Si të mendojmë për konceptin e relativitetit të hapësirë-kohës

Në fizikën Njutoniane, hapësira dhe koha kishin identitetet e tyre të pavarura dhe askush nuk i ngatërroi kurrë. Pikërisht me teorinë e relativitetit, e bashkuar në fillim të shekullit të 20-të, të folurit për hapësirë-kohën u bë pothuajse e pashmangshme. Në relativitet, nuk është më e vërtetë që hapësira dhe koha kanë kuptime të veçanta, objektive. Ajo që ekziston realisht është hapësira-koha, dhe prerja e saj në hapësirë ​​dhe kohë është thjesht një konventë e dobishme njerëzore.

Një nga arsyet kryesore pse relativiteti ka një reputacion për të qenë i vështirë për t’u kuptuar është se intuitat tona na mësojnë të mendojmë për hapësirën dhe kohën si gjëra të veçanta. Ne i përjetojmë objektet si me shtrirje në “hapësirë”, dhe ky duket si një fakt mjaft objektiv. Në fund të fundit, na mjafton sepse ne përgjithësisht udhëtojmë nëpër hapësirë ​​me shpejtësi shumë më të ulëta se shpejtësia e dritës, kështu që fizika para-relativiste funksionon.

Por kjo mospërputhje mes intuitës dhe teorisë e bën disi frikësues kërcimin drejt një perspektive hapësirë-kohore. Çfarë është më e keqja, prezantimet e relativitetit shpesh marrin një qasje nga poshtë-lart – ato fillojnë me konceptimet tona të përditshme të hapësirës dhe kohës dhe i ndryshojnë ato në kontekstin e ri të relativitetit.

Ne do të jemi pak më ndryshe. Rruga jonë drejt relativitetit special mund të mendohet si nga lart-poshtë, duke marrë seriozisht idenë e një hapësire-kohe të unifikuar që nga fillimi dhe duke parë se çfarë nënkupton kjo. Ne do të duhet të zgjasim pak trurin tonë, por rezultati do të jetë një kuptim shumë më i thellë i perspektivës relativiste mbi universin tonë.

Zhvillimi i relativitetit zakonisht i atribuohet Albert Ajnshtajnit, por ai siguroi themelin për një ndërtesë teorike që ishte në ndërtim e sipër që kur James Clerk Maxwell unifikoi elektricitetin dhe magnetizmin në një teori të vetme të elektromagnetizmit në vitet 1860. Teoria e Maxwell shpjegoi se çfarë është drita – një valë lëkundëse në fushat elektromagnetike – dhe dukej se i jepte një rëndësi të veçantë shpejtësisë me të cilën drita udhëton. Ideja e një fushe ekzistuese në vetvete nuk ishte plotësisht intuitive për shkencëtarët në atë kohë dhe ishte e natyrshme të pyesim veten se çfarë po “valëzonte” në të vërtetë në një valë drite.

Fizikantë të ndryshëm hetuan mundësinë që drita të përhapet përmes një mediumi që ata e quajtën eteri ndriçues. Por askush nuk mund të gjente prova për ndonjë eter të tillë, kështu që ata u detyruan të shpiknin arsye gjithnjë e më të ndërlikuara pse kjo substancë duhet të ishte e pazbulueshme. Kontributi i Ajnshtajnit në vitin 1905 ishte të vinte në dukje se eteri ishte bërë krejtësisht i panevojshëm dhe se ne mund të kuptonim më mirë ligjet e fizikës pa të. Gjithçka që duhej të bënim ishte të pranonim një koncept krejtësisht të ri të hapësirës dhe kohës. (OK, kjo është shumë, por doli se ia vlente plotësisht.)

Teoria e Ajnshtajnit u bë e njohur si teoria speciale e relativitetit, ose thjesht relativiteti special. Në punimin e tij themelor, “Mbi elektrodinamikën e trupave në lëvizje”, ai argumentoi për mënyra të reja të të menduarit për gjatësinë dhe kohëzgjatjen. Ai shpjegoi rolin e veçantë të shpejtësisë së dritës duke pohuar se ekziston një kufi shpejtësie absolute në univers – një shpejtësi me të cilën drita thjesht udhëton kur lëviz nëpër hapësirën boshe – dhe se të gjithë do ta masin atë shpejtësi të jetë e njëjtë. pavarësisht se si lëviznin. Për ta bërë këtë, atij iu desh të ndryshonte nocionet tona konvencionale për kohën dhe hapësirën.

Por ai nuk shkoi aq larg sa të mbrojë bashkimin e hapësirës dhe kohës në një hapësirë-kohë të vetme të unifikuar. Ky hap iu la ish profesorit të tij të universitetit, Hermann Minkowski, në fillim të shekullit të 20-të. Arena e relativitetit special sot njihet si hapësirë-kohë Minkowski.

Pasi të keni idenë për të menduar për hapësirë-kohën si një vazhdimësi të unifikuar katërdimensionale, mund të filloni të bëni pyetje për formën e saj. A është hapësira-koha e sheshtë apo e lakuar, statike apo dinamike, e fundme apo e pafundme? Hapësira-koha Minkowski është e sheshtë, statike dhe e pafundme.

Ajnshtajni punoi për një dekadë për të kuptuar se si forca e gravitetit mund të përfshihej në teorinë e tij. Përparimi i tij përfundimtar ishte të kuptonte se hapësirë-koha mund të ishte dinamike dhe e lakuar, dhe se efektet e kësaj lakimi janë ato që ju dhe unë e përjetojmë si “gravitet”. Frytet e këtij frymëzimi janë ato që ne tani e quajmë relativitet i përgjithshëm.

Pra, relativiteti special është teoria e një hapësire-kohe fikse, të sheshtë, pa gravitet; relativiteti i përgjithshëm është teoria e hapësirës-kohës dinamike, në të cilën lakimi krijon gravitetin. Të dyja llogariten si teori “klasike” edhe pse zëvendësojnë disa nga parimet e mekanikës Njutoniane. Për fizikanët, klasikja nuk do të thotë “jo-relativiste”; do të thotë “jo kuantike”. Të gjitha parimet e fizikës klasike janë plotësisht të paprekura në kontekstin relativist.

Ne duhet të jemi të gatshëm të heqim dorë nga dashuria jonë para relativitetit për ndarjen e hapësirës dhe kohës dhe t’i lejojmë ato të shpërndahen në arenën e unifikuar të hapësirë-kohës. Mënyra më e mirë për të arritur atje është të mendojmë edhe më me kujdes se çfarë nënkuptojmë me “kohë”. Dhe mënyra më e mirë për ta bërë këtë është të kthehemi edhe një herë tek mënyra se si mendojmë për hapësirën.

Konsideroni dy vende në hapësirë, të tilla si shtëpia juaj dhe restoranti juaj i preferuar. Sa është distanca midis tyre?

Epo, kjo varet, ju menjëherë mendoni. Ekziston një distancë “si korbi fluturon”, nëse mund të imagjinonim të merrnim një rrugë të drejtë të përkryer midis dy pikave. Por ekziston edhe distanca që do të udhëtonit në një udhëtim në botën reale, ku ndoshta jeni të kufizuar në marrjen e rrugëve dhe trotuareve publike, duke shmangur ndërtesat dhe pengesat e tjera gjatë rrugës. Rruga që bëni do të jetë gjithmonë më e gjatë se distanca kur fluturon sorra, pasi një vijë e drejtë është distanca më e shkurtër midis dy pikave.

Tani merrni parasysh dy ngjarje në hapësirë-kohë. Në zhargonin teknik të teorisë së relativitetit, një “ngjarje” është vetëm një pikë e vetme në univers, e specifikuar nga vendndodhjet si në hapësirë ​​ashtu edhe në kohë. Një ngjarje, quhet A, mund të jetë “në shtëpi në orën 18:00” dhe ngjarja B mund të jetë “në restorant në orën 19:00”. Mbani të fiksuara këto dy ngjarje në mendjen tuaj dhe mendoni për një udhëtim midis A dhe B. Nuk mund të nxitoni për të arritur në B më shpejt; nëse arrini në restorant në orën 6:45, do t’ju duhet të uleni dhe të prisni deri në orën 19:00. për të arritur ngjarjen në hapësirë-kohë ne kemi etiketuar B.

Tani mund të pyesim veten, ashtu siç bëmë për distancën hapësinore midis shtëpisë dhe restorantit, sa kohë kalon midis këtyre dy ngjarjeve.

Ju mund të mendoni se kjo është një pyetje mashtrimi. Nëse një ngjarje është në orën 18:00. dhe tjetra është në orën 7 pasdite, ka një orë mes tyre, apo jo?

Jo aq shpejt, thotë Ajnshtajni. Në një konceptim të vjetër, Njutonian të botës, sigurisht. Koha është absolute dhe universale, dhe nëse koha ndërmjet dy ngjarjeve është një orë, kjo është gjithçka për t’u thënë.

Relativiteti tregon një histori tjetër. Tani ka dy nocione të dallueshme se çfarë nënkuptohet me “kohë”. Një nocion i kohës është si një koordinatë në hapësirë-kohë. Hapësira-koha është një vazhdimësi katër-dimensionale dhe nëse duam të specifikojmë vendndodhjet brenda saj, është e përshtatshme të bashkëngjitni një numër të quajtur “koha” në çdo pikë brenda saj. Kjo është përgjithësisht ajo që ne kemi parasysh kur mendojmë për “6 pasdite”. dhe “7 pasdite.” Këto janë vlerat e një koordinate në hapësirë-kohë, etiketa që na ndihmojnë të lokalizojmë ngjarjet. Të gjithë duhet të kuptojnë se çfarë nënkuptojmë kur themi “takohemi në restorant në orën 7 pasdite”.

Por, thotë relativiteti, ashtu si distanca gjatë fluturimit të sorrës është përgjithësisht e ndryshme nga distanca që ju udhëtoni midis dy pikave në hapësirë, kohëzgjatja e kohës që përjetoni në përgjithësi nuk do të jetë e njëjtë me kohën e koordinatave universale. Ju përjetoni një sasi kohe që mund të matet me një orë që mbani me vete gjatë udhëtimit. Kjo është koha e duhur përgjatë rrugës. Dhe kohëzgjatja e matur me një orë, ashtu si distanca e përshkuar e matur nga odometri në makinën tuaj, do të varet nga shtegu që bëni.

Ky është një aspekt i asaj që do të thotë të thuash se “koha është relative”. Ne mund të mendojmë si për një kohë të përbashkët në termat e një koordinate në hapësirë-kohë dhe për një kohë personale që ne e përjetojmë individualisht përgjatë rrugës sonë. Dhe koha është si hapësira – këto dy nocione nuk duhet të përkojnë. (Siç ka theksuar historiani Peter Galison, nuk është rastësi që Ajnshtajni ka punuar në një zyrë patentash zvicerane në një kohë kur udhëtimi i shpejtë hekurudhor po i detyronte evropianët të mendonin se sa ishte ora në qytete të tjera anembanë kontinentit, në mënyrë që ndërtimi të ishte më i mirë. orët u bënë një kufi i rëndësishëm teknologjik.)

Megjithatë, duhet të ketë një mënyrë në të cilën koha nuk është si hapësira, përndryshe ne do të flasim vetëm për hapësirën katërdimensionale, në vend që ta veçojmë kohën si meritore për etiketën e saj. Dhe ne nuk po mendojmë për shigjetën e kohës këtu – për momentin, ne jemi në një botë të thjeshtë me pak pjesë lëvizëse, ku entropia dhe pakthyeshmëria nuk janë gjëra për të cilat duhet të shqetësohemi.

Dallimi është ky: në hapësirë, një vijë e drejtë përshkruan distancën më të shkurtër midis dy pikave. Në hapësirë-kohë, përkundrazi, një shteg i drejtë jep kohën më të gjatë të kaluar midis dy ngjarjeve. Është ajo kthesë nga distanca më e shkurtër në kohën më të gjatë që e dallon kohën nga hapësira.

Me një “rrugë të drejtë” në hapësirë-kohë, nënkuptojmë një vijë të drejtë në hapësirë ​​dhe një shpejtësi konstante udhëtimi. Me fjalë të tjera, një trajektore inerciale, pa nxitim. Rregulloni dy ngjarje në hapësirë-kohë – dy vendndodhje në hapësirë ​​dhe momente përkatëse në kohë. Një udhëtar mund të bëjë udhëtimin midis tyre në një vijë të drejtë me shpejtësi konstante (çfarëdo që duhet të jetë ajo shpejtësi që ata të arrijnë në kohën e duhur), ose ata mund të mbërrijnë përpara dhe mbrapa në një rrugë joinerciale. Rruga mbrapa dhe mbrapa do të përfshijë gjithmonë më shumë distancë hapësinore, por më pak kohë të duhur të kaluar, sesa versioni i drejtë.

Pse është kështu? Sepse fizika e thotë këtë. Ose, nëse preferoni, sepse kështu është universi. Ndoshta ne do të zbulojmë përfundimisht një arsye më të thellë pse duhej të ishte kështu, por në gjendjen tonë të tanishme të njohurive është një nga supozimet bazë mbi të cilat ne ndërtojmë fizikën, jo një përfundim që nxjerrim nga parime më të thella. Vijat e drejta në hapësirë ​​janë distanca më e shkurtër e mundshme; shtigjet e drejta në hapësirë-kohë janë koha më e gjatë e mundshme.

Mund të duket kundërintuitive që shtigjet me distancë më të madhe marrin më pak kohë të duhur. Eshte ne rregull. Nëse do të ishte intuitive, nuk do të duhej të ishe Ajnshtajni për të krijuar idenë.