Spațiu timp

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Notă despre dezambiguizare.svg Dezambiguizare - "Chronotope" se referă aici. Dacă căutați coordonatele spațiu-timp ale unui text în traducere, consultați Chronotope (traducere) .
Diagrama spațiu-timp.

În fizică prin spațiu-timp sau cronotip , ne referim la structura în patru dimensiuni a universului .

Introdus de relativitatea generală , este compus din patru dimensiuni : cele trei ale spațiului ( lungime , lățime și adâncime ) și timp și reprezintă „etapa” în care au loc fenomenele fizice .

Descriere

Spațiu-timp este un concept fizic care combină noțiunile noastre tradiționale, în mod tradițional distincte de spațiu și timp într-o singură entitate omogenă. Introducerea spațiului-timp este o consecință directă a teoriei speciale a relativității , care stabilește o echivalență între spațiu și timp.

La fel cum în viziunea noastră clasică asupra spațiului, cele trei dimensiuni componente ale sale sunt echivalente și omogene între ele și relative la observator (ceea ce este considerat înainte sau înapoi de către un observator poate fi considerat drept sau stâng de un alt observator aranjat diferit), viziunea relativistă asimilează, de asemenea, dimensiunea temporală (înainte-după) la cele trei dimensiuni spațiale, făcând-o perceptibilă într-un mod diferit de către observatori în condiții diferite.

Punctele spațiu-timp sunt numite evenimente și fiecare dintre ele corespunde unui fenomen care apare într-o anumită poziție spațială și la un anumit moment. Prin urmare, fiecare eveniment este identificat prin patru coordonate. În general, trei coordonate carteziene sunt utilizate pentru a afișa coordonatele spațiale, determinate de alegerea unui cadru de referință ortogonal; pot fi notate cu cele trei litere diferite x , y și z sau cu literele cu indici (sau indicii, sau indicii) . În primul caz, coordonata de timp este indicată cu t , în al doilea cu . Coordonatele cu indici au avantajul formal de a permite utilizarea indicilor curenți și, prin urmare, a expresiilor sintetice. De obicei, pentru un index care rulează numai în dimensiunile spațiale 1, 2 și 3 sunt utilizate litere latine precum i , j și k , în timp ce pentru indicii spațiu-timp care rulează de la 0 la 3 litere grecești precum μ și ν . Mai mult, atunci când studiați anumite sisteme (de exemplu, cu anumite simetrii), pentru dimensiuni spațiale, în loc de coordonate carteziene, este convenabil să utilizați coordonate sferice , acum coordonate cilindrice , acum altele.

Fiecare obiect din univers afectează spațiu-timp și, prin urmare, toate cele patru dimensiuni care îl compun: de exemplu, Pământul afectează cele trei dimensiuni ale spațiului prin atracție gravitațională și afectează timpul printr-o încetinire a timpului în sine. În găurile negre , timpul este foarte încetinit; atât de mult încât, în teorie, în centrul lor, timpul este complet oprit.

Conceptele de spațiu și timp

Până la teoria relativității lui Einstein , relativitatea specială și generală , vremea a fost concepută ca observatori absolut și independenți. Mai mult, spațiul a fost guvernat de geometria euclidiană . Într-o astfel de geometrie și în fizica pre-relativistă, lungimea unui obiect nu se schimbă atunci când se mișcă sau se rotește în spațiu sau când este privit din unghiuri diferite.

În geometria euclidiană, invariantul fundamental este deci distanța dintre două puncte Și , sau pătratul său:

,

care nu se schimbă când se aplică traducerile

,

sau izometrii , adică rotații și reflexii .

Transformările lui Galileo

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Transformările galileene .

În spațiul fizic toate direcțiile spațiale sunt echivalente (se spune că spațiul fizic este izotrop ). Odată cu nașterea mecanicii clasice, am încercat să înțelegem modul în care legile fizice variau în funcție de variația punctului de observație și de deplasările relative ale celor două sisteme de referință . O problemă de mare importanță este aceea a invarianței legilor fizice în urma schimbărilor în sistemele de referință.

În transformările galileene este considerat un caz extrem de simplu: se consideră un sistem inerțial K , adică un sistem în care legile fizicii sunt exprimate în forma cea mai simplă și un sistem K ' care, fără a se roti , se mișcă cu mișcare uniformă cu respect pentru K ; prin urmare și K ' poate fi considerat ca un sistem inerțial.

Pentru a scrie transformările, am pornit de la 2 axiome fundamentale:

  1. timp este absolută, adică timpul t „măsurate în raport cu K“ este același ca t măsurat în K și în raport cu același eveniment;
  2. lungimea este absolută: un interval s în repaus, față de K , are aceeași lungime ca s măsurată în K ' , în mișcare față de K.

Plasând axele celor două sisteme în paralel, este ușor să se determine așa-numita transformare Galileo :

,

din care este ușor să se deducă că:

și pentru distanța dintre două puncte diferite:

Transformările Lorentz

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: transformările Lorentz .

De fapt, aceste transformări au fost considerate valabile mult timp, cel puțin până la studiile privind electromagnetismul . Problema gravă a relativității galileene este că, în timp ce legile mecanicii clasice sunt invariante sub transformările galileene, nu același lucru este valabil pentru ecuațiile lui Maxwell , care rezumă tot electromagnetismul în sine. Mai mult, dovezile experimentale (precum celebrul experiment Michelson-Morley ) de la sfârșitul secolului al XIX-lea au contestat ideea sistemelor de referință absolute (a se vedea eterul ).

Transformările Lorentz propriu-zise sunt un sistem de ecuații care, prin inserarea vitezei luminii c , dau modul corect în care mișcarea se schimbă, într-un sistem de referință în mișcare, față de unul fix. Cel mai simplu caz de transformare este acela în care mișcarea unui sistem se dezvoltă numai și exclusiv de-a lungul unei anumite axe, de exemplu că x :

Aceste transformări asigură că ecuațiile lui Maxwell rămân invariante în orice sistem de referință (inerțial) în care sunt aplicate (invarianță care se pierde în schimb pentru ecuațiile lui Newton ), dar pentru a nu abandona ideea eterului (și, prin urmare, a timpului și a spațiului absolut ) au fost construite diverse ipoteze ad hoc , cum ar fi contracția distanțelor experimentale în direcția mișcării observatorului față de eter sau tragerea acestuia de către Pământ în mișcările sale de revoluție .

Teoria relativității

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: relativitatea restricționată .

Transformările menționate anterior apar în schimb la baza teoriei relativității restrânse a lui Albert Einstein , ca o consecință directă a axiomelor de constanță a vitezei luminii c și a invarianței legilor fizice în urma modificărilor sistemelor de referință (inerțiale).

Odată cu acceptarea de către comunitatea științifică a teoriei relativității, a fost demolat conceptul de spațiu și timp absolut și separat unul de celălalt, pe măsură ce și-a luat locul conceptul de spațiu-timp, în care există un sistem de referință privilegiat și pentru fiecare în cazul în care coordonatele spațiale și temporale sunt legate între ele în funcție de deplasarea relativă a observatorului. Odată cu absența unui timp absolut, chiar și conceptul de contemporaneitate a fost modificat de apariția relativității: în locul său putem defini absolutul în altă parte , adică ansamblul evenimentelor care nu aparțin nici viitorului, nici trecutului, adică în afara conului de lumină .

Conceptul evenimentului

În fizică și în special în studiul relativității , un eveniment indică un fenomen fizic, situat într-un punct specific din spațiul cu patru dimensiuni .

Exemple în lumea macroscopică

De exemplu, în experiența pe care oricine o poate experimenta direct:

  1. un pahar care cade la pământ și se sparge la un moment dat este un eveniment;
  2. o eclipsă observabilă cu ochiul liber este un eveniment.

Se întâmplă într-un singur loc la un moment dat, într-un cadru de referință specific. [1]
Strict vorbind, noțiunea de eveniment este o idealizare abstractă, în sensul că specifică un moment definit și un loc în spațiu, în timp ce noțiunea comună de eveniment pare să aibă o extensie finită atât în ​​timp cât și în spațiu. [2]
Unul dintre obiectivele relativității este de a specifica posibilitatea modului în care evenimentele se afectează reciproc. Acest lucru se face folosind un tensor metric , care ne permite să determinăm structura cauzală a spațiului-timp.
Diferența (sau intervalul) dintre două evenimente poate fi clasificată ca separare spațială, temporală și / sau luminară (fotonică).
Pentru mecanica relativistă se pare că numai dacă două evenimente sunt separate de intervale fotonice spațiu-timp se pot influența reciproc.
În urma dezvoltării mecanicii cuantice, această presupunere a intrat în criză, punând bazele unei Teorii unificate a Totului (sau „Teoria Totului” în limba engleză).

Spațiul-timp al lui Minkowski

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: spațiul-timp al lui Minkowski .

După cum sa menționat, spațiul euclidian obișnuit poate fi definit pornind de la invariantul distanței euclidiene, al cărui pătrat este:

Această cantitate, calculată cu teorema lui Pitagora , este singura invariantă pentru orice modificare a sistemului de referință ( translația sau rotația axelor de coordonate).

Anterior, timpul era considerat un invariant și nu putea fi adăugat la cele trei dimensiuni spațiale. Cu teoria specială a relativității , atunci când cineva începe să ia în considerare viteze mari, acest lucru nu mai este adevărat, deoarece coordonatele temporale și spațiale sunt amestecate sub efectul unei schimbări a sistemului de referință.

Noua „distanță” pătrată este construită scăzând un termen în timp de la distanța pătrată euclidiană:

unde c este viteza luminii , aceeași pentru fiecare observator. Această magnitudine este adesea numită interval relativist. Imediat se întâmplă faptul că au loc două evenimente, cum ar fi emisia unui fascicul de lumină într-un anumit punct al spațiului-timp și recepția sa într-un alt punct , intervalul dintre ele este identic zero. De asemenea, se întâmplă că prin aplicarea unei transformări Lorentz la coordonate, intervalul rămâne neschimbat. Intervalul nu este pătratul unei distanțe, deoarece nu este definit ca pozitiv. Există două convenții diferite, una cu minus în fața termenului temporal și plusul în fața celor spațiale și opusă, cu toate semnele inversate:

Nu există o convenție dominantă în lumea academică, dar semnătura utilizată nu schimbă teoria fizică nici măcar. Folosind în schimb rotația lui Wick , adică luând în considerare un timp pur imaginar , obținem o distanță euclidiană în spațiu-timp cu patru dimensiuni:

Trebuie menționat, totuși, că rotația lui Wick modifică structura matematică a teoriei și nu este comparabilă cu cele două semnături discutate mai sus. Această formulare este de fapt o extensie analitică a celorlalte și poate fi utilizată, în unele contexte, pentru a facilita rezolvarea unor probleme, făcând transformarea inversă pentru a reveni la timpul „fizic”.

În relativitatea generală , intervalul este generalizat cu calculul elementului spațiu-timp infinitesimal , luând în considerare variațiile distanței infinitesimale datorate curburii spațiu-timp. În această perspectivă, relativitatea specială este ansamblul transformărilor de coordonate, cinematicii și dinamicii sistemelor într-un spațiu-timp Minkowski sau pseudo- euclidian .

Evoluția conceptului în fizica modernă

Curbura spațiu-timpului în relativitatea generală

O faimoasă ilustrație populară a curburii spațiu-timp datorită prezenței masei, reprezentată în acest caz de Pământ .

De fapt, teoria relativității generale afirmă că spațiul-timp este mai mult sau mai puțin curbat de prezența unei mase; o altă masă mai mică se mișcă apoi ca efect al curburii respective. Adesea, situația este descrisă ca o minge care deformează o foaie elastică întinsă cu greutatea sa, în timp ce o altă minge este accelerată de această deformare a vârfului și, în practică, atrasă de prima. Aceasta este doar o simplificare a dimensiunilor care pot fi reprezentate, deoarece spațiul-timp este deformat și nu doar dimensiunile spațiale, care este imposibil de reprezentat și dificil de conceput.

Singura situație pe care o putem descrie corect este aceea a unui univers cu o dimensiune spațială și temporală. Orice punct material este reprezentat printr - o linie (lumea line ), nu printr - un punct, care asigură poziția sa pentru fiecare moment: faptul că este încă în mișcare sau se va schimba doar înclinația acestei linii. Acum să ne gândim să curbăm acest univers folosind a treia dimensiune: ceea ce anterior era linia care descria un punct, a devenit acum o suprafață.

Geometria euclidiană nu este valabilă pe o suprafață curbată, în special este posibil să se deseneze un triunghi ale cărui unghiuri însumate nu asigură 180 ° și este, de asemenea, posibil să procedăm întotdeauna în aceeași direcție, revenind după un anumit timp la punctul de plecare.

Este cuantificat spațiul-timp?

Cercetările actuale s-au concentrat asupra naturii spațiu-timp la scara Planck . Teoria gravitației cuantice în buclă , teoria corzilor , principiul holografic și termodinamica găurilor negre prezic toate spațiu-timp cuantizat, cu acordul ordinii de mărime. Teoria gravitației buclei propune chiar predicții precise despre geometria spațiu-timp la scara Planck.

Prezența unui cuantum de timp, crononul , a fost propusă în 1927. Teoriile conexe, dezvoltate mai târziu, care nu au fost încă confirmate, ar putea ajuta la încercarea de a fuziona cuantica și relativitatea.

Hiperspațiul

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Hyperspace .

Superspațiu

Conceptul de „superspațiu” a avut două semnificații în fizică. Cuvântul a fost folosit pentru prima dată de John Archibald Wheeler pentru a descrie configurația spațială a relativității generale , de exemplu, o astfel de utilizare poate fi văzută în celebrul său manual din 1973 Gravitation [3] .

A doua semnificație se referă la coordonatele spațiale referitoare la o teorie a supersimetriei [4] . În această formulare, împreună cu dimensiunile obișnuite ale spațiului x, y, z, ...., (ale spațiului Minkowski ) există, de asemenea, dimensiunile „anti-navetă” ale căror coordonate sunt etichetate cu numere Grassmann ; adică, împreună cu dimensiunile spațiului Minkowski care corespund gradelor bosonice de libertate, există dimensiunile anticomutante raportate la gradele fermionice de libertate [5] .

Teoria în literatură

O utilizare foarte relevantă a conceptului de cronotop este cea propusă în naratologie , în special de rusul Michail Michajlovič Bachtin , pentru care categoria de timp din roman joacă un rol de extremă centralitate. În acest context, cronotopul vine să indice „interconectarea relațiilor temporale și spațiale în cadrul unui text literar”. [6] Rolul spațiu-timpului în narațiunile călătoriilor din alte lumi nu ar trebui trecut cu vederea, mai ales în tradiția medievală, după cum se poate deduce dintr-o contribuție recentă. [7]

Notă

  1. ^ AP French (1968), Special Relativity, MIT Introductory Physics Series, CRC Press, ISBN 0-7487-6422-4 , p 86
  2. ^ Leo Sartori (1996), Înțelegerea relativității: o abordare simplificată a teoriilor lui Einstein, University of California Press, ISBN 0-520-20029-2 , p. 9
  3. ^ Kip S. Thorne, Charles W. Misner, John A. Wheeler, Gravitation , San Francisco, WH Freeman, 1973. ISBN 0-7167-0344-0
  4. ^ Gordon Kane, The Dawn of Physics Beyond the Standard Model , Scientific American , iunie 2003, pagina 60 și Frontierele fizicii , ediție specială, Vol 15, # 3, pagina 8 "Dovezi indirecte pentru supersimetrie provin din extrapolarea interacțiunilor la energii mari. "
  5. ^(RO) Introducere în Supersimetrie , Adel Bilal 2001.
  6. ^ Vezi Antonio Pioletti, The door of the chronotopes, Catanzaro, Rubbettino, 2015, ISBN 978-88-498-4294-4 .
  7. ^ Vezi Massimo Bonafin, Spațiul-timp în călătoriile medievale către viața de apoi , în Études romanes de Brno , 2009, pp. 79-87. Adus la 8 august 2015 .

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 26431 · LCCN (EN) sh85125911 · GND (DE) 4302626-6 · BNF (FR) cb13319358m (dată) · BNE (ES) XX527285 (dată) · NDL (EN, JA) 00.574.722
Relativitatea Portalul relativității : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de relativitate