Что такое пространство-время (простое объяснение)? [дубликат]

Интуитивное и традиционное представление о пространстве и времени состоит в том, что объекты живут в бесконечной трехмерной коробке, пространстве, и что их движение в пространстве происходит во времени таким образом, что в каждый определенный момент времени все объекты имеют положение, и мы можем сравнить эти позиции, потому что время течет одинаково для всех объектов.

Физики обнаружили, что такой коробки нет, и нет такого течения времени. Эта традиционная структура пространства/времени до некоторой степени верна, но только относительно объекта; это не то же самое для всех объектов.

Так что нет ни универсального пространственного фона, ни универсального течения времени.

Таким образом, пространство-время — это понятие, которое мы используем, чтобы все-таки иметь фон. Формируя пространство (в математическом смысле), сложным образом сочетая традиционное пространство и традиционное время, позволяя пространству вращаться во времени и наоборот, мы все же можем обойтись идеей, что существует некая гладкая универсальная сцена, где все происходит. .

Плата за то, чтобы увидеть пространство-время в качестве фона, заключается в том, что эта сцена полностью статична, иногда ее называют блочной вселенной. Но поскольку все пространство и все время являются его внутренней частью, его нельзя представить с внешней точки зрения, и, действительно, уравнения Эйнштейна строго локальны и относительны: они описывают, как распределение энергии определяет свою собственную игровую площадку и как время и пространство может быть увидено так, как мы привыкли видеть его только мгновение за мгновением для конкретных наблюдателей, чьи взаимные перспективы всегда меняются и трансформируются. С этой точки зрения пространство-время далеко не статично, оно больше похоже на жидкость.

Ответ экспериментатора:

В физике элементарных частиц данные показывают, что мы имеем дело не с трехмерным пространством, параметром которого является время, а с тем, что пространство и время объединены определенным математическим образом в так называемом «четырехвекторном пространстве».

В классической механике вектор в пространстве представляет собой трехмерную строку или столбец со значениями из поля действительных чисел, которые следуют свойствам евклидова преобразования при переносе и вращении.

Импульс, например$(p_x,p_y,p_z)$три компонента вектора, длина которых равна$p$и дается

Который инвариантен относительно поворотов и переноса системы отсчета.

Релятивистская механика, справедливая для высоких энергий и импульсов и необходимая для понимания множества данных о частицах, требует четырех векторов :

Приведенный выше вектор импульса изменен и назван четырехмерным импульсом ($c=1$в этом):

При этом «длина» четырех импульсов становится$\sqrt{E^2-p_x^2-p_y^2-p_z^2}$и – масса рассматриваемой частицы, инвариант во всех системах отсчета преобразования Лоренца.

Таким образом, по аналогии с тем, что мы называем трехмерное пространство пространством, подчиняющимся евклидовым правилам, мы называем четырехмерное пространство этой специальной конструкции, которая разъясняет правила преобразования при взаимодействии частиц, пространством-временем, чтобы обозначить, что мы имеем дело с особыми четырехвекторными величинами.

Пространство-время, как следует из названия, представляет собой пространство и время вместе.

Но это еще не все!

3D-пространство — это не просто горизонтальная 2D-плоскость и высота вместе взятые. Вы также можете вращать в нем элементы, поэтому для некоторого 3D-объекта вы не можете однозначно указать его высоту - это может измениться при его вращении. То же самое происходит и с пространством-временем.

В трехмерном пространстве , когда вы вращаете объект, вы ничего с ним не делаете, вы только меняете систему координат. Расстояния остаются прежними. Квадрат расстояния$s$дан кем-то

В пространстве-времени вы, очевидно, можете вращать вещи, но вы также можете делать «вращения», которые включают время. Они называются «преобразования Лоренца» (это не совсем вращения, см. gif ). Итак, когда у вас есть пространство-время, пространство и время могут быть перепутаны. Неизменным остается следующее количество:

Кто-то может спросить: «Ну и что? Это похоже на причудливую математику/набор определений/что угодно…», но есть некоторые интересные последствия. Относительность одновременности — одна из них. Простыми словами, это означает, что (вопреки некоторым философиям времени ) не существует однозначно определенного «сейчас» (кроме «здесь и сейчас»), точно так же, как нет однозначно определенного «настолько правее» в пространстве. Следствием относительности одновременности является то, что путешествия со скоростью, превышающей скорость света (FTL), в принципе могут быть использованы для путешествий во времени. Однако до сих пор мы не знаем никаких законов физики, которые позволили бы сверхсветовую передачу информации, но это уже другая история.

Пространство и время — это единое целое; мы называем это пространство-время.

Образно говоря, события в пространстве-времени подобны местам на Земле; где север и восток подобны пространству и времени.

Вы можете спросить, почему пространство и время имеют разные единицы измерения? Поскольку иногда направление на север и восток иногда записывается в разных единицах (например, в метрах и милях), то же самое происходит и в пространстве-времени, и коэффициент преобразования между метром и секундой есть скорость света.

Один из принципов теории относительности заключается в том, чтобы уравнять пространство и время. В специальной теории относительности вы узнаете, что не только, как в теории относительности Галилея, можно не соглашаться, скажем, в отношении скоростей, но и что абсолютного времени не существует — оно на самом деле также относительно, мотивируя сохранение времени как имеющего тот же статус, что и пространственная координата, а не параметр.

Итак, плоское пространство-время Минковского — это просто$\mathbb{R}^{1,n-1}$с одной времениподобной координатой и$n-1$пространственноподобные координаты, для$n$-мерное пространство. Однако у него есть особое свойство. Если вы думаете о расстояниях в евклидовом пространстве, у нас есть это,

как вы уже знакомы, изучив теорему Пифагора. Однако в пространстве-времени мы должны измерять расстояния немного по-другому, согласно

или альтернативно,

вместо того, чтобы использовать наивный подход из евклидовой геометрии. Тот факт, что пространство-время имеет сигнатуру, имеет некоторые глубокие последствия.$(1,n-1)$в отличие от$(n,0)$, но это выходит за рамки вашего вопроса.

Что касается того, почему это важно, то концепция пространства-времени используется в теории гравитации, известной как общая теория относительности , а современная физика элементарных частиц использует структуру, называемую квантовой теорией поля, которая также основана на пространстве-времени. Тем не менее, недавние разработки показывают, что эта формулировка действительно может иметь недостатки, но еще раз вопрос о том, почему здесь не рассматривается.

Пространство-время — это система, в которой ни три мерки пространства, ни часы времени не инвариантны по отношению ко всем наблюдателям и наблюдаемым объектам.

Внешний вид мерок и часов меняется в зависимости от относительных скоростей наблюдателей и наблюдаемых объектов, или от их ускорения, или от положения наблюдателя или наблюдаемого объекта в гравитационном поле.

Четыре вектора (пространство и время) пространства-времени объединены как события в системе отсчета каждого наблюдателя, а не как места и время в универсальной системе отсчета.

Всякий раз, когда вы рисуете кривую траектории во времени, вы используете пространство-время как концепцию. Это просто пространство с n+1 измерениями, где n — количество измерений пространства.

Когда мы рисуем такие диаграммы на листе бумаги, мы обычно опускаем одно или два пространственных измерения (например, записывая только положение x в пространстве; y и z могут быть менее важными). Это оставляет место для использования одной оси для временных значений событий.

То есть двумерный лист бумаги может представлять пространство-время с n=1, в котором вы рисуете (x, t) кривые. Точно так же трехмерная диаграмма на бумаге или на компьютере может представлять подмножества пространства-времени с двумя явными пространственными измерениями.

Математически это просто декартово пространство кортежей из n+1 чисел. В эти кортежи вы записываете значения пространственных координат плюс временную позицию событий, и набор этих событий образует кривую или поверхность в пространстве-времени.

Вы можете думать о пространстве-времени как о карте. Если вы хотите встретиться с кем-то в этой вселенной, вы должны согласовать точное место и время на карте. Если вы появляетесь в правильном месте, но в неправильное время, значит, вы находитесь не в том месте на карте пространства-времени.