Newton fiziğinde, uzay ve zamanın bağımsız kimlikleri vardı ve kimse onları asla karıştırmadı. 20. yüzyılın başlarında bir araya getirilen görelilik teorisi ile uzay-zaman hakkında konuşmak neredeyse kaçınılmaz hale geldi. Görelilikte, uzay ve zamanın ayrı, nesnel anlamlara sahip olduğu artık doğru değil. Gerçekte var olan şey uzay-zamandır ve onu uzay ve zamana bölmek yalnızca faydalı bir insan geleneğidir.
Göreliliğin anlaşılması zor olmakla ünlü olmasının en önemli nedenlerinden biri, sezgilerimizin bizi uzay ve zamanı ayrı şeyler olarak düşünmemiz için eğitmesidir. Nesneleri "uzayda" kapsıyormuş gibi deneyimliyoruz ve bu oldukça nesnel bir gerçek gibi görünüyor. Nihayetinde bu bizim için yeterli çünkü uzayda genellikle ışık hızından çok daha düşük hızlarda seyahat ediyoruz, bu nedenle görelilik öncesi fizik işe yarıyor.
Ancak sezgi ve teori arasındaki bu uyumsuzluk, uzay-zaman perspektifine sıçramayı biraz korkutucu hale getiriyor. Daha da kötüsü, görelilik sunumları genellikle aşağıdan yukarıya bir yaklaşım benimser - gündelik uzay ve zaman kavramlarımızla başlarlar ve onları yeni görelilik bağlamında değiştirirler.
Biraz farklı olacağız. Özel göreliliğe giden yolumuz, birleşik uzay-zaman fikrini en başından ciddiye alarak ve bunun ne anlama geldiğini görerek yukarıdan aşağıya olarak düşünülebilir. Beynimizi biraz zorlamamız gerekecek, ancak sonuç, evrenimize ilişkin göreli bakış açısının çok daha derin bir anlayışı olacak.
Nicelenmiş Sütunlar
En iyi araştırmacıların keşif sürecini keşfettikleri düzenli bir sütun. Bu ayın köşe yazarı Sean Carroll, Johns Hopkins Üniversitesi ve Santa Fe Enstitüsü'nde fizikçi ve filozof. En son kitabı Evrendeki En Büyük Fikirler'dir .
Göreliliğin gelişimi genellikle
Albert Einstein'a atfedilir, ancak o, James Clerk Maxwell'in 1860'larda elektrik ve manyetizmayı tek bir elektromanyetizma teorisinde birleştirdiğinden beri yapım aşamasında olan teorik bir yapının temel taşını sağladı. Maxwell'in teorisi, ışığın -elektromanyetik alanlarda salınan bir dalga- ne olduğunu açıkladı ve ışığın hareket ettiği hıza özel bir önem veriyor gibi görünüyordu. Kendi başına var olan bir alan fikri, o zamanlar bilim adamları için tamamen sezgisel değildi ve bir ışık dalgasında gerçekte neyin “sallandığını” merak etmek doğaldı.
Çeşitli fizikçiler, ışığın, ışık saçan eter adını verdikleri bir ortamda yayılma olasılığını araştırdılar. Ancak hiç kimse böyle bir eter için kanıt bulamadı, bu yüzden bu maddenin saptanamaz olması için giderek daha karmaşık nedenler icat etmek zorunda kaldılar. Einstein'ın 1905'teki katkısı, esirin tamamen gereksiz hale geldiğini ve fizik yasalarını onsuz daha iyi anlayabileceğimizi belirtmekti. Tek yapmamız gereken tamamen yeni bir uzay ve zaman kavramını kabul etmekti. (Tamam, bu çok fazla, ama buna tamamen değdiği ortaya çıktı.)
Einstein'ın teorisi, özel görelilik teorisi veya kısaca özel görelilik olarak bilinmeye başlandı. " Hareketli Cisimlerin Elektrodinamiği Üzerine " adlı temel makalesinde , uzunluk ve süre hakkında yeni düşünme yollarını tartıştı. Işık hızının özel rolünü, evrende mutlak bir hız sınırı olduğunu - ışığın boş uzayda hareket ederken seyahat ettiği bir hız - olduğunu ve herkesin bu hızı aynı olarak ölçeceğini varsayarak açıkladı. nasıl hareket ettikleri önemli değil. Bunun işe yaraması için, geleneksel zaman ve mekan kavramlarımızı değiştirmesi gerekiyordu.
Ancak uzay ve zamanı tek bir birleşik uzay-zamanda birleştirmeyi savunacak kadar ileri gitmedi. Bu adım, 20. yüzyılın başlarında eski üniversite profesörü Hermann Minkowski'ye bırakıldı. Özel göreliliğin arenası bugün Minkowski uzay-zamanı olarak biliniyor.
Uzay-zamanı birleşik dört boyutlu bir süreklilik olarak düşünme fikrine sahip olduğunuzda, şekli hakkında sorular sormaya başlayabilirsiniz. Uzay-zaman düz mü yoksa eğri mi, statik mi dinamik mi, sonlu mu yoksa sonsuz mu? Minkowski uzay-zamanı düz, durağan ve sonsuzdur.
Einstein, yerçekimi kuvvetinin teorisine nasıl dahil edilebileceğini anlamak için on yıl çalıştı. Nihai buluşu, uzay-zamanın dinamik ve kavisli olabileceğini ve bu eğriliğin etkilerinin sizin ve benim "yerçekimi" olarak deneyimlediğimiz şey olduğunu fark etmesiydi. Bu ilhamın meyveleri, şimdi genel görelilik dediğimiz şeydir.
Uzay, Zaman ve Yerçekimi Nereden Geliyor?
Yani özel görelilik, yerçekimi olmayan sabit, düz bir uzay-zamanın teorisidir; genel görelilik, eğriliğin yerçekimine yol açtığı dinamik uzay-zaman teorisidir. Her ikisi de, Newton mekaniğinin bazı ilkelerinin yerini alsa da, "klasik" kuramlar sayılır. Fizikçiler için klasik, “göreceli olmayan” anlamına gelmez; "kuantum olmayan" anlamına gelir. Klasik fiziğin tüm ilkeleri, rölativistik bağlamda tamamen bozulmamıştır.
Görelilik öncesi uzay ve zamanın ayrılığına olan düşkünlüğümüzü bırakmaya ve uzay-zamanın birleşik arenasında çözülmelerine izin vermeye istekli olmalıyız. Oraya ulaşmanın en iyi yolu, "zaman" derken neyi kastettiğimizi daha dikkatli düşünmektir. Ve bunu yapmanın en iyi yolu, bir kez daha uzay hakkında ne düşündüğümüze geri dönmektir.
Eviniz ve en sevdiğiniz restoran gibi uzayda iki konum düşünün. Aralarındaki mesafe nedir?
Peki, bu değişir, hemen düşünürsünüz. İki nokta arasında tamamen düz bir çizgi izlediğimizi hayal edebilseydik, "kuş uçuşu" bir mesafe vardır. Ancak, belki de halka açık sokakları ve kaldırımları kullanmakla, yol boyunca binalardan ve diğer engellerden kaçınmakla sınırlı olduğunuz gerçek dünya yolculuğunda kat edeceğiniz mesafe de vardır. Düz bir çizgi iki nokta arasındaki en kısa mesafe olduğu için, izlediğiniz rota her zaman kuş uçuşu mesafeden daha uzun olacaktır.
Şimdi uzay-zamandaki iki olayı ele alalım. Görelilik kuramının teknik jargonunda bir "olay", evrende hem uzayda hem de zamanda konumlarla belirlenen tek bir noktadır. A olarak adlandırdığınız bir olay, "akşam 6'da evde" olabilir ve B olayı "akşam 7'de restoranda" olabilir. Bu iki olayı aklınızda tutun ve A ile B arasında bir yolculuk düşünün. B'ye daha erken varmak için acele edemem; 6:45'te restorana varırsanız, B olarak etiketlediğimiz uzay-zamandaki etkinliğe ulaşmak için oturup saat 19:00'a kadar beklemeniz gerekecek.
Artık tıpkı ev ile restoran arasındaki uzamsal mesafe için yaptığımız gibi bu iki olay arasında ne kadar zaman geçtiğini kendimize sorabiliriz.
Bunun hileli bir soru olduğunu düşünebilirsiniz. Bir etkinlik 18:00'da ve diğeri 19:00'daysa, aralarında bir saat var, değil mi?
O kadar hızlı değil, diyor Einstein. Eski, Newtoncu bir dünya anlayışıyla, elbette. Zaman mutlak ve evrenseldir ve iki olay arasındaki süre bir saat ise söylenecek tek şey bu.
Derinlemesine gizlenmiş bir şeyin yazarı olan Sean Carroll'ın "Evrendeki En Büyük Fikirler: Uzay, Zaman ve Hareket" kitabının kapak resmi. Kapakta farklı mavi ve gri daireler var ve biri bunun bir NY Times En Çok Satanlar.
Görelilik farklı bir hikaye anlatır. Şimdi, "zaman" ile ne kastedildiğine dair iki farklı kavram var. Bir zaman kavramı, uzay-zamandaki bir koordinat gibidir. Uzay-zaman dört boyutlu bir sürekliliktir ve içindeki konumları belirtmek istiyorsak, içindeki her noktaya "zaman" adı verilen bir sayı eklemek uygundur. "18:00" ve "19:00" deyince genellikle aklımıza gelen budur. Bunlar uzay-zamandaki bir koordinatın değerleridir, olayları bulmamıza yardımcı olan etiketlerdir. “Akşam 7’de restoranda buluşalım” derken ne demek istediğimizi herkes anlamıştır.
Ancak görelilik, tıpkı kuş uçuşu mesafenin genellikle uzayda iki nokta arasında gerçekten kat ettiğiniz mesafeden farklı olduğu gibi, deneyimlediğiniz zamanın süresi de genellikle evrensel koordinat zamanı ile aynı olmayacaktır. Yolculukta yanınızda taşıdığınız bir saatle ölçülebilecek bir süre yaşarsınız. Bu, yol boyunca uygun zamandır. Ve saatle ölçülen süre, tıpkı arabanızdaki kilometre sayacının kat ettiği mesafe gibi, gittiğiniz yola bağlı olacaktır.
"Zaman görecelidir" demenin bir yönü de budur. Hem uzay-zamandaki bir koordinat açısından ortak bir zamanı hem de yolumuz boyunca bireysel olarak deneyimlediğimiz kişisel bir zamanı düşünebiliriz. Ve zaman uzay gibidir - bu iki kavramın çakışması gerekmez. (Tarihçi Peter Galison'ın işaret ettiği gibi, hızlı tren yolculuğunun Avrupalıları kıtadaki diğer şehirlerde saatin kaç olduğunu düşünmeye zorladığı bir zamanda, Einstein'ın bir İsviçre patent ofisinde çalışması bir tesadüf değildir. saatler önemli bir teknolojik sınır haline geldi.)
Yine de, zamanın uzay gibi olmamasının bir yolu olmalı, aksi takdirde zamanı kendi etiketini hak eden bir şey olarak ayırmak yerine sadece dört boyutlu uzaydan bahsederdik. Ve burada zamanın okunu düşünmüyoruz - şimdilik, birkaç hareketli parçanın olduğu, entropi ve tersinmezliğin endişelenmemiz gereken şeyler olmadığı basit bir dünyadayız.
Yerçekimi Neden Diğer Kuvvetler Gibi Değildir?
Yerçekimi Dalgaları Uzay-Zamanı Kalıcı Olarak Bozmalıdır
Kütle ve Açısal Momentum, Einstein Tarafından Belirsiz Bırakıldı, Tanımlansın
Aradaki fark şudur: Uzayda, düz bir çizgi iki nokta arasındaki en kısa mesafeyi tanımlar. Uzay-zamanda, aksine, düz bir yol, iki olay arasında geçen en uzun süreyi verir. Zamanı uzaydan ayıran şey, en kısa mesafeden en uzun zamana geçiştir.
Uzay-zamandaki "düz yol" derken, hem uzayda düz bir çizgiyi hem de sabit bir hareket hızını kastediyoruz. Başka bir deyişle, ivmesi olmayan atalet yörüngesi. Uzay-zamanda iki olayı düzeltin — uzayda iki konum ve zamanda karşılık gelen anlar. Bir gezgin, aralarındaki yolculuğu sabit bir hızla (doğru zamanda varmaları için bu hız ne olursa olsun) düz bir çizgide yapabilir veya ataletsiz bir yolda ileri geri hareket edebilir. Gidiş-dönüş rotası her zaman daha fazla uzamsal mesafe içerecek, ancak düz versiyondan daha az uygun zaman alacaktır.
Bu neden böyle? Çünkü fizik öyle söylüyor. Ya da tercih ederseniz, çünkü evren böyledir. Belki sonunda bunun neden böyle olması gerektiğinin daha derin bir nedenini ortaya çıkaracağız, ancak şu anki bilgi durumumuzda bu, fiziği üzerine inşa ettiğimiz temel varsayımlardan biridir, daha derin ilkelerden çıkardığımız bir sonuç değildir. Uzayda düz çizgiler mümkün olan en kısa mesafedir; uzay-zamandaki düz yollar mümkün olan en uzun zamandır.
Daha uzun mesafeli yolların daha az zaman alması mantığa aykırı görünebilir. Bu iyi. Sezgisel olsaydı, bu fikri bulmak için Einstein olmanız gerekmezdi.