretiska "molekyler" eller "atomer" som på något sätt komponera mediet i rymden. [10]
Varför är detta viktigt? När vi sond de mikroskopiska värld, upptäcker vi att rumtiden förlorar sin funktion som den ultimata referensram. Detta är ett betydande problem, för om vi inte längre har en ultimat referensram, då alla frågor infördes genom Newtons hink blir obesvarad igen. Tills vi kan upptäcka en ultimat referensram som inte löses på mikroskopisk skala kommer vi att förbli i denna moln av förvirring. Det är därför det är viktigt för oss att studera de ledtrådar som den mikroskopiska värld kan erbjuda. Om vi kan använda dem för att skildra en ny bild av naturen, så att bilden ska givetvis avslöja den ultimata referensram. Den tydlighet som skulle komma från en sådan sammanhängande teori är vad vi är ute efter.
Einsteins vision av människans transcendens kräver att vi accepterar inget annat än en teori som ger en helt sammanhängande redogörelse av enskilda fenomen. Arbetar mot en sådan teori kräver att vi blir medvetna om alla de unika fenomen i naturen som kräver förklaring och att vi aktivt undersöka dessa fenomen. Varje oförklarlig händelse säger något om bristerna i våra befintliga fragmentariska kartor (eller beskrivningar) av fysiska verkligheten. De flesta av dessa ledtrådar pekar mot behovet av strängare granskning av mikroskopiska värld. Det är där vår oförklarliga mysterier ursprung, och det är där vi hittar våra mest värdefulla ledtrådar hur man ska skriva ett rikare, komplett karta över fysiska verkligheten. Låt oss undersöka några fler av dessa ledtrådar.
År 2005 visade Theodore A. Jacobson och Renaud Parentani att "överföringen av ljud i en ojämn vätskeflöde är nära jämförbar med spridning av ljus i en krökt rumtid." Detta arbete visar att "rumtiden kan, som ett material vätska vara granulat och har en önskad referensram som manifesterar sig på fina fjäll ... "(Jacobson och Parentani 2005, 70) Ytterligare stöd för denna slutsats kommer från Stephen Hawkings berömda argument att svarta hål inte är riktigt svart. Tillbaka på 1970-talet Hawkings förutspådde att svarta hål avger termisk strålning, men relativitetsteorin kräver att eventuella strålningen från ytan av ett svart hål oändligt sträcks som propagerar bort - gör det omöjligt att mäta. Denna oändliga sträcka förutsätter att rumtiden är oändligt delbar. Men om vi behandlar rumtiden som granulat, då kan vi skildra det som ett flytande system. När vi gör det, "Den flytande molekylära struktur bryter den oändliga stretching och ersätter den mikroskopiska mysterier rumtiden av kända fysiken." (Jacobson och Parentani 2005, 70)
Detta tillvägagångssätt skulle stödja Hawkings påstående, men hittills har ingen kommit med en ram för fysisk verklighet som visar ett granulat struktur för rumtiden. En orsak till detta kan vara att en sådan ram måste vara det som fysikerna kallar en bakgrund självständig formulering. Detta innebär att ramen inte kan förutsätta fluktuationerna i kvantfält eller vibrationer strängteorin, att sitta fast i rumtiden. Istället är denna formulering som krävs för att förklara kvantmekaniska effekter som följd av växelverkan inom en spaceless och tidlös ram. Per definition är detta krav kan endast uppfyllas i en högre dimensionell modell, men hittills har högre dimensionella modeller flydde intuitivt skildring.
En annan ledtråd vi har om mikroskopiska värld är att teoretiska minsta diskreta värden för tid och rum existerar. [11] Om vi fortsätter att dela en region i rymden, eller ett tidsintervall, kommer vi fram till slut på en skala där ytterligare uppdelning av dessa parametrar ger meningslösa resultat. Mellanslag kan inte delas upp i enheter som är mindre än Planck-längd (l P) eftersom under den storleken rymden själv behåller ingen definition. På samma sätt kan tiden inte delas upp i enheter som är mindre än Planck-tiden (t p) eftersom dimensionen av tid inte behåller definition utöver den skalan.
Idag finns en uppsjö av underlagen för fysiska existensen av dessa minimikrav gränser. Planck konstanter är universellt accepterade värden inom formulering av kvantmekanik. Den svenska matematikern Oskar Klein plockade ursprungligen Plancklängden 1926 som ett unikt värde eftersom det är den enda längd som naturligt skulle kunna förekomma i en kvantmekaniska teorin för gravitation. Eftersom gravitationen är direkt ansluten till formen på plats, verkade det här värdet en nödvändig förutsättning. Planck tid är ett unikt värde, eftersom det är det enda värde som kan kombineras med Plancklängden att ge c, hastigheten på rumtiden - annars känd som ljusets hastighet.
Förekomsten av dessa Planck värden begränsar alla åtgärder av avstånd och tid till heltal multiplar av Planck enheter. I rymden två objekt kan vara ett avstånd på 77 Planck längder isär, men de kan inte 77,5 Plancklängden enheter isär. Två händelser kan inträffa 33 Planck tidsenheter isär, men de kan inte inträffa 33,5 Planck tidsenheter (chronons) isär.
Alla dessa ledtrådar leder till tanken att rumtiden är en vätska - att den har en kornig struktur. Denna punkt förtjänar lite grubbel, eftersom detta villkor tekniskt kräver bokstavliga fysiska existensen av ytterligare dimensioner. Det betyder att hela kartan över naturen måste vara dimensionellt rikare än vi trott. Om vi lista ut hur att förstå och utforska dessa dimensioner en helt ny värld kan öppna sig för oss. Men innan vi ens kan börja att förstå, eller utforska, okända dimensioner det är lämpligt att vi förstår exakt vad en dimension är. Därför vänder vi oss nu att definiera och utforska vad fysiker menar med 'dimensioner. " I slutändan kommer det att vara vår förståelse av dimensioner som avgör vår nya rubrik. Att lära sig läsa legenden om vår nya karta (hur man ska förstå de dimensioner i den karta) ger oss möjlighet att äntligen lösa mysterier avslöjas av Newton och hans hink.
Ur kommande bok:
Einsteins Intuition
av Thad Roberts
Representerad av
Sam Fleishman
Litterära Artister representanter
New York, New York
ANMÄRKNINGAR:
[1] "Håll upp dig själv med några vänner i storstugan under däck på några stora skepp, och har med dig samma flugor, fjärilar och andra små flygande djur. Ha en stor skål med vatten med lite fisk i den, hänga upp en flaska som tömmer droppe för droppe i ett stort kärl under den. Med fartyget står still, observera noggrant hur de små djuren flyger med samma hastighet på alla sidor av kabinen, och i att kasta något till din vän, du behöver kasta det inte mer kraftfullt i någon riktning än en annan, avstånden är lika; hoppa med fötterna ihop, passerar du lika utrymmen i alla riktningar. När du har fått alla dessa saker noga har fartyget fortsätter med någon hastighet du vill, så länge som rörelse är enhetlig och inte fluktuerande hit och dit. Du kommer att upptäcka inte minst förändringen av alla namngivna effekterna, inte heller kunde du berätta från någon av dem om fartyget rörde sig eller står stilla. "Galileo Galilei, Dialog om de två världssystemen Systems, 1632, översatt av Stillman Drake, p . 186, Walter Isaacson, Einstein, s. 108-9.
[2] Kip Thorne, 1979, Citat från Einstein av Walter Isaacson, s. 133.
[3] al-Farabi, 1951, "Farabi: s artikel om Vacuum," N. Lugal och A. Sayili (red. och transfetter.) Ankara: Turk Tarih Kurumu Basimevi.
[4] Isaac Newton Principia Scholium på Absolute Space och Time Florian Cajori, trans, Berkeley: University of California Press, 1934, omtryckt i den vetenskapliga bakgrunden till modern filosofi, redigerad av Michael R. Matthews, Hackett Publishing Company Indianapolis /. Cambridge, 1989, pp 139-146: Cohen, I. Bernard. Den newtonska revolutionen. Cambridge: Cambridge University Press, 1980, Manuel, Frank E. En Porträtt av Isaac Newton. Cambridge, Massachusetts: Harvard University Press, 1968, Westfall, Richard S. Aldrig på Rest: En biografi av Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1980.
[5] Leibniz sa, "Jag håller med utrymme för att vara något blott relativ, eftersom tiden är ... jag håller det vara en ordning coexistences, eftersom tiden är en ordning arv." HG Alexander, "The Leibniz-Clarke Correspondence" Manchester University Press (1956), 3: e papper, § 4, Olof torktumlare "Relational fysik och Quantum Space, arXivig -qc/0404054v1, 13 april, 2004.
[6] Naturligtvis ett universum som endast innehåller en hink vatten inte kunde ha tillräckligt allvar med vilket för att hålla vattnet från att flyta iväg. Så i detta fall, eftersom vi menar att diskutera acceleration i allmänhet föreställer istället att du var placerad inne i en stor hink. Om hinken var snurrande du skulle känna en dragning till sin ytterkant. Mach påstående är att utan en annan referens för att fastställa de spinning av hinken det kan inte snurra. Därför, i detta synsätt är det omöjligt i ett annars tomt universum, att känna en pull mot väggarna i hinken.
[7] Ironiskt nog började Einstein hans intellektuella strävan med att försöka bevisa att Mach hade rätt i sin relationella synsätt.
[8] I kvantmekaniken allt har en partikel-våg dualitet. Allt, därför har en tillhörande våglängd.
[9] Publiceringen på denna demonstration kan hittas på - Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.78.5
[10] Även utan Casimir effekt som en förklaring vakuum energi fortfarande skulle hålla som en giltig och säker skadeståndsanspråk genom väletablerade fenomen som kallas lamm skift. Den slutsatsen går så här: eftersom prognoser för våglängder av ljuset absorberas och avges av molekyler (som bara matcha observation om fysiker antar att vibrerande molekyler innehåller nollpunkten energi) kan utvidgas till att förklara hur "vakuum fluktuationer ändra frekvenser av ljus som vätgas atomer absorberar och släpper, "noll-punkts energi måste prägla vakuum fluktuationer. "Samma grundläggande teori som fungerar för molekyler säger att det vakuum innehåller nollpunkts energi också, det finns ingen anledning att tro något annat." (David Shiga, "någonting för ingenting", New Scientist, oktober 2005:. 34-37)
[11] Dessa värden kallas Planck-längd (l P) och Planck tid (t p). Finns det också en lägsta diskret värde för massa som kallas Planck-massan (m p), Planck laddning (q p), och Planck temperatur (T p).
l P = 1.616252 (81) "10 till 35 m
t p = 5,39124 (11) från 10 till 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
(Kursiv siffror är teoretiska.)
Om vi tolkar medium rumtiden som en molekylär eller atomär komposit, då dessa parametrar kan lätt uppfattas som den fysiska värden som hänför sig till enskilda "molekyler" eller "atomer" av det mediet. Stöd för denna tolkning kommer från det faktum att de konstanter för allmän relativitetsteori och kvantmekanik är naturliga derivat av dessa grundläggande konstanter.
Den primära konstanter allmän relativitetsteori och kvantmekanik är:
(C är den karakteristiska hastighet rymdtid, vardagligt tal kallas för ljusets hastighet, är Plancks konstant, och G är gravitationskonstanten,.)
Dessa konstanter kan härledas från de grundläggande konstanter av utrymmet kvanta på följande sätt:
l P / t P = c, l P 3 / m P t P 2 = G, M P l P 2 / t P = H
Arbeta bakåt vi kan lösa för L p, m p och t p i termer av den allmänna relativistiska och kvantmekaniska konstanter (uppmätta värden) på detta sätt:
l P = Ö HG / c 3, t P = Ö Hg / C 5, m P = Ö Hc / G
Det finns många andra konstanter i naturen som förekommer genom hela fysik, kemi, elektronik etc, som också visar sig vara naturliga kompositer av Planck parametrar. Till exempel: den magnetiska konstant (μ 0), den elektriska konstant (ε 0), Boltzmanns konstant (k), och den karakteristiska impedansen hos vakuum (Z 0). Vi kommer att diskutera dessa relationer, och flera andra, mer i detalj i kapitel 16.