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Ruimtetijd

In dem theoretische Physik ist der Freizeit ein vierdimensional Struktur, in der die drei Raumabmessungen von uns Universum zusammen mit dem Zeit in einem Modell integriert. Diese einheitliche Vision stammt aus der Relativitätstheorie, die argumentiert, dass Raum und Zeit nicht voneinander getrennt sind, sondern miteinander verflochten sind.

Raumzeit und spezielle Relativitätstheorie

Albert Einstein in seinem vorgeschlagen spezielle Relativitätstheorie dass man nicht von Raum und Zeit als zwei getrennten Einheiten sprechen kann, sondern dass es nur eine Einheit gibt, nämlich die Raumzeit, die alles enthält Veranstaltungen in dem Vergangenheit, heutige Tag und Zukunft in unserem Universum enthalten. Zeit ist eine Dimension wie jede andere, die jedoch im menschlichen Maßstab anders erlebt wird. Die vier Dimensionen werden oft auch in derselben Einheit gemessen: durch das feste de Lichtgeschwindigkeit 299 792 458 Meter entspricht 1 zweite.

Diese Vision weicht vom klassischen Raum nach Eukliden und Newton, jetzt sofort absolute Zeit, und eine Position abhängig von der Trägheitsrahmen und Zeit, und der Theorie der Existenz von stationären Äther, und damit ein absoluter Raum.

Krümmungen in der Raumzeit

Das Einstein-Gleichung beschreibt, wie die Raumzeit durch die im Universum vorhandene Angelegenheit und Energie, hauptsächlich in Form von Sterne und Planeten. Es gilt:

  1. Geschwindigkeit ist immer relativ.
  2. Schwere und Krümmung der Raumzeit auf dasselbe hinauslaufen, die sogenannte Äquivalenzprinzip: Eine durch die Schwerkraft gekrümmte Bahn durch die Raumzeit entspricht einer Geraden (geodätisch) durch den gekrümmten Raum.

Denn Licht, was wohl nicht geht Masse bewegt sich mit der größtmöglichen Geschwindigkeit durch die Raumzeit, es ist unmöglich, schneller als das Licht zu reisen. Aus ähnlichen Gründen ist der Durchmesser des gesamten Universums wahrscheinlich viel größer als 13,7 Milliarden Lichtjahr, ein Wert, der nur auf der Entfernung zum am weitesten entfernten Observablen basiert Galaxien und das geschätzte Alter des Universums.

Raumzeit in der Stringtheorie

Das Stringtheorie ist ein neuer und spekulativer Körper mathematisch-physikalischer Theorien, der eine mögliche Richtung für a Vereinigung der bestehenden Quantenfeldtheorien und der Allgemeinen Relativitätstheorie, ist aber nur mathematisch konsistent für eine bestimmte Anzahl von Raum-Zeit-Dimensionen: 10, 11 oder 26. Diese anderen Dimensionen können nicht beobachtet werden, weil sie in den kleinsten Teilchen „zusammengerollt“ wären Angelegenheit.

Historischer Ursprung

Nichtmathematische Vorstellungen einer einheitlichen Raumzeit

Philo bemerkte, dass Zeit ein Ergebnis von Raum (Universum/Welt) ist und dass „Gott“ den Raum geschaffen hat, was dazu führt, dass die Zeit gleichzeitig oder unmittelbar danach geschaffen wird.[1]

Das Inkas betrachteten Raum und Zeit als ein einziges Konzept, das Pascha namens.[2][3][4] Die Völker der Anden haben diese Vorstellung bis jetzt aufrechterhalten; das Wort Pascha kommt immer noch in die SprachenQuechua und Aymara vor dem.[5]

Die Idee einer einheitlichen Raumzeit finden Sie unter Edgar Allan Poe in seinem Essay über Kosmologie mit dem Titel Heureka (1848). Poe schrieb, dass "Raum und Dauer eins sind." Im Jahr 1895. schrieb HG Brunnen in seinem Roman, Die Zeitmaschine"Es gibt keinen Unterschied zwischen der Zeit und einer der drei Raumdimensionen, außer dass sich unser Bewusstsein mit der Zeit bewegt."

Mathematische Konzepte

Die erste Erwähnung der Raumzeit als mathematisches Konzept kam 1754 von Jean le Rond d'Alembert in seinem Artikel Abmessungen in dem Enzyklopädie. Ein weiteres frühes Unternehmen war das von Joseph-Louis Lagrange in seinem Theorie analytischer Funktionen (1797, 1813). Er sagte: "Mechanik kann als Geometrie von vier Dimensionen und mechanische Analyse als Erweiterung der geometrischen Analyse betrachtet werden."[6]

Nach der Entdeckung von Quaternionen[7] war mal William Rowan Hamiltons Kommentar: "Zeit soll nur eine Dimension haben und Raum drei Dimensionen haben. ... Die mathematische Quaternion ist an beiden Elementen beteiligt; in der Fachsprache kann die Quaternion als 'Zeit plus Raum' oder "Raum plus Zeit" bezeichnet werden " ist: und in diesem Sinne hat oder impliziert es zumindest einen Bezug auf vier Dimensionen. Und wie "das Eine der Zeit oder der Raum die Drei, Macht in der Kette von Symbolen umgürtet sein." Mehr als ein halbes Jahrhundert vor der formalen Relativität, Hamiltons Biquaternionen, die ausreichende algebraische Eigenschaften haben, um die Raumzeit und ihre en . zu berechnen Symmetrie zu modellieren, schon eine Rolle. William Kingdon Clifford wies beispielsweise auf seine Relevanz hin.

Ein weiterer wichtiger Vorlauf zur Raumzeit war die Arbeit von James Clerk Maxwell, Das partielle Differentialgleichungen verwendet, um die Vier-Parameter-Elektrodynamik zu entwickeln. Lorentz im späten 19. Jahrhundert entdeckt einige Invarianzen in dem Maxwells Gesetze. Diese Invarianzen waren die Grundlage von Einsteinsspezielle Relativitätstheorie. Auch Belletristikautoren spielten, wie oben bereits erwähnt, eine Rolle. Zeit und Raum wurden schon immer mit . gemessen reale Nummern, und die Vermutung, dass die Dimensionen von Raum und Zeit ähnlich sind, könnte von den ersten Menschen erhoben worden sein, die die Physik formalisierten. Letztlich sind die Widersprüche zwischen den Maxwellschen Gesetzen und den Galileische Relativität mit der Erkenntnis der Bedeutung der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit.

Obwohl die Raumzeit als Folge von Albert Einsteins Spezielle Relativitätstheorie von 1905 wurde die Raumzeit erstmals von einem ihrer Lehrer, dem Mathematiker, explizit mathematisch vorgeschlagen mathematical Hermann Minkowski, die in einem Aufsatz von 1908[8] baute auf Einsteins Werk auf und erweiterte es. Sein Konzept der Minkowski-Raum ist die erste Behandlung von Raum und Zeit als zwei Aspekte eines einheitlichen Ganzen, dem Wesen der speziellen Relativitätstheorie. Die Idee des Minkowski-Raums hat auch dazu geführt, dass die spezielle Relativitätstheorie geometrischer betrachtet wurde, diese geometrische Sicht der Raumzeit war auch in der Allgemeinen Relativitätstheorie wichtig. (Für eine englische Übersetzung von Minkowskis Artikel siehe Lorentz et al. 1952) Die dreizehnte Ausgabe (1926) des of Encyclopædia Britannica enthielt einen Artikel von Einstein mit dem Titel Freizeit.[9]

Ursprünglich wurden für Raumzeitpositionen Koordinaten verwendet, bei denen die Zeit durch eine imaginäre Zahl dargestellt wurde, , aber jetzt werden wieder reelle Zahlen verwendet.

Grundlegendes Konzept

Raumzeiten sind die Arenen, in denen alle physikalischen Ereignisse stattfinden – ein Ereignis ist ein durch Zeit und Ort festgelegter Punkt in der Raumzeit. Die Bewegung von Planeten um die Sonne kann zum Beispiel in einer bestimmten Art von Raumzeit beschrieben werden, ebenso wie die Bewegung der Licht um einen rotierenden Star kann in einer anderen Art von Raumzeit beschrieben werden. Die Grundelemente der Raumzeit sind Ereignisse. In jeder gegebenen Raumzeit ist ein Ereignis eine einzigartige Position zu einer einzigartigen Zeit. Da Ereignisse Raumzeitpunkte sind, , die Position eines elementaren (punktförmigen) Teilchens zu einem bestimmten Zeitpunkt, ein Beispiel für ein Ereignis in der klassischen relativistischen Physik. Eine Raumzeit kann auf die gleiche Weise definiert werden, als a Linie das Verband aller seiner Punkte wird als die Vereinigung aller Ereignisse angesehen. In dem spezielle Relativitätstheorie ist die Raumzeit de Minkowski-Raum (ein Vektorraum). In dem generelle Relativität ist Raumzeit a Lorentz-Sorte die lokal mehr oder weniger durch einen Vektorraum angenähert werden kann, mit einem lokalen Koordinatensystem.

Eine Raumzeit ist unabhängig von jeder Beobachter.[10] Bei der Beschreibung physikalischer Phänomene (die zu bestimmten Zeitpunkten in einer bestimmten Raumregion auftreten) wählt jeder Beobachter eine geeignete Metrik Koordinatensystem. Ereignisse werden durch vier angegeben reale Nummern in jedem Koordinatensystem. Die Bahnen der elementaren (punktförmigen) Teilchen durch Raum und Zeit sind somit ein Kontinuum von Ereignissen, die Weltlinie des Teilchens. Ausgedehnte oder zusammengesetzte Objekte (bestehend aus vielen Elementarteilchen) sind somit eine Vereinigung vieler Weltlinien, die aufgrund ihrer Wechselwirkungen in der Raumzeit zu einem "globalen Netz" verflochten sind (was eine faszinierende Verbindung mit dem Mythos der Schicksale erlaubt).

In der Physik ist es jedoch üblich, ein ausgedehntes Objekt als "Teilchen" oder "Feld" mit seiner eigenen Einzigartigkeit zu behandeln (z. Punktmasse) Position, so dass die Weltlinie eines Partikels oder Lichtstrahls der Weg ist, dem dieses Partikel oder Lichtstrahl in der Raumzeit folgt, und dieser Weg repräsentiert die Geschichte des Partikels oder Lichtstrahls. Die Weltlinie der Erdumlaufbahn wird in einer solchen Beschreibung in zwei räumlichen Dimensionen dargestellt X und ja (die Ebene der Erdbahn) und eine Zeitdimension orthogonal zu X und ja. An sich ist die Arbeit des Boden durch eine Ellipse im Weltraum beschrieben, ihre Weltlinie ist jedoch a Wendel in der Raumzeit.

Die Vereinheitlichung von Raum und Zeit wird durch die gängige Praxis der Auswahl einer Metrik (das Maß Intervall zwischen zwei Ereignissen in der Raumzeit), sodass alle vier Dimensionen in Bezug auf Einheiten aus der Ferne gemessen: Ereignis anzeigen als , wahr c das Lichtgeschwindigkeit ist. Die folgenden metrischen Beschreibungen des Minkowski-Raums und der raum-, licht- und zeitähnlichen Intervalle folgen dieser Konvention ebenso wie die herkömmlichen Formulierungen der Lorentz-Transformation.

Diagramme

Trampolin-Modell

Ein zweidimensionales Analogie der RaumzeitVerzerrung. Angelegenheit ändert die Geometrie der Raumzeit, wo die (gebogen) Geometrie wird interpretiert als Schwere. Die weißen Linien zeigen nicht die Krümmung des Platz wieder, aber lass es lieber Koordinatensystem siehe das der gekrümmten Raumzeit auferlegte. In einem eben Raumzeit würde dieses Koordinatensystem aus einem regelmäßigen, geradlinigen Zeitplan existieren.

In einem weit verbreiteten Modell wird ein Gitter durch die Masse der Erde gedrückt (gekrümmt). Eine darin eingeworfene Kugel wird die Erde umkreisen. Dies ist jedoch wissenschaftlich ein falsches Modell und kann nicht für Berechnungen oder Schlussfolgerungen verwendet werden.[11]

Minkowski-Diagramm

Raumzeit0.GIF

Es ist eine grafische Form der Raumzeit Minkowski-Diagramm. In der Raumzeit ist Zeit eine vierte Dimension. Durch Multiplikation der Zeit mit der festen Lichtgeschwindigkeit c erhält die Zeitachse die gleiche Dimension wie die Raumachsen. Das Diagramm beschränkt sich auf zwei Dimensionen: die Zeitachse und eine Raumachse. Stellen Sie sich einen Beobachter und einen Apfel vor, die nebeneinander im Raum schweben. Da die Zeit konstant ist, bewegen sich beide mit Lichtgeschwindigkeit auf der Zeitachse. Bewegt sich der Apfel relativ zum Beobachter, dreht sich die Zeitachse des Apfels (grau) relativ zum Beobachter (schwarz). Die Raumachse dreht sich gleich, aber in die entgegengesetzte Richtung. Dadurch entsteht ein schiefes Koordinatensystem. Im Minkowski-Diagramm hat jedes Ereignis in Raum und Zeit einen festen Platz.

Siehe auch