Boguddrag: 'Nu: Tidens Fysik' (Usa 2016)

{h1}

Et uddrag fra bogen "now: the physics of time" af richard a. Muller.

Du læser ordet "nu" lige nu. Men hvad betyder det? Hvad gør det efemere øjeblik "nu" så specielt? Dens gådefulde karakter har bedøvede filosoffer, præster og moderne fysikere fra Augustin til Einstein og videre. Einstein viste, at tidens strøm er påvirket af både hastighed og tyngdekraft, men han fortvivlede ved hans manglende evne til at forklare betydningen af ​​"nu". Lige forvirrende: hvorfor går tidstrømmen? Nogle fysikere har givet op for at forsøge at forstå og kalde tidens strøm en illusion, men den fremtrædende eksperimentalistiske fysiker Richard A. Muller protesterer. Han siger, at fysik skal forklare virkeligheden, ikke benægte det. I "Nu: Tidens fysik", gør Muller mere end at kaste huller i tidligere ideer; han håndterer sin egen revolutionerende teori, en der skaber testbare forudsigelser. Han begynder ved at lægge en fast og bemærkelsesværdig klar forklaring på de fysiske bygningsblokke i hans teori: relativitet, entropi, entanglement, antimatter og Big Bang. Med scenen derefter indstillet, afslører han en spændende vej fremad. Nedenfor er et uddrag fra Muller "Nu: Tidens fysik" (W. W. Norton & Company, 2016).

Fysikere bliver ofte forvirret af deres egne ligninger. Det er ikke altid let at se implikationerne, selv de mest dramatiske. For at hjælpe med at forstå deres egen matematik, ser de på ekstreme tilfælde for at se, hvad der sker. Og ingen ekstrem situation er mere ekstreme i dette univers end den ekstreme af sorte huller. At se på sorte huller giver os vigtige indsigter i nogle meget specielle aspekter af tiden.

Hvis du kredser et lille sort hul (massen af ​​solen) fra en rimelig afstand - siger tusind miles - du vil ikke føle noget særligt. Du er i omløb om et massivt objekt, som du ikke kan se. Da du er i kredsløb, føler du dig vægtløs, ligesom alle banebrydende astronauter føler. Du bliver ikke suget i; sorte huller (på trods af populær science fiction) trækker dig ikke ind. Hvis du var i kredsløb om solen, ville du være inde i den tætte afstand, og du ville brænde til en skarp i en millionthund et sekund, men det sorte hul er mørkt. (Mikroskopiske sorte huller udstråler, men meget lidt kommer fra store.)

Afstanden omkring din kredsløb er 2π gange din radiale koordinatværdi på 1.000 miles. Hvis en ven kører i hullet, men på den anden side går den modsatte retning, så møder man efter hver gang en kvart omløb. Men når din ven er diametralt modsat dig, er den lineære afstand mellem dig uendelig. Der er meget plads i nærheden af ​​det sorte hul.

Hvis du brænder dine retrorockets og stopper din orbitale bevægelse, vil du faktisk blive trukket ind i hullet, ligesom du ville blive trukket ind i noget massivt objekt. (Måden satellitter de-bane er netop, at: skyde retrorockets og derefter lade tyngdekraften trække dem ind.) Før ti minutter passere i din rette ramme, inden du er ti minutter ældre, kommer du til overfladen af ​​det sorte hul på Schwarzschild radius (diskuteret i kapitel 3). Nu for nogle forbløffende resultater med tiden. Når du rammer den overflade, ti minutter efter begyndelsen af ​​dit fald, vil den tid, der måles på rammen af ​​kredsløbsstationen, nå uendelig. * [1]

Det er rigtigt. Det tager uendelig tid at falde i et sort hul, målt fra rammen af ​​nogen udenfor. Fra din accelererende ramme falder ind, tager det kun ti minutter. Om elleve minutter er tiden udenfor gået til uendelig og videre.

Det er absurd! Måske, men i klassisk relativitet er det sandt. Selvfølgelig er der ingen måde for dig at opleve det potentielle paradoks, for ud over uendelig er tiden på ydersiden, og når du er kommet ind i det sorte hul, er du der for evigt. Der er ingen målbar modsigelse. Dette er et eksempel på, hvad fysikere kalder censur. Den absurditet er unobservable, så det er ikke rigtig en absurditet.

Er du tilfreds med det "ud over uendeligt men censureret" svar? Jeg formoder ikke det. Jeg finder det sindsløs. Men alt i tide finder jeg tankegang. Vi vil støde på et andet absurd men censureret resultat med kvantebølgefunktioner og entanglement. Disse eksempler udfordrer vores følelse af virkelighed og efterlader en utilfreds følelse. Som Nietzsche sagde: Når du ser lang ind i en afgrund, ser også afgrunden tilbage i dig.

Sorte huller må ikke suges

Lad os vende tilbage til min opfattelse, at sorte huller ikke suger dig ind, at du kredser et sort hul, ligesom du ville bane nogen anden masse. Antag, at kviksølv var rundt om et sort hul, der havde den samme masse som solen har. Hvordan ville kredsløbet være anderledes? Ifølge den populære tro vil det sorte hul suge den lille planet ind. Ifølge generel relativitet ville der ikke være nogen forskel i kredsløb. Selvfølgelig ville kviksølv ikke længere være varmt, da solens intense stråling ville blive erstattet af det sorte huls kolde mørke.

Kviksølv kredser øjeblikket solen i en radial afstand på 36 millioner miles. Antag at du rundede solen på 1 million miles fra centrum, lige over solfladen. Bortset fra varmen, og muligvis trække fra solens atmosfære, ville du krydse rundt i et cirkulært kredsløb og vende tilbage til dit udgangspunkt i om ti timer. Udskift nu solen med et solmasse sort hul. Du ville stadig bane om ti timer. Graviteten, i den afstand, ville være identisk med solen. Du er nødt til at komme meget tæt på et sort hul, før du mærker nogen specielle effekter.Som med enhver stjerne, jo tættere du får, desto hurtigere er du nødt til at flytte for at blive i en cirkulær kredsløb. Som en tommelfingerregel ser du ikke meget forskel, før du er så tæt på, at din omkredshastighed nærmer sig lysets hastighed.

For solen er den maksimale tyngdekraft på overfladen, ligesom jorden er. Gå under overfladen, og den masse der tiltrækker dig, massen under dig, er mindre end på overfladen. I centrum af solen er tyngdekraften nul.

For et sort hul er overfladen imidlertid tæt på midten. Fra Schwarzschild-ligningen, som jeg gav tidligere, kan radiusen af ​​et sol sort hul beregnes til at være ca. 2 miles. I en afstand af 10 miles for at forblive i kredsløb skal du flytte ved en tredjedel lysets hastighed; din kredsløbsperiode ville være en tusindedel af et sekund. Under disse forhold må vi bruge relativitet til at foretage beregningerne.

Reaching Lightspeed og Går ud over uendelig

Når du kommer i nærheden af ​​et sort hul, går tiden meget langsomt, og selvom afstanden omkring banen kan være lille, er der meget plads mellem dig og hullet. Rummet er traditionelt afbildet til fysikstuderende med et diagram som det i figur 7.1. Tænk på dette diagram som et sort hul i 2D plads (overfladen). Det sorte hul selv er i centrum, under hvor det buede rum peger.

Dette er et nyttigt diagram, men det er noget vildledende, fordi det indebærer, at rummet skal bøje sig ind i en anden dimension (for dette diagram, det er den dimension, der går nedad) for at imødekomme de enorme afstande tæt på det sorte hul. Faktisk er ingen sådan dimension nødvendig; rummet bliver simpelthen komprimeret fra relativistisk længdeforkortelse. Diagrammet bruges også i populære filmbilleder af sorte huller. Når Jodie Foster falder ind i et ormhul i kontakt, ser det meget ud som diagrammet i figur 7.1. (Wormholes ligner to næsten svarte huller tilsluttet før Schwarzschild-radiusen er nået, fald i en, flyve den anden ud.)

Figur 7.1. Afbildning af et 2D sort hul. Afstanden til det sorte hul, målt efter den tid det tager lys for at nå det, er uendeligt, selv om afstanden til at gå rundt om den er den samme som i det almindelige rum.

Figur 7.1. Afbildning af et 2D sort hul. Afstanden til det sorte hul, målt efter den tid det tager lys for at nå det, er uendeligt, selv om afstanden til at gå rundt om den er den samme som i det almindelige rum.

Kredit: Richard A. Muller

Faktisk ville et sort hul slet ikke se ud som diagrammet. Medmindre andre ting faldt sammen med dig, ville det bare ligne en helt sort sfære.

Med denne advarsel er diagrammet nyttigt. Det illustrerer de grundlæggende træk ved sorte huller og kan bruges til at besvare nogle enkle spørgsmål, såsom: Hvor langt er det udefra (den relativt flade region) til overfladen af ​​det sorte hul? Svaret er uendeligt. Mål langs den faldende overflade i hullet, og du går ned for evigt. Du rammer kun det nederste huls radius, men det er uendeligt langt nede.

Hvis det er uendeligt på overfladen af ​​det sorte hul, hvad mente jeg da jeg sagde, at du var 10 miles fjern? Jeg tilstår, at jeg var vildledende. Jeg brugte de konventionelle koordinater. Den radiale koordinat r er defineret ved at sige afstanden omkring det sorte hul er 2πr, ligesom i det almindelige rum. I figur 7.1 er de konventionelle x, y-koordinater repræsenteret af gitterlinierne. Bemærk, hvor langt fra hinanden de kommer i hullet; den store afstand imellem dem viser, at der er meget plads derinde. Fysikere bruger disse konventionelle koordinater i ligningerne, men de husker på, at afstanden mellem 3-mile markøren og 4-mile markøren måske faktisk er 1.000 miles. Fordi konventionel geometri ikke virker her, kan vi ikke beregne afstanden mellem to punkter ved blot at tage forskellen i koordinaterne.

Faktisk er der ingen sorte huller

Du kan finde lister over mistænkte sorte huller i astrofysikbøger og online. Wikipedia artiklen "List of Black Holes" identificerer mere end halvfjerds. Her er fangsten: Vi har grund til at tro, at ingen af ​​disse faktisk er sorte huller.

Den måde, som en astronom identificerer en black hole-kandidat, er at finde et objekt, der er meget massivt, typisk flere gange solens, men udsender kun lidt eller ingen stråling. Nogle af de kandidatobjekter udsender røntgenstråler, som antages at indikere, at en klump af materie (en komet? En planet?) Falder ind, og som den bliver, bliver den flået adskilt og opvarmet af de store tyngdeforskelle på tværs af sin egen krop, nok til at udsende røntgenstråler. Andre kandidater, kaldet supermassive sorte huller, indeholder hundredvis af millioner solmasser.

En sådan supermassiv objekt findes midt i vores egen Melkevejs Galaxy. Vi ser stjerner, der kører meget tæt på dette center og bevæger sig og accelererer meget hurtigt, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​en meget stor masse. Men der er ikke noget lys, så uanset hvad der trækker disse stjerner er ikke en stjerne selv. Fysik teorier tyder på, at en så stor ophobning uden emission kun kan være et sort hul.

Hvorfor siger jeg at der ikke er sande sorte huller på listen? Husk beregningen, der viser, at det tager uendelig tid at falde i et sort hul. En lignende beregning viser, at det tager uendelig tid at danne et sort hul, målt i vores tidskoordinat. Alt dette materiale skal falde, effektivt, en uendelig afstand. Så medmindre de sorte huller allerede eksisterede i det øjeblik universet blev oprettet, medmindre de var primordiale sorte huller, har de endnu ikke nået sandt sorte hullestatus; der har ikke været nok tid (fra vores udvendige rette ramme) til sagen at falde den uendelige afstand, som karakteriserer et ægte sort hul. Og der er ingen grund til at tro, at nogen af ​​objekterne er primordiale (selv om nogle mennesker spekulerer på at en eller flere kan være).

Jeg er lidt pedantisk.Det tager evigt at falde i et sort hul, men du kommer ganske tæt på blot et par minutter, i din egen rette tid målt af dit eget medfaldende ur. Fra ydersiden rammer du aldrig overfladen, men du bliver til en crepe-lignende genstand i relativt kort rækkefølge. Så, i en vis forstand betyder det ikke noget. Det kunne være, hvorfor Stephen Hawking i 1990 besluttede at betale sin 1975-indsats med Kip Thorne og indrømme, at Cygnus X-1, røntgenkilden i konstellationen Cygnus, faktisk var et sort hul. Teknisk var Hawking rigtigt, ikke Thorne. Cygnus X-1 er 99,999 procent af vejen til at være et sort hul, men det vil tage (fra referencerammen af ​​Hawking og Thorne) for altid at gå resten af ​​vejen.

Et bestemt kvantekryds kunne omgå min udsagn om, at sorte huller ikke eksisterer. Selv om det tager for evigt for et sort hul at danne sig i Einsteins oprindelige generelle relativitetsteori, tager det ikke for længe for en til "næsten" form. Tiden fra, når det faldende stof når to gange størrelsen af ​​Schwarzschild-radiusen, til når den når inden for en lille afstand, hvor kvanteffekter er store (kaldet Planck-afstand, noget vi diskuterer senere), er mindre end tusindedel af et sekund. På det tidspunkt forventer vi ikke den almindelige generelle relativitetsteori at holde op.

Hvad sker der nu? Faktum er, vi ved ikke rigtig. Mange mennesker arbejder på teorien, men intet er endnu blevet observeret og verificeret. Det er interessant, at Hawking betalte sit væddemål med Thorne om, hvorvidt Cygnus X-1 virkelig er et sort hul; måske følte han, at det er så tæt på at være et sort hul, som det næppe betyder noget, eller måske blev han overbevist om, at inklusion af kvantefysik kaster tvivl om uendelig tidsberegning.

Det faktum, at sorte huller endnu ikke eksisterer - i det mindste "endnu ikke" ifølge en udvendig ramme - er et fint punkt, og normalt ikke engang nævnt til nonexpert. Men du kan muligvis vinde et væddemål ved hjælp af denne "tro det eller ej" faktum.

En anden Lightspeed Loophole

I kapitel 5 gav jeg et eksempel på, hvordan acceleration af din rette ramme ved 1 g kan resultere i afstanden mellem dig og et fjernt objekt (målt i den accelererende ramme), der ændrer sig med en hastighed på 2,6 gange lysets hastighed. Med Lawrence Berkeley Laboratory Electron Accelerator BELLA kan du ændre afstanden til Sirius i elektronens rette ramme med en tilsvarende hastighed på 8,6 mia. Du kan gøre endnu bedre. Du kan ændre afstande med uendelig hastighed. Sådan er det.

Forestil dig at du og jeg er et par meter fra hinanden, i rummet, intet andet rundt. Antag, at vores rigtige rammer er identiske, så i den ramme er vi begge i ro. Få nu et lille primordialt (helt dannet) sort hul, måske en vejning kun få pund. Plunk det lige imellem dig og mig. Den sorte huls tyngdekraften er ikke større end for noget andet objekt med samme masse, så vi føler ikke nogen usædvanlige kræfter. Når det sorte hul er på plads, bliver den lineære afstand mellem dig og mig uendelig. Du kan se dette på black hole diagrammet. Afstanden mellem os er ændret. Men vores placeringer har ikke.

Har vi "flyttet"? Nej. Har afstanden mellem dig og mig ændret sig? Ja. Enormt. Rummet er flydende og fleksibelt. Den kan komprimeres og strækkes. En uendelig koncentration af plads kan bevæges om let, da den kan være lys i masse. Det betyder, at afstande mellem objekter kan ændre sig med vilkårlige hurtige satser, selv lysår i sekundet eller hurtigere. Det er som om du bevæger dig med super fart - selvom du slet ikke bevæger dig.

Som jeg nævnte tidligere, vil disse begreber blive vigtige, når vi diskuterer moderne kosmologi i senere kapitler. Især er de grundlaget for inflationstanken, der bruges til at forklare det forvirrende paradoks, at universet er bemærkelsesværdigt ensartet, selvom det er så stort, at det aldrig (tilsyneladende) havde tid til at etablere en sådan ensartethed. Mere om det senere.

ormehuller

Et ormhul er et hypotetisk objekt, der ligner et sort hul, men i stedet for det buede rum når ned til en genstand med stor masse, spredes det til sidst og fremkommer på et andet sted. Det enkleste ormhul svarer meget til to ikke helt sorte huller forbundet nær bunden. ("Ikke helt" betyder at du kan falde ind og skyde ud på den anden side i en endelig tid.) For at det kan ske, kan du forestille dig, at rummet er foldet, så hvor ormhullet kommer ud er over foldet (se figur 7.2). Der er dog ingen grund til at forestille sig det. Husk at dybden til bunden af ​​det sorte hul er udefra, fra den yderste referenceramme. Så selvom et ormhul ikke er så dybt, kan det være dybt nok til at nå hvor som helst.

Figur 7.2. Konceptuel afbildning af et 2D maskhul. To næsten svarte huller forbinder to områder af rumtiden. Falde i den ene side og spring den anden ud.

Figur 7.2. Konceptuel afbildning af et 2D maskhul. To næsten svarte huller forbinder to områder af rumtiden. Falde i den ene side og spring den anden ud.

Kredit: Richard A. Muller

Et problem med enkle ormhuller er, at beregningerne viser, at de ikke er stabile. Med ingen masse i bunden for at holde det buede rum på plads, forventes ormhulet at kollapse hurtigere, end en person kunne skyde igennem. Vi kan muligvis stabilisere et ormhul (som at stabilisere en kulminde ved at sætte op kolonner), men den nuværende teori siger, at vi for at gøre det ville have brug for noget, vi endnu ikke har opdaget, en slags partikel, der har negativ energi i dens Mark. Et sådant felt kan være muligt - i det mindste kan vi ikke udelukke det - så science fiction er velkommen til at gå videre og antage, at vi i fremtiden har været i stand til at skabe stabile og nyttige ormhuller.

Wormholes er den nuværende science fiction ortodoksi for hurtige rejser dækker afstande af mange lysår. Selv Star Trek-termidrevet, der også bruges i Doctor Who-serien, antyder, at 4D-rumtidsuniverset er bøjet ind i en femte dimension, der bringer fjerne objekter tæt på hinanden. Det samme gælder for filmversionen af ​​Dune, hvor Guildet bruger et specielt materiale kendt som krydderi til at bøje plads. (I romanen dækker de simpelthen afstande hurtigere end lys, men filmen gør relativistisk fornemmelse af den evne.)

Wormholes fascinerer også science fiction fans, fordi nogle fysikere har hævdet, at de ville gøre rejse tilbage i tiden muligt. Når vi dykker i betydningen af ​​tidens strømmen, betyder betydningen af ​​nu og tidernes rejse, at du kan se, hvorfor jeg ikke er enig i, at at passere gennem et ormhul kunne opnå tilbageskridt på tide.

Det er forbløffende for mig, at selvom vi ikke ved, hvorfor tiden flyder, kan vi snakke præcist om den relative tidstrøm på forskellige steder, og at sådanne strømme sker ved forskellige hastigheder. Tiden strækker sig og krymper, afhængigt af fysikken. Det næste skridt i fysikken forklarede heller ikke tidens strømningshastighed, men det tog fat på det enklere spørgsmål om dets retning: Hvorfor løber tiden fremad snarere end bagud?


[1] * L. Susskind og J. Lindesay diskuterer denne uendelige høsttid i en introduktion til sorte huller, information og stringteorirevolutionen (2005), s. 22. De stationerer "Fidos" observatører langs faldstien, der ser objektet falde og rapporterer til outsideren. "Ifølge dette synspunkt krydser partiklen aldrig horisonten, men nærmer sig asymptotisk det." Quantumteori kunne tænkeligt ændre denne konklusion.

Køb nu: Tidens fysik på Amazon.com >

Copyright © 2016 af Richard A. Muller. Brugt med tilladelse fra W. W. Norton & Company, Inc. Alle rettigheder forbeholdes.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com