Klasična antika
Prva razmišljanja o prostor- vremenu bezuju se za stoićkog filozofa Zenon iz Kitija (344-262. p.n.e. On je smatrao da su prostor i vreme nestvarni jer ne mogu ni delovati na materiju ni biti podvrgnuti njenom delovanju. Takvi argumenti su se nekada smatrali isključivo metafizičkim.
Zenonov stav je bio ekstremna verzija relacijskog pogleda na prostor (prostor postoji samo ukoliko je povezan s materijom). U stvari, on je učio da je koncept "praznog prostora" kontradikcija u terminima, jer ako bi prostor bio zaista prazan, ne bi bio ništa i stoga nepostojeći. Suprotan ili apsolutistički stav , da prostor postoji nezavisno od materije, može se pratiti do Leukipa iz Abdere (aktivan oko 450. p.n.e.), prvog grčkog atomiste (kasnije epikurejca), koji je uveo koncept prethodno postojeće praznine kao "praznine između atoma". Najraniju sačuvanu izjavu apsolutističkog pogleda pripisuje Max Jammer (u Konceptima prostora , 1954.) pitagorejskom filozofu Arhitu (428-347. p.n.e.): "Budući da se sve što se kreće pomiče na određeno mjesto, jasno je da mjesto gdje će biti stvar koja se kreće ili se pomiče, mora prvo postojati.
Aristotel (384-322 p.n.e.) konstruirao je pažljiv i pedantan hibrid apsolutnih i relacijskih pogleda. Bio je prilično neodobravajući prema svojim prethodnicima, pišući (u Knjizi IV Fizike ) :
"Nailazimo na poteškoće kada pokušavamo reći šta je tačno 'mesto' neke stvari... Niti su moji prethodnici išta postavili, ili čak formulisali bilo kakva pitanja, o ovoj temi."
Prihvatio je argumente slične Arhitinim, ali je bio duboko nezadovoljan atomističkom idejom praznine,
"budući da se jednoj liniji kretanja ne može dati prednost više nego drugoj, budući da praznina, kao takva, nije sposobna za diferencijaciju... kako [onda] može postojati bilo kakvo prirodno kretanje u nediferenciranoj neograničenoj praznini?"
Da bi zaobišao ovu poteškoću, Aristotel je razvio pametnu ideju da je prostor definisan onim što ga sadrži . Na taj način je došao do svoje uticajne slike kosmosa čiji je referentni okvir definisan nebeskim svodom fiksnih zvezda iznad i središtem Zemlje ispod: „Središte svemira i unutrašnja površina rotirajućih nebesa čine vrhovno 'dole' i vrhovno 'gore'; prvo je apsolutno stabilno, a drugo konstantno u svom položaju kao celina“.
Od kasne antike do srednjeg veka
Priroda vremena, kao i prostora, bila je na ovaj način žustro raspravljana od strane antičkih naroda. Epikurejski filozof Lukrecije (oko 99-55. p.n.e.) možda je bio prvi koji je eksplicitno zagovarao relacijski pogled na vreme, napisavši u delu Priroda svemira da: "Vreme samo po sebi ne postoji... Ne sme se tvrditi da iko može osetiti vreme samo po sebi odvojeno od kretanja stvari."
Klaudije Ptolomej (oko 85-165) je u suštini razradio Aristotelov sistem, koristeći samo kružna kretanja i ujednačene brzine kako bi "spasio fenomene" suočen sa sve tačnijim posmatranjima. Način na koji je to učinio ukazuje na apsolutni, za razliku od relacijskog aspekta Aristotelovog razmišljanja, koji anticipira Machov princip samo utoliko što se "svod fiksnih zvijezda" ili "centar Zemlje" mogu smatrati materijalnim . Usvajajući raniju ideju Hiparha, Ptolomej je prvo pomjerio centar Sunčeve "orbite" iz centra Zemlje ("ekscentričnost"). Kasnije je dodao planetarne "deferente", "epicikle" i konačno "ekvante" - sve preferirane tačke ili krivulje u praznom prostoru (neke od njih čak i sa vlastitim kretanjem). Moguće je da je namjeravao da takve "prazne tačke" imaju određene položaje ili kretanja u odnosu na neku vrstu božanske materije koja prožima prazninu, jer je napisao (u Almagestu ) : "Prvi uzrok prvog kretanja svemira, ako se jednostavno razmotri, može se smatrati nevidljivim i nepokretnim božanstvom." Ako je tako, Ptolomej je anticipirao Newtona, koji će mnogo vijekova kasnije (u Optici ) nazivati apsolutni prostor "Senzorijumom" Boga.
Sveti Augustin (354-430) je u svojim Ispovestima teološki preokrenuo Lukrecijev argument o relacijskoj prirodi vremena , naglašavajući da je "Bog stvorio svet s vremenom, a ne u vremenu". Vreme je nastalo zajedno s materijom, drugim rečima - gledište koje zanimljivo nagoveštava ono koje danas zastupaju kozmolozi velikog praska.
Naučna revolucija
Nikola Kopernik (1473-1543) premestio je središte Aristotelovog svemira sa Zemlje na Sunce. Međutim, ovo premeštanje nije bilo tako smelo kao što se često mislilo, jer su Hiparh i Ptolomej već pomaknuli Sunčevu "orbitu" dalje od središta Zemlje (uvođenjem "ekscentričnosti"). Kao što je i sam Kopernik primetio na početku dela De Revolutionibus : "Ništa ne sprečava Zemlju da se kreće... Jer, ona nije središte svih kružnih tokova." Nadalje, iako je kinematički ponovo centrirao kosmos na Suncu, Kopernik nije dinamički vezao prostor za sistem mirovanja Sunca ili bilo kojeg drugog tela, već je sledio Aristotela povezujući ga metafizički sa "sferom fiksnih zvezda", koja (napisao je): "sadrži sebe i sve, i stoga je nepokretna. To je nesumnjivo mesto svemira, s kojim se uspoređuju kretanje i položaj svih ostalih nebeskih tela".
Pedeset godina kasnije, astronomska posmatranja više se nisu mogla pomiriti s pojmom krutih planetarnih sfera, što je navelo Johannesa Keplera (1571-1630) da izjavi: "Od sada planete slede svoje putanje kroz eter poput ptica u zraku. Stoga moramo drugačije filozofirati o ovim stvarima". Takve misli dovele su ga do radikalne ideje da se sistem mirovanja prostora veže za fizička tela, a ne za metafizičke konstrukte (zamišljao je sile koje se protežu od Sunca i povlače planete u njihovim orbitama). Zakone planetarnog kretanja koje je kasnije izveo Julian Barbour u delu Otkriće dinamike (1989) okarakterisao je kao "predmahovski trijumf Machovog principa".
Suptilna, ali slična promena u razmišljanju uticala je na Galileja Galileja (1564-1642). Umesto da identifikuje fiksne zvezde sa sistemom mirovanja prostora u apstraktnom smislu, on je tvrdio (u Dijalogu ) da one fizički miruju u prostoru: "Fiksne zvezde (koje su toliko mnogo sunaca) slažu se sa našim suncem u uživanju u trajnom mirovanju". Međutim, Galileo nije dalje istraživao kako bi se ovo stanje "mirovanja" moglo definisati, i čini se da je prilično nesvesno usvojio apsolutistički pogled na prostor. U stvari, on je bio prvi koji je upotrebio sam termin "apsolutno kretanje" u svojoj teoriji plime i oseke.
Galilej je počeo od provere Aristotelovog zakona gravitacije, odnosno hteo je da pokaže da brzina kojom tela padaju na Zemlju ne zavisi od njihove mase. Galilej je puštao kugle različitih masa a istih dimenzija da se kotrljaju niz jednu strmu padinu. Galilejeva merenja pokazala su da svako telo istom stopom povećava brzinu, bez obzira na masu, tj. ubrzanje tela nije zavisilo od mase. Naravno, olovo će padati brže nego pero, ali ova razlika nije posledica različitih masa ova dva tela već različitog otpora vazduha koji na njih vrši.
Réné Descartes (1596-1650) je također implicitno verovao u apsolutni prostor i koristio je taj koncept da dođe do nečega vrlo sličnog Newtonovom konačnom prvom zakonu kretanja. Međutim, nakon što je saznao za Galilejevo suđenje od strane Inkvizicije, odgodio je objavljivanje svojih rezultata za više od decenije i započeo ih (u Principia Philosophiae ) odricanjem od odgovornosti u kojem je naveo da je svako kretanje, na kraju krajeva, relativno! Možda je bio prvi koji je istovremeno zastupao i apsolutističke i relacijske stavove.
Isaac Newton (1643-1727) nije bio zadovoljan ovom nedoslednošću i žalio se (u delu De Gravitatione ) da ako je svako kretanje zaista relativno, kako je Descartes rekao, onda "iz toga sledi da telo u pokretu nema određenu brzinu niti određenu liniju u kojoj se kreće". Delomično je to bilo i zato što je hteo da ukloni takvu zbrku, pa je bio potaknut da se tako kategorički izrazi u ovim poznatim stihovima iz Principia : "Apsolutno, istinito i matematičko vreme, samo po sebi i iz svoje vlastite prirode, teče ravnomerno bez veze s bilo čime vanjskim... apsolutni prostor, po svojoj prirodi, bez veze s bilo čime vanjskim, uvek ostaje sličan i nepokretan." Dodao je da se postojanje apsolutnog prostora može dokazati obesivši kantu vode o uže i zavrteti je, kao što je prikazano na slici ispod.
Činjenica da je površina vode postepeno poprimala konkavni oblik pokazivala je da se ona okreće u odnosu na nešto ; kako bi inače znala šta da radi? Dokaz stvarnosti prostora, drugim rečima, mogao bi se naći u inerciji materije. Newtonov najznačajniji relacijski kritičar bio je matematičar i filozof Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), koji je u debati s Newtonovim učenikom Samuelom Clarkeom odgovorio da "prostor nije ništa drugo do poredak postojanja stvari, posmatranih kao da postoje zajedno; i stoga se fikcija materijalnog konačnog svemira, koji se kreće napred u beskonačnom praznom prostoru, ne može prihvatiti... Takva radnja bi bila bez ikakvog plana: to bi bio rad bez ikakvog delovanja... Ne bi se dogodila nikakva promena koju bi osoba mogla uočiti".
Još eksplicitnija izjava o relacijskom pogledu došla je od filozofskog "oca idealizma", biskupa Georgea Berkeleyja (1685-1753), koji je napisao (u De Motu ) da u praznom prostoru ne bi bilo moguće ni zamisliti, na primer, dva globusa koji kruže oko zajedničkog centra (jer posmatrač koji se kreće zajedno s globusima ne bi video da se išta menja), već "Pretpostavimo da je stvoreno nebo fiksnih zvezda; odjednom će se iz koncepcije približavanja globusa različitim delovima neba zamisliti kretanje."
Machov princip
Ako je Newtonov stav bio definitivna izjava apsolutističkog pogleda na prostor, onda je njegov najozloglašeniji relacijski pandan bio Ernst Mach (1838-1916), koji se direktno osvrnuo na Newtonov argument o kanti, napisavši u delu Nauka mehanike (1883): "Niko nije kompetentan da kaže kako bi eksperiment ispao ako bi se debljina i masa stranica posude povećavale sve dok na kraju ne bi bile debele nekoliko liga". Drugim rečima, dovoljno masivna kanta mogla bi nositi lokalni inercijalni sistem vode sa sobom , ostavljajući površinu vode ravnom.
Machov princip, kako je ova ideja postala poznata, pokazao se tvrdoglavo teškim za formulisanje na precizan fizički način, a još težim za eksperimentalno testiranje. Na jednoj konferenciji o ovoj temi u Tübingenu 1993. godine, vodeći stručnjaci su raspravljali o najmanje 21 različitoj verziji "Machovog principa" u naučnoj literaturi, od kojih su neke međusobno kontradiktorne. Verovatno je iz tog razloga što su se Machove relacijske ideje pokazale manje plodnim nego inspirativnim u fizici. Ipak, dovele su do nekih fascinantnih eksperimentalnih istraživanja, čak i pre Einsteinovog vremena. Godine 1894. Immanuel Friedlaender (1871-1948) tražio je dokaze da teški rotirajući mlinski kamen može vršiti silu Machovog tipa na osetljivu torzionu vagu, ali je priznao (u knjizi Apsolutno ili relativno kretanje? ) da nije mogao pronaći konačne rezultate ni u jednom smeru. Poznatiji fizičar August Föppl (1854-1924) tražio je vezu između rotacije Zemlje i rotacije para teških zamajaca čija bi osa rotacije mogla biti poravnata duž linija geografske širine ili dužine. Ni on nije ništa pronašao, ali je primetio da je njegova eksperimentalna preciznost ograničena na oko dva posto. Föppl je objavio ovaj rad 1904. godine, godinu dana pre Einsteinove teorije specijalne relativnosti.
I na Einsteina je snažno uticalo Machovo razmišljanje, te je prvobitno 1918. godine naveo Machov princip kao jedan od tri stuba svoje opšte teorije relativnosti. Međutim, naknadno je postalo jasno da je opšta relativnost u najboljem slučaju samo delimično "Machova", te je Einsteinov interes splasnuo. Godine 1954. napisao je kolegi: "U stvari, više se uopšte ne bi trebalo govoriti o Machovom principu". (Što se njega tiče, Machov početni entuzijazam za Einsteinov rad također je splasnuo, te je 1913. napisao: "Moram... sigurno se odreći da sam preteča relativista".) Brzina je promena položaja kretanjem merena u jedinicama udaljenosti po vremenu. Posle Galileja razumevanju brzine doprineo je Newton procenivši brzinu zvuka. Brzina svetlosti, približno 300.000 kilometara u sekundi, prepoznata je kao maksimalna brzina u svemiru, utičući na mnoge aspekte teorijske fizike, uključujući i Albert Einsteinovu specijalnu teoriju relativnosti, koja se bavi fenomenima poput dilatacije vremena.
Moguće je smatrati Gravitacijsku sondu B modernom realizacijom Newtonovog eksperimenta s kantom u kojem je rotirajuća "posuda" velika i masivna kao naša planeta, a ulogu vodene površine igraju orbitirajući žiroskopi preko milion puta osjetljiviji od najboljih inercijalnih navigacijskih žiroskopa na Zemlji. Izvor
________________________________________
NASA-ina misija pod nazivom Gravity Probe B (GP-B) izmerila je 2011. godine oblik prostorno-vremenskog vrtloga oko Zemlje i otkrila da se on u velikoj meri slaže s Einsteinovim predviđanjima.
Vrtlog "povlačenje okvira", postulirali su austrijski fizičari Josef Lense i Hans Thirring dve godine nakon što je Einstein objavio svoju opštu teoriju relativnosti. Ona tvrdi da, dok se nebesko telo okreće oko svoje ose, ono sa sobom vuče lokalno prostorvreme, slično kao što bi rotirajuća lopta u činiji melase vukla deo melase dok se okreće. Ovaj koncept je ilustrovan na dijagramu ispod
Međutim, Albert Einstein revolucionarni rad, posebno njegova teorija specijalne relativnosti, otkrio je mnogo povezaniju stvarnost. Prostor i vreme nisu odvojeni.
Godine 1908., tri godine nakon što je Einstein objavio svoju specijalnu teoriju relativnosti, Minkowski je prvi put najavio ujedinjenje vremena i prostora:
"Od sada su prostor sam po sebi i vreme samo po sebi osuđeni da nestanu u puke senke, i samo neka vrsta ujedinjenja ta dva sačuvaće nezavisnu stvarnost".
Minkowskijeva ideja da se trodimenzionalni prostor kombinuje s jednodimenzionalnim vremenom i formira novi četverodimenzionalni kontinuum od tada se koristi u relativističkoj fizici i naziva se prostorvreme.
Da biste opisali događaj, potrebno je da znate gde se dogodio (njegova lokacija u trodimenzionalnom prostoru) i kada se dogodio (njegova tačka u vremenu). Da li različiti posmatrači dele iste zaključke? Da li isto percipiraju pojavu jednog određenog događaja? Ovo fundamentalno pitanje Einstein je rešio specijalnom teorijom relativnosti koja tvrdi da vreme i prostor nisu apsolutni. Oni se menjaju od referentnog sistema jednog posmatrača do drugog. Zavise od toga ko vrši posmatranje. Dva faktora određuju prostor reme: brzina i svetlost. Brzina svetlosti je pri tom konstantna bez obzira na to ko je meri. Ova dva faktora su vrlo jednostavna, ali istovremeno vrlo duboko pobezana.
Ključni uvid iz prostor-vremena je da kada se krećete, vreme i prostor doživljavate drugačije od nekoga ko je nepokretan i posmatra vas.
Ključni uvid iz prostor-vremena je da kada se krećete, vreme i prostor doživljavate drugačije od nekoga ko je nepokretan i posmatra vas.
Dva posmatrača koja se kreću jedan u odnosu na drugog nikada se neće složiti oko vremena između dva događaja ili preciznog prostora između dve lokacije. Svako meri svoje vreme i prostor kao konstantne. Oni doživljavaju događaje koji se dešavaju određenim redosledom, određenom brzinom i sa datom veličinom. U suštini, svi su u pravu u vezi sa onim što se dešava unutar njihovog sopstvenog referentnog sistema.
Ako biste se ikada našli u situaciji gde su relativistički efekti značajni - recimo, na putovanju raketom velike brzine - ne biste primetili ništa čudno unutar rakete. Vaš sat bi i dalje otkucavao jednu sekundu u sekundi. Vaše lično iskustvo vremena i percepcija sopstvene veličine i oblika nikada se ne menjaju unutar vašeg sopstvenog referentnog sistema. Vreme mereno u vašem sopstvenom sistemu naziva se vaše pravo vreme, a vaša veličina je vaša prava dužina.
Prostor-vreme pruža suštinski okvir za razumevanje kako se fizičke pojave ponašaju, posebno pri veoma velikim brzinama.Mogli bi pomisliti da se u svakodnevnici nikada ne suočavamo s takvim problemom, jer se nikada ne krećemo brzinom tako velikom, blizu brzine svetlosti. Je li onda specijalna teorija relativnosti vredi samo u dimenzijama kosmosa a ne u našem stvarnom životu? Odgovor je ne! Ova teorija ima uticaj u svakodnevnoj primeni.
GPS ili Globalni sistem za pozicioniranje (GPS) je mreža satelita koji kruže oko Zemlje na visini od oko 20.000 km. Svaki od ovih satelita nosi atomski sat na brodu koji otkucava s tačnošću od oko jedne nanosekunde. Posmatrajući tik-tak sata kao događaj, različiti posmatrači se ne bi složili oko istovremenosti tik-tak. Za posmatrača u relativnom kretanju, sat na satelitu se kreće sporije. Jezikom specijalne relativnosti, vreme je dilatirano za posmatrača koji se kreće u odnosu na sat. Iz naše perspektive sa Zemlje, vidimo svaki satelit u pokretu. Specijalna relativnost predviđa da atomski satovi na satelitima zaostaju za satovima na Zemlji za nekoliko mikrosekundi dnevno zbog efekta dilatacije vremena na brzinu otkucavanja sata u njihovom relativnom kretanju. Dakle, ako želimo da GPS meri našu poziciju unutar nekoliko metara, moramo korigovati efekte specijalne relativnosti čestim slanjem podataka na satelite. Također moramo ispraviti efekte opšte relativnosti vezane za zakrivljenost prostor-vremena. specijalna relativnost opisuje ove četiri koordinate - tri dimenzije za prostor (dužina, širina, visina) i jednu za vreme - kao neraskidivo povezane. One čine jedinstveni kontinuum gde se događaji odvijaju.
Iako ovo dovodi u pitanje naše same pojmove stvarnosti, jedan fundamentalni koncept ostaje konstantan: uzročnost. Čak i ako dva posmatrača imaju različite percepcije prostora i vremena, oni bi se i dalje složili oko redosleda događaja. Nikada ne možemo biti svedoci uzročno povezanih događaja pogrešnim redosledom. Bez obzira na naše relativne brzine, nikada ne bismo mogli da vidimo kako sijalica svetli pre nego što se njen prekidač okrene.
Sadrživši jedno merenje oko kojeg se svi referentni sistemi mogu složiti, prostor-vreme nam omogućava da pronađemo zajedničku osnovu. Možda se ne slažemo oko udaljenosti između dve tačke ili vremena između dva događaja, ali možemo definisati ono što je poznato kao prostorno-vremenski interval. Svaki posmatrač, bez obzira na svoj referentni sistem, meriće prostorno-vremenski interval između dva događaja na isti način.
Umesto prošlosti, sadašnjosti i budućnosti, možete zamisliti događaj u prostorno-vremenu kao tačku u četvorodimenzionalnom prostoru koja predstavlja specifično vreme i lokaciju događaja. Zamislite niz fotografija. Svaka fotografija predstavlja trenutak u vremenu. Umesto da budu poređane hronološkim redom, one su naslagane jedna na drugu. Ako bismo odštampali naše slike na providnim plastičnim listovima, mogli bismo da vizualizujemo vremensku evoluciju događaja gledajući od dna gomile ka vrhu.
Kada kažemo da se dva posmatrača ne slažu oko događaja u prostoru i vremenu (u tradicionalnom smislu), to je zato što oni „vide“ ovu gomilu slika drugačije. Ova gomila slika pruža vizuelnu metaforu za dilataciju vremena i kontrakciju dužine.
Na kraju, prostor-vreme nam pomaže da razumemo činjenicu da u univerzumu ne postoji preferirani referentni sistem. Kao rezultat toga, dovodimo do zaključka o univerzalnom ograničenju brzine za uzročnost. Ovo ograničenje brzine je, slučajno, brzina svetlosti.
U suštini, prostor-vreme je matematički model univerzuma koji nam omogućava da pravimo tačna predviđanja. Ako vam je teško da vizualizujete ili potpuno shvatite četvorodimenzionalno prostor-vreme, sigurno niste sami.
James Overduin
Primjedbe
Objavi komentar