Generel relativitet er en forbløffende smuk teori, og at kæmpe med, hvorfor den er uenig i kvantemekanik Chanda Prescod-Weinstein
“Generel relativitet lurer overalt i fysik…”
Jeg skriver sjældent meget om det i mine forskningsartikler, men hvert stykke videnskab, jeg nogensinde har gjort, antager enten rigtigheden af den generelle relativitet – vores mest grundlæggende teori for at forklare tyngdekraften – eller antager, at det er en fantastisk tilnærmelse af en mere korrekt teori. Når jeg og andre i mit felt skriver vores forskning, siger vi sjældent det højt. Men generel relativitet lurer overalt i fysik – fra den måde, det giver os mulighed for at navigere med det globale positioneringssystem til, hvordan det hjælper os med at starte og bruge teleskoper til at studere planeter uden for vores solsystem.
Generel relativitet med succes og ganske smukt teoretiserer tyngdekraften, og hvad tyngdekraften gør. Der er ingen del af det synlige univers, der er uberørt af denne styrke – ikke engang lys, selvom det ikke har nogen masse, og vi ville ikke forvente, at det oplever tyngdekraften.
Isaac Newtons tyngdekraft fra 1687 og hans forestillinger om absolut rum og tid viste sig at være forkerte. Generel relativitet, der blev oprettet af Albert Einstein i 1915, inviterer os til at overveje virkelighedens grundlæggende karakter, og det bliver også brugt i næsten hvert enkelt fysikområde og hvert astronomisk område. Mange universitetsklasser på disse områder har en tendens til at starte med at undervise i Einsteins særlige relativitet, som teoretiserer denne plads og tid ikke kan adskilles og i stedet skal betragtes som en samlet enhed, rumtid.
Praktisk set betyder det, at vi måler afstande og tider forskelligt. Linealen, der blev brugt til at foretage målinger i Newtonsk fysik, fungerer ikke, når vi tager den universelle hastighedsgrænse – den endelige hastighed af lys – i betragtning. Dette er det stadie, hvor studerende introduceres til det matematiske koncept, vi bruger til at måle afstande, metrikken. Metrikken, der abstraherer den daglige opfattelse af en hersker, lurede i vores Newtonske beregninger, men vi var aldrig nødt til at diskutere det. Særlig relativitet er første gang, vi skal anerkende det.
Generel relativitet, der er kendt af fysikere som GR, bygger på forening af rumtid ved at tage tyngdekraften i betragtning. Dens mest mindeværdige lektion er, at rumtidskurver: den metrik, vi mødte i særlig relativitet, skal give mulighed for, at vores hersker bøjer sig og ikke er lige. Denne krumning manifesterer sig som en kraft, tyngdekraften. Hvor der er mere bøjning, ser vi stærkere gravitationseffekter. Med andre ord, som jeg skrev i min første bog, er rumtid ikke lige.
Generel relativitet er som et puslespil, hvor brikkerne passer perfekt, og hvis vi ændrer sig selv, holder det op med at arbejde
Da jeg var studerende, var jeg meget fokuseret på at forstå de beregningsværktøjer, der var involveret. Vi var nødt til at abstrahere rum og tid for første gang for at forstå den generelle matematiske idé om et “rum”. Da jeg lærte nok til at sammensætte brikkerne, blev jeg forbløffet over teoriens skønhed. Generel relativitet er som et puslespil, hvor brikkerne passer perfekt sammen, og hvor, hvis vi ændrede sig selv, ville det hele stoppe med at arbejde.
På trods af al den skrivning, jeg har foretaget, har jeg stadig svært ved at beskrive den fornemmelse, dette fremkalder for mig. Dette er vores vidunderlige univers! Det fungerer på denne vidunderlige måde, og vi har været i stand til at finde ud af det. Hvor dejlig!
Jeg var så begejstret for generel relativitet, at jeg gjorde min doktorgrad med at studere, hvordan målinger af hastigheden i rumtidens udvidelse kunne informere vores indsats for at flette GR med en anden grundlæggende teori, kvantemekanik (se vores specielle, side 28). På det tidspunkt forstod jeg, i matematiske termer, udfordringerne ved at fusionere disse to teorier. Ændring af generel relativitet uden at ødelægge det, der gør det specielt, virker næsten umuligt, og det samme er tilfældet for kvantefysik.
Efter at jeg havde afsluttet min doktorgrad, tog jeg næsten 15 år fri fra at prøve at regne med denne konflikt. Da jeg vendte tilbage til det for nylig, da jeg arbejdede på min næste bog, Kanten af rumtidJeg fandt, at generel relativitet ældes som fin vin – og det samme gør kvantetyngdekraften. Hvad jeg mere dybt forstår nu er de konceptuelle udfordringer, der er involveret. Generel relativitet kan undgå absolut rum og tid, men det beregner stadig med sikkerhed. Kvantemekanik handler imidlertid med sandsynligheder og kommer med garanteret usikkerhed. Og alligevel, på en eller anden måde, en verden, der føles sikker – i det mindste fysisk, hvis ikke politisk – dukker op for os at leve i. Jeg har en bedre magefølelse nu for, hvorfor denne uenighed er så fascinerende og inspirerende.
Jeg er så taknemmelig, at jeg på et tidligt tidspunkt lærte de grundlæggende elementer, der ville give mig mulighed for at blive gammel med dette problem. Det er en påmindelse om, at det at tænke på vores materielle forhold er mere end at bekymre sig om penge, og om ledere vil fremstille sociale politikker, der tjener os alle. Vores materielle forhold er også resultatet af at være i rumtid, være forskere og viden indehavere af samfund og være livslange elever, der aldrig ser vores forhold til rummet som komplet.
Chandas uge
Hvad jeg læser
Jeg har ganske nydt Victoria Adukwei Bulleys smukke poesi -samling stille.
Hvad jeg ser på
Medicinsk drama Pitt er meget god – og meget trist.
Hvad jeg arbejder på
Jeg har to studerende, der afslutter deres ph.d.
Chanda Prescod-Weinstein er lektor i fysik og astronomi og et kernefakultetsmedlem i kvindestudier ved University of New Hampshire. Hendes seneste bog er den forstyrrede kosmos: en rejse ind i mørkt stof, rumtid og drømme udsat