Boekfragment: 'Now: The Physics Of Time' (Vs 2016)

{h1}

Een fragment uit het boek "now: the physics of time" van richard a. Muller.

U leest het woord "nu" nu meteen. Maar wat betekent dat? Wat maakt het kortstondige moment "nu" zo speciaal? Het raadselachtige karakter ervan heeft filosofen, priesters en moderne natuurkundigen van Augustinus tot Einstein en daarbuiten bedelven. Einstein toonde aan dat de stroom van tijd wordt beïnvloed door zowel snelheid als zwaartekracht, maar hij wanhoopte erover dat hij de betekenis van 'nu' niet kon verklaren. Even raadselachtig: waarom stroomt de tijd? Sommige natuurkundigen hebben het opgegeven om te proberen te begrijpen, en noemen de stroom van tijd een illusie, maar de eminente experimenteel natuurkundige Richard A. Muller protesteert. Hij zegt dat de natuurkunde de werkelijkheid moet verklaren, niet ontkennen. In 'Now: The Physics of Time' doet Muller meer dan gaten maken in eerdere ideeën; hij ambieert zijn eigen revolutionaire theorie, een die voorspelbare voorspellingen doet. Hij begint met het leggen van een stevige en opmerkelijk duidelijke uitleg van de bouwstenen van de fysica van zijn theorie: relativiteit, entropie, verstrengeling, antimaterie en de oerknal. Met de fase die vervolgens wordt ingesteld, onthult hij een verrassende stap voorwaarts. Hieronder is een fragment van Muller "Nu: The Physics of Time" (W.W. Norton & Company, 2016).

Natuurkundigen zijn vaak verbaasd over hun eigen vergelijkingen. Het is niet altijd gemakkelijk om de implicaties te zien, zelfs de meest dramatische. Om hun eigen wiskunde te helpen begrijpen, kijken ze naar extreme gevallen om te zien wat er gebeurt. En geen extreme situatie is extremer in dit universum dan het extreme van zwarte gaten. Kijken naar zwarte gaten geeft ons belangrijke inzichten in een aantal zeer eigenaardige aspecten van de tijd.

Als je vanuit een redelijke afstand een klein zwart gat (massa van de zon) ronddraait, zeg maar, duizend mijl, voel je helemaal niets. Je bent in een baan rond een enorm object dat je niet kunt zien. Omdat je in een baan bent, voel je je gewichtloos, net zoals alle astronauten in een baan. Je wordt er niet in gezogen; zwarte gaten (ondanks populaire science fiction) trekken je niet naar binnen. Als je in een baan rond de zon was, was je op deze afstand binnen en zou je in een miljoenste van een seconde verbranden, maar het zwarte gat is donker. (Microscopische zwarte gaten stralen uit, maar heel weinig komt van grote.)

De afstand rond uw baan is 2π keer uw radiale coördinaatwaarde van 1.000 mijlen. Als een vriend in een baan om het gat draait, maar aan de andere kant, in tegenovergestelde richting, dan zul je elkaar ontmoeten nadat je een kwart baan hebt afgelegd. Maar wanneer uw vriend diametraal tegenover u staat, is de afstand tussen u oneindig. Er is veel ruimte in de buurt van het zwarte gat.

Als je je retrorockets afvuurt en je orbitale beweging stopt, zul je inderdaad in het gat worden getrokken, net zoals je in een enorm voorwerp zou worden getrokken. (De manier waarop satellieten de baan omdraaien is precies dat: vuurde retrorockets af en laat de zwaartekracht ze naar binnen trekken.) Voordat tien minuten in je juiste frame voorbijgaan, voordat je tien minuten ouder bent, zul je het oppervlak van het zwarte gat bereiken, bij de Straal van Schwarzschild (besproken in hoofdstuk 3). Nu voor een aantal verbazingwekkende resultaten met betrekking tot tijd. Wanneer je dat oppervlak raakt, tien minuten na het begin van je val, zal de tijd gemeten op het frame van het baanstation het oneindige bereiken. * [1]

Dat is juist. Het kost oneindige tijd om in een zwart gat te vallen, gemeten vanuit het frame van iemand buiten. Als je versnellingsframe binnenvalt, duurt het maar tien minuten. Om elf minuten is de tijd buiten naar de oneindigheid en verder gegaan.

Dat is absurd! Mogelijk, maar in de klassieke relativiteit is het waar. Natuurlijk is er geen manier om de potentiële paradox te ervaren, want voorbij het oneindige is de tijd aan de buitenkant, en als je eenmaal het zwarte gat bent binnengegaan, ben je er voor eeuwig. Er is geen meetbare contradictie. Dit is een voorbeeld van wat natuurkundigen censuur noemen. De absurditeit is niet waarneembaar, dus het is niet echt een absurditeit.

Ben je tevreden met dat "voorbij oneindig maar gecensureerd" antwoord? Ik vermoed niet. Ik vind het geestdodend. Maar alles over de tijd vind ik geestdodend. We zullen een ander absurd maar gecensureerd resultaat tegenkomen met kwantumgolffuncties en verstrengeling. Deze voorbeelden dagen ons realiteitsgevoel uit en laten een ontevreden gevoel achter. Zoals Nietzsche zei: als je lang in een afgrond staart, staart de afgrond ook in je terug.

Zwarte gaten zuigen niet

Laten we terugkeren naar mijn verklaring dat zwarte gaten je niet opzuigen, dat je in een zwart gat ronddraait net zoals je in een andere massa zou ronddraaien. Stel dat Mercurius in een baan rond een zwart gat cirkelde dat dezelfde massa had als de zon. Hoe zou de baan anders zijn? Volgens het populaire geloof zou het zwarte gat de kleine planeet naar binnen zuigen. Volgens de algemene relativiteit zou er geen verschil in de baan zijn. Natuurlijk zou Mercurius niet langer heet zijn, omdat de intense straling van de zon zou worden vervangen door de koele duisternis van het zwarte gat.

Mercurius draait momenteel om de zon op een radiale afstand van 36 miljoen mijl. Stel dat je om de zon draait op 1 miljoen mijl van het centrum, net boven het oppervlak van de zon. Afgezien van de hitte, en mogelijk van de atmosfeer van de zon, zou je rondvaren in een cirkelvormige baan en binnen ongeveer tien uur terugkeren naar je startpunt. Vervang nu de zon door een zwart gat in de zon. Je zou nog steeds in tien uur ronddraaien. De zwaartekracht, op die afstand, zou identiek zijn aan die van de zon. Je moet heel dicht bij een zwart gat komen voordat je speciale effecten opmerkt.Net als bij elke andere ster, hoe dichterbij je komt, hoe sneller je moet bewegen om in een cirkelvormige baan te blijven. Als vuistregel kun je niet veel verschil zien totdat je zo dichtbij bent dat je omloopsnelheid de snelheid van het licht nadert.

Voor de zon ligt de maximale zwaartekracht aan de oppervlakte, net als voor de aarde. Ga onder het oppervlak en de massa die je aantrekt, de massa onder je, is minder dan aan de oppervlakte. Helemaal in het centrum van de zon is de zwaartekracht nul.

Voor een zwart gat is het oppervlak echter dicht bij het midden. Uit de Schwarzschild-vergelijking die ik eerder heb gegeven, kan de straal van een zwart zonnegat worden berekend op ongeveer 2 mijl. Op een afstand van 10 mijl moet je in een baan om de aarde bewegen met een derde van de lichtsnelheid; je omlooptijd zou een duizendste van een seconde zijn. In die omstandigheden moeten we de relativiteit gebruiken om de berekeningen uit te voeren.

Het bereiken van Lightspeed en verder gaan dan Infinity

Wanneer je in de buurt van een zwart gat komt, verloopt de tijd heel langzaam en hoewel de afstand rond de baan klein kan zijn, is er veel ruimte tussen jou en het gat. De ruimte is conventioneel afgebeeld voor natuurkundestudenten met een diagram zoals dat in figuur 7.1. Beschouw dit diagram als een zwart gat in de 2D-ruimte (het oppervlak). Het zwarte gat zelf bevindt zich in het midden, daaronder waar de gebogen ruimte wijst.

Dit is een handig diagram, maar het is enigszins misleidend, omdat het impliceert dat de ruimte naar een andere dimensie moet krommen (voor dit diagram, dat is de dimensie die naar beneden gaat) om de enorme afstanden dicht bij het zwarte gat op te vangen. In feite is zo'n dimensie niet nodig; de ruimte wordt eenvoudig gecomprimeerd door relativistische lengtekortingen. Het diagram wordt ook gebruikt in populaire filmvoorstellingen van zwarte gaten. Wanneer Jodie Foster in contact met een wormgat valt, lijkt het heel erg op het diagram in figuur 7.1. (Wormgaten zien eruit als twee bijna-zwarte gaten die zijn verbonden voordat de straal van Schwarzschild wordt bereikt, in elkaar vallen, de andere uit vliegen.)

Figuur 7.1. Afbeelding van een 2D zwart gat. De afstand tot het zwarte gat, gemeten aan de hand van de tijd dat het licht nodig heeft om het te bereiken, is oneindig, hoewel de afstand om er omheen te gaan hetzelfde is als in de gewone ruimte.

Figuur 7.1. Afbeelding van een 2D zwart gat. De afstand tot het zwarte gat, gemeten aan de hand van de tijd dat het licht nodig heeft om het te bereiken, is oneindig, hoewel de afstand om er omheen te gaan hetzelfde is als in de gewone ruimte.

Dankbetuiging: Richard A. Muller

Een zwart gat lijkt helemaal niet op het diagram. Tenzij andere dingen met je meekwamen, zou het er net zo uitzien als een volledig zwarte bol.

Met dat voorbehoud is het diagram handig. Het illustreert de basiskenmerken van zwarte gaten en kan worden gebruikt om enkele eenvoudige vragen te beantwoorden, zoals: Hoe ver is het van de buitenkant (het relatief vlakke gebied) naar het oppervlak van het zwarte gat? Het antwoord is oneindig. Meet langs het vallende oppervlak in het gat en je gaat voor altijd naar beneden. Je raakt de straal van het zwarte gat alleen onderaan, maar dat is oneindig ver naar beneden.

Als het oneindig is naar het oppervlak van het zwarte gat, wat bedoelde ik toen ik zei dat je op 10 mijl afstand zat? Ik geef toe dat ik misleidend was. Ik gebruikte de conventionele coördinaten. De radiale coördinaat r wordt gedefinieerd door te zeggen dat de afstand rond het zwarte gat 2πr is, net als in de gewone ruimte. In figuur 7.1 worden de conventionele x, y-coördinaten weergegeven door de rasterlijnen. Merk op hoe ver van elkaar ze in het gat komen; de grote afstand tussen hen laat zien dat er veel ruimte is. Natuurkundigen gebruiken deze conventionele coördinaten in de vergelijkingen, maar ze houden er rekening mee dat de afstand tussen de 3-mijlsmarkering en de 4-mijlsmarkering inderdaad 1.000 mijl kan zijn. Omdat de conventionele geometrie hier niet werkt, kunnen we de afstand tussen twee punten niet berekenen door alleen het verschil in de coördinaten te nemen.

Er zijn eigenlijk geen zwarte gaten

Je vindt lijsten met vermoedelijke zwarte gaten in astrofysische boeken en online. Het Wikipedia-artikel "Lijst met zwarte gaten" identificeert meer dan zeventig. Hier is de vangst: we hebben reden om te denken dat geen van deze zwarte gaten zijn.

De manier waarop een astronoom een ​​kandidaat met een zwart gat identificeert, is om een ​​object te vinden dat erg massief is, meestal meerdere keren dat van de zon, en toch weinig of geen straling uitstraalt. Sommige van de kandidaat-objecten zenden röntgenfoto's uit, waarvan gedacht wordt dat ze aangeven dat een stuk materie (een komeet? Een planeet?) Naar binnen valt, en dat het daardoor uiteen gereten en verwarmd wordt door de grote verschillen in zwaartekracht over zijn eigen lichaam, genoeg om röntgenstralen uit te zenden. Andere kandidaten, superzware zwarte gaten genaamd, bevatten honderden miljoenen zonnemassa's.

Eén zo'n supermassief object bestaat in het centrum van ons eigen Melkwegstelsel. We zien sterren in de buurt van dit centrum cirkelen en zeer snel bewegen en versnellen, wat wijst op de aanwezigheid van een zeer grote massa. Maar er is geen licht, dus alles wat deze sterren trekt is geen ster zelf. Natuurkundetheorieën suggereren dat een dergelijke grote accumulatie zonder emissie alleen een zwart gat kan zijn.

Waarom zeg ik dat er geen echte zwarte gaten in de lijst zijn? Roep de berekening op waaruit blijkt dat het oneindige tijd kost om in een zwart gat te vallen. Een vergelijkbare berekening laat zien dat het oneindige tijd kost om een ​​zwart gat te vormen, gemeten in onze tijdcoördinaat. Al dat materiaal moet effectief vallen, een oneindige afstand. Dus tenzij de zwarte gaten al bestonden op het moment dat het universum werd gemaakt, tenzij ze oorspronkelijke zwarte gaten waren, hebben ze nog niet de echte status van zwart gat bereikt; er is niet genoeg tijd (van ons buiten het juiste kader) geweest om de zaak te laten vallen op de oneindige afstand die een echt zwart gat kenmerkt. En er is geen reden om te denken dat een van de objecten primordiaal is (hoewel sommige mensen speculeren dat een of meer objecten dat wel zijn).

Ik ben een beetje pedant.Het duurt een eeuwigheid om in een zwart gat te vallen, maar je komt binnen een paar minuten vrij ver in je eigen tijd, gemeten aan je eigen mee-vallende horloge. Vanuit het buitenste frame bereik je nooit het oppervlak, maar je wordt in een relatief korte tijd in een crêpe-achtig object veranderd. Dus in zekere zin doet het er nauwelijks toe. Dat is misschien de reden waarom Stephen Hawking in 1990 besloot om zijn weddenschap uit 1975 af te betalen met Kip Thorne en toe te geven dat Cygnus X-1, de röntgenbron in het sterrenbeeld Cygnus, inderdaad een zwart gat was. Technisch gezien had Hawking gelijk, niet Thorne. Cygnus X-1 is 99,999 procent van de weg naar een zwart gat, maar het zal voor altijd duren (van het referentiekader van Hawking en Thorne) om de rest van de weg te gaan.

Een bepaalde kwantumvervuiling zou mijn verklaring kunnen omzeilen dat zwarte gaten niet bestaan. Hoewel het een eeuwigheid duurt voordat er een zwart gat ontstaat in de oorspronkelijke algemene relativiteitstheorie van Einstein, duurt het niet lang voordat iemand zich 'bijna' vormt. De tijd vanaf het moment dat de vallende materie tweemaal de grootte van de Schwarzschild-radius bereikt, tot wanneer deze zich op een kleine afstand bevindt, waarbij kwantumeffecten groot zijn (een Planck-afstand genoemd, iets dat we later zullen bespreken), is minder dan een duizendste van een seconde. Op dat moment verwachten we niet dat de gewone algemene relativiteitstheorie standhoudt.

Wat gebeurt er nu? Het feit is dat we het niet echt weten. Veel mensen werken aan de theorie, maar nog niets is geobserveerd en geverifieerd. Het is interessant dat Hawking zijn weddenschap met Thorne afbetaald heeft of Cygnus X-1 echt een zwart gat is; misschien voelde hij dat het zo dicht bij een zwart gat is dat het er nauwelijks toe doet, of misschien is hij ervan overtuigd geraakt dat de opname van de kwantumfysica twijfels oproept over de berekening van de oneindige tijd.

Het feit dat zwarte gaten nog niet echt bestaan ​​- althans "nog niet" volgens een buitenste kader - is een prima punt, en wordt normaal gesproken niet eens genoemd aan de nietsontziende. Maar je kunt misschien een weddenschap winnen met dit "geloof het of niet" feit.

Nog een Lightspeed-uitvlucht

In hoofdstuk 5 gaf ik een voorbeeld dat laat zien hoe versnelling van je juiste frame bij 1g zou kunnen resulteren in de afstand tussen jou en een object op afstand (gemeten in dat versnellende frame), veranderend met een snelheid van 2,6 keer de snelheid van het licht. Met de Lawrence Berkeley Laboratory-elektronversneller BELLA zou je de afstand tot Sirius in het juiste frame van het elektron kunnen veranderen met een equivalente snelheid van 8,6 miljard keer de lichtsnelheid. Je kunt het nog beter doen. Je kunt afstanden veranderen met oneindige snelheid. Hier is hoe.

Stel je voor dat jij en ik een paar meter van elkaar verwijderd zijn, in de ruimte, niets anders in de buurt. Stel dat onze juiste frames identiek zijn, dus in dat frame zijn we allebei in rust. Krijg nu een klein primordiaal (volledig gevormd) zwart gat, misschien eentje met een gewicht van slechts enkele kilo's. Plunk het precies tussen jou en mij in. De aantrekkingskracht van het zwarte gat is niet groter dan bij elk ander object met dezelfde massa, dus we voelen geen ongebruikelijke krachten. Als het zwarte gat op zijn plaats is, wordt de afstand tussen jou en mij oneindig. Je kunt dit zien op het zwart-gaten diagram. De afstand tussen ons is veranderd. Maar onze locaties hebben dat niet.

Zijn we "verhuisd"? Nee. Is de afstand tussen jou en mij veranderd? Ja. Enorm. De ruimte is vloeiend en flexibel. Het kan worden gecomprimeerd en uitgerekt. Een oneindige concentratie van ruimte kan gemakkelijk worden verplaatst, omdat het licht in massa kan zijn. Dat betekent dat afstanden tussen objecten kunnen veranderen bij willekeurig hoge snelheden, zelfs lichtjaren per seconde, of sneller. Het is alsof je met supersnelheid beweegt - hoewel je in feite helemaal niet beweegt.

Zoals ik eerder al zei, zullen deze concepten van belang zijn wanneer we de moderne kosmologie in latere hoofdstukken bespreken. In het bijzonder vormen ze de basis voor de inflatietheorie die wordt gebruikt om de raadselachtige paradox uit te leggen dat het universum opmerkelijk uniform is, hoewel het zo groot is dat het nooit (blijkbaar) tijd heeft gehad om een ​​dergelijke uniformiteit vast te stellen. Daarover later meer.

wormholes

Een wormgat is een hypothetisch object, vergelijkbaar met een zwart gat, maar in plaats van dat de gebogen ruimte reikt tot een voorwerp met een enorme massa, breidt het zich uiteindelijk uit en komt het op een andere locatie naar voren. Het eenvoudigste wormgat lijkt erg op twee niet helemaal zwarte gaten die dichtbij de bodem zijn verbonden. ("Niet helemaal" betekent dat je kunt vallen en de andere kant in eindige tijd kunt terugschieten.) Daarvoor kun je je voorstellen dat de ruimte is opgevouwen, zodat het wormgat naar buiten komt over de vouw (zie figuur 7.2). Het is echter niet nodig om dat voor te stellen. Onthoud dat de diepte van de onderkant van het zwarte gat, van het externe referentieframe, oneindig is in afstand. Dus ook al is een wormgat niet zo diep, het kan diep genoeg zijn om overal te kunnen bereiken.

Figuur 7.2. Conceptuele afbeelding van een 2D wormgat. Twee bijna-zwarte gaten verbinden twee gebieden met ruimte-tijd. Val aan de ene kant en knal de andere kant uit.

Figuur 7.2. Conceptuele afbeelding van een 2D wormgat. Twee bijna-zwarte gaten verbinden twee gebieden met ruimte-tijd. Val aan de ene kant en knal de andere kant uit.

Dankbetuiging: Richard A. Muller

Een probleem met eenvoudige wormgaten is dat uit berekeningen blijkt dat ze niet stabiel zijn. Zonder bodem onderaan om de gebogen ruimte op zijn plaats te houden, wordt verwacht dat het wormgat sneller instort dan dat iemand er doorheen kan schieten. We zouden een wormgat kunnen stabiliseren (zoals het stabiliseren van een kolenmijn door kolommen op te hangen), maar de huidige theorie zegt dat om dat te doen, we iets nodig zouden hebben dat we nog niet hebben ontdekt, een soort deeltje dat negatieve energie in zich heeft veld. Zo'n veld is misschien mogelijk - tenminste, we kunnen het niet uitsluiten - dus is science fiction welkom om door te gaan en aan te nemen dat we in de toekomst stabiele en nuttige wormgaten kunnen creëren.

Wormholes zijn de huidige sciencefictionorthodoxie voor een snelle reis over een afstand van vele lichtjaren. Zelfs de Star Trek-warpdrive, ook gebruikt in de Doctor Who-serie, suggereert dat het 4D-ruimtetijd-universum is gebogen in een vijfde dimensie, waardoor objecten op afstand dichter bij elkaar komen te staan. Hetzelfde geldt voor de filmversie van Dune, waarbij het gilde een speciaal materiaal gebruikt dat bekend staat als specerij om ruimte te buigen. (In de roman dekken ze simpelweg afstanden sneller dan het licht, maar de film maakt relativistisch gevoel voor dat vermogen.)

Wormholes fascineren ook sciencefictionfans omdat sommige natuurkundigen hebben beweerd dat ze reizen achteruit in de tijd mogelijk zouden maken. Terwijl we ons verdiepen in de betekenis van de stroom van tijd, de betekenis van nu en van tijdreizen, zul je zien waarom ik het er niet mee eens ben dat het passeren van een wormgat achterwaartse tijdreizen zou kunnen bewerkstelligen.

Het is verbazingwekkend dat, hoewel we niet weten waarom de tijd stroomt, we precies kunnen praten over de relatieve stroom van tijd op verschillende locaties, en dat dergelijke stromen in verschillende snelheden plaatsvinden. De tijd strekt zich uit en krimpt, afhankelijk van de natuurkunde. De volgende stap in de fysica verklaarde ook niet de snelheid van de stroom van tijd, maar wel de eenvoudiger vraag van de richting ervan: waarom stroomt de tijd eerder vooruit dan achteruit?


[1] * L. Susskind en J. Lindesay bespreken deze oneindige valtijd in An Introduction to Black Holes, Information, and the String Theory Revolution (2005), p. 22. Ze plaatsen "Fidos" waarnemers langs het valpad die het object zien vallen en rapporteren aan de buitenstaander. "Volgens dit gezichtspunt steekt het deeltje nooit de horizon over, maar benadert het asymptotisch." De kwantumtheorie zou deze conclusie mogelijk kunnen veranderen.

Nu kopen: The Physics of Time op Amazon.com >

Copyright © 2016 door Richard A. Muller. Gebruikt met toestemming van W. W. Norton & Company, Inc. Alle rechten voorbehouden.


Video Supplement: New findings have physicists questioning reality.




Onderzoek


Hoe Je De Gear Fit Met Je Galaxy S5 Kunt Gebruiken
Hoe Je De Gear Fit Met Je Galaxy S5 Kunt Gebruiken

Lasers Kunnen Computers 1 Miljoen Keer Sneller Maken
Lasers Kunnen Computers 1 Miljoen Keer Sneller Maken

Science Nieuws


Nieuwe Zijspiegel Op Het Voertuig Elimineert Stuurprogramma Dode Hoek
Nieuwe Zijspiegel Op Het Voertuig Elimineert Stuurprogramma Dode Hoek

Kan Ik Reizen Zonder Mijn Ecologische Voetafdruk Te Vergroten?
Kan Ik Reizen Zonder Mijn Ecologische Voetafdruk Te Vergroten?

Oude Grieken Bouwden Een Eclipse-Voorspelling 'Computer' 2000 Jaar Geleden
Oude Grieken Bouwden Een Eclipse-Voorspelling 'Computer' 2000 Jaar Geleden

Jeepers, Peepers: Waarom Spinnen Zoveel Ogen Hebben
Jeepers, Peepers: Waarom Spinnen Zoveel Ogen Hebben

Vanishing Da Vinci Portrait Could Be Saved By Science
Vanishing Da Vinci Portrait Could Be Saved By Science


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com