Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Teorii ale spațiu-timpului în fizica modernă

Teorii ale spațiu-timpului în fizica modernă

postat în: Fizica 0
Relativitatea simultaneității
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Relativity_of_Simultaneity.svg

Cercetarea științifică nu este un proces de acumulare constantă a adevărurilor absolute, care a culminat cu teoriile actuale, ci mai degrabă un proces mult mai dinamic în care nu există concepte teoretice finale valabile în domenii nelimitate. (David Bohm)

Cu cât înțelegem mai mult despre lumea fizică și mai profund cu care cercetăm legile naturii, cu atât mai mult suntem condamnați în lumea matematicii și a conceptelor matematice. (Roger Penrose)

Concepția fizicianului despre spațiu și timp a suferit două schimbări majore datorită teoriei generale a relativității și mecanicii cuantice. Ambele teorii joacă un rol fundamental în descrierea aceleiași lumi naturale, deși la scară diferită. Cu toate acestea, inconsecvența dintre ele a apărut clar ca limitarea fizicii din secolul al XX-lea, astfel încât o descriere mai completă a naturii trebuie să cuprindă și relativitatea generală și mecanica cuantică. Problema este o problemă „teoretică” prin excelență. Inconsistența menționată este o problemă importantă care ilustrează în mod clar amestecul gândirilor filosofice, matematice și fizice. De fapt, pentru a unifica relativitatea generală cu teoria câmpului cuantic, pare necesar să inventezi un nou cadru matematic care va generaliza geometria riemanniană și, prin urmare, concepția noastră actuală despre spațiu și spațiu-timp. Evoluțiile contemporane în fizica teoretică sugerează că poate fi în desfășurare o altă revoluție, prin care un nou tip de geometrie poate intra în fizică, iar spațiu-timpul însăși poate fi reinterpretat ca un concept aproximativ, derivat.

Printre cele mai importante evenimente ale fizicii din secolul al XX-lea trebuie să ținem seama în mod cert de teoria specială a relativității și de teoria generală a relativității, descoperite de Einstein în 1905 și respectiv 1916, și mecanica cuantică, elaborată după zece ani de Bohr , Heisenberg, Schrodinger și de Broglie. Datorită acestor teorii, concepția fizicianului despre spațiu și timp a suferit două schimbări majore. Teoria relativității generale și teoria câmpului cuantic joacă un rol fundamental în descrierea aceleiași lumi naturale, deși la diferite scări, astfel încât o descriere mai completă a naturii trebuie să le cuprindă pe amândouă. Încercarea formală de a cuantifica relativitatea generală duce la formule infinite fără sens. În teoria galaxiei non-abeliene din anii șaizeci a apărut ca un cadru adecvat pentru descrierea tuturor forțelor naturale, cu excepția gravitației; totuși, în același timp, inconsistența dintre relativitatea generală și teoria câmpului cuantic a apărut în mod clar ca limitarea fizicii secolului al XX-lea.

Într-adevăr, istoria fizicii oferă multe exemple care arată cât de importante sunt aceste probleme. De exemplu, relativitatea specială a rezolvat o inconsecvență între teoria electromagnetică a lui Maxwell și teoria gravitației lui Newton. Relația generală a fost descoperită în efortul lui Einstein de a rezolva o inconsecvență între relativitatea specială și teoria gravitației newtoniene. Teoria câmpului cuantic a apărut în mod asemănător în încercarea de a reconcilia mecanica cuantică non-relativistă cu relativitatea specială. Pentru a unifica relativitatea generală cu teoria câmpului cuantic, ar fi necesar să inventăm un nou cadru matematic care va generaliza geometria riemanniană și, prin urmare, concepția noastră actuală despre spațiu și spațiu-timp. Evoluțiile contemporane din fizica teoretică sugerează că o altă revoluție ar putea fi în desfășurare, prin intermediul căreia un nou tip de geometrie poate intra în fizică, iar spațiul-timp însăși poate fi reinterpretat ca un concept aproximativ și derivat.

Este un fapt de cea mai mare importanță că orice teorie fizică a unei anumite generalizări și a unui scop, fie că este vorba despre o teorie clasică sau cuantică, o particulă sau o teorie a câmpului, presupune pentru formularea legilor ei și pentru interpretarea ei unele medii spațio-geometrice și timpul, și alegerea acestei geometrii predetermină într-o oarecare măsură legile care ar trebui să guverneze comportamentul materiei. Astfel, pentru a cita câteva exemple, mecanica clasică a lui Newton (și mai ales legea gravitației) se bazează pe asumarea unei relații absolut simultane între evenimente și o funcție de distanță ecuclidiană pe secțiunile spațiului. Clasificarea particulelor elementare în funcție de masele și spinul lor se bazează pe structura grupului Poincaré, adică grupul de izometrii ale spațiu-timpului pseudo-Riemannian al teoriei speciale a relativității lui Einstein sau al spațiu-timpului minkowskian. Principiul fizic al proporționalității universale a masei inerțiale și gravitaționale, recunoscută de Einstein între anii 1907 și 1915, necesită atribuirea unei conexiuni liniare ne-integrabile, adică a unei căi liniare (legea deplasării paralele), cu curbură nenulă spațiu timp. Faptul că geometria spațiu-timpului nu poate fi considerată în mod adecvat în mod izolat față de alte părți ale fizicii și, prin urmare, conceptele și legile sale sunt interdependente în mod inextricabil cu cele ale mecanicii, electrodinamicii etc., a fost recunoscută în primul rând de B. Riemann și W.K. Clifford, ulterior de H. Minkowki și A. Einstein, și a fost subliniat în special de H. Weyl .

Fizica clasică se bazează pe presupunerea explicită că spațiul, timpul și evenimentele fizice sunt două realități complet independente. Această concepție a fost răsturnată la începutul secolului al XX-lea prin teoria relativității speciale, care se bazează pe principiul general că un cadru în mișcare uniformă translatoare față de un cadru inerțial nu poate fi distins de acel cadru inerțial prin niciun experiment fizic – relativitatea. Declarat diferit, principiul relativității exprimă faptul că există cadre de referință echivalente, respectiv considerate în cadrul acestor cadre de referință, fenomenele fizice se comportă la fel, iar legile fizicii au aceeași formă.

Ulterior, prin teoria relativității generale, s-a arătat că spațiul și timpul au proprietăți geometrice intrinseci, și în al doilea rând că geometria și fizica sunt strâns legate între ele. De fapt, pe de o parte, modul în care se comportă materia depinde de structura geometrică de bază a spațiu-timpului (aceasta este în special atestată de faptul că gravitația este un efect al curburii spațiu-timpului), iar pe de altă parte, geometria spațiu-timpului nu este dată; este determinată de materie și de mișcarea sa.

Teoria specială a relativității a demonstrat că nu există o noțiune absolută a simultaneității (și a timpului „universal”) și că, prin urmare, este o noțiune relativă care depinde de cadrul de referință asupra căruia observatorii, mișcându-se unul față de celălalt în spațiu și timp , se uită la evenimente (fizice); aceste evenimente sunt simultane pentru un singur observator, dar nu simultan pentru celălalt. Ipotezele din spatele noțiunii comune și a noțiunilor newtoniene de spațiu și timp trebuie abandonate dacă trebuie să înțelegem teoria relativității și, în primul rând, analiza lui Einstein a conceptului de simultaneitate, în care el privește timpul ca un fel de „coordonată „exprimând relația unui eveniment în spațiu-timp cu un proces fizic concret în care se măsoară această coordonată. Cu alte cuvinte, timpul este privit ca o „observabilă”. Pe baza faptului observat al constanței vitezei efectiv măsurate a luminii pentru toți observatorii, se observă că observatorii care se mișcă la viteze diferite nu pot să convină asupra coordonării timpului care trebuie atribuită unor evenimente îndepărtate. Din această concluzie, rezultă că ei nu pot conveni asupra lungimii obiectelor sau a ratelor ceasurilor. Astfel, implicațiile esențiale ale teoriei relativității speciale trebuie văzute conceptual.

Curând după aceea, a devenit clar că transformările coordonatelor spațiului și timpului care sunt atașate la diferite puncte în spațiu-timp și la eliberarea particulelor care se încadrează în spațiu-timp, trebuie să lase invariabile în raport cu un anumit grup de simetrii geometrice, așa-numitul grup Lorentz (sau Poincare). Acest grup este format din transformări (spațial-temporale) liniare, lăsând un con convector invariant.

În 1908 apare marea descoperire a lui Minkowski, care și-a dat seama că universul este alcătuit dintr-o structură spațio-temporală în patru dimensiuni, care este, într-un anume sens, absolută, nu relativă, deoarece este la fel cum se vede din toate cadrele de referință; există independent de cadrele de referință. El a propus unificarea spațiului și a timpului, care au rămas separate până atunci, într-un singur concept: spațiu-timp. Spațiu-timpul devine astfel arena naturală în care are loc descrierea matematică a fenomenelor fizice. În special, permite reformularea legilor relativității speciale într-un limbaj nou, mai matematic. De fapt, conform lui Minkowski, lumea în spațiu și timp este o varietate topologică non-euclidiană (mai exact, hiperbolică) în patru dimensiuni. El a conceput astfel lumea naturală în schimbare ca fiind una variatbilă. În ceea ce privește relativitatea specială, ea implică lumea mono-variată cu o structură geometrică, nu mai puțin bogată decât, deși distinctă de, cea a spațiului patrudimensional euclidian. Această structură geometrică se află în centrul teoriei relativității speciale, precum și al altor teorii fizice.

Sursa: Luciano Boi, Theories of Space-Time in Modern Physics

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *