Aika-avaruus
Avaruusaika on matemaattinen malli, joka yhdistää avaruuden ja ajan yhdeksi ajatukseksi, jota kutsutaan jatkumoksi. Tämä neliulotteinen jatkumo tunnetaan nimellä Minkowskin avaruus.
Näiden kahden ajatuksen yhdistäminen auttoi kosmologiaa ymmärtämään, miten maailmankaikkeus toimii suurella tasolla (esim. galaksit) ja pienellä tasolla (esim. atomit).
Euklidisen avaruuden käyttö ei-relativistisessa klassisessa mekaniikassa aika-avaruuden sijasta on hyvä, koska aikaa käsitellään universaalina, jonka kulumisnopeus on vakio ja joka on riippumaton havaitsijan liiketilasta.
Relativistisessa maailmankaikkeudessa aikaa ei kuitenkaan voida erottaa avaruuden kolmesta ulottuvuudesta. Tämä johtuu siitä, että havaittu ajan kulumisnopeus riippuu kohteen nopeudesta suhteessa havaitsijaan. Lisäksi minkä tahansa gravitaatiokentän voimakkuus hidastaa kentän ulkopuolisen havaitsijan näkemän kohteen ajan kulumista.
Havainnollistus Maan aiheuttamasta aika-avaruuden kaarevuudesta.
Muita näkökohtia
Missä tahansa materiaa on olemassa, se taivuttaa avaruusajan geometriaa. Tämä johtaa aika-avaruuden kaarevaan muotoon, joka voidaan ymmärtää painovoimana. Oikeanpuoleisen kuvan valkoiset viivat kuvaavat massan vaikutusta aika-avaruuteen.
Klassisessa mekaniikassa avaruusajan käyttö on vapaaehtoista, koska aika on riippumaton liikkeestä euklidisen avaruuden kolmessa ulottuvuudessa. Kun kappale kuitenkin liikkuu lähes valonnopeudella (relativistisilla nopeuksilla), aikaa ei voida erottaa avaruuden kolmesta ulottuvuudesta. Paikallaan olevan tarkkailijan näkökulmasta aika riippuu siitä, kuinka lähellä valonnopeutta kappale liikkuu.
Kaksiulotteinen analogia aika-avaruuden vääristymästä
Historiallinen alkuperä
Monet yhdistävät avaruusajan Albert Einsteiniin, joka esitti vuonna 1905 erityisen suhteellisuusteorian. Einsteinin opettaja Hermann Minkowski ehdotti kuitenkin avaruusaikaa vuonna 1908 julkaistussa esseessään. Hänen Minkowskin avaruuskäsitteensä on varhaisin tapa käsitellä avaruutta ja aikaa yhtenäisen kokonaisuuden kahtena osana, mikä on erityisen suhteellisuusteorian ydin. Hän toivoi, että tämä uusi ajatus selkeyttäisi erityistä suhteellisuusteoriaa.
Minkowskin avaruusaika kuvaa tarkasti vain vakionopeutta. Einstein oli kuitenkin se, joka löysi aika-avaruuden kaarevuuden (gravitaation) yleisessä suhteellisuusteoriassa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa Einstein yleisti Minkowskin aika-avaruuden siten, että se sisältää kiihtyvyyden vaikutukset. Einstein havaitsi, että hänen neliulotteisen aika-avaruusesityksensä kaarevuus oli itse asiassa painovoiman syy.
Vuonna 1926 julkaistussa Encyclopedia Britannican kolmannessatoista painoksessa oli Einsteinin artikkeli "space-time".
Kirjallinen tausta
Edgar Allan Poe kirjoitti kosmologiaa käsittelevän esseen Eureka (1848), jonka mukaan "avaruus ja kesto ovat yhtä". Tämä on ensimmäinen tunnettu tapaus, jossa avaruus ja aika on todettu yhden asian eri käsityksiksi. Poe päätyi tähän johtopäätökseen noin 90 sivua kestäneiden perustelujen jälkeen, mutta hän ei käyttänyt matematiikkaa.
Vuonna 1895 H.G. Wells kirjoitti romaanissaan Aikakone: "Ajan ja minkään avaruuden kolmen ulottuvuuden välillä ei ole muuta eroa kuin se, että tietoisuutemme liikkuu sitä pitkin". Hän lisäsi: "Tieteilijät... tietävät hyvin, että aika on vain eräänlainen avaruus".
Avaruusaika kvanttimekaniikassa
Yleisessä suhteellisuusteoriassa avaruusajan ajatellaan olevan sileää ja jatkuvaa. Kvanttimekaniikan teoriassa avaruusaika ei kuitenkaan ole aina jatkuvaa.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Mitta
- Jakelukanava
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on avaruusaika tekstin mukaan?
A: Avaruusaika on matemaattinen malli, joka yhdistää avaruuden ja ajan muodostaen neliulotteisen jatkumon, joka tunnetaan nimellä Minkowskin avaruus.
K: Miten avaruuden ja ajan yhdistäminen on auttanut kosmologiaa?
V: Avaruuden ja ajan yhdistäminen on antanut kosmologialle mahdollisuuden ymmärtää paremmin, miten maailmankaikkeus toimii sekä suurella tasolla, kuten galakseissa, että pienellä tasolla, kuten atomeissa.
K: Miksi euklidisen avaruuden käyttö aika-avaruuden sijasta on hyvä ei-relativistisessa klassisessa mekaniikassa?
V: Euklidisen avaruuden käyttö ei-relativistisessa klassisessa mekaniikassa on hyvä, koska aikaa käsitellään universaalina, jonka kulumisnopeus on vakio ja joka on riippumaton havaitsijan liiketilasta.
Kysymys: Miksi aika on erottamaton kolmesta avaruuden ulottuvuudesta relativistisessa maailmankaikkeudessa?
V: Aikaa ei voi erottaa kolmesta avaruuden ulottuvuudesta relativistisessa maailmankaikkeudessa, koska havaittu ajan kulumisnopeus riippuu kohteen nopeudesta suhteessa havaitsijaan.
K: Miten gravitaatiokentän voimakkuus vaikuttaa kappaleen ajan kulumiseen?
V: Minkä tahansa gravitaatiokentän voimakkuus hidastaa kentän ulkopuolisen havaitsijan näkemän kappaleen ajan kulumista.
K: Mikä on sen neliulotteisen jatkumon nimi, joka yhdistää avaruuden ja ajan?
V: Avaruuden ja ajan yhdistävää neliulotteista jatkumoa kutsutaan Minkowskin avaruudeksi.
K: Miten avaruuden ja ajan yhdistäminen on auttanut kosmologiaa ymmärtämään maailmankaikkeutta?
V: Avaruuden ja ajan yhdistelmä on auttanut kosmologiaa ymmärtämään paremmin maailmankaikkeuden toimintaa sekä suurella tasolla, kuten galakseissa, että pienellä tasolla, kuten atomeissa.
