يذكرنا التصوير بإطار بإطار أن الصور هي صور تم التقاطها في مكان معين في وقت معين ، وتختلف كل لحظة لاحقة عن سابقتهاعندما نتخيل طرق التحرك حول الكون ، نتذكر على الفور ثلاثة أبعاد. اليمين واليسار والخلف والأعلى: ثلاثة اتجاهات مستقلة للشبكة الديكارتية. تعتبر جميعها أبعاد مكانية. لكننا غالبًا ما نتحدث عن بُعد آخر ، من نوع مختلف: مؤقت. ولكن ما الذي يجعل الوقت قياسًا؟ يطرح القارئ هذا الأسبوع السؤال التالي:
لقد فوجئت دائمًا بالسلسلة ، التي تتكون من أبعاد 3 + 1 والمكان والزمان. لماذا يكتبون دائمًا عن ثلاثة أبعاد مكانية وواحد مؤقت؟
نبدأ بدراسة الأبعاد الثلاثة للفضاء المعروف لنا.
على سطح الأرض ، تكفي إحداثيتان ، خط العرض وخط الطول ، لتحديد الموقععلى سطح الأرض ، نحتاج عادةً إلى إحداثيات لتحديد الموقع: خط العرض وخط الطول ، أو الموقع على طول المحاور الموجهة من الشمال إلى الجنوب ومن الغرب إلى الشرق. إذا كنت تريد أن تذهب تحت الأرض أو ترتفع فوق السطح ، لوصف موقعك ، ستحتاج إلى إحداثية ثالثة - الارتفاع / العمق ، أو موضعك على طول المحور الرأسي. بعد كل شيء ، إذا كان شخص ما هو مكانك بالضبط ، من حيث خط العرض وخط الطول ، ولكن في نفس الوقت هو موجود في نفق تحت الأرض أو في طائرة هليكوبتر فوق رأسك - لا يمكنك القول أنه في نفس المكان الذي أنت فيه. مطلوب ثلاث معلومات مستقلة لوصف موقعك في الفضاء.
يتم وصف موقعك في الكون ليس فقط من خلال الإحداثيات المكانية (حيث) ، ولكن أيضًا مؤقتًا (متى)لكن الزمكان أكثر تعقيدًا من الفضاء فقط. يمكن وصف موضع الكرسي الذي تجلس عليه حاليًا بثلاث إحداثيات - x و y و z. ولكنك الآن تجلس عليه ، وقبل ساعة ، أمس أو قبل عشر سنوات ، لم يكن الأمر كذلك. لوصف الحدث ، فإن المعرفة التي تحدث فيها ليست كافية ؛ بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج إلى معرفة متى تحتاج إلى تنسيق زمني ، ر. ولأول مرة لعب هذا دورًا كبيرًا في نظرية النسبية عندما ناقشنا مشكلة التزامن. تخيل مكانين مختلفين متصلين بالطريق الذي يذهب فيه شخصان ، كلٌّ منهما من مكانه ، إلى آخر.
نقطتان متصلتان بمسار خطي أحادي البعديمكن تخيل حملتهم من خلال وضع إصبعين من أيدي مختلفة على نقطتي انطلاق ، ورسمهم نحو الهدف. في مرحلة ما ، سيكون عليهم تمرير بعضهم البعض ، أي أن أصابعك ستكون في مكان واحد في نفس الوقت. في نظرية النسبية ، يُعرف هذا بالحدث المتزامن ، ولا يمكن أن يحدث إلا عندما تتزامن جميع المكونات المكانية وجميع المكونات الزمنية لكائنين ماديين مختلفين.
لا يوجد شيء متناقض في هذا ، وهذا يفسر سبب حاجتنا إلى اعتبار الوقت على أنه البعد الذي نتحرك فيه ، تمامًا مثل أي من الأبعاد المكانية. لكن STO لآينشتاين هو الذي دفع أستاذه السابق
German Minkowski إلى تطوير نظرية تجمع بين ثلاثة أبعاد مكانية وواحدة زمنية.
سواء كانت المساحة مسطحة أو منحنية ، يؤثر السفر إلى الفضاء على السفر عبر الزمننحن نفهم أنه للتحرك في الفضاء تحتاج إلى التحرك في الوقت المناسب ؛ إذا كنت هنا في هذا الوقت ، لا يمكنك أن تكون في مكان آخر في نفس الوقت - يمكنك الوصول إلى هناك لاحقًا فقط. في عام 1905 ، علمنا STO لآينشتاين أن سرعة الضوء هي الحد العالمي للسرعة ، عندما تقترب منه ، تبدأ في تجربة ظواهر غريبة من تمدد الوقت وتقصير المسافات. لكن أكبر اختراق حدث في عام 1907 ، عندما أدرك مينكوفسكي أن الاستنتاج المفاجئ يأتي من النسبية النسبية لآينشتاين: من وجهة نظر رياضية ، يتصرف الوقت تمامًا مثل الفضاء ، باستثناء c ، سرعة الضوء في الفراغ ، و i ، وحدة وهمية √ ( -1).
مثال على مخروط ضوئي ، سطح ثلاثي الأبعاد لجميع أشعة الضوء الممكنة التي تصل إلى نقطة في الزمكان وتنطلق منهإذا أضفت كل هذه الاكتشافات معًا ، فستحصل على صورة جديدة للكون مرتبطة بحركتنا في إطارها:
• إذا كنت لا تتحرك وتبقى في نفس المكان في الفضاء ، فإنك تتحرك في الوقت المحدد بأقصى سرعة.
• كلما زادت سرعة تحركك في الفضاء ، كلما تباطأت في تحركك في الوقت المناسب ، وظلت المسافات المكانية أقصر في اتجاه حركتك.
• إذا لم يكن لديك كتلة ، يمكنك التحرك فقط بسرعة الضوء ، والتحرك على الفور في اتجاه حركتك ، دون أي مرور الوقت. [بتعبير أدق ، من وجهة نظر جسيم عديم الكتلة ، لا يتحرك والوقت لا يتحرك - تقريبًا. perev.]
بالنسبة للمراقب غير المتحرك ، يمضي الوقت على ما يرام ، وللحركة السريعة في الفضاء ، فإن الساعة تكون أبطأ من الساعة التي لا تتحركمن وجهة نظر مادية ، فإن العواقب مذهلة. هذا يعني أن جميع الجسيمات عديمة الكتلة متأصلة في الاستقرار ، حيث لا يوجد تدفق للوقت بالنسبة لها. هذا يعني أن الجسيمات غير المستقرة مثل الميون الذي تم إنشاؤه في الغلاف الجوي العلوي يمكن أن تصل إلى سطح الأرض ، على الرغم من حقيقة أنه من خلال ضرب حياتها (2.2 μs) في سرعة الضوء ، نحصل على مسافة 660 متر ، وهو أقل بكثير المسار الذي يحتاجون إلى اتباعه. وهذا يعني أنه إذا أخذت زوجًا من التوائم المتطابقة ، وترك أحدهما على الأرض وأرسل الآخر في رحلة نسبية إلى الفضاء ، فإن التوأم الثاني سيكون أصغر من الأول عند العودة ، حيث سيقل وقت أقل بالنسبة له.
مارك وسكوت كيلي في مركز جونسون للفضاء. أمضى أحدهم عامًا في الفضاء وعمره أقل بقليل ، بينما بقي الآخر على الأرض.كما كتب مينكوفسكي في عام 1908:
لقد تطورت نظريات جوهر المكان والزمان التي أريد أن أوضحها لكم على أساس الفيزياء التجريبية ، التي تأتي منها قوتهم. إنهم راديكاليون. من الآن فصاعدًا ، فإن الفضاء في حد ذاته والوقت في حد ذاته محكوم عليهما بالتحول إلى ظلال ، وسيظل توحيدهما فقط حقيقة مستقلة.
اليوم ، أصبحت صياغة الزمكان أكثر عمومية ، وتتضمن الانحناء المتأصل في الفضاء - هذه هي الطريقة التي يتم تعميم STO بها. لكن السبب في أن الوقت هو نفس بُعد الفضاء لأننا نتحرك باستمرار من خلاله ، ونكتبه في شكل "3 + 1" (وليس 4 فقط) لأن زيادة الحركة عبر الفضاء تقلل من الحركة عبر الزمن والعكس صحيح.
تتنبأ الكاميرا بحركة شيء ما في الوقت المناسب - أحد التطبيقات العملية لفكرة الوقت كمقياسمن المثير للاهتمام أن الجميع ، بغض النظر عن تحركاتهم عبر الفضاء فيما يتعلق بالجميع ، سيرون نفس القواعد ونفس الإجراءات والعواقب. إذا لم يكن الوقت مثل هذا البعد ، فلن تعمل قوانين النسبية ، ويمكن تبرير مفهوم الفضاء المطلق. لكي تعمل الفيزياء بالطريقة التي تعمل بها ، نحتاج إلى وقت للحصول على خاصية القياس ، والكون يزودنا باستمرار بمثل هذه الظواهر.
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].