Тканіна Сусвету, касмічны час, з'яўляецца складанай канцэпцыяй для разумення. Але мы вырашаем гэтую праблему. Малюнак: карыстальнік Pixabay JohnsonMartin.

Спытай Ітан: Што такое касмічны час?

Гэта самая асноўная тканіна самога Сусвету. Але як гэта працуе?

"" Космас-час "- гэта агідны гібрыд, чый злучок выглядае насычана." -Владзімір Набокаў

Калі гаворка ідзе пра разуменне Сусвету, ёсць некалькі рэчаў, якія чулі ўсе: кота Шрэдынгера, Парадокс Блізнякоў і E = mc². Але, нягледзячы на ​​тое, што існуе ўжо больш за 100 гадоў, агульная тэорыя адноснасці - найвялікшае дасягненне Эйнштэйна - у значнай ступені загадкавая для ўсіх, пачынаючы з шырокай грамадскасці, студэнтаў і аспірантаў па фізіцы. На гэтым тыдні пытаюць Этана, Каця Маскавіч хоча, каб усё праяснілася:

Не маглі б вы аднойчы напісаць гісторыю, якая тлумачыць непрафесіяналу, што такое метрыка ў GR?

Перш чым перайсці да "метрыкі", пачнем з пачатку і пагаворым пра тое, як мы канцэптуалізуем Сусвет у першую чаргу.

Кванты, няхай гэта будзе хвалі, часціцы ці што-небудзь паміж імі, маюць ўласцівасці, якія вызначаюць, што яны ёсць. Але ім патрабуецца сцэна, на якой можна ўзаемадзейнічаць і разыгрываць гісторыю Сусвету. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Maschen.

На фундаментальным узроўні Сусвет складаецца з квантаў - утварэнняў з фізічнымі ўласцівасцямі, такімі як маса, зарада, імпульс і г.д., - якія могуць узаемадзейнічаць адно з адным. Квант можа быць часціцай, хваляй альбо чым заўгодна ў нейкім дзіўным стане паміж імі, у залежнасці ад таго, як вы на гэта глядзіце. Два і больш квантаў могуць злучацца разам, ствараючы складаныя структуры, такія як пратоны, атамы, малекулы ці людзі, і ўсё ў гэтым нармальна. Квантовая фізіка можа быць адносна новай, заснаваная ў асноўным у 20-м стагоддзі, але ідэя, што Сусвет была створаная з непадзельных утварэнняў, якія ўзаемадзейнічалі паміж сабой, цягнецца ўжо больш за 2000 гадоў, прынамсі да Дэмакрыта Абдэра.

Але незалежна ад таго, з чаго складаецца Сусвет, для яе стварэння спатрэбіцца этап, каб рухацца далей, калі яны збіраюцца ўзаемадзейнічаць.

Закон аб усеагульным гравітацыі Ньютана быў выцеснены агульнай адноснасцю Эйнштэйна, але абапіраўся на канцэпцыю імгненнага дзеяння (сілы) на адлегласці. Малюнак: Wikimedia распаўсюджаны карыстальнікам Dennis Nilsson.

У Сусвеце Ньютана гэтая сцэна была роўнай, пустой, абсалютнай прасторай. Сама прастора ўяўляла сабой нерухомую сутнасць, падобную на дэкартавую сетку: 3D-структуру з вось x, y і z. Час заўсёды ішоў з аднолькавай хуткасцю, а таксама было абсалютным. Для любога назіральніка, часціцы, хвалі або кванта ў любым месцы яны павінны выпрабаваць прастору і час у дакладнасці аднолькавыя. Але да канца 19-га стагоддзя было зразумела, што канцэпцыя Ньютана была памылковай. Часціцы, якія рухаліся блізка да хуткасці святла, адчувалі час па-рознаму (ён пашыраецца) і прастора па-рознаму (ён скарачаецца) у параўнанні з часціцай, якая была альбо павольнай, альбо ў стане спакою. Энергія і імпульс часціцы раптам залежаць ад кадраў, гэта значыць, што прастора і час не былі абсалютнымі велічынямі; тое, як вы выпрабавалі Сусвет, залежала ад вашага руху па ім.

Здаецца,

Менавіта адсюль узнікла паняцце тэорыі асаблівай адноснасці Эйнштэйна: некаторыя рэчы былі інварыянтнымі, як маса адпачынку часціц ці хуткасць святла, але іншыя трансфармаваліся ў залежнасці ад таго, як вы рухаліся праз прастору і час. У 1907 годзе былы прафесар Эйнштэйна Герман Мінькоўскі зрабіў бліскучы прарыў: ён паказаў, што можна ўявіць прастору і час у адзінай фармулёўцы. Адным махам ён выпрацаваў фармалізм касмічнага часу. Гэта дало магчымасць часціцам рухацца па Сусвеце (адносна адной) і ўзаемадзейнічаць паміж сабой, але гравітацыя не ўключала. Касмічны час, які ён распрацаваў - да гэтага часу называецца прасторай Мінкоўскага - апісвае ўсю спецыяльную адноснасць, а таксама стварае фон для пераважнай большасці разлікаў квантавай тэорыі поля.

Разлікі квантовай тэорыі поля звычайна выконваюцца ў плоскай прасторы, але агульная адноснасць выходзіць за рамкі крывой прасторы. Разлікі QFT там значна складаней. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя паскаральніка SLAC.

Калі б не было гравітацыйнай сілы, прастора часу Мінькоўскага зрабіла б усё, што трэба. Касмічны час быў бы простым, нязломным і проста забяспечваў бы сцэну для перамяшчэння і ўзаемадзеяння матэрыі. Адзіны спосаб, які вы маглі б паскорыць, гэта ўзаемадзеянне з іншай часціцай. Але ў нашай Сусвеце ў нас ёсць сіла гравітацыі, і менавіта прынцып раўназначнасці Эйнштэйна сказаў нам, што, пакуль вы не бачыце, што вас паскарае, гравітацыя ставіцца да вас гэтак жа, як і да любога іншага паскарэння.

Ідэнтычнае паводзіны шара, які падае на падлогу ў разгоне ракеты (злева) і на Зямлю (справа), з'яўляецца дэманстрацыяй прынцыпу эквівалентнасці Эйнштэйна. Крэдыт малюнка: карыстальнік Wikimedia Commons Маркус Посэль, рэтушаваны Pbroks13.

Менавіта гэтае адкрыццё і распрацоўка, каб матэматычна звязваць гэта з паняццем Мінькоўскага ў прасторы-часе, прывялі да агульнай адноснасці. Асноўная розніца паміж прасторай Мінкоўскага адмысловай адноснасці і выгнутай прасторай, якая з'яўляецца ў агульнай адноснасці, - гэта матэматычны фармалізм, вядомы пад назвай Метрычны тэнзор, які часам называюць Метрычным тэнзарам Эйнштэйна альбо Метрыкай Рымана. У 19-м стагоддзі Рыман быў чыстым матэматыкам (і былы студэнт Гаўса, магчыма, найвялікшы матэматык з іх усіх), і ён даў фармалізм пра тое, як любыя палі, лініі, дугі, адлегласці і г.д. могуць існаваць і добра -вызначаны ў адвольна выгнутай прасторы любой колькасці вымярэнняў. Спатрэбілася Эйнштэйна (і шэраг калабарантаў) амаль дзесяць гадоў, каб справіцца са складанасцямі матэматыкі, але ўсё сказана і зроблена, у нас была агульная адноснасць: тэорыя, якая апісвала наш трохмерны Сусвет і аднаразовы мерны Сусвет , дзе існавала гравітацыя.

Перакос прасторы часу гравітацыйнымі масамі, як паказана на малюнку, які ўяўляе агульную адноснасць. Малюнак: LIGO / T. Pyle.

Канцэптуальна метрычны тэнзар вызначае, як выгнуты сам прастора-час. Яго крывізна залежыць ад матэрыі, энергіі і напружання, якія прысутнічаюць у ёй; змест вашага Сусвету вызначае яго крывізну прасторы. Такім жа чынам, як выгнутая ваша Сусвет кажа вам пра тое, як матэрыя і энергія рухаюцца па ёй. Нам падабаецца думаць, што аб'ект у руху будзе працягвацца ў руху: першы закон Ньютана. Мы разумеем, што гэта прамая лінія, але тое, што нам выгінаецца прастора, заключаецца ў тым, што замест гэтага аб'ект у руху, які працягваецца ў руху, ідзе за геадэзікай, якая ўяўляе сабой асабліва выгнутую лінію, якая адпавядае нескарочанаму руху. Па іроніі лёсу, гэта геадэзічная, не абавязкова прамая лінія, гэта найменшая адлегласць паміж двума кропкамі. Гэта выяўляецца нават на касмічных маштабах, дзе выгнуты прасторавы час з-за наяўнасці незвычайных мас можа выгінаць фонавае святло ззаду яго, часам на некалькі малюнкаў.

Прыклад / ілюстрацыя гравітацыйнага лінзавання і выгібу зорнага святла з-за масы. Крэдыт малюнка: NASA / STScI, праз http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2000/07/image/c/.

У фізічным плане існуе шэраг розных твораў, якія ўносяць свой уклад у метрычны тэнзар у агульнай адноснасці. Мы лічым, што гравітацыя звязана з масамі: месцы і велічыні розных мас вызначаюць гравітацыйную сілу. У цэлым адноснасць гэта адпавядае масавай шчыльнасці і сапраўды спрыяе, але гэта адзін з 16 кампанентаў метрычнага тэнзара! Існуюць таксама кампаненты ціску (напрыклад, ціск выпраменьвання, вакуумны ціск, які ствараецца хутка рухаюцца часціцамі), якія ўносяць тры дадатковыя ўкладчыкі (па адным для трох прасторавых кірункаў) у метрычны тэнзор. І, нарэшце, ёсць шэсць іншых кампанентаў, якія распавядаюць, як змяняюцца і дэфармуюцца аб'ёмы пры наяўнасці мас і прыліўных сіл, а таксама, як форма рухаецца цела скажаецца гэтымі сіламі. Гэта датычыцца ўсяго, ад планеты, як Зямля, да нейтроннай зоркі, да бязмасштабнай хвалі, якая рухаецца праз космас: гравітацыйнага выпраменьвання.

Калі масы рухаюцца ў прасторы-часе адносна аднаго, яны выклікаюць выпраменьванне гравітацыйных хваль: пульсацыя праз тканіну самой прасторы. Гэтыя рабізны матэматычна зашыфраваны ў метрычным тэнзары. Малюнак: ESO / L. Кальчада.

Магчыма, вы заўважылі, што 1 + 3 + 6 ≠ 16, але 10, і калі б вы, добрае вока! Метрычны тэнзар можа быць сутнасці 4 × 4, але ён сіметрычны, гэта значыць, што ёсць чатыры "дыяганальныя" кампаненты (кампаненты шчыльнасці і ціску) і шэсць недіаганальных кампанентаў (кампаненты аб'ёму / дэфармацыі), якія не залежаць; астатнія шэсць не-дыяганальных кампанентаў адназначна вызначаюцца сіметрыяй. Метрыка кажа нам пра сувязь паміж усёй матэрыяй / энергіяй у Сусвеце і крывізнай самога прасторы. На самай справе, унікальная сіла агульнай адноснасці кажа нам, што калі б вы ведалі, дзе знаходзіцца ўся матэрыя / энергія ў Сусвеце і што яна робіць у любы момант, вы маглі б вызначыць усю эвалюцыйную гісторыю Сусвету - мінулае, сучаснасць і будучыню - на ўсю вечнасць.

Чатыры магчымыя лёсы Сусвету: найлепшы прыклад, які адпавядае дадзеным: Сусвет з цёмнай энергіяй. Малюнак: Э. Зігель.

Вось так пачалося маё падпольнае поле тэарэтычнай фізікі, касмалогіі! Адкрыццё Сусвету, якая пашыраецца, яе ўзнікненне пасля Вялікага выбуху і цёмнае панаванне энергіі, якое прывядзе да халоднага, пустога лёсу, усё зразумела толькі ў кантэксце агульнай адноснасці, і гэта азначае разуменне гэтай ключавой сувязі: паміж матэрыяй / энергія і прастора. Сусвет - гэта гульня, якая разгортваецца кожны раз, калі часціца ўзаемадзейнічае з іншым, а прасторавы час - гэта сцэна, на якой усё адбываецца. Адзін з ключавых контрінтуітыўных рэчаў, які вы павінны памятаць? Сцэна не з'яўляецца пастаянным фонам для ўсіх, але яна таксама развіваецца разам з самім Сусветам.

У вас ёсць пытанне ў Запытаць Этана? Адпраўце яго на startwithabang на gmail dot com!

Гэтая публікацыя ўпершыню з'явілася ў Forbes і прадастаўляецца вам прыхільнікамі Patreon без рэкламы. Каментуйце наш форум і купіце нашу першую кнігу: Beyond The Galaxy!