AlegsaOnline.com

Czasoprzestrzeń

Autor: Leandro Alegsa

03-04-2021

Czasoprzestrzeń jest modelem matematycznym, który łączy przestrzeń i czas w jedną ideę zwaną kontinuum. To czterowymiarowe kontinuum znane jest jako przestrzeń Minkowskiego.

Połączenie tych dwóch idei pomogło kosmologii zrozumieć, jak działa wszechświat na dużym (np. galaktyki) i małym (np. atomy) poziomie.

W nierelatywistycznej mechanice klasycznej użycie przestrzeni euklidesowej zamiast czasoprzestrzeni jest dobre, ponieważ czas jest traktowany jako uniwersalny o stałej szybkości upływu, która jest niezależna od stanu ruchu obserwatora.

Jednak w relatywistycznym wszechświecie czas nie może być oddzielony od trzech wymiarów przestrzeni. Dzieje się tak dlatego, że obserwowane tempo upływu czasu zależy od prędkości obiektu względem obserwatora. Ponadto, siła pola grawitacyjnego spowalnia upływ czasu dla obiektu widzianego przez obserwatora znajdującego się poza polem.

Ilustracja zakrzywienia czasoprzestrzeni spowodowanego przez Ziemię.

Dalsze aspekty

Gdziekolwiek istnieje materia, zagina ona geometrię czasoprzestrzeni. Powoduje to zakrzywienie czasoprzestrzeni, które można rozumieć jako grawitację. Białe linie na rysunku po prawej stronie przedstawiają wpływ masy na czasoprzestrzeń.

W mechanice klasycznej użycie czasoprzestrzeni jest opcjonalne, ponieważ czas jest niezależny od ruchu w trzech wymiarach przestrzeni euklidesowej. Jednakże, gdy ciało porusza się z prędkościami bliskimi prędkości światła (prędkości relatywistyczne), czas nie może być oddzielony od trzech wymiarów przestrzeni. Czas, z punktu widzenia nieruchomego obserwatora, zależy od tego, jak blisko prędkości światła porusza się dany obiekt.

Dwuwymiarowa analogia zniekształcenia czasoprzestrzeni

Pochodzenie historyczne

Wiele osób łączy czasoprzestrzeń z Albertem Einsteinem, który w 1905 roku zaproponował szczególną względność. Jednak to nauczyciel Einsteina, Hermann Minkowski, zaproponował czasoprzestrzeń w eseju z 1908 roku. Jego koncepcja przestrzeni Minkowskiego jest najwcześniejszym ujęciem przestrzeni i czasu jako dwóch aspektów jednolitej całości, co stanowi istotę szczególnej teorii względności. Miał on nadzieję, że ta nowa idea wyjaśni teorię szczególnej względności.

Czasoprzestrzeń Minkowskiego jest dokładna tylko w opisie stałej prędkości. To jednak Einstein odkrył zakrzywienie czasoprzestrzeni (grawitację) w ogólnej teorii względności. W ogólnej teorii względności Einstein uogólnił czasoprzestrzeń Minkowskiego, aby uwzględnić efekty przyspieszenia. Einstein odkrył, że krzywizna w jego 4-wymiarowej czasoprzestrzeni jest w rzeczywistości przyczyną grawitacji.

Trzynaste wydanie Encyklopedii Britannica z 1926 roku zawierało artykuł Einsteina zatytułowany "czasoprzestrzeń".

Tło literackie

Edgar Allan Poe napisał esej na temat kosmologii zatytułowany Eureka (1848), w którym stwierdził, że "przestrzeń i czas są jednym". Jest to pierwszy znany przypadek sugerowania, że przestrzeń i czas są różnymi sposobami postrzegania jednej rzeczy. Poe doszedł do tego wniosku po około 90 stronach rozumowania, ale nie posłużył się matematyką.

W 1895 roku, H.G. Wells w swojej powieści "Wehikuł czasu" napisał: "Nie ma żadnej różnicy między Czasem a którymkolwiek z trzech wymiarów Przestrzeni, poza tym, że nasza świadomość porusza się wzdłuż niego". I dodał: "Ludzie nauki... wiedzą bardzo dobrze, że Czas jest tylko rodzajem Przestrzeni".

Czasoprzestrzeń w mechanice kwantowej

W ogólnej teorii względności, czasoprzestrzeń jest postrzegana jako gładka i ciągła. Jednak w teorii mechaniki kwantowej czasoprzestrzeń nie zawsze jest ciągła.

Powiązane strony

Wymiar
Rozdzielacz

Pytania i odpowiedzi

P: Czym według tekstu jest czasoprzestrzeń?

O: Czasoprzestrzeń to model matematyczny, który łączy przestrzeń i czas, tworząc czterowymiarowe kontinuum znane jako przestrzeń Minkowskiego.

P: W jaki sposób połączenie przestrzeni i czasu pomogło kosmologii?

O: Połączenie przestrzeni i czasu pozwoliło kosmologii lepiej zrozumieć, jak działa wszechświat zarówno na dużym poziomie, takim jak galaktyki, jak i na małym poziomie, takim jak atomy.

P: Dlaczego użycie przestrzeni euklidesowej zamiast czasoprzestrzeni jest dobre w nierelatywistycznej mechanice klasycznej?

O: W nierelatywistycznej mechanice klasycznej użycie przestrzeni euklidesowej jest dobre, ponieważ czas jest traktowany jako uniwersalny ze stałą szybkością upływu, która jest niezależna od stanu ruchu obserwatora.

P: Dlaczego czas jest nierozerwalnie związany z trzema wymiarami przestrzeni w relatywistycznym wszechświecie?

O: Czas nie może być oddzielony od trzech wymiarów przestrzeni w relatywistycznym wszechświecie, ponieważ obserwowane tempo upływu czasu zależy od prędkości obiektu względem obserwatora.

P: W jaki sposób siła pola grawitacyjnego wpływa na upływ czasu obiektu?

O: Siła pola grawitacyjnego spowalnia upływ czasu dla obiektu widzianego przez obserwatora znajdującego się poza polem.

P: Jak nazywa się czterowymiarowe kontinuum, które łączy przestrzeń i czas?

O: Czterowymiarowe kontinuum łączące przestrzeń i czas nazywane jest przestrzenią Minkowskiego.

P: W jaki sposób połączenie przestrzeni i czasu pomogło kosmologii zrozumieć wszechświat?

O: Połączenie przestrzeni i czasu pomogło kosmologii lepiej zrozumieć działanie wszechświata, w tym zarówno na dużym poziomie, takim jak galaktyki, jak i na małym poziomie, takim jak atomy.