Einstein'ın harika teorisinin arkasında her şey hakkında basit bir düşünce var
Yüz yıldan daha uzun bir süre önce, Einstein'ın görelilik teorisi fizikte bir devrim yarattı ve fizikçilerin uzay, zaman ve hatta bilgi hakkında temel sorular sormasına yardımcı oldu. Bununla birlikte, Einstein'ın teorisinin en devrimci kısmı çok az ilgi gördü. Kara deliklerin yerçekimi olmadan, hatta kuarkların cazibesi olmadan yerçekimsel dalgalarla hiçbir ilgisi yoktur. Ancak bu garip fenomenin arkasında görünüşte basit bir fikir var. Her şeyi birbirine bağlar ve ilerideki keşif yolunu aydınlatır.
"İlişki" en önemli şeydir
Bu basit teori şudur: dışsal değişiklikler gerçek değişiklikler anlamına gelmez. Doğa, dış biçimini çeşitli beklenmedik şekillerde değiştirmiş gibi görünse de, en temel özü değişmeden kalır. Örneğin, Einstein'ın görelilik üzerine 1905 tarihli makalesi tartışılmaz bir sonuca ulaştı: Enerji ve kütlenin kendisi çok farklı biçimler alabilse de, enerji ile kütle arasındaki ilişki aynı kalır. Güneş enerjisi toprağa ulaşır, fotosentez yoluyla besin oluşturur ve düşüncemiz için enerji sağlar. ("Düşüncelerimiz nelerdir? Bu bilinçli atomlar nelerdir?" Richard Feynman bir keresinde sordu, "Cevap geçen haftanın patatesleri!")
E = mc2'nin anlamı budur. c, çok büyük bir sayı olan ışığın hızını temsil eder, dolayısıyla formülden çok fazla enerjinin çok fazla madde olmadan üretilebileceği görülebilir; aslında güneş her saniye milyonlarca ton kütleyi enerjiye dönüştürür. Sonsuz madde, evrene, maddeye ve hayata güç sağlamak için enerjiye (ve tersi) dönüştürülür. Ancak tüm bunlardan sonra, evrendeki toplam enerji ve madde miktarı hiçbir zaman değişmemiştir. Bu tuhaf, ama doğru: madde ve enerji arasındaki ilişki daha önemli.
Brown Üniversitesi'nde fizikçi olan Stephon Alexander'a göre, gerçekliğin özünün ilişkilerden ziyade nesnelerin kendileri olduğunu düşünme eğilimindeyiz. Ancak çoğu durumda durum tam tersidir. Einstein da bunu kanıtladı. Uzay küçülse ve zaman genişlese bile, Uzay ve zaman arasındaki ilişki değişmeden kalır . Tıpkı enerji ve madde gibi, uzay ve zaman da yalnızca değiştirilebilir temsillerdir ve bunun arkasında ikisi arasındaki değişmeyen ilişki vardır. Fizikçi Robbert Dijkgraaf (Robbert Dijkgraaf), "Einstein, uzay ve zamanın nesneler arasındaki ilişki tarafından kurulduğunun son derece farkındaydı." Dedi.
Princeton Institute for Advanced Study'nin direktörüydü ve Einstein hayatının son on yılını orada geçirdi. Einstein'ın teorisi üzerinde en büyük etkiye sahip olan ilişki simetri . Bilim adamları simetriyi genellikle "gerçekten değişmeyen değişiklikler, farklılıklara neden olmayan ve derin ilişkileri değişmeden tutan değişiklikler" olarak tanımlarlar. Kulağa karmaşık gelse de hayatta pek çok örnek var: altıgen bir kar tanesini 60 derece döndürmek hala aynı görünüyor; tahterevallide pozisyon değiştirmek dengeyi bozmayacaktır. Daha karmaşık simetri, fizikçilerin nötrinolardan kuarklara kadar her şeyi keşfetmesine izin verdi ve hatta Einstein'ın evrensel çekimin zaman ve uzay eğriliğinin bir tezahürü olduğunu keşfetmesine yardımcı oldu.
Geçtiğimiz birkaç on yılda, simetri teorisine dayalı olarak tahmin edilen yeni parçacıklar beklendiği gibi keşfedilmedi ve tespit edilen Higgs bozonu, bilinen herhangi bir simetri yapısına uymak için çok hafif. Bu, bazı fizikçilerin simetriye sürekli dikkatin eskisi kadar verimli olup olmadığını sorgulamasına neden oldu. Simetri aynı zamanda yerçekiminin neden bu kadar zayıf olduğunu, boşluğun neden bu kadar küçük olabileceğini ve karanlık maddenin neden şeffaf olduğunu açıklayamıyor. Pennsylvania Üniversitesi'nden fizikçi Justin Khoury, "Parçacık fiziğinde simetri genellikle doğanın temeli olarak kabul edilir, ancak bu bir önyargıdır" dedi. "Simetri güçlüdür, ancak belki Şimdiye kadar işe yaramış bu güzel prensiplerden vazgeçmeliyiz. Şimdi çok ilginç bir zaman. "
Sabit ışık hızı
1905'te Einstein ilk görelilik makalesini yazdığında, değişmezliği veya simetriyi dikkate almadı. Ancak tarihçiler, İsviçre Patent Ofisi'ndeki görev süresi boyunca fiziksel dünyadan tecrit edilmesinin, her şeyi görmesine yardımcı olabileceğini düşünüyor.
Zamanının diğer fizikçileri gibi Einstein da görünüşte ilgisiz bazı problemler hakkında düşünüyordu. Örneğin, elektrik ve manyetik alanlar arasındaki yakın bağlantıyı ortaya çıkaran Maxwell denklemleri, gözlemci ister hareketli ister sabit olsun, farklı referans çerçevelerinde çok farklı görünür. Ek olarak, uzayda elektromanyetik alan yayılma hızı, ışık hızıyla neredeyse tamamen aynıdır ve ışığın hızı zaten değişmeyecektir. Gözlemci ışığa doğru koşuyor veya ışıktan dışarı fırlıyor olabilir ve hız değişmemiş olabilir.
Einstein şu görüşleri birbirine bağladı: Işık hızı, uzayın kendisinden daha temel bir kavram olan elektrik ve manyetik alanlar arasındaki simetrik ilişkinin ölçülebilir bir ifadesidir. Işığın hareketinin başka maddelerden geçmesine gerek yoktur, kendisi hareket halindeki bir elektromanyetik alandır. Bu şekilde bakıldığında, "durağan" kavramı gereksiz ve saçmadır. Olaylar bir gözlemciye aynı anda gerçekleşmiş gibi görünebilir, ancak başka bir gözlemciye görünmeyebilir ve her iki görüş de doğrudur. Einstein'ın görelilik teorisi hakkındaki ikinci makalesi, ışık huzmelerini kovalarken ortaya çıkan başka bir tuhaf etkiyi tartıştı. "Bir nesnenin eylemsizliği içerdiği enerjiye bağlı mı?
Cevap Evet. Kütle, bir kütle noktasının eylemsizliğinin bir ölçüsüdür. Kütle ne kadar büyükse, atalet o kadar büyük olur. Bir cisim ışık hızına yaklaştığında kütlesi sonsuz olur. Bu nedenle hareket enerjisi kütleye dönüştürülür. Einstein, "Kütle ile enerji arasında esaslı bir fark yoktur." Diye yazdı. Massachusetts Institute of Technology'de fizikçi ve bilim tarihçisi olan David Kaiser, "O, zaman ve mekanda tam anlamıyla birleşik bir düşünme biçimi oluşturmadı" dedi. Aslında, Einstein'ın zaman ve uzayın ayrılmaz bir bütün olduğunu gerçekten kabul etmesi birkaç yılını aldı.
Zaman ve mekanın birleşmesi anlaşılması zor bir kavramdır. Ancak, "hız" ın gerçek anlamını düşünürsek, mantıklı gelmeye başlar. Her hız gibi ışık hızı da bir ilişkidir - zaman içinde hareket eden mesafe. Ancak ışık hızıyla ilgili özel olan şey, sabit olmasıdır. Bu nedenle, mesafe ve zamanın gözlem sonuçları, bir kişinin hareket durumuna bağlı olarak değişecek ve sözde "uzay büzülmesine" ve "zaman genişlemesine" yol açacaktır. Ancak sabit şudur: İki kişi birbirine göre ne kadar hızlı hareket ederse etsin, "uzay-zaman aralığı" değişmez. Masanızda oturarak zamanda yolculuk ettiniz, ama uzayda seyahat etmediniz; kozmik ışınlar uzun mesafelerde ışık hızıyla uçarlar, ancak zamanda zar zor geçer ve sonsuza kadar "genç" kalırlar. Ne olursa olsun, bu ilişki aynı kalır.
Yerçekimi: Uzay-zaman eğriliği
Özel görelilik teorisine "özel görelilik" de denir çünkü bu, yeryüzüne düşen nesnelerin hızlandırılmış hareketine değil, yalnızca zaman ve uzaydaki sabit ve değişmeyen hareket için geçerlidir. Einstein'ı rahatsız eden şey, teorisinin yerçekimini içermemesi ve ona yerçekimini dahil ederek simetriyi düşüncesinin özü haline getirmesiydi.
Yerçekimi kütleye bağlıysa, bir nesnenin kütlesi ne kadar büyükse, o kadar hızlı düşmelidir. ama gerçek bu değil. Yere yan yana bir demet buruşuk kağıt ve bir sürü ağır anahtar atın ve hemen hemen aynı anda yere indiklerini göreceksiniz.Galileo ayrıca Eğik Pisa Kulesi'nden farklı kalitede demir topları düşürdüğünde ve sonuca vardığında: görmezden gelin Hava direnci ile tüm nesneler aynı hızda düşecektir.
Einstein'ın ünlü bir düşünce deneyi vardı, yukarıdan düşen birini hayal etti. Bu kişi, yer yolu engelleyene kadar uzayda bir astronot gibi yüzecek. Serbest düşüşteki insanların kendilerini ağırlıksız hissedeceklerini fark ettiğinde, bu keşfi hayatındaki en mutlu düşünce olarak adlandırdı. Genel görelilikteki tüm matematiksel ayrıntıları açıklığa kavuşturmak için çok zaman harcamasına rağmen, kanıtladığında Yerçekimi, uzay-zamanın kendisinin eğriliğidir O sırada yerçekiminin gizemi çözüldü. Einstein'ın hayal gücündeki kişi veya Galileo'nun demir topu gibi "düşen" nesneler, kavisli bir uzay-zaman yolu boyunca hareket eder.
Özel görelilik teorisinin ortaya çıkmasından on yıl sonra, genel görelilik teorisi ilk kez yayınlandı ve yeni bir soru ortaya attı: enerjinin güçlü bir şekilde kavisli bir uzay-zamanda korunması imkansız görünüyor. Hepimizin bildiği gibi, doğada enerji (kütle biçimindeki enerji dahil), elektrik yükü ve momentum gibi belirli miktarlar her zaman korunur. Alman matematikçi Emmy Noether, korunan her miktarın özel bir simetriye karşılık geldiğini kanıtladı, bu gerçek bir değişim getirmeyecek bir değişiklik. Natto, genel göreliliğin simetrisini kanıtladı , Farklı referans çerçeveleri arasında dönüştürme yaparken değişmezliği, enerjinin her zaman korunmasını sağlar. Einstein'ın teorisi kurtarıldı. O zamandan beri hem Natto hem de simetri fizik arenasının merkezini işgal etti.
Parçacıkların kanonik simetrisi
Einstein'dan sonra simetrinin çekiciliği daha da güçlenecek. Paul Dirac, kuantum mekaniğini özel göreliliğin simetri gereksinimleriyle uyumlu hale getirmeye çalıştı ve "antimadde" nin olması gerektiğini belirten bir denklemde negatif bir işaret buldu. Var. Kısa bir süre sonra Wolfgang Pauli, radyoaktif parçacıkların bozunma sürecinde neden enerji kaybettiklerini açıklamaya çalıştı. Kayıp enerjinin bilinmeyen bir parçacık tarafından taşınmış olabileceğini tahmin etti. Evet, bu tür bir parçacık Nötrino .
1950'lerden beri değişmezliğin kendine ait bir yaşamı vardır ve giderek daha soyut hale gelmiştir. Kaiser'in sözleriyle, zaman ve mekan simetrisinin "dışında". Kaiser, bu yeni simetrinin " Kanonik simetri ", son derece üretken oldu. Kaiser, W ve Z bozonlarından gluonlara kadar her şeyin gerekli olduğunu söyledi." Bu temel simetrinin ne pahasına olursa olsun korunması gerektiğine inandığımız için, yeni bir tane icat ettik. şeyler. "Normun simetrisi, eklemeniz gereken diğer bileşenleri belirler."
Gösterge simetrisi, bir parçacık sisteminin iç yapısını tanımlar Ve bu parçacıklar dünyamızı oluşturur. Fizikçiler, önemli bir şeyi değiştirmeden denklemin tüm yollarını değiştirebilir, döndürebilir, deforme edebilir ve bozabilir. Alexander şöyle dedi: "Simetri size bir nesneyi kaç şekilde çevirebileceğinizi ve kuvvetin çalışma şeklini değiştirebileceğinizi söyler, ancak hiçbir şeyi değiştirmez." Simetriyi düzenleyen soyut düşünce, bazı yönlerden bazı sorunlara neden olmuştur.
Enstalasyonun tamamını görmediniz, sadece sonucu gördünüz, "dedi Dekhlaf." Normatif simetrinin hala birçok anlaşılmaz yönü olduğunu düşünüyorum. Gösterge simetrisi basit bir fiziksel sistemi birçok farklı şekilde tanımlar. Pennsylvania Üniversitesi'nden bir fizikçi olan Mark Trodden'in dediği gibi, bu bir çeşit fazlalıktır. Ölçü alanı teorisinin özellikleri, hesaplamaları aşırı derecede yapar karmaşık. Çok sayıda karmaşık hesaplama basit bir cevaba götürdü. Bu soruları gündeme getiriyor: Bu neden oluyor? Karmaşıklık nereden geliyor?
Bu içsel karmaşıklık, basit genel simetri ilkesine ters düşer. İkincisi için, fayans döşemek gibi tekrarlanır, "Sadece küçük bir parçayı görmeniz gerekir ve gerisini tahmin edebilirsiniz." Dyckheraf dedi. Enerjinin korunumu yasasını tatmin etmeniz gerekmiyor ve maddenin korunmasını tatmin eden başka bir yasaya da ihtiyacınız yok. Evren simetriktir çünkü büyük ölçekte tek tiptir; sol, sağ, yukarı veya aşağı yönleri yoktur. "Olmasaydı, kozmoloji karmakarışık olurdu." Dedi Cooley.
Simetriyi kır
En büyük sorun, Mevcut simetri anlayışımız, fizikteki en önemli problemlerin bazılarını çözmüyor gibi görünüyor. Simetrinin fizikçilere Higgs bozonunu ve yerçekimi dalgalarını nasıl bulacaklarını söylediği doğrudur ki bunlar şüphesiz iki büyük keşiftir. Ancak aynı zamanda, simetri tahminine dayalı bir dizi problem deneylerde doğrulanmamıştır. "Süpersimetrik" parçacıklar . Bu tür parçacıklar, evrenin karanlık maddesi olarak kullanılabilir ve yerçekimi kuvvetinin neden elektromanyetik kuvvet ve diğer kuvvetlere kıyasla bu kadar zayıf olduğunu açıklayabilir. Bazı durumlarda gerçeklik, doğanın temel yasalarındaki simetriyi bozuyor gibi görünüyor. Örneğin, enerji E = mc2'yi takiben maddeye yoğunlaştırıldığında, sonuç eşit miktarda madde ve antimadde olur - bu bir tür simetridir.
Ancak, büyük patlamanın enerjisi eşit miktarda madde ve antimadde üretmişse, herhangi bir madde izi bırakmadan birbirlerini yok etmelidirler. Ancak biz varız. Evrenin ilk zamanlarının sıcak anlarında mükemmel simetri var olmalıydı, ancak soğuduğunda bu simetri yok olur, tıpkı tamamen simetrik bir su damlasının donduğunda simetrisinin bir kısmını kaybetmesi gibi. (Bir kar tanesi altı farklı yönde aynı görünebilir, ancak erimiş bir kar tanesi her yönde aynı görünür.)
Madde ve antimadde arasındaki simetriyi ne bozdu?
Bugünün fiziği bize bir şekilde yanıltıcı geliyorsa, bu şaşırtıcı değil, tıpkı Einsteinın yanıltıcı boşluk kavramı gibi. Bazı insanlar bugünün yanıltıcılığının simetri saplantısının kendisiyle ilgili olabileceğini düşünüyor. Pek çok fizikçi simetri ile yakından ilgili bir kavramı araştırmaktadır. Dualite . Fizikte dualite yeni bir şey değil. Dalga ve parçacığın ikiliği ("dalga-parçacık ikiliği" olarak bilinir) kuantum mekaniğinin doğuşundan beri var olmuştur. Ancak yeni keşfedilen ikilik şaşırtıcı ilişkileri ortaya çıkarır.
Örneğin, yerçekiminin olmadığı üç boyutlu bir dünya, matematiksel olarak yerçekimi olan dört boyutlu bir dünyaya eşdeğerdir. Dünyanın farklı uzamsal boyutlardaki tanımı doğruysa, o zaman "bir anlamda, bir boyut değiştirilebilir olarak kabul edilebilir." Troden dedi. Dekgraaf, "Bu ikiliklerin içerdiği unsurlar, yani boyutların sayısı sabit olmalıdır" dedi, "ama değiller." İki eşdeğer tanımın varlığı ve ardından gelenler Tüm hesaplamalar, "çok derin, neredeyse felsefi bir soru ortaya çıkarıyor: Fiziksel gerçekliği tanımlamanın değişmeyen bir yolu var mı?"
Simetriden, kısmen çok güçlü olduğu için kimse vazgeçmedi ve birçok fizikçi için simetriden vazgeçmek, doğallıktan vazgeçmek ve evrenin ve şeylerin çalışma şeklini keşfetmekten vazgeçmek anlamına geliyor. Açıktır ki, doğanın belirli yönleri, gezegenlerin yörüngeleri gibi simetriden ziyade tarihin ve kazaların sonucudur. Biyolojik evrim, bilinen mekanizmaların ve kazaların bir kombinasyonudur. Einstein'ın "Tanrı zar atmaz" a yanıt olarak, Max Born "Doğa ve insan ilişkileri hem zorunluluk hem de tesadüf tarafından yönetiliyor gibi görünüyor." Belki de haklıdır.
Nedensellik gibi fiziğin belirli yönleri aynı kalmalıdır. Alexander, "Sonuç, nedenden önce gelemez." Dedi. Işık hızı, Einstein'ın teorisinin temelini oluşturdu, ancak gelecekte önemli bir rol oynamamalı. Einstein, bir asır önce zamanın ve uzayın pürüzsüz yapısını ördü, ancak bir kara delikte veya Büyük Patlama anında bu yapı kaçınılmaz olarak parçalara ayrılıyor. Alexander, "Uzay-zaman çöküyorsa, ışığın hızı sabit kalamaz" dedi. "Uzay-zaman çöküyorsa, sabit olan nedir?"
Bazı ikilemler, zaman ve uzayın, Einstein'ın birbirine dolanmış kuantum parçacıkları arasındaki "hayaletimsi" bağlantılar olarak adlandırdığı daha temel ve en garip ilişkilerden kaynaklandığını ileri sürer. Birçok araştırmacı, bu uzun menzilli bağlantıların zamanı ve mekanı birbirine bağladığına inanıyor. Kaiser'in dediği gibi, "Uzay-zaman sürekliliği gibi şeylerin, dolaşıklık da dahil olmak üzere daha temel ilişkilerin ikincil etkisi olabileceğini umuyorum." Bu durumda, klasik, sürekli uzay-zaman bir "yanılsama" olacaktır.
Yeni fikirlerin yüksek eşiği, onları destekleyen simetri dahil olmak üzere, kuantum mekaniği ve görelilik gibi tutarlı ve güvenilir teorilerle çelişemeyecek olmalarıdır. Einstein bir zamanlar yeni bir teori oluşturmayı bir dağa tırmanmaya benzetti. Dik durduğunuzda, eski teorinin hala var olduğunu, ancak değiştiğini ve daha kapsayıcı bir manzaraya sahip olduğunu görebilirsiniz. Feynman'ın "Geçen Haftanın Patates" benzetmesinden farklı olarak, gelecekte düşünürler kuantum dolaşıklığında kodlanmış bilgileri fizik hakkında düşünmek için kullanabilirler Kuantum dolaşıklığı, zamanı ve uzayı doğrudan örer ve ilk etapta "patates" yetiştirir.
Brocade Garden Metin: K.C. Cole
Aktarım: Universal Science / huanqiukexue
Brocade Park Bilim, Teknoloji, Bilimsel Araştırma, Popüler Bilim
