Laikas ir erdvė yra neatsiejamai persipynę, o daugelis fizikos reiškinių, tarp jų ir judėjimo aprašymai, priklauso nuo to, kaip erdvėlaikis kinta laike. Dauguma dalykų fizikoje yra pateikiama kaip laukai, laike ir erdvėje tolygios funkcijos. Yra elektromagnetiniai laukai, materijos laukai, stipriosios ir silpnosios sąveikos laukai. Visi šie laukai turi vadinamąją bazinę būseną, žemiausia energijos lygį.
Ką reiškia „aukštis priklauso nuo laiko“ fizikos kontekste
Jeigu kalbame apie „aukštį“ kaip kokią nors fizikinę savybę - pavyzdžiui, bangos amplitudę, dalelės padėtį poliškame potenciale ar lauko laukimosi lygį - jos reikšmė priklauso nuo laiko tuo pačiu būdu, kaip ir bet kuri kita lauko reikšmė: laike ir erdvėje tolygios funkcijos kinta pagal dinamikos lygtis. Klasikinėje fizikoje, Niutono, Lagranžo, Hamiltono fizikoje ir netgi Einsteino reliatyvume, laukai siekia būti baziniame lygyje. Pavyzdžiui, jei šalia nėra krūvį turinčio kūno, tikėtina, kad nebus ir elektrinio lauko.
Laiko vaidmuo metrikose ir erdvėlaikio evoliucijoje
Šviesos greitis tikrai yra riba, ir ji yra svarbi, tačiau dėsnis tiksliau formuluojamas taip: „informacija erdvėje negali būti perduodama greičiau, negu šviesos greitis vakuume“. Šviesos greitis vakuume yra konstanta, lygi beveik 300 tūkstančių kilometrų per sekundę. Šviesos greitį ir apskritai judėjimo apribojimus įrašo erdvėlaikio metrika, aprašančioje mus supantį erdvėlaikį (apie metrikas plačiau ketinu parašyti artimiausiu metu).
Vienas iš „paprastų“ atvejų yra mūsų Visata - pakankamai dideliais masteliais galime daryti prielaidą, kad ji yra visur ir visomis kryptimis vienoda ir tolygi, o tada jos evoliuciją suskaičiuoti tampa įmanoma. Gaunamas rezultatas, vadinamas Friedmanno-Lemaitre`o-Robertsono-Walkerio (FLRW) metrika, priklausomybę nuo laiko turi dviejose vietose. Viena priklausomybė, kaip ir daug kur kitur, susieja prabėgusį laiką ir didžiausią per tą laiką erdvėje nueinamą atstumą, kitaip tariant, duoda šviesos greičio ribą.
Apskritai erdvės plėtimąsi prilyginti kažkokiam greičiui nėra visai tikslu; tai yra panašiau į elastingos terpės - pavyzdžiui gumos gabalo - tempimąsi. Kuo toliau vienas nuo kito yra du taškai, tuo greičiau jie ir tolsta. Labai tolimos galaktikos dėl erdvės plėtimosi nuo mūsų tolsta greičiau už šviesą.
Taip pat skaitykite: oro tankio priklausomybė nuo aukščio virš jūros lygio
Kai „aukštis“ - fazė ar projekcija: fazinis ir grupinis greitis
Moksliškai bangos keteros judėjimo greitis vadinamas faziniu greičiu, o vandens - grupiniu. Pastarąjį riboja šviesos greitis ir kiti apribojimai (dažnai - garso greitis medžiagoje), nes tai yra realaus dalyko judėjimas. Tuo tarpu keteros judėjimas yra tik bangos aukščiausio taško padėties (fazės) pokytis, nesusijęs su realaus dalyko judėjimu.
Projekcijos greitis gali viršyti šviesos greitį. Jei pašviečiate į sieną lazerine rodykle ir pajudinate rodyklę pirmyn-atgal, jos kuriamas taškelis gali judėti neribotu greičiu. Geriau tą galima suprasti įsivaizduojant hipotetinę rodyklę, kuria šviečiate į Mėnulį (arba, dar geriau, į kokį Jupiterį). Tik nedidelis rodyklės pakreipimas, atliekamas per gerokai mažiau nei sekundę, sukelia švytinčio taško pajudėjimą per visą Mėnulio ar Jupiterio skersmenį ir tikrai gali viršyti šviesos greitį. Bet informacijos pats švytintis taškas neperduoda.
Jei juda pati erdvė - galima viršyti šviesos ribą
Jeigu juda pati erdvė arba, kitaip tariant, judėjimas vyksta dėl erdvės savybių kitimo, šviesos greitį viršyti įmanoma. Šviesos greičio riba yra įrašyta metrikai, bet jeigu metrika pati keičiasi laike (pvz., erdvė išsiplečia), tuomet atstumas tarp taškų gali augti taip greitai, kad jų santykinis greitis viršija šviesos greitį. Šis principas - erdvės plėtimosi sukeliamo virššviesinio judėjimo galimybė - bent teoriškai gali būti išnaudotas ir kosminėms kelionėms. „Star Trek“ seriale naudojamų erdvės iškreiptumo variklių veikimas gali būti paaiškinamas kaip erdvėlaikio burbulo aplink erdvėlaivį sukūrimas ir to burbulo judėjimas aplinkinės erdvės atžvilgiu. Toks bendrosios reliatyvumo lygčių sprendinys buvo išvestas 1994 metais ir pagal atradėją vadinamas Alcubierre`o metrika.
Kvantinė perspektyva: vieta, laikas ir lokalumas
Debatai dėl kvantinės teorijos reikšmės tebevyksta, tačiau vienas dalykas apie kvantines sistemas ir jų skirtumą nuo klasikinių yra aiškus. Daleles aprašantys kvantiniai fenomenai nebūtinai yra atskiriami - gali būti dvi dalelės A ir B, sąveikavusios praeityje, ir, kad ir kaip toli viena nuo kitos būtų, jų būsena yra ta pati. Tačiau dėl Heisenbergo neapibrėžtumo principo norimiems mažiems erdvės ir laiko regionams neįmanoma netgi priskirti savybių. Tikimybės visada privalo būti priskiriamos erdvės ir laiko regionams priskiriamiems tikimybių laukams.
Kvantinė teorija rodo, kad lokalumas yra iliuzija, dekoherencijos, įvykstančios tarp kvantinių bangų, kuomet nelokalumo efektai slopinami, o lokalūs sustiprinami, pašalinis produktas. Kuomet prognozuojami, tarkime, įvykiai dalelių greitintuve, atsižvelgiama į viso erdvėlaikio poveikį. Nors daugelis poveikių galiausiai vienas kitą panaikina, jie tebėra. Nepaisant lokalumo netekties, erdvė ir laikas iš esmės kvantinėje teorijoje tebėra.
Taip pat skaitykite: Kodėl aukštis keičia mūsų pojūčius? Fizikinis paaiškinimas
Ankstyviausi iššūkiai erdvės ir laiko kontinuumui kilo Johno Wheelerio kvantinės geometrodinamikos teorijoje (kvantinėje erdvėlaikio geometrijos dinamikoje), kurioje mažu masteliu erdvėlaikis formuoja mažas kirmgraužas, jungiančias anksčiau nesusijusius taškus. Dėl tokių erdvėlaikio kvantinių putų neįmanoma išmatuoti atstumų, mažesnių už Planko ilgį, ar sinchronizuoti laikrodžius didesniu tikslumu už Planko laiką, nes nebeegzistuoja tam būtino tolydumo.
Diskretumas, gardelės ir kilpinė kvantinė gravitacija
Erdvėlaikio diskretumo idėja nėra nauja. Ji siekia bent jau Senovės graikų laikus. Tačiau modernia, išlinkusio erdvėlaikio prasme, ji buvo pripažinta XIX amžiuje, dar prieš Einšteiną. Ją aprašė matematikas B. Riemannas, kurio darbais grindžiama didžioji dalis Bendrojo reliatyvumo matematikos. Kitaip tariant, tolydi struktūra negali egzistuoti pati savaime. Tolydžiai ją turi daryti kažkokia išorinė jėga, nes diskrečiojoje geometrijoje jos komponentams ta geometrija netaikoma. Tad, ši geometrija neturi būti apibrėžiama rekursiškai ad infinitum.
Akivaizdžiausias būdas atsikratyti tolydumo - tarti, kad erdvė ir laikas yra savotiška gardelė. Daug ankstyvųjų bendrojo reliatyvumo gardelių modelių atsikratydavo tolydaus erdvėlaikio, bet gardelės taškams vis viena priskirdavo kiekybę nusakančius realius skaičius. Šioms teorijoms kilo tokios pačios problemos, kaip ir reliatyvumui, kadangi būdavo išlaikomas gardelės tolydumas. Būtent todėl kurdamas gardelės teoriją stipriajai sąveikai, Kenneth Wilson gardelės lygtis apibrėžė kalibracino invariantiškumo operatoriais, kurie išlaikė tolydžių lygčių simetriškumą.
Taip prieiname kitą būdą: Ashtekaro programą, kuri yra Kilpinės kvantinės gravitacijos (Loop Quantum Gravity - LQG) bazė. Šioje programoje tolydus bendrojo reliatyvumo karkasas pakeičiamas jau kilpomis. Penrose'as savo spinų tinklų ir tvistorių teorijoje stengėsi sukurti erdvėlaikio ir kvantinę teoriją, naudodamas kombinatorikos taisykles, kurios galioja bet kokiu masteliu.
Aukščio laike pavyzdžiai: nuo bangų iki kosmologijos
Jei „aukštis“ suprantamas kaip bangos amplitudė ar lauko reikšmė, jo laiko priklausomybė aprašoma bangų lygtimis arba lauko dinamikos lygtimis, kurios gali būti diferencialinės lygtys ar jų kvantinės atitikmenys. Bangos ilgis, fazinis greitis ir grupinis greitis suteikia pavyzdžius, kaip tam tikri „aukščio“ taškai juda erdvėje ir laike, tačiau tik grupinis greitis siejamas su informacijos perdavimu.
Taip pat skaitykite: Socialinio darbo metodai priklausomybėms įveikti
Čerenkovo spinduliuotės pavyzdys rodo, kad dalelių greitis terpėje gali viršyti šviesos greitį toje terpėje, ir tai lemia savitą spinduliuotę. Galaktikų čiurkšlių „regimas virššviesinis greitis“ rodo, kaip projekcijos ir geometrija gali lemti įspūdį, kad medžiaga juda greičiau už šviesą, nors iš tikrųjų taip nėra.
Laiko filosofija ir kaip tai susiję su fizikos aprašymais
Laiko samprata fizikoje neatsiejama nuo filosofinių klausimų apie laiko prigimtį. Vienas iš giliausių filosofinių klausimų: kodėl kažkas yra, o ne nieko nėra? Tokie klausimai liečia ir laiko pradžią bei pabaigą: ar laikas buvo amžinai, ar turėjo pradžią? Fizikoje šiuos klausimus liečia kosmologinės metrikos, Didžiojo sprogimo ir erdvėlaikio singuliarumų temos.
Pagal Einšteiną ketvirtasis dydis - laikas - yra integralinė erdvės dalis. Šimtmečius laikas buvo laikomas nuolatine, nepriklausoma jėga, tarsi Visatos progresą valdytų vienas laikrodis. Šis laiko supratimas pasikeitė 1905 m., kai buvo paskelbta ypatingojo reliatyvumo teorija. Nors jau buvo žinoma, kad bėgantis laikas buvo glaudžiai susijęs su erdve, ši monumentali teorija pirmoji sujungė erdvę ir laiką į vieną lauką, kurie skiriasi priklausomai nuo joje esančių objektų santykinio judėjimo ar gravitacijos jėgų.
Pagal šį požiūrį laikas nėra absoliutus, o santykinis: kuo greičiau juda kūnas, tuo lėčiau jam eina laikas, lyginant su nejudančiu stebėtoju. Gravitacija iškreipia erdvę ir laiką: kuo stipresnė gravitacija, tuo labiau erdvėlaikio kreivė iškraipoma ir tuo daugiau laiko sulėtėja.
Laiko rodyklė, entropija ir termodinaminė perspektyva
Dar 1870-aisiais austrų fizikas Ludwigas Boltzmannas pasiūlė idėją, kad tarp laiko ir vis didėjančio sutrikimo Visatoje yra ryšys. Susiejęs termodinamikos entropijos principą su laiku, kuris juda tik viena kryptimi, jis užsiminė apie galimą paaiškinimą, kodėl laiko rodyklė nukreipta į priekį: galbūt mūsų Visata pereina nuo žemos entropijos, labai kompaktiškos Visatos į labai netvarkingą, ekspansišką Visatą dreifuojančią į ateitį.
Aukščio matavimai, temperatūra ir energijos lygiai
Temperatūra dažnai suprantama kaip šiluminės energijos lygis medžiagoje, bet praktiškai bet kokia kita energijos forma irgi gali būti išreiškiama kaip temperatūra. Objekto spinduliuotės energija? Kodėl gi ne: kiekvienas kūnas, turintis nenulinę temperatūrą, kažkiek spinduliuoja dėl to, kad turi šiluminės energijos, taigi spinduliuojamą galią galima unikaliai susieti su temperatūros matu, net jei spinduliuotė sklinda ne vien dėl šiluminių procesų.
Energetinių lygmenų pavyzdys: jei nagrinėjame kokį nors atomą ir jame esančių elektronų energiją, žemiausią energijos lygmenį galime apibrėžti kaip nulinės energijos būseną. Iš kitos pusės, jei mes turime jonizuotą atomą ir nagrinėjame, kaip prie jo prisijungia elektronai, gali būti logiška nuliniu lygiu įvardinti jonizuoto atomo būvį. Tuomet visi energijos lygmenys, kuriuose elektronas yra prikibęs prie atomo, yra neigiami. Sistema su neigiama energija yra surišta - jos dalys juda kartu ir jai reikia suteikti energijos, kad tos dalys išsibarstytų kiekviena sau.
Percepcija, laikas ir „aukštis“ patirtyje
Laikas kaip fizikinis dydis yra ne toks ir aiškus: kai kurie tyrinėtojai teigia, kad iš tikrųjų, norint atskleisti save naujai patirčiai ar aplinkai, laikas gali praeiti lėčiau. Tai gali būti susiję su informacijos kiekiu, kurį mūsų smegenys turi priimti ir apdoroti - kai mes esame jauni ar mokomės kažko naujo, atrodo, kad pasaulis sulėtėja. Pagyvenus ir įsibėgėjus rutinai, dienos ir metai, atrodo, greitėja.
Tokiu būdu „aukštis“ kaip kokio proceso intensyvumas ar įspūdžio stiprumas gali priklausyti nuo subjektyvios laiko suvokimo trukmės ir informacijos srauto: didesnis informacijos įplaukos srautas gali suteikti pojūtį, kad „aukštis“ jusų patirtyje yra ilgesnis ar intensyvesnis.
Ką tai reiškia praktikoje - santraukos punktai
- „Aukštis“ kaip fizikinė savybė priklauso nuo laiko pagal dinamikos lygčių sprendinius: bangos, laukai, dalelių padėtys kinta laike.
- Laikas įrašytas į metriką - jei metrika (erdvėlaikis) priklauso nuo laiko, tada net atstumo „aukštis“ tarp taškų gali keistis laike, kartais labai greitai.
- Fazinis judėjimas (projekcijų ar fazės maksimai) gali atrodyti judantys greičiau už šviesą, bet informacija nėra perduodama greičiau už šviesą; erdvės pačios dinamika (plėtimasis, Alcubierre burbulas) suteikia kitą kelią viršyti šviesos ribą santykinai tarp taškų.
- Kvantinė fizika komplikuoja lokalumo ir laiko prasmę - mažais masteliais erdvėlaikis gali būti diskretus ar emergentiškas, o „aukštis“ gali būti kvantinio lauko vėlyvesnė reikšmė, priklausanti nuo viso erdvėlaikio poveikio.
- Subjektyvi laiko patirtis veikia, kaip mes vertiname „aukštį“ patirtyje - daugiau informacijos ir naujų įspūdžių gali prailginti subjektyvų laiko suvokimą ir sustiprinti įspūdžio „aukštį“.
Bandymas sujungti požiūrius
Materiją ir erdvėlaikio geometriją tuo pat metu sukurianti kvantinė algebra galėtų būti erdvėlaikio iliuzijos ir kvantinės gravitacijos sprendimas. Nelokalumas, tolydumas ir fizinių esybių nepriklausomumo problemos kyla iš kvantine algebra apibūdinamo proceso. Nors toks požiūris į kvantinę gravitaciją ir erdvės bei laiko kilmės problemos sprendimas tebėra vystymosi stadijoje, visko, kaip proceso rezultato, idėja yra stipri alternatyva teorijoms, kuriose fundamentalus yra erdvėlaikis ar koks nors įgimtas ir nepriklausomas mechanizmas.
Praktinis pasekmes mąstymui apie „aukštį“ laike
- Atliekant matavimus, reikėtų aiškiai nurodyti, ar „aukštis“ yra lokalus momentinis dydis, lauke vidutinė reikšmė ar projekcijos taško koordinačių variacija laikui bėgant.
- Kvantinėse sistemose mažų laiko intervalų suvokimas (ir matavimas) yra ribotas Heisenbergo tipo neapibrėžtumais - todėl „aukštis“ gali būti tik tikimybinis atributas.
- Kosmologiniu mastu „aukščio“ pokyčiai per laiką gali būti nulemti metrikos evoliucijos (pvz., FLRW skalės faktoriaus laiko priklausomybės) arba lokalių gravitacinių laukų kitimų.
| Konceptas | „Aukščio“ laiko priklausomybės pavyzdys |
|---|---|
| Bangos | Amplitudės kaita laike; fazinis vs grupinis greitis |
| Erdvėlaikio metrika | Atstumų (aukščio) pokyčiai dėl skalės faktoriaus evoliucijos (FLRW) |
| Kvantinė lauko teorija | Tikimybiniai laukų rodmenys, neapibrėžtumas mažose laiko skalėse |
| Alcubierre metrika | Ervės plėtimasis/ suspaudimas sukuria „aukščio“ (padėties) pokytį burbulo viduje |
Apibendrinant, „aukščio priklausomybė nuo laiko“ fizikoje nėra vienas aiškus dalykas - tai priklauso nuo to, ką laikome „aukščiu“: ar tai lauko amplitudė, ar dalelės koordinates, ar projekcijos taškas, ar spinduliuotės intensyvumas. Kiekvienu atveju laikas veikia per dinamikos lygtis, per metriką arba per kvantinę tikimybę, o fizikos teorijos pasirinkimas (klasikinė, reliatyvistinė ar kvantinė) lemia, kaip būtent šis priklausymas atrodo.
tags: #aukscio #priklausomybe #nuo #laiko