Оригиналът е на Ethan Siegel, BigTink Даниел Десподов 9:29 |

Оригиналът е на Ethan Siegel, BigTink

Даниел Десподов 9:29 | 26.03.2024 3 Сподели

Най-четени

IT НовиниЕмил Василев - 23:30 | 24.03.2024

Първият първообраз на свръхзвуков пътнически аероплан на Boom Supersonic излетя в небето

IT НовиниКалин Карабойчев - 14:28 | 25.03.2024

Revolut пуска eSIM, безпроблемен метод за отбягване на непредвидени такси за роуминг

ТелефониЕмил Василев - 8:00 | 25.03.2024

iPhone 16 Pro Max против Samsung Galaxy S24 Ultra: Кой ще завоюва борбата на флагманите?

Даниел Десподовhttps://www.kaldata.com/Новинар. Увличам се от модерни технологии, осведомителна сигурност, спорт, просвета и изкуствен интелект.

Ние живеем в четириизмерна Вселена, в която материята и силата изкривяват тъканта на пространство-времето. Но времето сигурно е нещо напълно друго от пространството!

Повечето от нас най-малко един път в живота си са си задавали въпроса „ Кое е най-късото разстояние сред две точки?„. По подразбиране множеството от нас ще дадат същия отговор, който Архимед е дал преди повече от 2000 години: правата линия. Ако вземете плосък лист хартия и поставите две точки където и да е върху него, можете да свържете тези две точки с която и да е линия, крива или геометрична траектория, която можете да си визиите. Докато хартията е плоска и не е изкривена по никакъв метод, правата линия, свързваща двете точки, ще бъде най-краткият път сред тях.

Ето по какъв начин работят трите измерения на пространството в нашата Вселена: в плоското пространство най-краткото разстояние сред две точки е правата линия. Това е правилно, без значение от метода на завъртане, насочване или друго разположение на двете точки. Но нашата галактика не се състои единствено от три пространствени измерения. Всъщност тя съдържа четири измерения – пространство и време. Лесно е да се огледа на това и да се каже: „ О, ами трите от тях са пространствени, а четвъртото е времето, тъй че получаваме пространство-време„. Да, по този начин е, само че това напълно не е цялата история. В последна сметка най-късото разстояние сред две събития в пространство-времето към този момент не е правата линия. И ето какво споделя науката за това.

Обикновено измерваме дистанцията сред две точки посредством изминатия път. Например линията, която свързва точките А и В. Но най-късото разстояние сред тях е правата линия, свързваща непосредствено А и В. Само че това е годно единствено за пространствените дистанции.

За множеството от нас първото запознаване с концепцията, че правата линия е най-късото разстояние сред две точки, в действителност не е било по най-очевидния метод. А посредством проучване на Питагоровата теорема. Може би си спомняте Питагоровата теорема като правилото за правоъгълните триъгълници. Ако повдигнете на квадрат всяка от късите страни и ги съберете, ще получите квадрата на дългата страна. Математически видяно, в случай че късите страни са a и b, а дългата страна е c, тогава уравнението, което ги свързва, е a² + b² = c².

Помислете какво значи това, само че не от позиция на чистата математика. А от гледната точка на дистанциите. Това значи, че в случай че се преместите по едно пространствено измерение с избрана стойност (например a), а по-късно се преместите по перпендикулярно на него измерение с друга стойност (например b), тогава дистанцията сред мястото, откъдето сте почнали, и мястото, на което сте се озовали, е c. Точно както е несъмнено от Питагоровата теорема. С други думи, дистанцията сред две точки в равнината, когато тези точки са раздалечени на a в едното измерение и на b в другото, е c, където c = √(a² + b²).

Има доста способи за решение и визуализиране на елементарното квадратно уравнение. Например a² + b² = c². Само че не всички визуализации са еднообразно потребни, когато става въпрос за разширение на това уравнение по разнообразни математически способи.

В нашата Вселена, несъмнено, ние не сме лимитирани до една повърхност като лист хартия. В нашата Вселена има освен дължина и широчина (или посоките x и y), само че и дълбочина (или посоката z). Ако желаете да определите дистанцията сред които и да е две точки в пространството, методът остава безусловно същият, както при двете измерения. Разбира се, единствено че с едно в допълнение измерение. Каквото и разстояние да разделя две точки в посоките x, y и z, можете да изчислите общото разстояние сред тях тъкмо както преди.

Само че заради спомагателното измерение дистанцията сред тях – дано го назовем d – ще бъде d = √(x² + y² + z²). Това уравнение може да ви се стори обезсърчително, само че то просто споделя, че дистанцията сред две точки се дефинира от правата линия, която ги свързва. Това е линията, която регистрира дистанцията сред двете точки и в трите измерения. В направленията x, y и z взети дружно.

Преместването сред две точки в триизмерното пространство, като да вземем за пример началната точка и показаната тук точка P, е равно на квадратния корен от сумата на квадратите на разликите на дистанциите във всяка от трите направления (x, y и z).

Едно забавно и значимо разследване от обстоятелството, че дистанцията сред две точки е права линия, е, че няма безусловно никакво значение по какъв начин определяте измеренията x, y и z. Можете да измененията координатите по този начин, че осите x, y и z да сочат в случайна посока (като остават взаимно перпендикулярни), или да завъртите линията, свързваща двете точки, на случаен ъгъл в случайна посока. Разстоянието сред тях въобще няма да се промени.

Разбира се, обособените координати ще се трансформират, в случай че погледнете под друг ъгъл или завъртите линията, свързваща двете точки. Това е по този начин, тъй като вашите дефиниции за дължина, широчина и дълбочина ще се трансформират една по отношение на друга за тази линия, когато я завъртите. Но общото разстояние сред тези две точки въобще не се трансформира. Тоест дистанцията сред тези точки остава, както споделяме, „ инвариантно “ или непроменено, без значение от това по какъв начин завъртате цялата картина.

Както е показано на фигурата, сред двата обекта, които съставляват „ двойната планета “, показана тук на напред във времето, има несъмнено разстояние. Независимо от това по какъв начин ориентирате координатната си система или по какъв начин завъртате тези планети в пространството, дистанцията сред тях остава непрекъснато.

Сега дано разгледаме освен пространството, само че и времето. Може да си помислите:

„ Е, в случай че времето също е измерение, тогава дистанцията сред две точки в пространство-времето ще работи по същия метод “.

Например, в случай че представим измерението на времето като t, може да си помислите, че дистанцията ще бъде правата линия, свързваща две точки през три пространствените измерения, както и измерението на времето. На математически език може да си помислите, че уравнението за дистанцията сред две точки ще наподобява по следния метод: d = √(x² + y² + z² + t²).

В края на краищата това е съвсем същата смяна, която направихме, когато преминахме от две измерения към три. Само че този път прекосяваме от три измерения към четири. Това е изцяло рационална стъпка, която разказва по какъв начин би изглеждала действителността, в случай че имахме четири измерения на пространството вместо три.

Но ние нямаме четири измерения на пространството. Ние имаме три измерения на пространството и едно измерение на времето. И все пак, което интуицията ви подсказва, времето не е „ просто още едно измерение “.

Фактът, че фотоапаратът ви може да „ планува “ придвижването на обектите във времето, е единствено едно от практическите приложения на концепцията за „ времето като измерение “

Времето като премерване се разграничава от измеренията на пространството по два метода. Първият не е толкоз значим: не можете да съпоставите пространството (което е измерение на разстоянието) и времето (което е измерение на времето), без да има някакъв метод за превръщане на едното в другото. За благополучие, едно от огромните открития на теорията на относителността на Айнщайн е, че съществува значима, фундаментална връзка сред дистанцията и времето. Това е скоростта на светлината. Или, еквивалентно, на всяка парченце без маса на покой, която се движи във Вселената.

Скоростта на светлината във вакуум – 299 792 458 метра в секунда – ни подсказва по какъв начин тъкмо да свържем придвижването си в пространството с придвижването си във времето. Рабира се, че посредством самата тази фундаментална константа. Когато използваме термини като „ една светлинна година “ или „ една светлинна секунда “, ние приказваме за дистанции в термините на времето. Например дистанцията, което светлината изминава за една година (или една секунда). Ако желаеме да превърнем „ времето “ в разстояние, би трябвало да го умножим по скоростта на светлината във вакуум.

Пример за светлинен конус. Това е триизмерната повърхнина на всички вероятни светлинни лъчи, които идват към и излизат от дадена точка в пространство-времето. Колкото повече се движите в пространството, толкоз по-малко се движите във времето и назад. В рамките на нашата действителна Вселена сега могат да се следят единствено ~4% от звездите и звездните системи, формирани след Големия гърмеж.

Но вторият аспект изисква голям скок в разбиранията. Той се изплъзва и на най-големите мозъци от края на XIX и началото на XX век. Ключовата концепция е, че всички ние се движим във Вселената по едно и също време в пространството и времето. Ако просто седим неподвижно и не се движим в пространството, то тогава се движим във времето с една доста характерна скорост, която всички познаваме: една секунда в секунда.

Обаче - и това е основният миг - колкото по-бързо се движите в пространството, толкоз по-бавно се движите във времето. Не по този начин стои въпросът с другите измерения. Например придвижването ви в пространството по измерението x е изцяло без значение от придвижването ви по измеренията y и z. Но цялостното ви придвижване в пространството по отношение на всеки различен наблюдаващ дефинира придвижването ви във времето. Колкото повече се движите в едното от тях (пространството или времето), толкоз по-малко се движите в другото.

Забавянето на времето (вляво) и скъсяването на дължината (вдясно) демонстрират по какъв начин времето наподобява по-бавно, а дистанциите – по-малки. Това е годно при доближаване към скоростта на светлината. Часовникът се забавя, приближавайки се до положение, в което времето въобще не тече. В същото време дистанциите понижават до безпределно дребни стойности.

Именно по тази причина относителността на Айнщайн ни дава понятия като разширение на времето и стесняване на дължината. Ако пътувате с доста ниска скорост в съпоставяне със скоростта на светлината, няма да забележите тези резултати. В този случай времето наподобява, че се движи с една секунда в секунда за всички. А дължината наподобява идентична за всички при скорости, които нормално се реализират на Земята.

Но когато се доближите до скоростта на светлината се случва нещо друго. Или по-скоро, когато възприемете обект, чиято скорост по отношение на вас е близка до скоростта на светлината, ще забележите, че той се свива по посока на относителното придвижване и неговият часовник като че ли върви по-бавно спрямо вашия личен часовник.

Причината за това, както схваща Айнщайн, е простичка. Скоростта на светлината е идентична за всички наблюдаващи. Ако си визиите часовник, основан на фотон, който се отразява от две огледала. Тогава наблюдението на непознат часовник, движещ се със скорост, близка до скоростта на светлината, неизбежно ще ви докара до заключението, че този часовник върви по-бавно от вашия личен.

Светлинният часовник, формиран от фотон, който се отразява от две огледала, дефинира времето за всеки наблюдаващ.

Но тук има още по-дълбок смисъл, който даже самият Айнщайн в началото не е осъзнал. Нека приемем времето като измерение. А по-късно го умножим по скоростта на светлината и – тук е огромният скок – го преглеждаме като мислено, а не като действително. Тогава можем да дефинираме „ интервала пространство-време “ по същия метод, по който дефинирахме дистанцията. Само че, защото имагинерното число i е просто √(-1), това значи, че интервалът на пространство-времето в действителност е d = √(x² + y² + z² – c²t²). (Обърнете внимание на знака минус, прикован към координатата на времето!)

С други думи, трансформацията от „ придвижване в пространството или разстояние в пространството “ към „ придвижване във времето или разстояние във времето “ също е завъртане. Но завъртане не в декартовите координати на пространството (където x, y и z са действителни числа), а в хиперболичните координати на пространство-времето. Там в случай че пространствените координати са действителни, то координатата на времето би трябвало да е имагинерна.

По щастливо стичане на събитията индивидът, който пръв сглобява тези части от пъзела, е някогашният преподавател на Айнщайн Херман Минковски, който през 1907 година отбелязва:

„ Отсега нататък пространството единствено по себе си и времето единствено по себе си са обречени да се трансфорат в елементарни сенки и единствено някакво обединяване на тези две феномени ще резервира самостоятелна действителност “.

Благодарение на математическата суровост на Минковски понятието пространство-време освен се ражда, само че и остава с нас за дълго време.

Хиперболичните координати, нарисувани в алено и синьо, се подчиняват на радикално разнообразни математически връзки сред два разнообразни набора от оси. Разбира се спрямо обичайните декартови координати, сходни на правоъгълна мрежа

Забележително е, че Айнщайн, на който му липсва математическата прозорливост, с цел да разбере по какъв начин тъкмо измерението на времето се отнася към трите обичайни измерения на пространството, въпреки всичко е в положение да сформира физическата картина на протичащото се. Увеличаването на скоростта на придвижване в пространството понижава скоростта на придвижване във времето, а увеличението на скоростта на придвижване във времето понижава скоростта на придвижване в пространството. Всички измерения на пространството и времето имат смисъл единствено във връзка с наблюдаващия. И зависят от относителното придвижване на наблюдаващия и следеното.

И въпреки всичко пространствено-времевият период остава еднакъв. Независимо от това кой следи и с каква скорост се движи, придвижването на всеки обект в пространство-времето е нещо, с което всички наблюдаващи могат да се съгласят. В някои връзки триумфът на теорията на относителността става още по-впечатляващ в светлината на признателността на Минковски към Айнщайн. В диалог със своя (по-късен) възпитаник Макс Борн Минковски споделя следното,

„ За мен [относителността] беше огромна изненада, тъй като като студент Айнщайн беше същински лентяй. Той въобще не се замисляше за математиката “.

За благополучие във физиката висшият съдия на научната истина е самата Вселена, а не нечие мнение.