Spacetime

Albert Einstein je iz zahtjeva za jedinstvenim opisom elektromagnetizma i mehanike došao do posebne teorije relativnosti koja je ujedinila prostor s vremenom te materiju s energijom. Zatim je posebnu teoriju relativnosti objedinio s gravitacijom stvorivši opću teoriju relativnosti koja je povezala pet najosnovnijih pojmova fizike: prostor, vrijeme, materiju, energiju i gibanje.

Einsteinovo odbacivanje apsolutnog prostora i apsolutnog vremena imalo je valjane razloge. Bilo je neophodno za usklađivanje elektrodinamike s mehanikom. Einsteinov teorijski rad nije bio motiviran eksperimentalnim podacima koje bi trebalo objasniti odgovarajućim modelom. Umjesto toga on je težio iz što manjeg broja temeljnih načela jedinstvenom teorijom obuhvatiti što veći broj prirodnih pojava.

Načelo relativnosti - zakoni fizike isti su u svim inercijskim sustavima. Pod inercijskim sustavima mislimo na one sustave koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno (drugim riječima, koji ne ubrzavaju). Načelo relativnosti postavio je već Galileo Galilei, doduše samo za mehaniku. Einstein ga je poopćio na cijelu fiziku, u prvom redu na elektrodinamiku.

Načelo invarijantnosti brzine svjetlosti - svjetlost se u praznom prostoru uvijek širi konačnom brzinom c, neovisno o brzini izvora. To da za svjetlost ne vrijedi klasično zbrajanje brzina daleko je od naše intuicije.

Ono što je proizašlo kao posljedica ovih dvaju jednostavnih načela promijenilo je same temelje fizike: prostor i vrijeme nisu apsolutni nego relativni; simultanost je relativna; duljina se pri gibanju skraćuje a vrijeme produljuje (za opažača izvan tog sustava); energija je ekvivalentna masi (slavna formula E = mc 2).

Posebna teorija relativnosti ograničena je isključivo na inercijske sustave, one koji se jedan u odnosu na drugoga gibaju jednoliko pravocrtno.

Načelo ekvivalencije - lokalni učinci gravitacije jednaki su učincima ubrzanog sustava. Ovo je načelo za opću teoriju isto što i načelo relativnosti za posebnu. Velika razlika opće i posebne teorije relativnosti je u matematičkom aparatu. Dok je za razumijevanje posebne teorije dovoljna srednjoškolska matematika, za opću su neophodni tenzori - zamršeni matematički objekti. Ipak, osnovna se ideja može izreći i bez matematike.

Opća teorija relativnosti povezuje posebnu teoriju s gravitacijom. Gravitacija je jedna od četiri temeljne sile u prirodi, a izvor joj je masa. Masa je pak svojstvo tijela da se opire gibanju (što zovemo tromom masom) i svojstvo privlačenja drugih masa (što zovemo teškom masom). Einstein je pokazao da su troma i teška masa iste. U općoj teoriji relativnosti: masa izobličuje prostor u kojem se nalazi. Gibanje druge mase u tom izobličenom prostoru interpretiramo kao gravitacijsko međudjelovanje. Opća teorija relativnosti zapravo je geometrijska teorija gravitacije.

 
Apsolutna praznina Kvantni vakuum Prostorvrijeme

Max Planck i kvantna teorija

Najveće Planckovo otkriće je da se svjetlost, rendgensko zračenje i drugi valovi ne mogu emitirati u proizvoljnom opsegu, već samo u jako malim paketima koje je on nazvao kvanti.

Kvant je najmanja količina energije koja se može emitirati određenom frekvencijom. Energija se predaje ili prima samo u iznosima koji su cijeli broj kvanta.

Max Planck i kvantna teorija

Kvantni vakuum

Kvant je količina, paketić nečega. U fizici kvant je paketić energije.

Vakuum je kvantiziran, bez kvantnog vakuuma ne može se objasniti zašto je energija kvantizirana i ne bi se mogle objasniti Plankove duljine ni vrijeme. Jedino sa kvantnim vakuumom te stvari se mogu objasniti.


Posebna relativnost

Posebna relativnost smatra da promatrači u inercijskim referentnim okvirima koji su u međusobno relativnom jednolikom gibanju ne mogu izvesti nikakav pokus kojim bi utvrdili koji od njih je u "apsolutnom kretanju". Teorija postulira da će brzina svjetlosti u vakuumu biti ista za oba promatrača tj. promatraču nepromjenjiva.

Absolute time and space
Teorija relativnosti
Spacetime


Crtežem je prikazano vrijeme širenja svjetlosti od Zemlje (lijevo) do Mjeseca (desno) koje traje 1,255 sekundi.

Prostor - okvir stvarnosti

Kada si ti dio nekog sustava, recimo Zemlje, ti si dio tog sustava sve dok ne počneš u odnosu na njega ubrzavati. Jednako tako, ako nisi dio tog sustava, možeš to postati ako usporiš i počneš se gibati kao i on. Ubrzavanja i usporavanja nisu ništa drugo nego djelovanja nekakvog materijalno-energetskog toka, koji se opisuje tzv. tenzorom energije-impulsa, a na engleskom jeziku stress-energy tensor.

Kada si dio tog nekog sustava, onda ste i ti i on na istoj geodezijskoj putanji. Gibate se po geodeziku, krivulji koja se proteže kroz prostor i vrijeme i ne mora nužno biti ravna. Ona slijedi prostor sukladno principima paralelnog prijenosa, koji se pak zasniva na svojstvu metrike da ima afinu konekciju. Metriku slobodno možeš poistovjetiti sa prostorom. Ako je prostor ravan, 3x3 matrica koja opisuje tenzor ranga 2 ima elemente samo na dijagonali. Tada je po pitagori daljina između bilo koje dvije točke u prostoru s^2=x^2+y^2+z^2. Ako postoje i drugi članovi, onda tome nije tako i prostor smatramo zakrivljenim. Indeksi mi i ni u metrici zapravo su reci i stupci te matrice, i odgovaraju koordinatama x, y, z koje se označavaju kao 1,2,3.

Prilikom svakog djelovanja toka energije i materije, dolazi do onoga što u newtonovoj mehanici nazivamo silom, i ti skrećeš sa svog geodezika. Kada ubrzanje prestane, ti putuješ nekim drugim geodezikom. Sa tvog geodezika, vrijeme na drugom geodeziku izgleda drugačije. Isto tako i obrnuto. Ako ponovno usporiš, to znači da si opet upotrijebio nekakav tok materije i energije, i vratio se natrag na geodezik sa kojega si krenuo. Tada će se zapaziti da ti je vrijeme išlo sporije. Sat će ti kasniti.

Da je kojim slučajem netko ubrzao sat na drugom geodeziku, pa da je on uletio u tvoj vlastiti geodezik, odnosno, prešao u tvoj sustav, onda bi njegov sat kasnio.
Nema privilegiranog akceleriranog sustava. Ako ti ubrzavaš od Zemlje, jednako tako se može reći i da Zemlja ubrzava od tebe. Vaši se geodezici razilaze. Pa zašto onda ne ostane mlad onaj na Zemlji? Zato što si ti taj koji se vratio natrag na Zemlju. Da se Zemlja vratila natrag na tebe, on bi bio mlađi.

Prostor-vrijeme kao 4-dimenzionalni kontinuum je apsolutan

Prostor-vrijeme kao 4-dimenzionalni kontinuum je apsolutan, ali je relativno njegovo cijepanje na prostor i vrijeme kao zasebne kategorije.

Apsolutna je krivulja gibanja u prostor-vremenu, ali je relativna brzina tj. nagib te krivulje. Jer da bi rekao pod kojim kutem je nesto nagnuto, uvijek moras reci - nagnuto u odnosu na sto? Npr. jedan zid kosog tornja u Pisi je nagnut s obzirom na zemljinu povrsinu, ali nije nagnut s obzirom na neki drugi zid tog istog tornja.

Samo pozadina (okvir stvarnosti) je apsolutan, dok je sve ostalo relativno. Sve ostalo bi se definiralo u odnosu na našto, i ne bi se moglo shvatiti a priori, već a posteriori. Pozadina bi bila apsolutna iz jednostavnog razloga što je nemamo s kim, ili s čim, usporediti.

Fizička svojstva prostorno-vremenskog kontinuuma


Vrijeme relativno i apsolutno

Albert Einstein pošao je od jednostavnog pitanja što zapravo znači istodobnost događaja. Njegovo razmišljanje o istodobnosti događaja dovela ga je do radikalne teze o suštini vremena. Ona glasi: apsolutnog vremena nema.
Do tog su doba fizičari bili čvrsto uvjereni kako svemirom vlada jedno jedino, sveprožimajuće i sveobuhvatno univerzalno vrijeme. Einstein je, međutim, pronašao, i to rabeći samo matematička pomagala, da vrijeme koje mjeri neka ura zavisi o tome gdje se ona u svemiru nalazi i kojom se brzinom kreće. Ta činjenica, ako je točna, posve narušava našu uobičajenu predodžbu o svemiru.
Naime, nije očito zašto bi ura koja se kreće išla drugačije od one koja se nalazi na nekom mirujućem mjestu. Također ne vidimo zašto bi ura na Zemlji išla drugačije od ure na Mjesecu ili na nekoj zvijezdi udaljene galaktike.

Ura, tako nam kaže 'zdrav razum', uvijek ide jednako, pod uvjetom, naravno, da je u ispravnom stanju. Ona, na posljetku, ne mora činiti ništa drugo već pokazivati prolazak sekundi, minuta i sati. Einstein, međutim, nije držao mnogo do 'zdravog razuma', za njega je to bio tek skup predrasuda.

Einsteinova su razmišljanja u fiziku uvela novu predodžbu promjenjivog vremena. Do njega je ta znanost vrijeme smatrala čvrstim i nepromjenjivim. Dokaz da su njegove pretpostavke točne uspio mu je jer je vrijeme neodvojivo povezao s promatračem koji mjeri njegov protok.
Fizika do Einsteina to nije učinila. Za to se prije njega nije vidjelo razloga jer je vrijeme bilo nadređeno i apsolutno, neovisno o onome tko ga mjeri. Za Einsteina nema apsolutnog vremena, već samo moje ili tvoje vrijeme, ovisno o tome gdje se nalazite i koliko se brzo krećete. Vrijeme je, tako je izrekao Einstein, relativno. Drugim riječima, vrijeme ovisno o položaju i brzini promatrača.

Ključ razumijevanja tog iznimno zbunjujućeg mišljenja je svjetlost, koja je u međuvremenu postala naš pouzdani pratilac u šetnji dubinama svemira. Za Einsteina je samo svjetlost, ili točnije brzina svjetlosti, nadređeno, apsolutno i nepromjenjivo svojstvo svemira. Einstein je brzinu svjetlosti uporabio da dokaže kako vrijeme ne moće biti nadređeno i apsolutna veličina.

Einstein je pošao od dvije temeljne pretpostavke čiju ispravnost ne možemo dokazati, ali su usprkos tome uvjerljive i razumljive. Znanstvenici takve pretpostavke nazivaju 'postulati'.
Prva pretpostavka glasi: brzina svjetlosti je za sve promatrače u svemiru jednaka bez obzira kojom se brzinom kretali. Ona uvijek iznosi 300.000 km/s, neovisno o tome giba li se promatrač prema ili od izvora svjetlosti. Točna vrijednost brzine svjetlosti u praznom prostoru iznosi 299.792,458 kilometara u sekundi.
Druga pretpostavka glasi: za sve promatrače u svemiru bez iznimke vrijede isti prirodni zakoni, dakle u našoj galaktici ne vrijede drugačiji fizikalni zakoni negoli u nekoj susjednoj. Bez tih pretpostavki ne bismo mogli razumijeti ustroj svemira, u tom bi slučaju sve bilo moguće, čak i nemoguće. Zbog toga drugu pretpostavku nije teško prihvatiti.

Zašto bi u različitim dijelovima svemira vladali različiti fizikalni zakoni? Svemir bi tada bio iznimno kaotičan i nepredvidljiv.

 

Vrijeme – stvarnost ili iluzija

Je li vrijeme stvarno ili je ono tek krajnja iluzija? Većina fizičara složila bi s tim da vrijeme nije stvarno , ali Lee Smolin izazvao je ortodoksne fizičare u svojoj novoj knjizi Preporođeno vrijeme (Time reborn) objavljenoj u travnju ove godine. Tim povodom je u muzeju umjetnina Rubin autor razgovarao sa Warren Meckom, neuroznanstvenikom sa sveučilišta Duke. Smolin, inače teoretičar fizike pri institutu za teoriju fizike Canada’s Perimeter iznio je pri tom svoje argumente u prilog tvrdnji da je vrijeme stvarno.

“Vrijeme je nešto što je primarno i iznad svega”, izjavio je, “a iskustvo koje svi imamo o stvarnosti postojanja u sadašnjem trenutku nije iluzija već najdublji trag koji imamo o fundamentalnoj prirodi stvarnosti.”

Smolin kaže da do ovog koncepta nije došao jednostavno. Kao i većina fizičara, krenuo je od pretpostavke da je vrijeme iluzorno i subjektivno. Prema Einsteinovoj teoriji opće relativnosti vrijeme je samo još jedna od dimenzija prostora koja se može protezati u svim smjerovima, a ljudsko poimanje vremena koje protječe konstantno i pravilno postoji samo u našim glavama.

Tijekom vremena, Smolin je došao do uvjerenja ne samo da je vrijeme stvarno, već da bi ta postavka mogla biti ključ našeg razumijevanja prirodnih zakona.

”Ako su zakoni izvan vremena, onda su oni neobjašnjivi “, izjavio je. ” Ako je zakon postojeći onda tu nisu potrebna objašnjenja. Želimo li razumjeti zakon onda on mora biti podložan razvoju i promjeni – zakon mora biti uvjetovan vremenom. On proizlazi iz vremena i vremenski je subjekt, a ne obrnuto.”

Smolin priznaje da ima dosta prigovora na ovu ideju posebno na onaj njen dio koji on naziva “meta-zakonska dilema”. Ako su zakoni fizike uvjetovani vremenom i tijekom vremena se razvijaju onda mora postojati neki zakon iznad postojećih zakona koji bi tom evolucijom upravljao. No ne bi li takav zakon koji bi određivao kako će se postojeći zakoni mijenjati tijekom vremena morao biti izvan tog istog vremena? Ovakav prigovor najčešća je reakcija fizičara na Smolinovu teoriju.

“Problem koji vidim u argumentima koji bi trebali potvrditi zamisao da zakoni evoluiraju tijekom vremena jest isti onaj koji si sam naveo u knjizi , a to je tzv. “meta-zakonska dilema”, odgovara fizičar Peter Woit sa sveučilišta Columbia na svom blogu. “U knjizi postoje nekakve spekulacije o načinima rješavanja ovog problema, ali ja ne vidim uvjerljiv odgovor na kritike. Koje god objašnjenje ponudio kako bi odredio način na koji zakoni evoluiraju, slobodan sam reći da se radi o samo još jednom zakonu.”

Smolin priznaje da je ta točka prijeporna, ali on smatra da postoje moguća rješenja za to.

“Vjerujem da mogu razriješiti meta-zakonsku dilemu “, tvrdi Smolin. “Uvjeren sam da će smjer u kojem će se razvijati kozmologija 21. stoljeća biti uvjetovan upravo uspješnim rješavanjem meta-zakonske dileme.”

Smolin i Meck razgovarali su o posljedicama ove ideje i njenom značenju za naše razumijevanje ljudske svjesnosti i slobodne volje. Jedna od implikacija teorije da je vrijeme iluzija jest to da je budućnost određena jednako kao i prošlost.

“Kad bi vjerovao u to da je budućnost već unaprijed određena, sve ljudske vrijednosti postale bi iluzija zajedno s vremenom”, rekao je Smolin. “Još uvijek težimo tome da imamo mogućnost životnih izbora. To je dragocjen dio naše čovječnosti. Ako je stvarna metafizička slika takva da postoji samo skup atoma koji se kreću praznim prostorom, onda nikad ništa ne može biti novo i ništa nas ne može iznenaditi, jer sve se u biti svodi samo na drugačiji raspored atoma. Za mene to predstavlja gubitak odgovornosti, a isto tako i gubitak ljudskog dostojanstva.”

 

Immanuel Kant

In 1781, Immanuel Kant published the Critique of Pure Reason, one of the most influential works in the history of the philosophy of space and time. He describes time as an a priori notion that, together with other a priori notions such as space, allows us to comprehend sense experience. Kant denies that either space or time are substance, entities in themselves, or learned by experience; he holds, rather, that both are elements of a systematic framework we use to structure our experience. Spatial measurements are used to quantify how far apart objects are, and temporal measurements are used to quantitatively compare the interval between (or duration of) events. Although space and time are held to be transcendentally ideal in this sense, they are also empirically real—that is, not mere illusions.

Godine 1781., Immanuel Kant objavio je Kritiku čistoga razuma, jednog od najutjecajnijih djela u povijesti filozofije prostora i vremena. On opisuje vrijeme kao a priori pojam koji zajedno s drugim a priori pojmovima kao što je prostor, omogućuju nam da shvatimo osjećajno iskustvo. Kant poriče da su bilo prostor ili vrijeme materija, entiteti u sebi ili iskustva; On drži, naprotiv, da su oba elementi sustavnog okvira koji koristimo za strukturiranje našeg iskustva. Prostorna mjerenja koriste se za kvantifikaciju udaljenih objekata, a vremenska mjerenja se koriste za kvantitativnu usporedbu intervala između (ili trajanja) događaja. Premda se prostor i vrijeme smatraju transcendentalno idealnim u tom smislu, oni su također empirijski stvarni - to jest ne samo iluzije.

 

Vječni tok prolaznosti / Vječna sadašnjost


<< Vakuum Index Matter >>