2014-12-26
Kategoria: Wszechświat

Przewodnik po Wszechświecie: czas, przestrzeń i struktura

Universe-Guide

Przestrzeń i czas tworzą podstawową strukturę kosmosu. A mimo to nadal są jednymi z najbardziej tajemniczych pojęć. Czy przestrzeń jest bytem? Dlaczego czas ma kierunek? Czy Wszechświat mógłby istnieć bez przestrzeni i czasu? Czy można się przenieść w przeszłość?

Odbądźmy fascynującą wycieczkę po Wszechświecie, podczas której dowiemy się o najnowszych i najważniejszych osiągnięciach współczesnej fizyki i kosmologii, poczynając od niezmiennej rzeczywistości Newtona, przez płynną czasoprzestrzeń Einsteina, aż po splątaną rzeczywistość mechaniki kwantowej. Aż w końcu poznajmy wizję niezwykłego, jedenastowymiarowego „multiwszechświata”, o pulsującej, bezustannie zmieniającej się strukturze, gdzie sama przestrzeń i czas mogą ulec podziałowi na mniejsze, bardziej podstawowe wielkości. Oto pod powierzchnią znanego nam świata fizyka odkrywa nowe oblicze rzeczywistości.

• • • ARENA RZECZYWISTOŚCI • • •

1. DROGI DO RZECZYWISTOŚCI. PRZESTRZEŃ. CZAS. I DLACZEGO RZECZY SĄ TAKIE JAKIE SĄ?

O fizyce klasycznej, Einsteinie, teorii kwantowej, kosmologii, superstrunach.

Rzeczywistość klasyczna

Newton: formułując prawa ruchu powstaje pytanie, co jest obszarem, w którym zachodzi ruch. Odpowiedź intuicyjna: przestrzeń. Ale co to jest przestrzeń? Newton: czas i przestrzeń są to absolutne i niezmienne byty stanowiące dla Wszechświata sztywną, niezmienną arenę wydarzeń. Przestrzeń i czas to niewidzialne rusztowanie nadające Wszechświatowi kształt i strukturę.

Rzeczywistość relatywistyczna

Lata 60. XIX wieku: James Clark Maxwell rozszerzył zakres fizyki klasycznej o elektryczność i magnetyzm. Koniec XIX wieku – optymizm co do rychłego zakończenia kompletnego opisu świata (Michelson, Kelvin). Ale początek XX wieku – rewolucja einsteinowska. 1905: czas i przestrzeń nie są niezależne i absolutne, ale splecione i względne. 1915: ponownie sformułowane prawa grawitacji. Czas i przestrzeń zakrzywiają się i uczestniczą w ewolucji kosmosu. Są giętkie i dynamiczne.

Rzeczywistość kwantowa

Podstawa fizyki klasycznej: jeśli znamy położenia i prędkości ciał w określonym momencie możemy wyznaczyć ich położenia i prędkości w dowolnym momencie przeszłości i przyszłości. Taki pogląd podziela szczególna i ogólna teoria względności. Z kolei teoria kwantowa, choć niezwykle użyteczna przy analizie wielu zagadek rzeczywistości subatomowej, stwierdza, że możemy wyliczyć tylko prawdopodobieństwa własności ciał w ich przeszłości i przyszłości. Ciała poruszają się we „mgle prawdopodobieństwa” i stają się określone dopiero, gdy obserwacja zmusi je do odrzucenia możliwości kwantowych i zdecydowania się na ustalony wynik. Tego wyniku nie możemy przewidzieć, możemy jedynie określić szanse jego pojawienia się. W efekcie dyskusji Einsteina z teorią kwantową ukazano też inną „kwantową” cechę rzeczywistości, tzw. splątanie kwantowe. Ciała oddalone od siebie na dowolną (!) odległość mogą w pewnych okolicznościach stanowić jedność i zachowywać się w sposób skoordynowany, jednolity.

Rzeczywistość kosmologiczna

Jedną z najtrudniejszych zagadek współczesnej fizyki jest strzałka czasu (tę nazwę wymyślił fizyk Arthur Eddington w 1928 roku). Istnieje kierunek w czasie, tzw. asymetria czasu – od przeszłości do przyszłości a nie obserwujemy symetrycznego kierunku odwrotnego – od przyszłości do przeszłości. Skąd się wzięła ta asymetria? Jest to tajemnica, bo prawa fizyki jej nie wykazują, każdy kierunek w czasie jest dla nich równoprawny. Dlaczego więc ciągłe doświadczanie asymetrii czasu jest dla nas tak oczywiste i stanowi podstawę naszej orientacji w świecie? Wyjaśnienie musi sięgać do początku Wszechświata. Szczególne warunki wówczas panujące mogły wymusić kierunek upływu czasu. Kosmologie, czyli koncepcje jak powstał Wszechświat, istnieją od tysięcy lat, ale dopiero ogólna teoria względności (OTW) zapoczątkowała współczesną kosmologię naukową. OTW została zastosowana do analizy całego Wszechświata i dzięki temu powstała teoria Wielkiego Wybuchu (TWW). W połowie lat 60. XX wieku wykryto przewidzianą w tej teorii jednorodną mgłę promieniowania mikrofalowego. Był to sukces teorii Wielkiego Wybuchu. Ale TWW nie wyjaśnia skąd przestrzeń ma taki kształt, dlaczego temperatura promieniowania mikrofalowego jest wszędzie taka sama itd. Przełomem było powstanie kosmologii inflacyjnej, która modyfikuje teorię Wielkiego Wybuchu, dodając – na samym początku istnienia Wszechświata – bardzo krótki okres szybkiej ekspansji kosmosu (w czasie 10-33 sekundy Wszechświat powiększył się co najmniej o współczynnik 1033). Problem kosmologii inflacyjnej: teoria ta opiera się na ogólnej teorii względności (OTW), ale Wszechświat w okresie swego początku ma wielkość subatomową i wymaga zastosowania teorii kwantowej. Lecz równań tej teorii nie daje się pogodzić z równaniami ogólnej teorii względności. Nie daje się więc w pełni opisać początku Wszechświata. Należy stworzyć teorię zunifikowaną.

Rzeczywistość zunifikowana

Einstein chciał stworzyć zunifikowaną teorię, ale był samotny w tych poszukiwaniach. Nie powiodło mu się. Teraz zadanie to uznawane jest za najważniejsze w fizyce. Ogólna teoria względności (OTW) stosuje się do dużych wymiarów, kwantowa – do małych. Jednoczesne ich zastosowanie daje odpowiedzi bezsensowne, np. prawdopodobieństwo = ∞. Przez dekady panował między tymi teoriami rozejm, ale analiza Wszechświata u jego początków (obiekty masywne i małe) wymaga równoczesnego zastosowania obu teorii. Najlepszym przykładem są czarne dziury (gwiazda pod własnym ciężarem zapada się do rozmiaru punktu). Propozycją unifikacji jest teoria superstrun. Według niej najmniejsze cząstki materii zbudowane z maleńkich, drgających włókien energii. Wibracje tworzą różne własności cząstek. Teoria superstrun godzi OTW i mechanikę kwantową, ale wymaga istnienia 9 wymiarów przestrzennych i jednego czasowego. Jej rozwinięciem jest M-teoria, która wymaga istnienia 10 wymiarów przestrzennych. Wymiary dodatkowe są za małe, aby je dostrzec. Jedną z konsekwencji teorii superstrun jest hipoteza istnienia Wszechświatów Równoległych.

Einstein

2. WSZECHŚWIAT I WIADRO. CZY PRZESTRZEŃ JEST POJĘCIEM ABSTRAKCYJNYM, CZY WIELKOŚCIĄ FIZYCZNĄ?

O przestrzeni i ruchu w fizyce klasycznej. Eksperyment Newtona z wiadrem: wiadro z wodą zawieszamy na sznurze, sznur skręcamy i puszczamy wiadro wprawiając je w ruch obrotowy. Po chwili woda w wiadrze zaczyna wirować i jej poziom na brzegach jest wyższy niż w środku. Ten eksperyment badający ruch był analizowany przez ponad 300 lat.

Pojęcie względności przed Einsteinem

Pytanie Newtona: jeśli mówimy o ciele, że jest nieruchome lub porusza się ze stałą prędkością, to z czyjego punktu widzenia? Jeśli następuje zmiana prędkości to względem czego?

Wiadro

Dlaczego woda w wirującym wiadrze przyjmuje taki kształt? Odpowiedź Newtona: punktem odniesienia dla opisu ruchu jest absolutna przestrzeń. Ciało się porusza względem przestrzeni absolutnej. Ciało przyspiesza też względem przestrzeni absolutnej. Newton nie zajmował się jednak zbyt wiele definiowaniem przestrzeni. Stwierdził: „Przestrzeń absolutna, w swojej istocie, bez odniesienia do czegokolwiek zewnętrznego, pozostaje zawsze niezmienna i nieruchoma”.

Przestrzenny kłopot

Próby uporania się ze zrozumieniem czym jest przestrzeń datują się od starożytności. Czy przestrzeń różni się od materii? Czy przestrzeń istnieje niezależnie od obecności ciał materialnych? Czy jest skończona? Zasadnicze pytanie: czy przestrzeń jest bytem materialnym, niezależnym, czy pojęciem umysłu służącym do opisu związku między ciałami materialnymi? Leibniz: przestrzeń to pojęcie. Gdyby usunąć ciała, nie byłoby przestrzeni. W dyskusji zastosował argumenty teologiczne. Newton: przestrzeń absolutna istnieje, bo choć trudna do wykrycia bezpośredniego, wywołuje obserwowalne skutki: np. przyspieszenia w wirującym wiadrze. W ten sposób przeniósł dyskusję z filozofii i teologii do weryfikowalnych naukowo danych. I to stanowisko zostało zaaprobowane przez kilka następnych wieków.

Mach i znaczenie przestrzeni

Pojęcie przestrzeni absolutnej (PA) wyjaśnia ruch przyspieszony ale nie ze stałą prędkością. Bez ciał orientacyjnych nie wiemy gdzie jesteśmy w PA. Ale… dlaczego Newton badając ruch wody w wiadrze nie rozważył innych punktów odniesienia dla ruchu? Laboratorium, w którym jest wiadro, budynków wokół niego albo ziemi pod stopami? Zdaniem Macha ruch względny wody być może można tłumaczyć tymi innymi punktami odniesienia eliminując konieczność wprowadzenia PA? Według niego w pustym Wszechświecie nie ma rozróżnienia między wirowaniem i brakiem wirowania. Całkowity bezruch i jednorodne wirowanie są nierozróżnialne.

Mach, ruch i gwiazdy

Według Macha siła odczuwana w wyniku wirowania jest proporcjonalna do ilości całej materii we Wszechświecie. Przyspieszenie odczuwamy tylko względem średniego rozkładu innych ciał materialnych w kosmosie. Czyli, im więcej jest materii, tym większą siłę odczuwamy. Przestrzeń Macha jest podobna do leibnitzowskiej: bez ciał nie istnieje.

3. WZGLĘDNOŚĆ I ABSOLUT. CZY CZASOPRZESTRZEŃ JEST STWORZONYM PRZEZ EINSTEINA POJĘCIEM ABSTRAKCYJNYM, CZY BYTEM FIZYCZNYM?

O przestrzeni, czasie i grawitacji w teorii względności. Dzięki Einsteinowi przestano pytać o sposób istnienia przestrzeni a zaczęto pytać o czasoprzestrzeń: czy czasoprzestrzeń istnieje fizycznie?

Czy pusta przestrzeń jest pusta?

Einstein pisząc o świetle korzystał z prac Maxwella, który sformułował cztery równania na temat elektryczności i magnetyzmu. Maxwell korzystał z dokonań Faradaya, który wprowadził pojęcie pola. Pole przenika i wypełnia przestrzeń. Maxwell wykazał, że pola magnetyczne i elektryczne są ze sobą splątane. Stoi za nimi jedna siła. Nazwał ją polem elektromagnetycznym. Analizując swe równania odkrył, że zmiany w polach rozchodzą się z prędkością światła. Ale prędkość ta była w jego równaniach niepowiązana z żadnym punktem odniesienia. Fizycy przyjęli, że ośrodkiem względem którego światło się przemieszcza (prędkość światła to ok. 300 tys. km/s) jest nieruchomy eter. Jest uderzające podobieństwo między nim a przestrzenią absolutną Newtona. Było wiele prób zbadania natury eteru i jego właściwości. Okazało się, że światło ma tę samą prędkość i gdy mierzymy, jak się do nas zbliża jak i gdy „ucieka”. Jak to wyjaśnić?

Względna przestrzeń, względny czas

W roku 1905 Einstein w pracy „O elektrodynamice ciał w ruchu” stwierdził, że eteru nie ma, a światło nie potrzebuje ośrodka, który by je przenosił. Może się przemieszczać w pustej przestrzeni. Dla światła nie jest potrzebny żaden wzorzec spoczynku. Światło porusza się ze swoją prędkością względem wszystkiego i wszystkich. Ale jak to możliwe? Prędkość mierzymy dzieląc odległość przez czas. Od czasu Newtona nie tylko przestrzeń była uznana za absolutną, ale i czas. Newton stwierdził: „czas istnieje sam z siebie i dla siebie, płynąc jednostajnie bez potrzeby odniesienia do czegokolwiek zewnętrznego”. Czyli według Newtona istnieje bezwzględne pojęcie czasu. Einstein to zakwestionował. Uznał za błędne idee absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu.

Wyrafinowany, ale nie złośliwy

Skoro prędkość światła jest stała, przestrzeń i czas zależą od obserwatora. Każdy z nas ma własny zegar i własną linijkę. Kiedy poruszamy się względem siebie, nasze zegary i linijki przestają się ze sobą zgadzać. Ciała poruszają się zarówno w przestrzeni jak i w czasie. Np. gdy parkujący samochód odjeżdża, część jego ruchu w czasie zostanie zamieniona na ruch w przestrzeni. Zasada: sumaryczna prędkość każdego ruchu ciała w przestrzeni i jego ruchu w czasie równa się prędkości światła. Tak więc w czasie ruchu z prędkością światła czas się zatrzymuje. Tak jest np. z fotonem.

A z wiadrem?

W szczególnej teorii względności (STW) Einstein zajął się ruchem ze stałą prędkością. 10 lat później (1915) tworząc ogólną teorię względności (OTW) poradził sobie z ruchem przyspieszonym. W całkowicie pustym Wszechświecie, wprawieni w ruch obrotowy, odczuwalibyśmy działającą na zewnątrz siłę. STW twierdzi, że niektóre rzeczy są względne, ale istnieje absolutna czasoprzestrzeń i to ona właśnie jest punktem odniesienia tego ruchu przyspieszonego.

Kształtowanie przestrzeni i czasu

Wyobraźmy sobie czasoprzestrzeń jako trójwymiarowy blok przestrzenny zawierający zamrożone kolejne chwile teraźniejszości. Jeśli obserwatorzy poruszają się względem siebie, ich zegary się rozsynchronizowują. I chwila teraźniejsza dla jednego może być dla drugiego przeszłością albo przyszłością. Jest to zasada względności równoczesności.

Przekroje pod różnymi kątami

Wyobraźmy sobie czasoprzestrzeń jako wielki, podłużny bochen chleba. Kolejne chwile teraźniejszości są jakby kromkami tego bochna. Jeśli obserwatorzy nie poruszają się względem siebie, są jakby na przeciwległych końcach uciętej w poprzek kromki. Jeśli się jednak poruszają się względem siebie, wygląda to tak jakby byli na przeciwległych końcach kromki, ale tym razem ukrojonej pod pewnym kątem. Wtedy jeden jest jakby bardziej z przodu bochna a drugi z tyłu. Ale bochen jest czasoprzestrzenią na osi czasu. Kromka ukrojona pod kątem oznacza, że jeden jest „do przodu” w czasie w porównaniu z drugim. Tak więc, jeśli się poruszają względem siebie, ich chwile teraźniejszości nie są tożsame ze sobą. To co jeden widzi, jako dziejące się teraz, inny widział jakiś czas temu, albo dopiero zobaczy.

Wiadro według szczególnej teorii względności

W szczególnej teorii względności nie wszystko jest względne. Względne są przestrzeń i czas, ale istnieje absolutna całkowita czasoprzestrzeń.

Grawitacja i odwieczne pytanie

Podsumowanie:
Newton: przestrzeń jest bytem, ruch przyspieszony nie jest względny.
Leibniz: przestrzeń nie jest bytem, wszystkie przejawy ruchu są względne.
Mach: przestrzeń nie jest bytem, ruch przyspieszony odczuwamy względem średniego rozkładu masy we Wszechświecie.
Einstein: przestrzeń i czas rozpatrywane oddzielnie są względne, czasoprzestrzeń natomiast jest bytem absolutnym.

Co z ruchem przyspieszonym? W szczególnej teorii względności (STW) została pominięta grawitacja. Według Newtona grawitacja działa momentalnie, tzn. szybciej od światła. Usuwając dalekie źródło światła i masy, np. Księżyc, grawitacja zniknęłaby zatem zanim zniknąłby nam z oczu sam Księżyc. Według Einsteina to niemożliwe. Zajął się więc i grawitacją i ruchem przyspieszonym.

Równoważność grawitacji i przyspieszenia

Einstein w ogólnej teorii względności stwierdził, że grawitacja i ruch przyspieszony to dwie strony tej samej siły. Obie siły są sobie równoważne. Jest to fundamentalna dla ogólnej teorii względności zasada równoważności. Jeśli siedzisz w fotelu też przyspieszasz, bo czujesz siłę grawitacji. Przyspieszasz względem obserwatora, na którego nie działa żadna siła. Wpływ grawitacji odczuwamy tylko wówczas, jeśli się jej przeciwstawiamy.

Odkształcenia, zakrzywienia i grawitacja

Skoro grawitacja i przyspieszenie są równoważne, grawitacja musi być wynikiem zakrzywienia struktury czasoprzestrzeni. Materia i energia mają taki wpływ na czasoprzestrzeń jak kula do kręgli umieszczona na batucie (do skakania), którą wygina w dół i pobliskie ciała turlają się do niej. W podobny sposób materia i energia zakrzywiają czasoprzestrzeń i przyciągają inne ciała. Przyciąganie zawdzięczamy falom grawitacyjnym, które przemieszczają się z prędkością światła.

Ogólna teoria względności (OTW) i wiadro

Zgodnie z OTW punktem odniesienia dla każdego rodzaju ruchu (także przyspieszonego) są swobodnie spadający obserwatorzy, którzy się poddali grawitacji i nie odczuwają działania żadnej siły. Siła grawitacyjna, której się poddali, pochodzi od całej materii i energii w kosmosie. Czyli ciało przyspiesza względem punktu odniesienia, na który wpływ ma cała materia Wszechświata.

Czasoprzestrzeń w trzecim tysiącleciu

Einstein: czasoprzestrzeń jest czymś fizycznie istniejącym.

O Autorze

 > 

John Lennon „Imagine”: Imagine there’s no Countries… Imagine no Possession… Nothing to Kill or Die For… And no Religion too… No Need for Greed or Hunger… A Brotherhood of Man… (Niestety, John, dziś żyjemy w innym świecie. Twoje idee, lepsze czy gorsze, zostały wypaczone). Mahatma Gandhi: Na początku cię ignorują. Potem śmieją się z ciebie. Następnie z tobą walczą. W końcu wygrywasz • Siedem grzechów społecznych: polityka bez zasad, bogactwo bez pracy, przyjemność bez sumienia, wiedza bez osobowości, wiara bez poświęcenia, nauka bez człowieczeństwa oraz handel bez moralności • Religie to różne drogi prowadzące do tego samego celu. Jakaż to jest różnica, którą z nich wybierzemy? Jaki cel więc mają te kłótnie między nami? • Słabi nigdy nie potrafią przebaczać. Przebaczenie jest cnotą silnych • Jakże wielkiej daniny grzechu i błędów wymaga od człowieka bogactwo i władza • Nie znam większego grzechu niż uciskanie słabszych w imieniu Boga • Jest wiele powodów, dla których mogę być przygotowany na śmierć, ale nie ma żadnego, dla którego gotów byłbym zabić. Albert Einstein: Nie ma rzeczywistości samej w sobie, są tylko obrazy widziane z różnych perspektyw • Gdy miałem dwadzieścia lat, myślałem tylko o kochaniu. Lecz później kochałem już tylko myśleć • Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat i ludzka głupota. Co do tej pierwszej istnieją jednak pewne wątpliwości • Nauka bez religii jest kaleka, religia bez nauki jest ślepa • Jestem bardzo głęboko religijnym niewierzącym • Gospodarcza anarchia społeczeństwa kapitalistycznego w jego dzisiejszej formie jest, moim zdaniem, prawdziwym źródłem zła • Wszyscy wokół wiedzą, że czegoś nie da się zrobić. I wtedy pojawia taki, który o tym nie wie, i on właśnie to coś robi • Nie wiem, jaka broń będzie użyta w trzeciej wojnie światowej, ale czwarta będzie na maczugi.



SKOMENTUJ

Zaloguj się i napisz komentarz.

Ruch Lotniczy nad Ziemią 24H

Artykuły w Kategoriach:

Poznaj Chiny

Pogoda

Warszawa
2017-12-15, 16:40
Deszcz
3°C
Odczuwalna: 0°C
Ciśnienie: 1000 mb
Wilgotność: 93%
Wiatr: 1 m/s SSE
Prognoza: 2017-12-15
dzień
Deszcz ze śniegiem
3°C
noc
Mglisto (pochmurnie)
-1°C
 

Teleskop Hubble'a