Astronomi

Hvad er "rumtid" lavet af?

Hvad er


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Generel relativitet forklares ofte med at sige, at rumtiden er buet af tyngdekraften, hvad betyder dette? Hvordan kunne vi opfatte en kurve i rumtiden, når der ikke er nogen ekstern "lige" referenceramme?


Rumtid er ikke "lavet" af noget, det er blot et medium eller et koordinatsystem. Tænk på gitterlinjerne på et kort, de er ikke "lavet" af noget, de er bare en repræsentation af jordens geometri. Rumtid er et koncept, som Einstein forestillede sig, da han skrev sin teori om særlig relativitet, at rumets og tidens egenskaber bliver iboende forbundet med relativistiske hastigheder. En af konsekvenserne af dette er, at du ikke kan gå fremad i rummet uden at gå fremad i tiden, dette kan visualiseres i en lyskegle:

Dette er på ingen måde en gengivelse af, hvordan rumtid ser ud, kun hvordan den opfører sig i 2 dimensioner af rummet og en gang. Gravitationsbølger forårsages, når to massive genstande (binære stjerner) kredser om hinanden, og de forårsager "krusninger" i rumtid. Igen er der brug for endnu en 2D-visualisering: Dette viser, hvordan gravitationspotentialet for to stjerner interagerer i rumtidsstoffet, når de kredser, hvilket forårsager stråling af tyngdekraftsbølger.

Begge disse er kun visuelle guider, vi vil aldrig være i stand til at "se" tyngdebølger eller selve rumtiden med vores egne øjne. Derfor har vi brug for detektorer som LIGO eller VIRGO for at udlede deres eksistens.


En matematisk primer.

En trekant på en flad overflade har tre vinkler, og disse tre vinkler tilføjer op til 180 grader - Dette er en velkendt sætning fra geometri. Det er også velkendt, at hvis du tegner en trekant på en kugle, så vil vinklerne tilføje op til mere end 180 grader på grund af kuglens krumning. (og hvis du trækker på en pringles skarp, vil vinkelsummen være mindre end 180).

Et væsen, der kravlede på bolden, kunne ved kun at observere vinklerne opdage, at boldens overflade var buet. Så krumning kan observeres ved at en skabning kun inspicerer lokale dele af kuglen, skabningen behøver ikke være i stand til at bevæge sig væk fra kuglen for at observere dens krumning. Krumning er en iboende egenskab.

Tilsvarende behøver vi ikke være uden for rumtiden for at observere, at rumtiden er buet. Det er faktisk tilfældet, at vinklerne i trekanter ikke tilføjes op til 180 på grund af rumets tyngdekurver (men denne effekt er for lille til at være synlig). Vi kan opfatte en krumning i rumtid uden at rumtid skal være "i" noget andet.

Den mest åbenlyse konsekvens af, at rumtiden er buet, er at ting falder ned mod midten af ​​jorden.

På et eller andet niveau skal du huske, at generel relativitetsteori beskriver en teoretisk model for, hvordan tyngdekraftsmekanik fungerer. Denne model inkluderer koordinater for tid og rum og i denne model rumtid er en matematisk konstruktion, som giver os mulighed for at forudsige med ekstrem nøjagtighed opførsel af genstande under tyngdekraftpåvirkning.


Generel relativitet forklares ofte med at sige, at rumtiden er buet af tyngdekraften, hvad betyder dette?

Denne OP's kommentar indsnævrede spørgsmålet:

Så [rumtiden] behøver ikke at eksistere, ligesom Pythagoras 'sætning ikke er nødvendig for at have en trekant? - Marijn 4. februar '16 kl. 20:24

Rumtiden er et kort og ikke et territorium. Rumtid er en model. Med andre ord er det noget, der findes i den menneskelige hjerne, for at hjælpe den hjerne med at forudsige nøjagtige fremtidige oplevelser ud fra tidligere oplevelser. For eksempel hjælper begrebet rumtid (i sammenhæng med den generelle relativitetsteori) dig med at forudsige, at tyngdekraften findes. Din hjerne er bedre rustet til at behandle det niveau snarere end at beregne det samme billede ved at tage en masse individuelle fotoner og anvende ligningerne på hver foton.

En "model" inde i en hjerne er lavet ved at forestille sig noget meget tæt på virkeligheden og derefter bevidst fjerner detaljerne indtil du har noget så simpelt, der er bliver kan beregnes. Du glemmer alle stjernens egenskaber (farve, fremmede civilisationer omkring den, dens forhistorie, dens indre dynamik) og du tænker kun på stjernen som massen osv. På denne måde forvandler du "oplysende fantasi" til en "primitiv mekanisme, der kan bruges til forudsigelse af oplevelser ".

Marjin, jeg vil gerne sige, at jeg elsker stilen med dit spørgsmål, og jeg har især tilmeldt mig for at forsøge at besvare dette ene spørgsmål.


Generel relativitet forklares ofte med at sige, at rumtiden er buet af tyngdekraften, hvad betyder det?

Det betyder, at generel relativitet kan formuleres på en måde, hvor dens matematik har en meget direkte analog til differentiel geometri på en buet firedimensionel manifold. Med andre ord er den måde, hvorpå testpartikler kun opfører sig under indflydelse af tyngdekræfter, nøjagtigt hvordan de ville opføre sig, hvis de bevæger sig frit på en buet firedimensionel manifold. Matematikken har en direkte korrespondance: intet mere, intet mindre.

Elektromagnetisme har en beskrivelse, hvor den elektromagnetiske feltstyrke er krumningen af ​​en forbindelse på et linjebundt. Jeg er klar over, at denne erklæring er meget kryptisk for en person, der ikke har studeret målerteori, men det er vigtigt at indse, at en i det væsentlige geometrisk beskrivelse ikke er særlig for tyngdekraften. Hvad der er specielt for tyngdekraften er, at det kobles til al stress-energi-momentum ens, og gravitationsfrit fald af en testpartikel er helt uafhængig af sammensætningen.

På grund af denne universalitet er det muligt at fortolke gravitationsfeltets egenskaber som egenskaber for rumtid, dvs. som ejendom for arenaen, hvor alt andet sker. Det gør vi ikke har at gøre det, og der er faktisk nogle præsentationer af generel relativitet (fx Weinbergs), hvor den geometriske fortolkning henvises til en uvigtig sidebemærkning, men vi kan - og geometri er, hvordan generel relativitet oprindeligt blev udviklet.

Hvordan kunne vi opfatte en kurve i rumtiden, når der ikke er nogen ekstern "lige" referenceramme?

Vi kunne måle det.

Som en begrebsmæssig (men ikke praktisk) enkel måde at gøre det på, kunne vi oprette en lille kugle bestående af oprindeligt komprimerende testpartikler. Uden krumning af tyngdefeltet ville enhver sådan kugle holde den samme form og volumen, fordi de alle er testpartikler, der bevæger sig i samme retning med samme hastighed. Men hvis tyngdefeltet har Ricci-krumning, ville boldens volumen enten begynde at krympe eller udvide sig. Tilsvarende ville ændringer i formen af ​​bolden give information om Weyl-krumning.

Dette er den samme slags svar som i tilfælde af elektromagnetisme: feltstyrken er også en slags krumning (dog ikke af rumtiden), men hvordan opfatter vi den? Nå, vi kunne måle det ved at se, hvordan testafgifter opfører sig.


Generel relativitet forklares ofte med at sige, at rumtiden er buet af tyngdekraften, hvad betyder det?

Det lyder undvigende.

Tyngdekraft er en manifestation af rumtids krumning, som blandt andet skyldes massive genstande som stjerner, planeter osv. Med andre ord er tyngdekraften en konsekvens af rumtid krumning.

Hvordan kunne vi opfatte en kurve i rumtiden, når der ikke er nogen ekstern "lige" referenceramme?

Ligesom svarene ovenfor opnås dette gennem eksperimentelle observationer eller målinger. For f.eks. Eddington målte bøjningen af ​​lys omkring solens lemmer, hvilket ikke ville have været muligt, hvor det ikke var for krumning.


Hvad er rumtid virkelig?

For hundrede år siden i dag offentliggjorde Albert Einstein sin generelle relativitetsteori & # 8212a strålende, elegant teori, der har overlevet et århundrede og giver den eneste vellykkede måde, vi har på at beskrive rumtiden.

Der er dog masser af teoretiske indikationer på, at generel relativitet ikke er slutningen på historien om rumtid. Og faktisk, ligesom jeg kan lide generel relativitet som en abstrakt teori, har jeg mistanke om, at det faktisk kan have ført os på en hundrede år lang omvej for at forstå den sande natur af rum og tid.

Jeg har tænkt på fysikken i rum og tid i lidt mere end 40 år nu. I begyndelsen antog jeg som ung teoretisk fysiker for det meste bare Einsteins hele matematiske opsætning af speciel og generel relativitet og fortsatte med mit arbejde inden for kvantefeltteori, kosmologi osv. På dette grundlag.

Men for omkring 35 år siden, delvist inspireret af mine erfaringer med at skabe teknologi, begyndte jeg at tænke dybere på grundlæggende spørgsmål inden for teoretisk videnskab og startede på min lange rejse for at gå ud over traditionelle matematiske ligninger og i stedet bruge beregning og programmer som grundlæggende modeller i videnskab. Snart lavede jeg den grundlæggende opdagelse, at selv meget enkle programmer kan vise uhyre kompleks adfærd & # 8212og i årenes løb opdagede jeg, at alle mulige systemer endelig kunne forstås i form af denne slags programmer.

Tilskyndet af denne succes begyndte jeg derefter at spekulere på, om måske de ting, jeg fandt, kunne være relevante for det ultimative videnskabelige spørgsmål: den grundlæggende teori om fysik.

I første omgang virkede det ikke for lovende, ikke mindst fordi de modeller, som jeg især havde studeret (cellulære automater), syntes at virke på en måde, der var helt uoverensstemmende med det, jeg kendte fra fysik. Men engang i 1988 & # 8212 omkring den tid, den første version af Mathematica blev frigivet & # 8212Jeg begyndte at indse, at hvis jeg ændrede min grundlæggende måde at tænke på rum og tid på, kunne jeg faktisk være i stand til at komme et sted.


Svar og svar

Har det mening at spørge, hvad er rumtiden lavet af?

Rumtiden kan bøjes, hvilket resulterer i tyngdekraften og tyngdekraften på linseeffekter osv. Hvis den var lavet af & quotnothing & quot, kunne den ikke være bøjet, ikke?

Så rumtiden er tydeligt og quotsomething & quot, den har en objektiv og observerbar eksistens, og det er sandsynligvis meningsfuldt at spørge, hvad den er lavet af.

Har vi nogen anelse, eller dette spørgsmål giver ikke mening?

Godt, så ville jeg elske at forstå den korrekte betydning af & quotbent & quot og & quotflow & quot.

1. Bøjet - når jeg ser på et billede af en hvilken som helst tyngdekraftlinse som http://da.wikipedia.org/wiki/Fil:Gravitational_lens-full.jpg kan jeg godt se en linse med et deformeret rum. Hvis der ikke var en fysisk bøjning af lysbaner, hvordan kunne du ellers forklare fænomenerne?

2. Flow - du rammer neglen. Jeg har lige set en BBC Horizon-epizode på sorte huller, og prof. Max Tegmark forklarer begivenhedshorisonten nøjagtigt som jeg har beskrevet - stående ved et vandfald siger han, at selv når du svømmer så hurtigt som muligt, vil vandet (hvilket betyder rumtiden) flyde hurtigere end du kan svømme. Så dette er ikke sand forklaring?

Er & quotbent & quot og & quotcurved & quot synonymt her?

1. Banerne for objekter (geodesik i rumtid) er de mest lige linjer i rumtid. Hvis rumtiden er flad, er det lige linjer i rummet. Ellers kan de være buede i rummet. Objekter flyder simpelthen langs rumtidens & quotgradient & quot, og deres vej er givet af den geodesiske ligning.

2. Hvis du så det på BBC, blev det sandsynligvis bedøvet for det generelle publikum, som generelt ikke har tilstrækkelig kontrol over tensoranalyse til at forstå den tekniske forklaring. Årsagen er simpelthen, at at gå i en lige linje i rumtid indebærer en rumlig acceleration mod masser, som forklaret af Einstains ligning.

Det paradoks, jeg kæmper med, er, hvordan der kan være noget med geometriske egenskaber, men uden nogen form for materielle egenskaber (disse behøver ikke at være materielle i klassisk forstand)?

Jeg har også hørt, at det tomme rum har nogle virtuelle partikler i sig, og at dets samlede energi, selv når dets & quotempty & quot ikke behøver at være nul (en mulig forklaring på mørk energi). Kunne dette virtuelle felt af partikler / energi være en base for rumtiden og give anledning til dets geometriske egenskaber?

Delen om vandfaldet skal være en misforståelse af, hvad BBC-showet forsøgte at forklare. Måske henviste de til faldende stof, eller måske brugte de bare en analogi for ikke at forveksle seeren med begreber som stærkt forvrænget rumtid. Under alle omstændigheder er rumtiden forvrænget (buet) omkring det sorte hul, men ikke & quot strømmer & quot ind i tyngdekraften.

Jeg tror dog, at den anden del af ZirkMans spørgsmål er helt gyldig. Jeg tror ikke, der er meget spørgsmål om forvrængning af rumtid efter sag. Jeg vil ikke henvise til dette koncept som en & quotpopularization & quot, da det er en godt accepteret teori blandt det videnskabelige samfund. Da materie ser ud til at fordreje rumtiden, ville det antyde, at der er en vis interaktion mellem stof (energi) og det, vi kalder rumtid. Hvis der findes interaktion, skal der være noget der for sagen at interagere med.

Jeg har ikke dybt ned i dette i meget høj grad, men jeg kan huske at have læst om et eller andet koncept inden for kvantemekanik, der blev kaldt & quotQuantum Foam & quot, hvor skummet repræsenterede subatomisk rumtidsturbulens.

Jeg tror Tegmark baserede sin analogi på det mere kvantitative American Journal of Physics-papir

Jeg tror ikke, at mine forventninger er mit problem (jeg prøver ikke at have nogen) men min fantasi.

Det er virkelig svært at se på et billede af en tyngdekraftlinseeffekt og ikke se disse multiple blusser af det samme objekt som et resultat af en eller anden usynlig, men stadig klart defineret linse som objekt omkring en klynge af galakser, og når lys fra den fjerne kilde kommer tættere på til det splittes det og følger sin buede form og skaber disse flere billeder eller Einstein-ringe.

Men jeg kan virkelig godt lide din definition af relationsteori. Det siger, at du simpelthen kan få disse effekter ud af rene geometriske forhold. Jeg kan forestille mig det, giver mere mening nu, tak.

Jeg vil gerne besvare dette spørgsmål og teste den nye geometriske indsigt for at finde ud af mere om arten af ​​rumtiden.

Cirkel er et resultat af to forskellige punkter og en regel, der bevæger et af punkterne på et fladt 2D-plan, så deres afstand ikke ændres.

Trekant er et resultat af lige forbindelse af 3 forskellige punkter på et fladt 2D-plan.

Nå, dette kunne være en af ​​gyldige definitioner. Men hvad med denne i samme stil:

Rumtid er et resultat af lige forbindelser mellem to eller flere punkter i 4D (x, y, z, t) og en regel, der siger, at mere masse / energi hvert punkt har, jo mere forbindelseslinjen bliver buet i 3D (x, y , z) men forbliver lige i 4D (x, y, z, t) (den sidste del er jeg ikke sikker på).

Det er en overforenkling. Mellem to rumlige placeringer er der et uendeligt antal 4D-stier, uanset om rumtiden er flad eller ej. Ligesom roadracers, der alle følger (nogenlunde) den samme 3D-sti, men har forskellige 4D-baner. Erfaringsmæssigt ser det ud til, at en lige linje er den sti, der følges af lys, som har den forskel at vinde hvert løb. Jeg tror, ​​at en rumtid meget godt kan beskrives af alle mulige stier mellem masserne.

Men rumtiden skal forblive en abstraktion. Du kan ikke røre eller føle plads eller tid som du kan have betydning og energi.

Alle teoretiske konstruktioner er matematiske abstraktioner, så Mentz114 er korrekt i en forstand, men da de også er underlagt eksperimentel validering, er jeg grundlæggende ubehagelig med udsagn som Mentz114's. Jeg tror, ​​at rum og tid er på samme videnskabelige grundlag som stof og energi: de er målbare størrelser i en eksperimentelt valideret fysisk teori.

Ledetråden kan naturligvis findes inden for teorien om særlig relativitet. Teorien vedrører det grundlæggende: rummet, tiden, energien og materien. Den specielle relativitetsteori har forenet disse grundlæggende i to forskellige enheder: rumtiden som forening af rum og tid og det energisubstans, som materien stammer fra (E = mc 2).

Rumtiden og energien er ikke to separate enheder, som vi tror. Rumtiden er ikke som en slags container og energi, der fylder containeren. Tværtimod er de uløselige ligesom vandstof og dets sfæriske form i en dråbe vand. Rumtiden er kun den geometriske kvalitet af energi. På almindelig engelsk er energi substantiv og rumtidstillæg.

Rumtiden eksisterer ikke alene. Energi er den eneste uafhængige virkelighed i naturen. Det er oprindeligt hverken kan ødelægges eller skabes, allestedsnærværende gennemsyrer gennem alle dele af et objekt eller et sted. Alt andet stammer fra det. Begrebet tom rumtid mister sin betydning. Dette er den dybeste betydning af energibesparelsen, den mest primitive naturlov.

Du har ret, dette er hvor langt Specialteorien kunne gå med hensyn til rumtid og energi. Men så vidt jeg kan se, siger det ikke noget om enhed i rumtid og energi. Det forklarer kun, hvordan målinger af rum og tid ændres for observatører med forskellige relative hastigheder i kommercielle rammer, således at tilstanden for c er konstant i alle disse rammer opretholdes.

Du har ret, dette er hvor langt Specialteorien kunne gå med hensyn til rumtid og energi. Men så vidt jeg kan se, siger det ikke noget om enhed i rumtid og energi. Det forklarer kun, hvordan målinger af rum og tid ændres for observatører med forskellige relative hastigheder i kommercielle rammer, således at tilstanden for c er konstant i alle disse rammer opretholdes.

Hvad er så et sort hul? Et navneord transformeret af dets adjektiv? Men forvandlet til hvilken af ​​de to?

Talte ikke rådgiveren om, at rumtiden havde geometriske egenskaber og ikke materielle egenskaber, og om geometri (cirkel, trekant) for at eksemplificere rumtidens natur? Rumtiden er kun en geometrisk kvalitet ... men hvad? Den specielle relativitetsteori giver os en anelse. Rumtiden er den strukturelle kvalitet af intet andet end energi. Rumtiden er et adjektiv, og energi er substantiv og ikke omvendt.

Du har ret, den specielle relativitetsteori holder op med at holde rumtiden og energi forbliver adskilt. Imidlertid tænkte Einstein i løbet af de sidste år af sit liv stadig på arten af ​​rumtiden. Han hævdede, at rumtiden ikke har nogen separat eksistens uafhængigt af de faktiske objekter af den fysiske virkelighed (skønt hvad han mente med den fysiske virkelighed i denne sammenhæng var feltet). Albert Einstein: ”Relativitet, den særlige og den generelle teori”, Appendiks V, Crown Publishers, Inc., New York (1952).

Måske er jeg virkelig uden fantasi, men jeg forstår ikke dette & rumtid er en geometrisk kvalitet af energi & quot. Geometri i hvilken dimension menes der med det? Opstår behovet for eksistens af rumtid på en eller anden måde, om Energi har en form af trekant / cirkel (i 2D) eller en sfære / terning (i 3D)? Hvilken type geometri og dimensioner taler vi præcist om?

Lad os se, hvordan rumtid opstår fra energi inden for rammerne af den særlige relativitetsteori. Som allerede diskuteret, når relative hastigheder af energi adskiller sig, er deres relative rumlige (3D) og tidsmæssige geometri forskellig i forhold til tilstand, når forskellen i deres relative hastigheder er nul.

Denne ændring i målinger af rumlige og tidsmæssige koordinater, der følger med ændring af relative hastigheder, kaldes rumtiden, fordi rumkoordinater ændres i lige mål som tidsmæssig. Men hvorfor kalde det & quotgeometry & quot, når det er mere som en & quottransformation regel & quot? Måske giver den generelle teori en anelse om dette?

Her er hvad der virker for mig (selvom jeg bare er en lægmand, og jeg ved, at nogle er uenige med mig):

Som folk har sagt, er der ingen * enkelt * geometri for rumtid. Hvert punkt inden for rumtiden har et uendeligt antal mulige geometrier, der passerer igennem det. Så der er ingen * absolut * geometri, som & quotspacetime & quot har. Der er kun beskrivelsen af, hvordan stof bevæger sig igennem det. Den sti, som materien følger, kan forudsiges ved hjælp af geometrier som en værktøj, men der er ingen & quotfixed & quot geometri, undtagen hvor materiens energi & quotfixes & quot, mens det relaterer til energien fra andre masser.

Med andre ord, IMO, bruges krumning i rumtiden til at forudsige placeringen af ​​stof i 4D og bør ikke tages for bogstaveligt.


Hvad er rumtid? Den virkelige oprindelse af virkeligheden

LAD & # 8217S sige, at du vil møde en ven til kaffe. Du skal fortælle dem, hvor du skal være - din placering i rummet - men du skal også fortælle dem, hvornår. Begge bit af information er nødvendige, fordi vi lever i et fire-dimensionelt kontinuum: tredimensionelt rum og alt inden i det, fra dampende kaffemaskiner til stjerner, der eksploderer i fjerne galakser, alt sammen på forskellige øjeblikke af en-dimensionel tid.

& # 8220Rum-tid & # 8221 er simpelthen det fysiske univers, hvori vi og alt andet findes. Og alligevel, selv efter årtusinder, der bor i det, ved vi stadig ikke, hvad rumtid faktisk er. Fysikere har stræbt efter at finde ud af det i mere end et århundrede. I de senere år har mange af os forsøgt at finde ud af, hvad der kan være de tråde, hvorfra virkeligheden er vævet. Vi har ideer, hver med sine egne salgsargumenter og mangler. Men for mine penge er den mest spændende den mest overraskende.

Lær mere om mysterierne i Einsteins univers på New Scientist Live i London

Det er tanken, at rumtid kommer fra en underlig egenskab i kvanteverdenen, der betyder, at partikler og felter, disse grundlæggende bestanddele af naturen, kan forbindes, selvom de er i modsatte ender af universet. Hvis det er korrekt, ville vi muligvis endelig have fundet en bro mellem de to uforenelige fysiske totemer, der placerede os på tærsklen til en teori om kvantegravitation. Vi ville også have den mest overraskende demonstration endnu, at den verden, vi ser, ikke er verden som den er - at der altid er noget dybt skjult som hellip

Abonner for ubegrænset digital adgang

Abonner nu for ubegrænset adgang

App + web

  • Ubegrænset internetadgang
  • Ny Scientist-app
  • Videoer af over 200 videnskabssamtaler plus ugentlige krydsord, der udelukkende er tilgængelige for abonnenter
  • Eksklusiv adgang til kun abonnentbegivenheder inklusive vores 1. juli klimaændringsbegivenhed
  • Et år med uovertruffen miljødækning, udelukkende med New Scientist og UNEP

Print + App + Web

  • Ubegrænset internetadgang
  • Ugentlig udgave
  • Ny Scientist-app
  • Videoer af over 200 videnskabssamtaler plus ugentlige krydsord, der udelukkende er tilgængelige for abonnenter
  • Eksklusiv adgang til kun abonnentbegivenheder inklusive vores 1. juli klimaændringsbegivenhed
  • Et år med uovertruffen miljødækning, udelukkende med New Scientist og UNEP

Eksisterende abonnenter, log ind med din e-mail-adresse for at linke din kontoadgang.


Ny teori om alt: Vores univers kan være lavet af små bobler, som hver især holder andre universer

Der er en ny & # 8220teori om alt & # 8221 i byen, og det er en sudsyg en. Hvad hvis rumtid (dvs. det hele, vi kalder & # 8220reality & # 8221) ikke er et uendeligt stort rum fyldt med nogle ting og et tomt tomrum imellem, men i stedet et uendeligt skum af bobler på hvert punkt i rumtiden, som alle indeholder deres egne universer, der hver lever og dør på én gang. Ja, jeg ved, du tænkte på det, der en gang sad omkring et lejrbål på syre. Det gjorde vi alle. Men det viser sig også at være videnskab.

Rumtidsskum-forklaringen på, hvad der virkelig foregår her, blev først foreslået af fysikeren John Wheeler i 1955. Han hævdede, at rumtiden på kvanteniveau var lavet af skum af små bobler konstant i flux. Nyligt arbejde, der udvider sig med Wheelers boblende forslag, er kommet op med ideen om, at disse bobler er miniaturuniverser, der går fra big-bang til heat-death (eller omvendt, men vi kommer til det) på en umærkelig tid. . Det lyder latterligt, men det løser mange problemer med moderne fysik.

Albert Einsteins generelle relativitetsteori er ret god, men den har nogle problemer. Det ser ikke ud til at holde op, når man beskriver universet generelt. Den generelle relativitetsbeskrivelse af & # 8220hvad er universet? & # 8221 hævder, at det dybest set er en trampolin, der strækker sig i alle retninger. Det ville forklare tyngdekraften: Hvis du placerer en bowlingkugle af en trampolin og derefter ruller en marmor på trampolinen, trækkes marmoren mod bowlingkuglen. Det giver mening, men hvis du tager denne model og anvender den på hele universet, begynder den at falde fra hinanden. Einstein fandt ud af, at han havde brug for en & # 8220kosmologisk konstant, & # 8221 en kraft, der fungerer som det modsatte af masse, energi og tyngdekraft for at modvirke tyngdekraften. Med andre ord ville den kosmologiske konstant være trampolinens spænding.

Derefter fandt vi ud af, at universet ikke kun ekspanderede, men accelererede, og ideen om en kosmologisk konstant holdt op med at give mening. I stedet erstattede fysikere det med en enorm mængde usynlig mørk energi. Og så viste det sig, at det meste af den usynlige energi, som kvantefeltteorien forudsagde, mangler. Så nu er det skum.

Teoretisk fysiker Y. Jack Ng ved University of North Carolina, Chapel Hill genfortalte en af ​​John Wheelers analogier af et boblende univers til Vice:

Forestil dig at flyve et fly over et hav. I store højder ser havet glat ud. Men når du stiger ned, begynder det at vise ruhed. Tæt nok på havoverfladen ser du bobler og skum. Analogt ser rumtiden glat ud på store skalaer, men på tilstrækkelig små skalaer vil den virke ru og skummende.

Professor Steven Carlip ved University of California, Davis offentliggjorde et papir i september, der hævder, at boblerne i skum i rumtiden skjuler den kosmologiske konstant. Hans arbejde antyder, at hvert punkt i rumtiden har en enorm mængde vakuumenergi som kvantefeltteori forudsiger, men opfører sig anderledes end hinanden. Han siger, at der for hver boble er en anden boble et andet sted, der gør det nøjagtige modsatte. Disse modsætninger ophæver energien fra alle de små udvidelser og resulterer i det sænkede energiniveau observeret i universet som helhed.

Denne forklaring kræver også, at vi accepterer, at tiden, som vi forstår den, er meningsløs. Hvilket er temmelig godt accepteret i det videnskabelige samfund - den såkaldte & # 8220arrow of time & # 8221 er i det væsentlige en illusion. Carlip siger:

”De fleste fysikere er enige i, at vi ikke ved på et grundlæggende niveau, hvorfor der overhovedet er en pil af tid. Ideen om, at det på en eller anden måde & # 8217emergent & # 8217 på større skalaer har eksisteret i lang tid. ”

Et andet papir, udgivet i august af Qingdi Wang og William G. Unruh ved University of British Columbia, antyder at hvert punkt i rumtiden bevæger sig fra en enestående til et big bang og derefter udvider sig og trækker sig sammen som en lille version af vores univers uendeligt på gentage. Det skal bemærkes, at en struktur, hvor hvert punkt afspejler det hele, kaldes et hologram.

Y. Jack Ng har et kommende papir, der bruger rumtidsskum som et nyt grundlag for en & # 8220teori om alt. & # 8221 Han mener, at rumtidsskum kan samle forskellene, der observeres mellem kvanteverdenen og makroverdenen. Ng siger, at bobleuniversene er universerne og de mindste computere, og at deres job er at behandle information. Hans papir viser, at skum i rumtiden kan måles og forklarer også mørk energi og universets acceleration. Han siger:

”Til sidst er det, jeg gerne vil udforske, og vigtigere, hvad jeg gerne vil opmuntre andre til at udforske, at gå ud over hensynet til skum i rumtiden og se, om både kvantemekanik og tyngdekraft er nye fænomener, og om termodynamik (hvis hovedperson er entropi) har nøglen til at forstå naturens love. & # 8221

Kunne alt forklares med bobler? Der er stadig meget arbejde, der skal testes, de forskellige tager kosmisk skum, men Ng mener, at en teori om alt er inden for rækkevidde. For så vidt som at forklare kosmos mysterier går det og det er ret godt. Når alt kommer til alt er bobler sjove.


Spørg Ethan: Er rumtiden virkelig et stof?

Tyngdekraften kunne have været den første grundlæggende kraft, der nogensinde er opdaget, men på mange måder forbliver den mindst forstået. Vi ved, at det altid er attraktivt, og at to masser i universet, uanset hvor de er, vil opleve dets styrke. Da Einstein sammensatte sin generelle relativitetsteori, var et af de store fremskridt at erkende, at rum og tid blev kombineret til en enkelt enhed: rumtid. En anden var, at tilstedeværelsen af ​​stof og energi buede selve stoffet i denne rumtid, og at den buede rumtid til gengæld dikterede, hvordan stof flyttede sig. Men er dette billede rigtigt? Mariusz Wroblewski er skeptisk og spørger:

Jeg vil gerne have, at nogen endelig anerkender og indrømmer, at visning af bolde på et lagen ikke klipper det som et billede af virkeligheden.

Jeg anerkender og indrømmer det frit. Så allestedsnærværende som billeder af bøjede ark eller koordinatsystemer er, afspejler de ikke ligefrem den virkelighed, vi bor i.

Hvis du nogensinde har set et billede af et bøjet, todimensionalt gitter med masser på det, der repræsenterer plads, ved du, at denne type illustration er ekstremt almindelig. Det ser ud til at skildre rumets stof som kurvet af tilstedeværelsen af ​​masse, og derfor vil enhver anden partikel, der bevæger sig langs dette stof, have sin vej bøjet mod denne tyngdekilde. Jo større masse og jo tættere du kommer på den, jo større krumning, og derfor større bøjning.

Dette ser ud til at stemme overens, i det mindste intuitivt, med de eksperimenter og observationer, der har fundet sted for at verificere og validere generel relativitet i løbet af de sidste næsten 100 år. Fra bøjning af baggrundsstjernelys under en total solformørkelse til effekten af ​​tyngdekraftens linser i dag, i det mindste kvalitativt, ser billedet ud til at være enig.

Men hvad ville et sådant billede faktisk indebære? Hvis rummet er som et stof, hvordan kurver massen det?

Det ser ud som om en masse på en eller anden måde bliver trukket "ned" på stoffet, og derefter trækkes de andre partikler, der bevæger sig gennem dette rum, "ned" af en usynlig, mystisk kraft også. Dette kan helt klart ikke være rigtigt, fordi der slet ikke er nogen ekstern gravitation! Derudover kurver gitterlinjerne væk fra, snarere end mod massen, hvilket heller ikke kan være rigtigt, især hvis tyngdekraften er attraktiv.

Tyngdekraften er simpelthen, og det er bare, at ligningerne, der beskriver generel relativitet, er geometriske. Ideen om, at masse-og-energi kurver plads, kan være rigtig, selvom denne naive visualisering skal være forkert.

I stedet kan vi gøre det bedre ved at gå til det korrekte antal rumlige dimensioner: tre.

Forestil dig, for at starte, at vi har et helt tomt rum. Der er ingen masser i nærheden, der er ingen stråling, der er ingen mørk substans, mørk energi, neutrinoer eller andet, der kan få dette rum til at kurve. There’s also no intrinsic curvature.

Instead, just imagine that space is flat, static, and empty. If we insisted on drawing a grid, like a mathematical overlay, atop space itself, here’s what it would look like.

Now, let’s put a mass down in this spacetime. The mass has got to curve spacetime, but it isn’t actually a fabric: it’s simply the nothingness that makes up the empty Universe itself. The equations of General Relativity tell us how this curvature works, geometrically, but they don’t tell us how to visualize it.

One brilliant way to do so, however, is to draw your grid lines as though they represent the force experienced by a negligibly-massed, pressure-free dust particle that’s at rest with respect to the new mass. The greater the force that particle would experience, the greater the spacetime curvature. If we were to draw that out, we’d arrive at a very different, potentially more useful picture.

The biggest problem with this picture is that it’s difficult to draw!

Thankfully, with the advent of computer animation, we can visualize how space itself curves even with objects in motion. Remember, it isn’t actually a fabric, but rather takes up the entirety of the Universe. Spacetime simply is: it’s what’s left over when we take everything in the Universe away that we’re capable of taking away. When we put things like masses down in the Universe, spacetime is still there, too, but its properties are altered by whatever it is that’s inside it. The larger a mass you put inside it, the more that spacetime gets curved.

This is true even of a single mass that we simply move around. It could move in a straight line or along a curved path it could move naturally (because of the motion of other masses) or artificially (because an external force moved it). Either way, it doesn’t make much of a difference. The real issue is that as masses move through space, the geometry describing spacetime changes.

As a result, the objects residing in that space, whether they’re massive or massless, will change their motion in response to the presence and properties of all the matter and energy within it. John Wheeler’s explanation, that mass tells space how to curve, while curved space tells matter how to move, still holds.

You can talk about space as a fabric, but if you do, be aware that what you’re doing is implicitly reducing your perspective down to a two-dimensional analogy. Space in our Universe is three dimensional, and when you combine it with time, you get a four dimensional quantity. When it comes to the notion of spacetime curvature, this is what General Relativity refers to.

But under no circumstances should you conceive of space as though it’s a material, physical thing it isn’t. This is only a mathematical structure that we can write down equations to describe: the equations of Einstein’s General Relativity. The fact that matter and radiation respond to that curvature in the exact ways that the equations predict validates this theory, but it doesn’t mean that space is actually a fabric.

We also talk about the expanding Universe in the context that ‘the fabric of space is stretching,’ even though there is no fabric and it isn’t really stretching, or for that matter, changing in any way. What’s happening is simply that the distance between any two points in the Universe is changing according to a particular set of rules in the context of General Relativity. Galaxies, like raisins embedded in a loaf of baking bread, expand away from one another. The wavelength of radiation gets longer too, as though the length of the wave crests and troughs expanded away from one another too.

But in reality, there isn’t any fabric causing the expansion. In the raisin/bread analogy, the raisins (galaxies) are physically real, but the bread (fabric of space) is just a visualization.

One of the most paradoxical ideas to wrap your head around in all of physics is that the equations that describe the Universe are just that: equations describing things we can physically observe. We can no more observe the ‘fabric of space’ than we can observe the nothingness of empty spacetime it simply exists. Any visualization we attempt to assign to it, whether it’s a 2D fabric, a 3D grid, or a baking ball of dough, is just that: a human-inspired creation. The theory itself doesn’t demand it.

What we can observe, however, are the physical objects — the matter and radiation — present within that space. Those are the entities we can measure, and it is the predictions for the behavior of those objects that enables us to test theories like Einstein’s General Relativity. We don’t do very well at accepting mathematics for what it is, so we choose to make analogies to help us picture what’s happening with the Universe. The success of General Relativity rises and falls with observations and measurements. We can observe the measurable consequences of this theory, but not the actual structure of spacetime, even if it’s predicted by underlying theory itself.

All analogies, in this regard, have limitations and flaws. We can choose a visualization that’s less wrong, perhaps, than a 2D picture of a bent fabric, but there is no correct answer. General Relativity tells us what the Universe does given matter and energy distributed in a specific way, and our observations are consistent with it. We can choose to visualize it in whatever way makes the most sense to us, but all visualizations are inherently flawed. The best we can do is try to comprehend the Universe, as puzzling as it may be, as it actually is.


Dark Matter and the Formation of Galaxies

As elusive as dark matter may be in the current-day universe, galaxies could not have formed quickly without it. Galaxies grew from density fluctuations in the early universe, and some had already formed only about 400–500 million years after the Big Bang. The observations with WMAP, Planck, and other experiments give us information on the size of those density fluctuations. It turns out that the density variations we observe are too small to have formed galaxies so soon after the Big Bang. In the hot, early universe, energetic photons collided with hydrogen and helium, and kept them moving so rapidly that gravity was still not strong enough to cause the atoms to come together to form galaxies. How can we reconcile this with the fact that galaxies gjorde form and are all around us?

Our instruments that measure the CMB give us information about density fluctuations only for ordinary matter, which interacts with radiation. Dark matter, as its name indicates, does not interact with photons at all. Dark matter could have had much greater variations in density and been able to come together to form gravitational “traps” that could then have begun to attract ordinary matter immediately after the universe became transparent. As ordinary matter became increasingly concentrated, it could have turned into galaxies quickly thanks to these dark matter traps.

For an analogy, imagine a boulevard with traffic lights every half mile or so. Suppose you are part of a motorcade of cars accompanied by police who lead you past each light, even if it is red. So, too, when the early universe was opaque, radiation interacted with ordinary matter, imparting energy to it and carrying it along, sweeping past the concentrations of dark matter. Now suppose the police leave the motorcade, which then encounters some red lights. The lights act as traffic traps approaching cars now have to stop, and so they bunch up. Likewise, after the early universe became transparent, ordinary matter interacted with radiation only occasionally and so could fall into the dark matter traps.


Hydrogen: mostly hot air?

Hydrogen is the lightest element — it is simply a single electron and a single proton, orbiting each other.

Hydrogen can be found everywhere, from hot, dense stellar nurseries where new stars form, to the cold and tenuous voids between galaxies.

It's the most abundant element in the universe, making up 75 per cent of all its atoms.

"The two most common things in the universe are hydrogen and stupidity," said American writer Harlan Ellison.

But most hydrogen atoms floating in space are so spread out, they're essentially invisible to astronomers. So how can we tell if they're there?

Well, it depends on what type of hydrogen it is: ionic, atomic or molecular.

Ionic hydrogen is formed when a nearby hot, bright star splits (or ionises) a hydrogen atom into protons and electrons.

Atomic hydrogen is created in parts of the universe that are cold enough to allow protons and electrons to recombine.

Molecular hydrogen (H2), which is the same form we find here on Earth, is formed in giant clouds where the hydrogen becomes dense enough that two pairs of atoms stick together.

Supplied: Heidi Weissman Kneale (@heidikneale)

We also sometimes find other molecules in these clouds ranging from simple carbon monoxide (CO) to more complicated like ethanol (C2H6O) — that's right, astronomers are searching for beer in space.

Atomic and molecular hydrogen are relatively easy to find because they absorb and emit particular wavelengths of light, giving each a unique telltale signature that astronomers can measure.

Ionised hydrogen is almost totally invisible, except for one amazing feature: it makes things twinkle.

Emptier than empty

We're told that space is a vast empty vacuum. How empty can it be if we know it's full of stars, black holes, nebulas and galaxies?

When you look up at the night sky, you might see stars, and also perhaps a few planets. The planets are distinctive because they don't twinkle, while all the stars do. This is because the stars are so far away that all their light travels along a single, very thin beam toward us.

The thin beam is distorted as it travels through our constantly moving atmosphere, making the light look a little brighter or a little darker moment to moment. Planets are close enough to Earth that their beam of light is too large to be "scintillated" like stars.

Indigenous Australians have used the twinkling of stars to forecast the weather for tens of thousands of years.

The same thing happens with galaxies, which produce radio waves. These waves are scattered by the electrons of the ionised hydrogen in exactly the same way as our own atmosphere scatters light from stars.

Distant galaxies appear to twinkle, and that twinkling tells astronomers that space isn't empty, but filled with incredibly diffuse ionised hydrogen.


If you were able to use the material from a neutron star (you CAN'T) it would be the heaviest material we know of but it would just sink to the center of the Earth, and since you are inside it, the Shell Theorem would ruin your plan. If you were in a box made of the stuff and in outer space so you didn't sink to the center of the Earth, the Shell Theorem would STILL ruin your party (*).

Give up while you are behind. Move on and study some actual physics.

* Actually, you'd be squashed to a paste in a square cubical container of neutron star material and while the Shell Theorem would still apply, in a distorted way, you wouldn't be around to worry about it ruining your plans.

If you were able to use the material from a neutron star (you CAN'T) it would be the heaviest material we know of but it would just sink to the center of the Earth, and since you are inside it, the Shell Theorem would ruin your plan. If you were in a box made of the stuff and in outer space so you didn't sink to the center of the Earth, the Shell Theorem would STILL ruin your party (*).

Give up while you are behind. Move on and study some actual physics.

* Actually, you'd be squashed to a paste in a square cubical container of neutron star material and while the Shell Theorem would still apply, in a distorted way, you wouldn't be around to worry about it ruining your plans.

Unfortunately I do not think the Shell Theorem can be validly applied to this problem. Se nedenunder.

I don't think the gravity would decrease inside the room.

First, as I said above, I don't think the Shell Theorem applies to this problem. The Shell Theorem says that a spherically symmetric distribution of matter and energy outside some spherical shell has zero effect on the spacetime geometry inside the shell. If our "room" is a spherical shell 10 km deep inside the Earth, the distribution of matter and energy outside it is ikke spherically symmetric it is skewed towards the Earth's center. So the Shell Theorem does not apply.

(Another way to see that it can't apply is to note that, if it did apply, it would predict that, in the absence of any gravitating masses inside the shell, spacetime would be flat there. Flat means nul gravity, not just decreased gravity in other words, if you excavated a spherical chamber 10 km underground, the Shell Theorem, if it applied, would say you could float in it in free-fall. If this were actually true, then, for example, miners in deep mine chambers should at least notice a significant drop in gravity, and they don't.)

I think a sort of generalized "Shell Theorem" could be applied to this case, but the generalized theorem would say, basically, that a spherical shell in a gravitational field has zero effect on either the gravitational potential (this part would be the same as the standard Shell Theorem--see further comments below) or the "acceleration due to gravity" inside the shell. In simple Newtonian terms, the "gravitational pull" of all the parts of the room on any object inside the room, when summed, would cancel out, leaving only the "gravitational pull" due to the Earth that was there in the first place.

As far as gravitational potential and "rate of time flow" is concerned, the standard Shell Theorem already says that the shell has zero effect on the gravitational potential inside it and, as noted above, I would expect any generalization of it that applied to this problem to say the same thing. So clocks inside the room would go at the same rate as clocks just outside the room.

Note that all of the above applies regardless of what the room's walls are made of. A room with neutronium walls inside a neutron star would behave the same as a room with osmium walls (or walls of any other substance found on Earth) 10 km deep inside the Earth.


Udbetalingen

Regardless of whether It from Qubit will ultimately achieve the holy grail of a unified theory, scientists inside and outside the project say the approach is worth trying and is already turning up many new avenues to pursue. &ldquoI&rsquove long felt that the relation between quantum information and quantum gravity is of fundamental importance,&rdquo says Raphael Bousso, a physicist at the University of California, Berkeley, who is not involved in IfQ but has worked with some of its collaborators. &ldquoThe connection has deepened over the years, and I&rsquom thrilled that so many outstanding scientists are now working together to confront these questions and see where they lead us.&rdquo Stanford University theorist Eva Silverstein, who is not part of the collaboration, concurs. &ldquoIt is clearly worthwhile to develop and apply quantum information to these problems. But to understand the dynamics [of quantum gravity] much more is required, and it is important for the field not to focus too narrowly on a single approach.&rdquo

Furthermore, even if the project does not pay off with a theory of quantum gravity, it is still likely to have beneficial offshoots. Bringing the techniques and ideas of string theory and general relativity to bear on questions of quantum information can, for instance, help to better define the different types of entanglement that can exist, both for purposes of understanding spacetime as well as constructing quantum computers. &ldquoWhen you start playing with these tools in a new setting, it&rsquos very likely that it will bring up ideas that are interesting and might be useful in other areas,&rdquo Aharonov says. &ldquoIt looks like people are making progress on questions that have been out there for many, many years, so it&rsquos exciting.&rdquo For instance, scientists have found that measuring time within wormholes may be possible by thinking of the wormhole as a quantum circuit.

Furthermore, combining quantum information science with string theory may help not just in deriving a theory of quantum gravity but in evaluating whatever theory the researchers find. &ldquoA crucial question we would ask&mdashonce we actually manage to come up with a detailed-enough physical theory of quantum gravity&mdashis what is the computational power of this model?&rdquo Aharonov says. Any physical theory can be thought of as a computational model, its input and output akin to the theory&rsquos initial state and a later state that can be measured&mdashand any computational model has a computational power. &ldquoIf that power is too large, if our quantum gravity model would be able to compute things that we don&rsquot believe can be computed in our world, that would at least raise a question mark on the theory. It&rsquos a way to actually tell whether the theory is sensible or not from a different point of view.&rdquo

The project is reminding some physicists of the heady days in the past when other big ideas were just getting started. &ldquoI became a grad student in 1984 when the so-called &lsquofirst string theory revolution&rsquo took place,&rdquo says Hirosi Ooguri, a physicist at the California Institute of Technology who has been working on IfQ. &ldquoThat was a very exciting time when string theory emerged as a leading candidate for a unified theory of all the forces in nature. I do see the current explosion of excitement around this similarly. This is clearly an exciting time for young people in the field as well as those of us who received our PhDs decades ago.&rdquo


Se videoen: Rumforskning - Fremtiden full album (November 2022).