Све је релативно: Откриће простор-времена (Подцаст)

простор-време, простор-време

(Кредит за слику: аргус | Схуттерстоцк)

Паул Суттер је истраживач на Астрономској опсерваторији у Трсту и гостујући научник у Центру за космологију и физику астро-честица Универзитета Охио ( ЦЦАПП ). Суттер је такође домаћин подцаста Питајте космичара и РеалСпаце , и ИоуТубе серије Простор на твом лицу . Он је допринео овом чланку за Спаце.цом'с Екперт Воицес: Оп-Ед & Инсигхтс.



Јамес Цлерк Маквелл није имао појма шта ради. Искрено речено, знао је шта ради када је у питању стварање можда једног од највећих научних достигнућа 19. века: показивање да су електрицитет и магнетизам заиста само две стране истогелектромагнетниновчић. О да, и открио је шта је светлост. Да, светло. Можда сте чули за то. Његови увиди омогућили су му да схвати да је све обједињено под једном силом: светлост сунца, магнет залепљен за фрижидер и електрична енергија у вашем паметном телефону.

Оно што можда није схватио је да је теорија коју је развио посијао сјеме револуције која ће помести стари њутновски поредак и увести ново доба релативности. Његови резултати увели би потпуно нови поглед на свет: парадигму у којој простор и време нису одвојени ентитети, већ су уједињени као јединствениВреме простор. Вау.

Маквелл је такође имао браду због које би бармен у вашем локалном гастропубу био љубоморан. Али то је објашњење које је заостало у колективној жељи свих. Маквелл је идентификовао светлост као самоодрживи талас електричне енергије и магнетизма ('електромагнетни талас', ако желите), али ако је у питању талас, шта је томашући? Звучним таласима је потребан ваздух да би се таласао, а океанским таласима потребна је вода да се таласају, па шта електромагнетни таласи ... таласају около?

Светлост

'Ах-ха', каже Маквелл у мом измишљеном аргументу, 'сама нова теорија даје траг.' Брзина овог новонасталог електромагнетног таласа је константна, а тачан број зависи од својстава магнетног и електричног поља у вакууму.

ДОвакуум? Где нема апсолутно ништа друго? Зашто, то је доменетер. Сада разумем: Светлост је талас етера! Та-да! Јел тако. Етер. Ствари, глупост, нуга добра која прожима читав универзум. Ако негде нема ничега, онда је то негде пуно етра. Постоји разлог за ту речетерније вам познато читаоцима после 19. века: Без знања, Маквеллов увид у природу светлости на крају би уништио читав концепт.

Али зашто су људи мислили да су нам потребне неке етерске ствари да би светлост уопште таласала?

Галилео је први указао на очигледно: свако кретање је релативно. Кад кажем нешто попут „лопта путује 50 км / х према мени“, имплицитно додам „у односу на моју главу“. Ако сам у возу, неко ко стоји на перону би додао брзину воза брзини лопте како би добио 'укупну' брзину. Још један заинтересовани посматрач, излаз у свемир, такође би додао ротацију и орбиту Земље. Па шта јеправибрзина? Апсолутна, коначна брзина?

Ова идеја релативног кретања значи да не можете лако схватити ту коначну брзину. На пример, експеримент из физике изведен у возу (рецимо, тестирање колико би ме глава бољела након ударца лоптом) не би ми рекао да ли сам у возу или не. (Под претпоставком да се не убрзава. А прозори су затворени. И тако даље. Ово је мисаони експеримент, у реду?)

Видели сте ово сами. Бацајте лопту око авиона. Након што вас стјуардесе обуздају, размислите о чињеници да се лопта понашала савршено нормално, упркос чињеници да летите кроз ваздух брзином од неколико стотина миља на сат.

Како можемо рећи да ли се крећемо ако ... не можемо рећи да се крећемо?

Универзална референца

Унесите универзални референтни оквир. „Позадина“ универзума која остаје непокретна и непомична читаву вечност, дајући нам свима позорницу за игру. То је место где можемо мерити 'укупну, стварну, коначну, озбиљна сам, момци' брзину. Ох, и главни сат, такође, за одржавање савршеног времена. То би било корисно.

Ова претпоставка о фиксној позадини чинила је једну од основа Њутнови закони кретања . У том универзалном оквиру могао је да запише математику која му је била потребна да би обавио посао. Сва кретања у свемиру се односе натобацкгроунд.

Назад на Маквелл. Пошто је брзина светлости била константна у вакууму, а вакуум је био испуњен етером (како се тада мислило), онда етер мора бити у универзалном референтном оквиру. Другим речима, сам етер је био универзална њутновска позадина. Ако се крећемо у односу на ту фиксну позадину, можемо открити наше кретање у односу на њу - и стога закључити својства етра - мерењем промена брзине светлости. Још један та-да, и хуззах за покретање!

Тако да, забога, изађимо и учинимо то. И то је урадила гомила људи, укључујући Алберта Мицхелсона и Едварда Морлеиа. Или тачније, покушано. Изградњом осетљивог апарата и упоређивањем брзине светлости која се креће у различитим смеровима у различито доба дана, мислили су да могу мерити кретање Земље у односу на позадински етер. Кључна реч:мислио.

То је проблем: покушајте колико год могли, експерименте Мицхелсон-Морлеи-аније успеода открије било какве промене у брзина светлости . Уопште. Икад. Чак и кад су лепо питали. Без обзира на све, без обзира на то колико се брзо или у ком смеру Земља кретала, њихова измерена брзина светлости је остала тврдоглаво поправљен .

То је оно што се зове 'проблем'. С једне стране имате Невтонов поглед на свет, који каже да мора постојати апсолутни референтни оквир, а с друге стране имате Маквелл плус М&М (чекај, то може бити заштићено ауторским правима, идемо са ММ), који каже да нема доказа о етер, а самим тим ни апсолутни референтни оквир. Ко побеђује? Мислим, сви су прилично паметни, па је тешко.

То је оно што подразумевају под 'релативношћу'

Заједно је дошао и Ајнштајн да реши спор. А под „поравнати“ мислим „изабрати Маквелла“. Ајнштајн је узео старе представе о Галилејевом релативном кретању и довео их до крајности. Да, све је релативно.И то је то. Нема апсолутних референтних оквира. Нема етра. Нема главних сатова. Само релативно кретање. Може се рећи само да се ствари 'крећу' у односу на другог посматрача.

Шта је велика ствар? Посебна релативност је велика ствар. Занемаривањем апсолутног референтног оквира (и етера заједно са њим) свет има нека чудна својства. На пример, сада постоји универзално ограничење брзине. Тако је: ми смо мењали универзум без ограничења брзине, али са фиксном позадином у један са ограничењем брзине, али без икаквог етра.

ако ти

Ако сте актуелни стручњак-истраживач, пословни лидер, аутор или иноватор-и желите да дате свој допринос у опусу, пошаљите нам е -пошту овде .(Кредит за слику: СПАЦЕ.цом)

А онда је Ајнштајн прешао на следећи ниво како је само Ајнштајн могао: не само да су закони кретања исти у свакоминерцијално(упозорење жаргона: 'не убрзава') референтни оквир, алисвефизика је иста. Укључујући Маквеллове једначине. Укључујући Маквеллову брзину светлости. Што је константа у једном кадру. И стога је константан усвеоквири.

Ту је и наше универзално ограничење брзине: брзина светлости у вакууму. Константно за једног, а тиме и за све, без обзира на то колико се брзо крећете .

Прелазак на универзум са посебном релативношћу има своју цену. На крају крајева, са великом моћи долази и велика релативност. Ха-ха, извини, нисам могао да одолим. Али, заиста, постоји цена. Простор и време се више не могу сматрати одвојенимствари. Само постојиВреме простор. То не звучи као велика ствар, али сада је свемир много чуднији: без апсолутног референтног оквира, различити посматрачи се не могу сложити око дужине, трајања или чак редоследа догађаја. Звучи сабласно.

Сада је све, како кажу, релативно. Шта ово значи за вас и мене? Наставићу у следећем есеју ...

Сазнајте више слушајући епизоду ' Шта је просторвреме? (Део 1) 'на подцасту Аск А Спацеман, доступном на иТунес и на Вебу на адреси хттп://ввв.аскаспацеман.цом .

Пратите сва питања и расправе стручних гласова - и постаните део дискусије - даље Фејсбук , Твиттер и Гоогле+ . Изнесени ставови су ставови аутора и не одражавају нужно ставове издавача. Ова верзија чланка првобитно је објављена Спаце.цом.