Fragen Sie Ethan: Warum sollte Zeit eine Dimension sein?

Einzelbildaufnahmen erinnern uns daran, dass Fotos Bilder sind, die zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort aufgenommen wurden, und jeder nachfolgende Moment unterscheidet sich vom vorherigen

Wenn wir uns vorstellen, wie wir uns im Universum bewegen können, erinnern wir uns sofort an drei Dimensionen. Rechts-links, vorwärts-rückwärts und auf-ab: drei unabhängige Richtungen des kartesischen Gitters. Alle von ihnen werden als räumliche Dimensionen betrachtet. Aber wir sprechen oft über eine andere Dimension eines anderen Typs: vorübergehend. Aber was macht Zeit zu einer Messung? Diese Woche stellt der Leser die folgende Frage:

Ich war immer überrascht von dem Kontinuum, bestehend aus 3 + 1 Dimensionen, Raum und Zeit. Warum schreiben sie immer über drei räumliche Dimensionen und eine temporäre?

Wir beginnen mit der Untersuchung der drei uns bekannten Raumdimensionen.


Auf der Erdoberfläche reichen zwei Koordinaten, Längen- und Breitengrad, aus, um die Position zu bestimmen

Auf der Erdoberfläche benötigen wir normalerweise zwei Koordinaten, um den Ort zu bestimmen: Breite und Länge oder Position entlang der von Nord nach Süd und von West nach Ost gerichteten Achsen. Wenn Sie unter die Erde gehen oder sich über die Oberfläche erheben möchten, benötigen Sie zur Beschreibung Ihrer Position eine dritte Koordinate - Höhe / Tiefe oder Ihre Position entlang der vertikalen Achse. Wenn sich jemand in Bezug auf Breite und Länge genau dort befindet, wo Sie sich gerade befinden, sich aber gleichzeitig in einem unterirdischen Tunnel oder in einem Hubschrauber über Ihrem Kopf befindet, können Sie nicht sagen, dass er sich am selben Ort befindet wie Sie. Drei unabhängige Informationen sind erforderlich, um Ihre Position im Raum zu beschreiben.


Ihre Position im Universum wird nicht nur durch räumliche Koordinaten (wo), sondern auch vorübergehend (wann) beschrieben.

Raumzeit ist jedoch komplizierter als nur Raum. Die Position des Stuhls, auf dem Sie gerade sitzen, kann durch drei Koordinaten beschrieben werden - x, y und z. Aber jetzt sitzen Sie darauf und vor einer Stunde, gestern oder vor zehn Jahren, konnte das nicht so sein. Um das Ereignis zu beschreiben, reicht das Wissen, wo es auftritt, nicht aus; Außerdem müssen Sie wissen, wann Sie eine Zeitkoordinate t benötigen. Zum ersten Mal spielte dies eine große Rolle in der Relativitätstheorie, als wir das Problem der Gleichzeitigkeit diskutierten. Stellen Sie sich zwei verschiedene Orte vor, die durch den Weg verbunden sind, auf dem zwei Menschen von ihrem Platz zum anderen gehen.


Zwei Punkte, die durch einen eindimensionalen linearen Pfad verbunden sind

Sie können sich ihre Kampagne vorstellen, indem Sie zwei Finger aus verschiedenen Händen auf zwei Startpunkte legen und sie zum Ziel ziehen. Irgendwann müssen sie sich gegenseitig passieren, dh Ihre Finger befinden sich gleichzeitig an einer Stelle. In der Relativitätstheorie ist dies als simultanes Ereignis bekannt und kann nur auftreten, wenn alle räumlichen Komponenten und alle zeitlichen Komponenten zweier verschiedener physikalischer Objekte zusammenfallen.

Darin ist nichts Widersprüchliches, und dies erklärt, warum wir Zeit als die Dimension betrachten müssen, in der wir uns bewegen, genau wie jede der räumlichen Dimensionen. Aber es war Einsteins STO, die seinen ehemaligen Professor German Minkowski dazu veranlasste, eine Theorie zu entwickeln, die drei räumliche und eine zeitliche Dimension kombiniert.


Unabhängig davon, ob der Raum flach oder gekrümmt ist, wirkt sich die Raumfahrt auf die Zeitreise aus

Wir verstehen, dass Sie sich in der Zeit bewegen müssen, um sich im Raum zu bewegen. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt hier sind, können Sie nicht gleichzeitig an einem anderen Ort sein - Sie können erst später dorthin gelangen. 1905 lehrte uns Einsteins STO, dass die Lichtgeschwindigkeit die universelle Grenze der Geschwindigkeit ist. Wenn Sie sich ihr nähern, treten merkwürdige Phänomene der Zeitdilatation und Verkürzung von Entfernungen auf. Der größte Durchbruch gelang jedoch 1907, als Minkowski erkannte, dass die überraschende Schlussfolgerung aus Einsteins Relativitätstheorie folgt: Aus mathematischer Sicht verhält sich die Zeit wie der Raum, mit Ausnahme von c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und i, einer imaginären Einheit √ ( -1).


Ein Beispiel für einen Lichtkegel, eine dreidimensionale Oberfläche aller möglichen Lichtstrahlen, die zu einem Punkt in der Raumzeit kommen und von diesem ausgehen

Wenn Sie all diese Entdeckungen zusammenzählen, erhalten Sie ein neues Bild des Universums, das mit unserer Bewegung in ihrem Rahmen verbunden ist:

• Wenn Sie sich nicht bewegen und im Raum an derselben Stelle bleiben, bewegen Sie sich rechtzeitig mit maximaler Geschwindigkeit.
• Je schneller Sie sich im Raum bewegen, desto langsamer bewegen Sie sich in der Zeit und desto kürzer erscheinen die räumlichen Abstände in Ihrer Bewegungsrichtung.
• Wenn Sie keine Masse haben, können Sie sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und sich sofort und ohne Zeitablauf in Bewegungsrichtung bewegen. [Genauer gesagt, aus der Sicht eines masselosen Teilchens bewegt es sich nicht und die Zeit bewegt sich nicht - ca. perev.]


Für einen bewegungslosen Beobachter läuft die Zeit gut, und für eine schnelle Bewegung im Raum geht die Uhr langsamer als für einen bewegungslosen

Aus physikalischer Sicht sind die Folgen erstaunlich. Dies bedeutet, dass alle masselosen Partikel der Stabilität inhärent sind, da für sie kein Zeitfluss besteht. Dies bedeutet, dass instabile Partikel wie das in der oberen Atmosphäre erzeugte Myon die Erdoberfläche erreichen können, obwohl wir durch Multiplikation ihrer Lebensdauer (2,2 μs) mit der Lichtgeschwindigkeit eine Entfernung von 660 Metern erhalten, was viel weniger ist den Weg, dem sie folgen müssen. Und das bedeutet, wenn Sie ein Paar identischer Zwillinge nehmen, eines auf der Erde lassen und das andere auf eine relativistische Reise in den Weltraum schicken, ist der zweite Zwilling bei seiner Rückkehr jünger als der erste, da weniger Zeit für ihn vergeht.


Mark und Scott Kelly im Johnson Space Center. Einer von ihnen verbrachte ein Jahr im Weltraum und alterte etwas weniger, während der andere auf der Erde blieb.

Wie Minkowski 1908 schrieb:

Die Theorien über die Essenz von Raum und Zeit, die ich Ihnen demonstrieren möchte, sind auf der Grundlage der experimentellen Physik gewachsen, aus der ihre Stärke stammt. Sie sind radikal. Von nun an sind Raum an sich und Zeit an sich dazu verdammt, sich in Schatten zu verwandeln, und nur ihre Vereinigung wird eine unabhängige Realität bleiben.

Die Formulierung von Raum-Zeit ist heute noch allgemeiner, sie schließt die dem Raum innewohnende Krümmung ein - so wird STO verallgemeinert. Der Grund dafür, dass Zeit dieselbe Dimension wie Raum hat, ist, dass wir uns ständig durch sie bewegen und sie in Form von „3 + 1“ (und nicht nur 4) schreiben, weil eine zunehmende Bewegung durch den Raum die Bewegung verringert durch die Zeit und umgekehrt.


Die Kamera sagt die Bewegung eines Objekts in der Zeit voraus - eine der praktischen Anwendungen der Idee der Zeit als Messung



Es ist interessant, dass jeder, unabhängig von seiner Bewegung durch den Raum im Verhältnis zu allen anderen, dieselben Regeln, dieselben Handlungen und Konsequenzen sieht. Wenn die Zeit keine solche Dimension wäre, würden die Relativitätsgesetze nicht funktionieren, und das Konzept des absoluten Raums könnte gerechtfertigt werden. Damit die Physik so funktioniert, wie sie funktioniert, brauchen wir Zeit, um die Eigenschaft der Messung zu haben, und das Universum versorgt uns ständig mit solchen Phänomenen.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).