время пространство и что еще
Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?
«Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна.
Пространство и время — это две, наверное, самые неуловимые вещи в мире.
Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.
Что такое пространство-время?
Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.
«Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. «Например, величина массы Планка кажется подозрительной. Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (
Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?
Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.
Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.
«В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Значение планковской массы кажется подозрительным. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».
Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец
«Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.
Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.
«Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский.
Согласитесь с ним? Расскажите в нашем чате в Телеграме.
Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?
Квантовая механика странная. Для нас, существ, не способных видеть микромир не вооруженным глазом, представить себе как все устроено на уровне атомов довольно сложно. Между тем, согласно атомной теории, все во Вселенной состоит из мельчайших частиц – атомов, скрепленных друг с другом электрическими и ядерными силами. Физические эксперименты, проведенные в ХХ веке показали, что атомы можно дробить на еще более мелкие, субатомные частицы. В 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд провел ряд экспериментов и пришел к выводу, что атом похож на Солнечную систему, только по орбитам вместо планет вокруг него вращаются электроны. Два года спустя, взяв за основу модель Резерфорда, физик Нильс Бор изобрел первую квантовую теорию атома и в этой области теоретической физики все стало еще сложнее. Но если квантовая механика объясняет как взаимодействуют между собой мельчайшие частицы, может ли она объяснить существование пространства-времени?
Ученые ищут ответ на вопрос о том из чего состоит пространство-время уже много лет, но пока безуспешно
Что такое пространство-время?
Уверена, большинство из нас воспринимают пространственно-временной континуум как нечто, само собой разумеющееся. И в этом нет ничего удивительного, ведь не каждый день мы размышляем над чем-то подобным. Но если хорошенько задуматься, то окажется, что ответить на вопрос о том, что представляет собой пространство-время не так уж просто.
Начнем с того, что в соотвествии с теорией относительности (ОТО) Эйнштейна, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение. При этом все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках и условиях способными переходить друг в друга. В свою очередь пространственно-временной континуум или пространство-время – это физическая модель, дополняющая пространство временным измерением.
В рамках общей теории относительности пространство-время также имеет единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами и есть гравитация.
В рамках ОТО теория гравитации и есть теория пространства-времени, которое не является плоским и способно менять свою кривизну.
Из ОТО также следует, что гравитация является результатом массы, такой как планета или звезда, искажающая геометрию пространства-времени. Космический аппарат NASA Gravity Probe, запущенный в 2004 году, точно измерил, насколько гравитация Земли искривляет пространство-время вокруг нее, в конечном итоге подтвердив расчеты Эйнштейна. Но откуда взялось пространство-время? Ответ, как это ни странно, может скрывать в себе квантовая механика.
Квантовая механика и теория гравитации
Как пишет портал Astronomy.com, сегодня физики стоят на пороге революции, которая может привести к пересмотру всего что мы знаем о пространстве-времени и, возможно, к объяснению того, почему квантовая механика кажется такой странной.
«Пространство-время и гравитация должны в конечном итоге возникнуть из чего-то другого», – пишет физик Брайан Свингл из Университета Мэриленда в статье, опубликованной в журнале Annual Review of Condensed Matter Physics. Иначе трудно понять, как гравитация Эйнштейна и математика квантовой механики могут примирить их давнюю несовместимость.
Квантовая механика противоречит ОТО
Взгляд Эйнштейна на гравитацию как проявление геометрии пространства-времени был чрезвычайно успешным. Но то же самое относится и к квантовой механике, которая с безошибочной точностью описывает махинации материи и энергии на атомном уровне. Однако попытки найти математическое решение, которое совместило бы квантовую странность с геометрической гравитацией, наталкивались на серьезные технические и концептуальные препятствия.
Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира популярной науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного.
По крайней мере, так было долгое время при попытках понять обычное пространство-время. Возможный ответ пришел из теоретического изучения альтернативных геометрий пространства-времени, мыслимых в принципе, но обладающих необычными свойствами. Одна из таких альтернатив известна как антидеситтеровское пространство, которое имеет тенденцию сжиматься само по себе, а не расширяться, как это делает Вселенная. Для жизни, безусловно, это было бы не самое приятное место. Но как лаборатория для изучения теорий квантовой гравитации, оно может многое предложить и даже стать ключом к квантовым процессам, которые могут быть ответственны за создание пространства-времени.
Что такое антидеситтеровское пространство?
Исследования антидеситтеровское пространства предполагают, например, что математика, описывающая гравитацию (то есть геометрию пространства-времени), может быть эквивалентна математике квантовой физики в пространстве с одним меньшим измерением.
Представьте себе голограмму — плоскую двумерную поверхность, которая включает в себя трехмерное изображение. Подобным же образом, возможно, четырехмерная геометрия пространства-времени может быть закодирована в математике квантовой физики, работающей в трехмерном пространстве. Или, может быть, нужно больше измерений — а вот сколько измерений требуется, являются частью проблемы, которую нужно решить.
Квантовая запутанность – одна из сложнейших для понимания научных теорий
Во всяком случае, исследования в этом направлении открыли удивительную возможность: само пространство-время может быть порождено квантовой физикой, в частности загадочным явлением, известным как квантовая запутанность. Подробно о том, что представляет собой квантовая запутанность я рассказывала в этой статье.
Если попробовать объяснить более-менее простыми словами, то квантовая запутанность это сверхъестественная связь между частицами, разделенными огромными расстояниями. Испускаемые из общего источника, такие частицы остаются запутанными независимо от того, как далеко они друг от друга находятся. Если вы измерите свойство (например, спин) одной частицы, то узнаете, каким будет результат измерения спина другой частицы. Но до измерения эти свойства еще не определены, что противоречит здравому смыслу и подтверждается многими экспериментами. Кажется, что измерение в одном месте определяет, каким будет измерение в другом отдаленном месте.
Энергичные усилия нескольких физиков подарили миру теоретические доказательства того, что сети запутанных квантовых состояний плетут ткань пространства-времени. Эти квантовые состояния часто описываются как «кубиты» — биты квантовой информации. Запутанные кубиты создают сети с геометрией в пространстве с дополнительным измерением, выходящим за пределы числа измерений, в которых находятся кубиты. Таким образом, квантовую физику кубитов можно приравнять к геометрии пространства с дополнительным измерением.
Примечательно, что геометрия, созданная запутанными кубитами, может очень хорошо подчиняться уравнениям из общей теории относительности Эйнштейна, которые описывают движение под действием гравитации — по крайней мере, последние исследования указывают в этом направлении.
Подводя итог отмечу, что никто точно не знает, какие квантовые процессы в реальном мире ответственны за соткание ткани пространства-времени. Возможно, некоторые допущения, сделанные в уже имеющихся расчетах, окажутся ошибочными. Но вполне возможно, что физика стоит на пороге проникновения в основы природы глубже, чем когда-либо. В существование, содержащее ранее неизвестные измерения пространства и времени.
Пространство-время
Математическая формулировка
Космология
| Фундаментальные принципы |
|---|
| Специальная теория относительности · Пространство-время · Принцип эквивалентности · Мировая линия · Псевдориманова геометрия |
| Явления |
|---|
| Задача Кеплера в ОТО · Гравитационное линзирование · Гравитационные волны · Увлечение инерциальных систем отсчёта · Расхождение геодезических · Горизонт событий · Гравитационная сингулярность · Чёрная дыра |
| Уравнения |
|---|
| Уравнения Эйнштейна · Линеаризованная ОТО · Постньютоновский формализм |
| Развитие теории |
|---|
| Параметризованный постньютоновский формализм · Теории типа Калуцы — Клейна · Квантовая гравитация · Альтернативные теории |
| Решения |
|---|
| Точные решения: Шварцшильда · |
| Журналы |
|---|
| General Relativity and Gravitation · Classical and Quantum Gravity · Гравитация и космология · Living Reviews in Relativity |
| Известные учёные |
|---|
| Эйнштейн · Минковский · Шварцшильд · Леметр · Эддингтон · Фридман · Робертсон · Фок · Керр · Чандрасекар · Пенроуз Хокинг и другие… |
В нерелятивистской классической механике использование Евклидова пространства, не зависящего от одномерного времени, вместо пространства-времени уместно, так как время рассматривается как всеобщее и неизменное, будучи независимым от состояния движения наблюдателя. В случае релятивистских моделей время не может быть отделено от трёх измерений пространства, потому что наблюдаемая скорость, с которой течёт время для объекта, зависит от его скорости относительно наблюдателя, а также от силы гравитационного поля, которое может замедлить течение времени.
В соответствии с теорией относительности, Вселенная имеет три пространственных измерения и одно временное измерение, и все четыре измерения органически связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определенных рамках (см. примечания ниже) способными переходить друг в друга при смене наблюдателем системы отсчёта.
В рамках общей теории относительности пространство-время имеет и единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами (телами, полями) и есть гравитация. Таким образом, теория гравитации в рамках ОТО и других метрических теорий гравитации есть теория пространства-времени, полагаемого не плоским, а способным динамически менять свою кривизну.
Содержание
Пространство-время в литературе
Артур Шопенгауэр писал в § 18 труда «О четверояком корне закона достаточного основания» (1813): «…только во времени представление сосуществования невозможно; в другой своей половине оно обусловлено представлением пространства, так как только во времени все есть одно после другого, в пространстве же — одно подле другого: таким образом, это представление возникает только из соединения времени и пространства».
Идея о едином пространстве-времени изложена Эдгаром Аланом По в его очерке о космологии, озаглавленном «Эврика» (1848): «Пространство и длительность суть одно».
В 1895 в романе « Машина времени » Герберт Уэллс писал: «Между временем и тремя измерениями пространства нет никакой разницы, за исключением того, что во времени движется наше сознание», и что «…каждое реальное тело должно обладать четырьмя измерениями: оно должно иметь длину, ширину, высоту и продолжительность существования».
Современные физические представления
Первый развёрнутый вариант модели естественного объединения пространства и времени, пространство Минковского, был создан Германом Минковским в 1908 году [2] на основе специальной теории относительности Эйнштейна, а несколько ранее (в 1905 году), ключевое продвижение на этом пути сделал Анри Пуанкаре, заложивший основы четырёхмерного пространственно-временного формализма.
Ключевым математическим отличием пространства-времени (пространства Минковского, или, в случае общей теории относительности — четырёхмерного многообразия с лоренцевой метрикой ) от обычного евклидова 4-мерного пространства является то, что при вычислении расстояния (интервала) квадраты значений разностей времени и длин пространственных координат берутся с противоположными знаками (в обычном пространстве соответствующие значения равноправны для любой оси координат и имеют одинаковый знак). Из этого вытекает следующее: прямая между двумя точками этого континуума (под прямой понимается движение по инерции) даёт максимальную продолжительность собственного времени (интервала). Для пространственной же длины прямая — это минимальная, а не максимальная величина.
В контексте теории относительности время неотделимо от трёх пространственных измерений и зависит от скорости наблюдателя [4] (см. собственное время).
Концепция пространства-времени сыграла исторически ключевую роль в создании геометрической теории гравитации. В рамках общей теории относительности гравитационное поле сводится к проявлениям геометрии четырёхмерного пространства-времени, которое в этой теории не является плоским (гравитационный потенциал в ней отождествлен с метрикой пространства-времени).
Количество измерений, необходимых для описания Вселенной, окончательно не определено. Теория струн (суперструн), например, требовала наличия 10 (считая время), а теперь даже 11 измерений (в рамках М-теории). Предполагается, что дополнительные (ненаблюдаемые) 6 или 7 измерений свёрнуты ( компактифицированы ) до планковских размеров, так что экспериментально они пока не могут быть обнаружены. Ожидается, тем не менее, что эти измерения каким-то образом проявляют себя в макроскопическом масштабе. В самом старом — бозонном — варианте теория струн требует 26-мерного объемлющего пространства-времени; предполагается, что «лишние» измерения этой теории также должны или могут быть компактифицированы сперва до 10, сводясь таким образом к теории суперструн, а потом уже, как упомянуто здесь чуть выше, до 4 обычных измерений.
Особый характер пространства-времени с размерностью 3+1
См. также
Примечания
Ссылки
Выделить Пространство-время и найти в:
Спросите Итана: существуют ли разные типы пространства и времени?
Одно из самых неинтуитивных следствий теории относительности Эйнштейна состоит в том, что не существует абсолютного пространства или абсолютного времени. Если спросить вас, где и когда вы находитесь, вы ответите. Но если мы с вами разойдёмся на большое расстояние, и я спрошу вас, где и когда, как вам кажется, нахожусь я, то наши с вами ответы не обязательно совпадут. Оказывается, в общей теории относительности не существует универсального метода определения пространства и времени (и расстояний) кроме того места, где находитесь вы. В результате у нас есть множество способов определять такие вещи, и именно с этим связан вопрос читателя:
Я хотел бы увидеть ваше объяснение конформного времени и сопутствующего расстояния – что это такое, когда и как их используют по сравнению с привычными временем и расстоянием.
Используя в обычной речи такие понятия, как «время» и «расстояние», мы делаем множество предположений, о которых очень редко задумываемся.
Если вы считаете, что вы можете сообщить мне, что там, где нахожусь я, время дня равняется 10:05 утра, а нахожусь я от вас на расстоянии в 700 метров, вы можете не понимать, на каком основании вы уверены в своих оценках. Вы предполагаете, что наши с вами часы идут с одинаковой скоростью, что они происходят из одного места, в котором мы с вами согласовали значение времени, и что когда мы вновь сведём эти часы вместе, они также будут согласовываться друг с другом. Всё просто, не правда ли?
Но это возможно, только если выполняются два важных условия:
1. Ничего не двигается по отношению ко всему остальному. Если два объекта приобретают скорость друг относительно друга, они испытывают течение времени (и ощущение расстояния) по-разному. Нестабильные частицы, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света, кажутся нам живущими дольше из-за растяжения времени, а космонавты на борту МКС, быстро двигающиеся вокруг Земли, стареют немного не так, как люди, находящиеся неподвижно на Земле.
2. Пространство абсолютно плоское, чего никогда не бывает. Во Вселенной работает ОТО, а согласно ей существование материи и энергии означает, что пространство искривлено, и что часы идут с разными скоростями в зависимости от глубины погружения в гравитационное поле. Часы на верхушке Эмпайр-стейт-билдинг каждый год отстают на несколько микросекунд от часов у её подножия.
Те же ограничения действуют и для расстояний: движение и кривизна пространства делают невозможным для наблюдателей в разных местах принять универсальный стандарт расстояний. Но для действительно больших расстояний начинает играть роль ещё кое-что: факт расширения самой ткани пространства Вселенной на космических масштабах. Мы уже не можем говорить о расстояниях между галактиками как о том, что можно измерить некоей согласованной линейкой, поскольку пространство между галактиками со временем расширяется. И это приводит к проблемам, когда мы начинаем говорить, к примеру, о самых отдалённых галактиках во Вселенной.
Текущий космический рекордсмен по расстояниям расположен на красном смещении в 11,1 что означает, что за время существования Вселенной, 13,8 млрд лет с Большого взрыва, его свет дошёл до нас, побыв в пути 13,4 млрд лет. Но как далеко от нас эта галактика? Вы могли бы на основе времени, затраченного на путь, решить, что она находится на расстоянии в 13,4 млрд световых лет – но это вряд ли так. Когда свет, дошедший до нас, был испущен этой галактикой, она находилась не более, чем в двух млрд световых лет от нас. Благодаря расширению Вселенной мы, используя общепринятый стандарт измерений, можем сказать, что сейчас она находится в 32 млрд световых лет от нас. Универсальный стандарт расстояний тяжело определить в расширяющейся Вселенной, в которой расстояния меняются со временем.
Так что одно из вводимых нами понятий при ответе на вопрос читателя – концепция разных типов расстояний. Он спрашивает нас об одном из них – о сопутствующем расстоянии. Это одно из моих любимых понятий: оно подразумевает, что расстояния во Вселенной изменяются из-за Хаббловского расширения, поэтому оно исключает расширение из вычислений. Это очень удобно для проведения симуляций формирования таких структур Вселенной, как звёзды, галактики, скопления и нити. Гравитация, конечно, вносит свою лепту, но и Вселенная всё это время расширяется. Зная, как сделать поправку расстояний на расширение, мы можем увидеть, как эволюционируют крупномасштабные структуры Вселенной. Визуально за этим наблюдать гораздо интереснее, чем следить за расширением Вселенной и пытаться различить во всём этом процесс формирования структур.
Поскольку пространство и время неразрывно связаны в объединяющую их концепцию пространства-времени, нам необходимо новое понятие о времени, соответствующее каждому из новых понятий расстояний, которые мы изобретём. Временным партнёром сопутствующего расстояния и будет конформное время. Если бы мы могли волшебным образом мгновенно заморозить всё расширение Вселенной во всех местах, то конформное время соответствует тому, сколько световому лучу потребуется времени на путь из некоего места до вас.
Для наиболее удалённой от нас галактики во Вселенной конформное время составит 32 млрд лет. Для воспринимаемого расстояния от Большого взрыва оно составит 46 млрд лет. И это несмотря на то, что от Большого взрыва до испускания света первой галактикой прошло 400 млн лет. На ранних этапах расширение Вселенной было таким быстрым – и результат этого ощущается и сегодня – что разница в 14 млрд лет конформного времени соответствует разнице в 400 млн лет «правильного» времени (того, которое мы называем просто «время»).
Если рассуждать о событиях, происходящих на Земле, где ничего не движется со скоростями, близкими к световой и не меняется слишком сильно в гравитационном поле, то различные типы «расстояний» и «времён» будут совпадать. Но если говорить о расширяющейся Вселенной на космических масштабах, то правильное расстояние и правильное время могут быть не такими полезными и интересными, как сопутствующее расстояние и конформное время. И в следующий раз, когда вы увидите симуляцию Вселенной и увидите, что Вселенная не выглядит расширяющейся, имейте в виду, что симуляция проходит с использованием сопутствующих расстояний, хотя и может использовать правильное время.
А когда вы услышите что-нибудь об очень удалённом объекте, находящемся от нас на расстоянии меньшем, чем 14 млрд световых лет, имейте в виду, что, скорее всего, речь идёт о сопутствующем расстоянии. Согласно нашим обычным, правильным линейкам, это расстояние, скорее всего, будет гораздо большим!