Tanyakan Ethan: Mengapa waktu harus menjadi dimensi?

Pemotretan frame-by-frame mengingatkan kita bahwa foto adalah gambar yang diambil di tempat tertentu pada waktu tertentu, dan setiap momen berikutnya berbeda dari yang sebelumnya

Ketika kita membayangkan cara-cara bergerak mengelilingi Semesta, kita segera mengingat tiga dimensi. Kiri-kanan, maju-mundur dan naik-turun: tiga arah independen dari kisi Cartesian. Semuanya dianggap dimensi ruang. Tetapi kita sering berbicara tentang dimensi lain, dari tipe yang berbeda: sementara. Tapi apa yang membuat waktu menjadi ukuran? Minggu ini pembaca mengajukan pertanyaan berikut:

Saya selalu terkejut dengan kontinum, yang terdiri dari 3 + 1 dimensi, ruang dan waktu. Mengapa mereka selalu menulis tentang tiga dimensi spasial dan satu temporer?

Kita mulai dengan mempelajari tiga dimensi ruang yang kita kenal.


Di permukaan bumi, dua koordinat, lintang dan bujur, cukup untuk menentukan posisi

Di permukaan bumi, kita biasanya membutuhkan dua koordinat untuk menentukan lokasi: lintang dan bujur, atau posisi sepanjang sumbu diarahkan dari utara ke selatan dan dari barat ke timur. Jika Anda ingin bergerak di bawah tanah atau naik di atas permukaan, untuk menggambarkan posisi Anda, Anda akan membutuhkan koordinat ketiga - ketinggian / kedalaman, atau posisi Anda di sepanjang sumbu vertikal. Lagi pula, jika seseorang persis di mana Anda berada, dalam hal garis lintang dan bujur, tetapi pada saat yang sama ia berada di terowongan bawah tanah atau di helikopter di atas kepala Anda - Anda tidak dapat mengatakan bahwa ia berada di tempat yang sama dengan Anda. Diperlukan tiga informasi independen untuk menggambarkan posisi Anda di luar angkasa.


Posisi Anda di Semesta dijelaskan tidak hanya dengan koordinat spasial (di mana), tetapi juga sementara (kapan)

Tetapi ruang-waktu lebih rumit dari sekadar ruang. Posisi kursi yang sedang Anda duduki dapat digambarkan oleh tiga koordinat - x, y dan z. Tetapi sekarang Anda duduk di atasnya, dan satu jam yang lalu, kemarin atau sepuluh tahun yang lalu, ini tidak mungkin demikian. Untuk menggambarkan peristiwa itu, pengetahuan di mana itu terjadi tidak cukup; Selain itu, Anda perlu tahu kapan, yaitu, Anda perlu koordinat waktu, t. Untuk pertama kalinya ini memainkan peran besar dalam teori relativitas ketika kita membahas masalah simultanitas. Bayangkan dua tempat berbeda terhubung oleh jalan di mana dua orang pergi, masing-masing dari tempat mereka, ke yang lain.


Dua titik dihubungkan oleh jalur linear satu dimensi

Kampanye mereka dapat dibayangkan dengan menempatkan dua jari dari tangan yang berbeda pada dua titik awal, dan menarik mereka ke arah target. Pada titik tertentu, mereka harus saling berpapasan, yaitu, jari-jari Anda akan berada di satu tempat pada saat yang sama. Dalam teori relativitas, ini dikenal sebagai peristiwa simultan, dan itu bisa terjadi hanya ketika semua komponen spasial dan semua komponen temporal dari dua objek fisik yang berbeda bertepatan.

Tidak ada yang bertentangan dalam hal ini, dan ini menjelaskan mengapa kita perlu menganggap waktu sebagai dimensi tempat kita bergerak, sama seperti dimensi spasial mana pun. Tapi itu adalah STO Einstein yang mendorong mantan profesornya Jerman Minkowski untuk mengembangkan teori yang menggabungkan tiga dimensi spasial dan satu temporal.


Apakah ruang datar atau melengkung, perjalanan ruang mempengaruhi perjalanan waktu

Kami memahami bahwa untuk bergerak di ruang Anda harus bergerak dalam waktu; jika saat ini Anda berada di sini, Anda tidak dapat berada di tempat lain pada saat yang sama - Anda hanya bisa sampai di sana nanti. Pada tahun 1905, Einstein STO mengajarkan kepada kita bahwa kecepatan cahaya adalah batas kecepatan universal, ketika Anda mendekatinya, Anda mulai mengalami fenomena aneh pelebaran waktu dan pemendekan jarak. Tetapi terobosan terbesar terjadi pada tahun 1907, ketika Minkowski menyadari bahwa kesimpulan yang mengejutkan mengikuti dari relativitas Einstein: dari sudut pandang matematika, waktu berperilaku seperti ruang, dengan pengecualian c, kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan i, unit imajiner √ ( -1).


Contoh kerucut cahaya, permukaan tiga dimensi dari semua sinar cahaya yang mungkin datang ke suatu titik dalam ruang-waktu dan memancar darinya

Jika Anda menambahkan semua penemuan ini bersama-sama, Anda mendapatkan gambaran baru tentang Semesta yang terkait dengan gerakan kami dalam kerangka kerjanya:

• Jika Anda tidak bergerak dan tetap di tempat yang sama di ruang angkasa, Anda bergerak dalam waktu dengan kecepatan maksimum.
• Semakin cepat Anda bergerak di ruang angkasa, semakin lambat Anda bergerak dalam waktu, dan semakin pendek jarak spasial muncul dalam arah gerakan Anda.
• Jika Anda tidak memiliki massa, Anda hanya bisa bergerak dengan kecepatan cahaya, langsung bergerak ke arah gerakan Anda, tanpa berlalunya waktu. [lebih tepatnya, dari sudut pandang partikel tak bermassa, itu tidak bergerak dan waktu tidak bergerak - kira-kira. perev.]


Untuk pengamat yang tidak bergerak, waktu berjalan dengan baik, dan untuk bergerak cepat di ruang, jam berjalan lebih lambat daripada untuk yang tidak bergerak

Dari sudut pandang fisik, konsekuensinya sangat mencengangkan. Ini berarti bahwa semua partikel tak bermassa melekat dalam stabilitas, karena tidak ada aliran waktu bagi mereka. Ini berarti bahwa partikel tidak stabil seperti muon yang dibuat di atmosfer atas dapat mencapai permukaan Bumi, terlepas dari kenyataan bahwa dengan mengalikan masa hidupnya (2,2 μs) dengan kecepatan cahaya, kita mendapatkan jarak 660 meter, yang jauh lebih sedikit. jalan yang harus mereka ikuti. Dan ini berarti bahwa jika Anda mengambil sepasang kembar identik, tinggalkan satu di Bumi dan kirim yang lain dalam perjalanan relativistik ke ruang angkasa, maka kembar kedua akan lebih muda daripada yang pertama saat kembali, karena lebih sedikit waktu yang akan berlalu untuknya.


Mark dan Scott Kelly di Johnson Space Center. Salah satu dari mereka menghabiskan satu tahun di ruang angkasa dan berumur sedikit lebih sedikit, sementara yang lain tetap di Bumi.

Seperti yang ditulis Minkowski pada tahun 1908:

Teori-teori tentang esensi ruang dan waktu yang ingin saya tunjukkan kepada Anda telah tumbuh berdasarkan fisika eksperimental, dari mana kekuatan mereka berasal. Mereka radikal. Untuk selanjutnya, ruang dalam dirinya sendiri dan waktu dalam dirinya sendiri ditakdirkan untuk berubah menjadi bayangan, dan hanya penyatuan mereka yang akan tetap menjadi realitas independen.

Saat ini, formulasi ruang-waktu bahkan lebih umum, kelengkungan yang melekat dalam ruang termasuk di dalamnya - ini adalah bagaimana STO digeneralisasikan. Tetapi alasan bahwa waktu adalah dimensi yang sama dengan ruang adalah karena kita terus bergerak melewatinya, dan kita menuliskannya dalam bentuk "3 + 1" (dan bukan hanya 4) karena peningkatan gerakan melalui ruang mengurangi pergerakan melalui waktu dan sebaliknya.


Kamera memprediksi pergerakan suatu objek dalam waktu - salah satu aplikasi praktis dari gagasan waktu sebagai pengukuran



Sangat menarik bahwa setiap orang, terlepas dari pergerakan mereka melalui ruang dalam kaitannya dengan orang lain, akan melihat aturan yang sama, tindakan dan konsekuensi yang sama. Jika waktu bukanlah dimensi seperti itu, hukum relativitas tidak akan berfungsi, dan konsep ruang absolut dapat dibenarkan. Agar fisika berfungsi sebagaimana mestinya, kita perlu waktu untuk memiliki sifat pengukuran, dan Semesta terus-menerus memberi kita fenomena semacam itu.

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].