Пространство-время

Пространство-время - это математическая модель, которая объединяет пространство и время в единую идею, называемую континуумом. Этот четырехмерный континуум известен как пространство Минковского.

Объединение этих двух идей помогло космологии понять, как работает Вселенная на большом (например, галактики) и малом (например, атомы) уровнях.

В нерелятивистской классической механике использование евклидова пространства вместо пространства-времени хорошо, потому что время рассматривается как универсальное с постоянной скоростью прохождения, которая не зависит от состояния движения наблюдателя.

Но в релятивистской вселенной время не может быть отделено от трех измерений пространства. Это происходит потому, что наблюдаемая скорость течения времени зависит от скорости объекта относительно наблюдателя. Кроме того, сила любого гравитационного поля замедляет течение времени для объекта, наблюдаемого наблюдателем вне поля.

Иллюстрация искривления пространства-времени, вызванного Землей.

Дополнительные аспекты

Везде, где существует материя, она изменяет геометрию пространства-времени. В результате возникает искривленная форма пространства-времени, которую можно понимать как гравитацию. Белые линии на рисунке справа представляют собой влияние массы на пространство-время.

В классической механике использование пространства-времени необязательно, поскольку время не зависит от движения в трех измерениях евклидова пространства. Однако, когда тело движется со скоростью, близкой к скорости света (релятивистские скорости), время не может быть отделено от трех измерений пространства. Время, с точки зрения неподвижного наблюдателя, зависит от того, насколько близко к скорости света движется объект.

Двумерная аналогия искажения пространства-времени

Историческое происхождение

Многие люди связывают пространство-время с Альбертом Эйнштейном, который предложил специальную теорию относительности в 1905 году. Однако именно учитель Эйнштейна, Герман Минковский, в своем эссе 1908 года предложил пространство-время. Его концепция пространства Минковского является самой ранней трактовкой пространства и времени как двух аспектов единого целого, что и составляет суть специальной относительности. Он надеялся, что эта новая идея прояснит теорию специальной относительности.

Пространственное время Минковского точно описывает только постоянную скорость. Однако именно Эйнштейн открыл кривизну пространства-времени (гравитацию) в общей теории относительности. В общей теории относительности Эйнштейн обобщил пространство-время Минковского, включив в него эффекты ускорения. Эйнштейн обнаружил, что кривизна в его четырехмерном представлении пространства-времени на самом деле является причиной гравитации.

Тринадцатое издание Британской энциклопедии 1926 года включало статью Эйнштейна под названием "пространство-время".

Литературный фон

Эдгар Аллан По написал эссе о космологии под названием "Эврика" (1848), в котором говорится, что "пространство и длительность едины". Это первый известный случай предположения, что пространство и время - это разные восприятия одной вещи. По пришел к такому выводу после примерно 90 страниц рассуждений, не прибегая при этом к математике.

В 1895 году Уэллс в своем романе "Машина времени" написал: "Нет никакой разницы между Временем и любым из трех измерений Пространства, кроме того, что наше сознание движется по нему". Он добавил: "Научные люди... хорошо знают, что Время - это всего лишь разновидность Пространства".

Пространство-время в квантовой механике

В общей теории относительности пространство-время считается гладким и непрерывным. Однако в теории квантовой механики пространство-время не всегда является непрерывным.

Вопросы и ответы

В: Что такое пространство-время, согласно тексту?

О: Пространство-время - это математическая модель, которая соединяет пространство и время, образуя четырехмерный континуум, известный как пространство Минковского.

В: Как объединение пространства и времени помогло космологии?

О: Объединение пространства и времени позволило космологии лучше понять, как работает Вселенная как на большом уровне, таком как галактики, так и на малом уровне, таком как атомы.

В: Почему использование евклидова пространства вместо пространства-времени хорошо в нерелятивистской классической механике?

О: В нерелятивистской классической механике использование евклидова пространства хорошо тем, что время рассматривается как универсальное время с постоянной скоростью прохождения, которая не зависит от состояния движения наблюдателя.

В: Почему в релятивистской вселенной время неотделимо от трех измерений пространства?

О: Время не может быть отделено от трех измерений пространства в релятивистской вселенной, поскольку наблюдаемая скорость прохождения времени зависит от скорости объекта относительно наблюдателя.

В: Как сила гравитационного поля влияет на течение времени для объекта?

О: Сила любого гравитационного поля замедляет течение времени для объекта, наблюдаемого наблюдателем, находящимся вне поля.

В: Как называется четырехмерный континуум, который соединяет пространство и время?

О: Четырехмерный континуум, объединяющий пространство и время, называется пространством Минковского.

В: Как сочетание пространства и времени помогло космологии понять Вселенную?

О: Сочетание пространства и времени помогло космологии лучше понять работу Вселенной, в том числе как на большом уровне, например, галактик, так и на малом уровне, например, атомов.