Book Excerpt: "Nüüd: Aja Füüsika" (Us 2016)

{h1}

Väljavõte richard a. Mulleri raamatust "nüüd: aja füüsika".

Loete praegu sõna "kohe". Kuid mida see tähendab? Mis muudab lühikese aja "nüüd" nii eriline? Selle salapära iseloomulikud on filosoofid, preestrid ja nüüdisaegsed füsiistrid Augustinist Einsteinini ja kaugemalgi. Einstein näitas, et ajavoolu mõjutavad nii kiirus kui ka gravitatsioon, kuid ta ei kiindunud oma seletuses "nüüd" tähenduse üle. Mõeldamatu on ka mõistlik: miks aeg voolab? Mõned füüsikud on loobunud, püüdes mõista ja kutsuda ajavoolu illusiooniks, kuid protesteeris väljapaistev eksperimentaalfüüsik füüsik Richard A. Muller. Ta ütleb, et füüsika peaks selgitama tegelikkust, mitte eitama seda. Aastal "Nüüd: aja füüsika" teeb Müller rohkem kui möödunud ideedes aukud; ta teostab oma revolutsioonilise teooria, mis muudab testitavad ennustused. Ta hakkab välja selgitama oma teooria füüsikakonstruktsioonide kindlat ja väga selget selgitust: relatiivsust, entroopiat, segadust, antimatteri ja Big Bangi. Seades seejärel etapi, näitab ta üllatavat edasiliikumist. Allpool on toodud väljavõte Muller on "Nüüd: aja füüsika" (W. W. Norton & Company, 2016).

Füüsikud on sageli hämmeldunud oma võrranditega. Mõisteid, isegi kõige dramaatilisemaid, ei ole alati lihtne leida. Oma matemaatikat mõista aitavad nad näha äärmuslikke juhtumeid, et näha, mis juhtub. Selles universumis pole äärmuslik olukord äärmuslikum kui mustade aukude äärmus. Musta auku vaatamine annab meile olulisi teadmisi mõne väga erilise aja aspekti kohta.

Kui teete orbiidile väikese musta auku (päikese mass) mõistlikust kaugusest - näiteks tuhat miili - ei tunne ennast eriti. Olete orbita umbes tohutu objekt, mida te ei näe. Kuna olete orbiidil, tunnete end kehvasti, nagu kõik astronaudid tunnevad. Te ei saa imeda; mustad aukud (hoolimata populaarse teadusliku fiktsiooni) ei meelita teid sisse. Kui sa orbiidid päikese käes, oleks sellel vahemaa läheduses sees ja sa tahaksid põletada karge miljonise sekundi pärast, aga must auk on pime. (Mikroskoopilised mustad aukud kiirgavad, kuid väga väikesed neist on suured.)

Teie orbiidi ümber asuv kaugus on 2π võrra suurem kui teie radiaalne koordinaatväärtus on 1000 miili. Kui sõber ristub auk, aga teisel pool läheb vastupidises suunas, siis kohtub see siis, kui igaüks läheb veerand orbiidile. Kuid kui teie sõber on teie suhtes diametraalselt vastupidine, on sirge vahemaa teie vahel lõpmatu. Musta auku läheduses on palju ruumi.

Kui te tulete oma retro-rakke, peatades orbitaalse liikumise, tõmbate te tõepoolest auku, nagu te tõmbaksite mis tahes tohutu objekti. (Satelliitide de-orbiit on täpselt nii: tulekahju kustutamiseks ja seejärel raskusjõu laskmiseks). Enne kümne minuti möödumist oma õigesse raami, enne kui kümme minutit vanemad, jõuate musta auku pinnale Schwarzschildi raadius (vaadeldakse peatükis 3). Nüüd mõnda hämmastavat ajaga seotud tulemust. Kui jõuate sellele pinnale kümme minutit pärast oma langemist, ulatub orbiidijaama raami mõõdetud aeg lõpuni. * [1]

See on õige. See võtab mitu auku kujutist, mis on mõõdetud väljaspool inimese karkassist. Teie kiirendusraam langeb, kulub vaid kümme minutit. Üheteistkümne minuti pärast on aeg väljaspool olnud lõpmatuseks ja kaugemale.

See on absurdne! Võimalik, kuid klassikalises relatiivsuses on see tõsi. Loomulikult ei ole teil võimalust kogeda võimalikku paradoksi, sest väljaspool lõpmatu on aeg väljastpoolt ja kui oled sisenenud musta auku, kus sa oled seal igaveseks jäänud. Ei ole mõõdetavat vastuolu. See on näide sellest, mida füüsikud kutsuvad tsensuuriks. Absurd on tähelepanuta jäetud, seega ei ole see tegelikult absurdne.

Kas olete rahul sellega, et "lõpmatusse üle, kuid tsenseeritud" vastus? Ma kahtlen mitte. Ma arvan, et see on meeldejääv. Aga kõik ajaga leian, et meenutav on. Me leiame mõne teise absurdse, kuid tsenseeritava tulemuse kvantvalgusfunktsioonide ja segadusega. Need näited takistavad meie reaalsust ja jätavad rahulolematute tunnete. Nietzsche ütles: "Kui vaatate pika aja veetma, siis kaevik vaadib sind tagasi.

Mustad aukud ärge imetage

Lähme tagasi oma avaldusele, et mustad avad ei söövad sind sisse, et sa orbiidid musta auku nii nagu orbiidiks ka teist massi. Oletame, et Mercury orbiidis musta auku, millel oli sama mass, nagu päike on. Kuidas oleks orbiit teistsugune? Populaarse veendumuse kohaselt imab must auk väikest planeedi sisse. Vastavalt üldisele relatiivsusele ei oleks orbiidil mingit erinevust. Loomulikult ei peaks Mercury enam kuumaks, kuna päikese intensiivne kiirgus asendatakse musta auku lahe pimedusega.

Elavhõbe käivitab praegu päikese kiirguse 36 miljoni miili kaugusel. Oletame, et sa orbiidid päikesest 1 miljoni miili kaugusel selle keskusest, veidi üle päikesepinna. Peale kuumuse ja võib-olla tõmmata päikese atmosfääri, siis teed ringikujulises orbiidis ja kümneks tunniks tagasi oma lähtepunkti. Nüüd asendage päike päikeseenergia musta aukuga. Teil oleks orbiidil kümme tundi. Sel vahemaa gravitatsioon oleks identne päikese käes. Enne kui näete mõnda eriefekti, peate musta auku läheduses olema väga lähedal.Nagu ükskõik milline täht, mida lähemal sa saad, seda kiiremini peate liikuma, et jääks ringikujulises orbiidis. Pöörde reeglina ei näe te märkimisväärset vahet enne, kui olete nii lähedal, et teie kiirus läheneb valguse kiirusele.

Päikese jaoks on maksimaalne gravitatsioon pinnal, nagu ka Maa jaoks. Mine pinna all ja mass, mis sind meelitab, on teie all olev mass väiksem kui pinnal. Päikese keskele on gravitatsioon null.

Musta auku jaoks on pind siiski keskuse lähedal. Alates Schwarzschildi võrrandist, mille ma varem andsin, võib päikese musta auku raadius olla umbes 2 miili. 10 miili kaugusel, et orbiidil püsida peaksite liikuma valguse kiirusega kolmandiku võrra; teie orbiidi periood oleks ühe tuhandiku sekundiga. Nendel tingimustel peame arvutuste tegemiseks kasutama relatiivsust.

Lightspeedi jõudmine ja lõpmatuseni jõudmine

Kui jõuate musta auku lähedale, kulgeb aeg aeglaselt ja isegi kui orbiid ümber võib olla väike, on teie ja auku vahel palju ruumi. Tavaliselt on ruumi kujutatud füüsikateadlastele diagrammiga nagu joonis 7.1. Mõelge sellele diagrammile, mis kujutab endast 2D ruumi (pind) must auk. Must auk ise on keskel, allpool, kus kõverjoon asetseb.

See on kasulik diagramm, kuid see on mõnevõrra eksitav, sest see tähendab, et ruum peab kõverdama teise mõõtme (selle diagrammi jaoks, see on mõõdud, mis läheb alla), et mahutada musta auku ümbritsevad tohutuid vahemaid. Tegelikult pole sellist mõõdet vaja; ruum lihtsalt surutakse relativistlikust pikkusest lühenemisel. Seda skeemi kasutatakse ka mustade aukude populaarsetel filmitüüpidel. Kui Jodie Foster satub kontaktis olevasse ussiavasse, tundub see väga sarnaselt diagrammile joonisel 7.1. (Wormholes näevad välja kaks peaaegu mustad augud, mis on ühendatud enne Schwarzschildi raadiuse jõudmist, langevad ükskõik, lendavad välja teise.)

Joonis 7.1. 2D musta auku kujutamine. Musta auku vaheline kaugus, mõõdetuna selle saavutamiseks kulgeva aja jooksul, on lõpmatu, kuigi kaugus minna on sama, mis tavalises ruumis.

Joonis 7.1. 2D musta auku kujutamine. Musta auku vaheline kaugus, mõõdetuna selle saavutamiseks kulgeva aja jooksul, on lõpmatu, kuigi kaugus minna on sama, mis tavalises ruumis.

Krediit: Richard A. Muller

Tegelikult ei tundu must auk üldse nagu diagramm. Kui teiega koos ei jääks teisi asju, oleks see lihtsalt täiesti must sfäär.

Selle hoiatusega diagramm on kasulik. See illustreerib mustade aukude põhijooni ja seda saab kasutada, et vastata mõnele lihtsale küsimusele, näiteks: kui kaugel see on väljast (suhteliselt tasane piirkond) musta auku pinnale? Vastus on lõpmatus. Mõõge mööda langevat pinda aukusse ja mine igavesti alla. Musta auku raadius puutub allapoole, kuid see on lõpmata kaugel.

Kui musta auku pinnale on lõpmatus, mida ma mõtlesin, kui ma ütlesin, et sa olid 10 miili kaugusel? Ma tunnistan, et olin eksitav. Ma kasutasin tavalisi koordinaate. Radiaalne koordinaat r määratletakse, öeldes, et musta auku ümber asuv kaugus on sama kui tavalises ruumis 2πr. Joonisel 7.1 on tavapärased x, y koordinaadid kujutatud võrguelementidega. Pange tähele, kui kaugele nad asuvad auku; nende suur vahemaa näitab, et seal on palju ruumi. Füüsikud kasutavad neid tavapäraseid koordinaate võrrandites, kuid nad peavad meeles, et vahemaa 3-miilise markeri ja 4-miilise markeri vahel võib tõepoolest olla 1000 miili. Kuna tavaline geomeetria ei tööta siin, ei saa me kahe punkti vahekaugust lihtsalt arvutada koordinaatide vahega.

Tegelikult ei ole mustad augud

Astrofüüsika raamatud ja interneti kaudu leiate kahtlustatavate mustade aukude loendeid. Wikipedia artikkel "Mustad aukud" tähistab enam kui seitsekümmend. Siin on saak: meil on põhjust arvata, et ükski neist pole tegelikult mustad aukud.

Nii, nagu astronoom tuvastab mustanahva kandidaadi, on leida väga massiivne objekt, mis on tavaliselt mitu korda päikese käes, kuid mis kiirgab vähe või üldse mitte. Mõned kandidaatobjektid väljastavad röntgenikiirgusdiagrammid, mis arvatakse olevat näidanud, et materiaalne rida (komeedi "planeet") langeb ja kui seda saab lahti lõigata ja kuumutada suuri raskusjõu erinevusi kogu oma kehas piisavalt röntgenikiirgusid. Teised kandidaadid, mida nimetatakse ülekaalulisteks mustadeks augudeks, sisaldavad sadu miljoneid päikese massi.

Üks selline ülitundlik objekt on meie endi Linnutee galaktika keskmes. Näeme tähte, mis orbiidid selle keskuse väga lähedale ja liiguvad ja kiirendavad väga kiiresti, mis näitab väga suure massi olemasolu. Kuid ei ole valgust, nii et kõik, mis neid pilte tõmbab, ei ole täht ise. Füüsikateooriad viitavad sellele, et selline suur kogunemine ilma emissioonita pole ainult must auk.

Miks ma ütlen, et nimekirjas pole tõelist mustad aukud? Tuletame meelde arvutused, mis näitavad, et mitu auku satub mitu aega. Sarnane arvutus näitab, et meie ajakoordinaadis mõõdetuna kulgeb musta auk moodustamata infot aega. Kogu see materjal peab langema tõhusalt lõpmatu kaugusele. Nii et kui musta auku pole olemas universumi loomise hetkel, välja arvatud juhul, kui need olid esmased mustad aukud, ei ole nad veel jõudnud tõelisele mustad aukudele; ei ole olnud piisavalt aega (meie välisküljel olevatest raamidest), et kukuks lõpmatu vahemaa, mis iseloomustab tõelist musta auku. Ja pole põhjust arvata, et ükski ese on esmane (kuigi mõned inimesed väidavad, et üks või mitu võib olla).

Ma olen natuke pedaandiline.Alati tuleb musta auku kukkumine, kuid sa oled mõne minutiga päris kaugel, oma õigel ajal, mõõdetuna oma enda kaaslaste kellaga. Välise raami taga ei jõua kunagi pinnale, kuid teid muudetakse suhteliselt lühikeseks ajaks krepsipõhiseks objektiks. Nii et mõnes mõttes on see vaevalt tähtis. See võib olla põhjus, miks 1990. aastal otsustas Stephen Hawking oma 1975. aasta panuse Kip Thorne'iga maksta ja tunnistas, et Cygnus X-ray allikas Cygnus X-1 oli tõepoolest must auk. Tehniliselt oli Hawking õige, mitte Thorne. Cygnus X-1 on 99,999 protsenti musta auku moodust, kuid see võtab (Hawkingi ja Thorne'i võrdluskaadrist) igavesti ülejäänud suunas liikumiseks.

Üks konkreetne kvanteeritud lünk võib minu väidetest kõrvale hoida, et mustade aukude olemasolu pole olemas. Kuigi Einsteini algse üldise relatiivsusteooria aluseks on must auk, kes jääb igavesti, ei võta see ühele "peaaegu" vormis liiga kaua aega. Aeg, mil kukkumistemperatuur jõuab kaks korda Schwarzschili raadiuse suurusele, kui see jõuab väikese vahemaa ulatuses, kus kvantmõjud on suured (nimetatakse Plancki kauguseks, mida me hiljem arutame), on vähem kui tuhandik teine. Siinkohal me ei oota tavapärast üldist relatiivsusteooria suunda.

Mis järgmisena juhtub? Tegelikult ei tea me tegelikult. Teoreetiliselt töötavad paljud inimesed, kuid seda pole veel täheldatud ja kontrollitud. On huvitav, et Hawking maksis Thorne'ile oma panuse, kas Cygnus X-1 on tõesti must auk; võib-olla tundis ta, et see on nii lähedal, et on must auk, mida see vaevalt puudutab, või ehk veenis ta, et kvantfüüsika lisamine loob kahtluse lõpmatu aja arvutamisel.

Asjaolu, et mustad aukud veel ei eksisteeri - vähemalt "mitte veel" vastavalt välisele raami - on hea punkt ja seda ei nimetata üldjuhul isegi mingile eksperimentidele. Kuid võite võita panust selle "usu või mitte" asja.

Teine Lightspeedi lünk

5. peatükis andsin näite, mis näitab, kuidas teie õige raami kiirendus 1 g juures võib põhjustada kauguse teie ja kauge objekti vahel (mõõdetuna selles kiirendusraamil), mis muutub valguse kiirusega 2,6 korda. Lawrence'i Berkeley laboratoorse elektronkiirendusega BELLA abil saate muuta Siriusi kaugust elektroni õiges raamis, mille kiirus on 8,6 miljardit korda suurem. Sa saad teha veelgi paremini. Võite muuta vahemaid lõpmatu kiirusega. Siin on kuidas.

Kujutage ette, et teie ja mina on mõni jalg edasi, ruumis, mitte midagi muud. Oletame, et meie õiged raamid on identsed, nii et selles raamistikus oleme mõlemad rahul. Nüüd saate väikese esialgse (täiesti vormitud) mustava auku, võib-olla keegi kaalust vaid paar kilo. Plunk see õige teie ja minu vahele. Musta auku gravitatsiooniline atraktsioon ei ole suurem kui mis tahes muu sama massiga objekt, nii et me ei tunne ebatavalisi jõude. Kui musta auk on paigas, on teie ja minu sirgjoone vaheline kaugus lõputu. Seda näete musta ava diagrammil. Vahe meie vahel on muutunud. Kuid meie asukohad ei ole.

Kas oleme "kolinud"? Ei. Kas vahemaa teie ja minu vahel on muutunud? Jah. Tohutult Ruum on vedelik ja paindlik. Seda saab tihendada ja venitada. Kergesti võib liikuda lõpmatu ruumikontsentratsiooni, sest see võib olla massi mass. See tähendab, et vahekaugused objektide vahel võivad muutuda meelevaldselt kiiretel kiirustel, isegi valgusaastatel sekundis või kiiremini. See on justkui te liigute ülikiirega, ehkki tegelikult te ei liiguta üldse.

Nagu varem mainisin, osutuvad need mõisted oluliseks, kui arutame kaasaegset kosmoloogiat järgmistes peatükkides. Eriti on need inflatsiooni teooria aluseks, mida kasutatakse segane paradoksi selgitamiseks, et universum on märkimisväärselt ühtlane, kuigi see on nii suur, et tal pole kunagi (aeg-ajalt) sellist ühtsust kindlaks teinud. Veel selle kohta hiljem.

Wormholes

Usbiauk on hüpoteetiline objekt, mis on sarnane mustale aukule, kuid kõvera ruumi asemel, mis ulatub massiivse objektini, ulatub see lõpuks välja ja levib teises asukohas. Kõige lihtsam ussiauk on väga sarnane kahe altpoolt ühendatud kahele mitte päris mustale aukule. ("Mitte päris" tähendab, et võite langeda ja lükata tagurpidi välja teisele poole piiratud aja jooksul.) Et selleks juhtuks, võite ette kujutada, et see ruum on kokku volditud, nii et kui ussiauk väljub, on see kogu korpuses (vt joonis 7.2). Kuid seda ei ole vaja ette kujutada. Pidage meeles, et mustava auku põhja sügavus on väljastpoolt määratud raamistikus lõpmatu kaugusega. Nii et isegi kui ussiauk pole nii sügav, võib see olla piisavalt sügav, et jõuda ükskõik kuhu.

Joonis 7.2. 2D ussiava kontseptuaalne kujutis. Kaks peaaegu must-auk ühendavad kaks ruumi-aja piirkonda. Kukk ühel küljel ja avage teine ​​välja.

Joonis 7.2. 2D ussiava kontseptuaalne kujutis. Kaks peaaegu must-auk ühendavad kaks ruumi-aja piirkonda. Kukk ühel küljel ja avage teine ​​välja.

Krediit: Richard A. Muller

Probleem lihtsate ussiaugudega on see, et arvutused näitavad, et need pole stabiilsed. Kui põhjas olev kõvera ruum hoiab puudu, siis eeldatakse, et ussiauk langeb kiiremini, kui inimene saaks selle läbi lüüa. Võimalik, et suudame stabiliseerida ussiaja (nagu söekaevanduse stabiliseerimine kolonnide tekitamisega), kuid praegune teooria ütleb, et selleks peaksime midagi, mida me pole veel avastanud, sellist osakest, millel on negatiivne energia valdkonnas. Selline valdkond võib olla võimalik - vähemalt ei saa me seda välistada, nii et teadusliku fanaatikaga on teretulnud minna ja eeldada, et tulevikus oleme suutnud luua stabiilseid ja kasulikke ussiaugusid.

Wormholes on praeguse ulmekirjanduse ortodoksia kiireks reisimiseks, mis katab palju valgusaastaid. Isegi Star Treki sõna "sõrmejõud", mida kasutatakse ka Doctori seerias, näitab, et 4D kosmos-aja universum on painutatud viiendaks mõõtmeks, tuues kaugete objektide üksteise lähedale. Sama kehtib ka Dune'i filmi versiooni kohta, milles Guild kasutab ruumis painutamiseks spetsiaalset materjali, mida nimetatakse vürtsiks. (Rumeenias kajastuvad nad lihtsalt vahemaad kiiremini kui valgust, kuid film muudab selle suutlikkuse relativismi mõttes.)

Uskumatud fännid ka võluvad augud, sest mõned füüsikud on väitnud, et nad teevad reisi õigeaegselt võimalikuks. Kui me ujutame ajavoolu tähenduses, nüüd ja aja reisi tähenduses, siis näete, miks ma ei nõustu sellega, et läbi ussiaja saaks edasi minna tagasi.

Mulle on hämmastav, et kuigi me ei tea, miks ajavoo voolab, saame rääkida täpselt suhtelisest ajavoolust erinevates kohtades ja et sellised voogud juhtuvad erinevatel kiirustel. Aeg pikeneb ja väheneb, sõltuvalt füüsikast. Füüsika järgnev samm ei selgitanud ka ajavoolu kiirust, kuid see käsitles lihtsamaid küsimusi selle suunas: miks aeg edasi liikuda, mitte tagasi?


[1] * L. Susskind ja J. Lindesay arutavad seda lõpmatu langevat aega "Mustad aukud, informatsioon ja String teooria revolutsioon" sissejuhatuses (2005), lk. 22. Nad asuvad Fidose vaatlejatena mööda kukkumisraja, kes jälgivad objekti langemist ja annavad autsaiderile aru. "Selle vaatenurgast lähtudes ei lase osake kunagi horisondi üle minna, vaid läheneb sellega asümmeetriliselt". Selle järelduse võib eeldatavasti muuta kvantli teooria.

Osta kohe: aja füüsika Amazon.com >

Copyright © 2016 Richard A. Muller. Kasutatakse W. W. Norton & Company, Inc. loal. Kõik õigused kaitstud.


Video Täiendada: .




ET.WordsSideKick.com
Kõik Õigused Reserveeritud!
Mistahes Materjalide Reprodutseerimine Lubatud Ainult Prostanovkoy Aktiivne Link Saidile ET.WordsSideKick.com

© 2005–2019 ET.WordsSideKick.com