Czasoprzestrzeń nierelatywistyczna
W fizyce czasoprzestrzeń nierelatywistyczna to dowolny model matematyczny, który łączy n -wymiarową przestrzeń i m -wymiarowy czas w jedno kontinuum inne niż model (3+1) stosowany w teorii względności .
W sensie używanym w tym artykule czasoprzestrzeń jest uważana za „nierelatywistyczną”, jeśli (a) odbiega od (3+1) wymiarowości, nawet jeśli postulaty szczególnej lub ogólnej teorii względności są w inny sposób spełnione, lub jeśli (b) nie przestrzega postulatów szczególnej lub ogólnej teorii względności, niezależnie od wymiarowości modelu.
Wstęp
Istnieje wiele powodów, dla których można badać czasoprzestrzenie, które nie spełniają postulatów relatywizmu i/lub odbiegają od pozornej (3+1) wymiarowości znanego wszechświata.
Czasoprzestrzeń Galileusza/Newtona
Klasycznym przykładem nierelatywistycznej czasoprzestrzeni jest czasoprzestrzeń Galileusza i Newtona. Jest to czasoprzestrzeń codziennego "zdrowego rozsądku". Czasoprzestrzeń Galileusza/Newtona zakłada, że przestrzeń jest euklidesowa (tj. „płaska ” ) i że czas ma stałą prędkość przepływu, która jest niezależna od stanu ruchu obserwatora , a nawet od czegokolwiek zewnętrznego.
Mechanika Newtona rozgrywa się w kontekście czasoprzestrzeni Galileusza/Newtona. W przypadku ogromnego zestawu problemów wyniki obliczeń z wykorzystaniem mechaniki Newtona różnią się tylko nieznacznie od obliczeń z wykorzystaniem modelu relatywistycznego. Ponieważ obliczenia z wykorzystaniem mechaniki Newtona są znacznie prostsze niż obliczenia z wykorzystaniem mechaniki relatywistycznej, a także odpowiadają intuicji, większość codziennych problemów mechaniki rozwiązuje się za pomocą mechaniki Newtona.
Systemy modelowe
Wysiłki podejmowane od 1930 r., mające na celu opracowanie spójnej kwantowej teorii grawitacji, nie przyniosły jak dotąd więcej niż wstępne wyniki. Badanie grawitacji kwantowej jest trudne z wielu powodów. Technicznie rzecz biorąc, ogólna teoria względności jest złożoną, nieliniową teorią. Bardzo niewiele problemów o dużym znaczeniu nadaje się do rozwiązania analitycznego, a rozwiązania numeryczne w dziedzinie silnego pola mogą wymagać ogromnej ilości czasu superkomputera.
Kwestie pojęciowe nastręczają jeszcze większych trudności, ponieważ ogólna teoria względności stwierdza, że grawitacja jest konsekwencją geometrii czasoprzestrzeni. Stworzenie kwantowej teorii grawitacji wymagałoby zatem skwantowania samych podstawowych jednostek miary: przestrzeni i czasu. Ukończona teoria grawitacji kwantowej bez wątpienia przedstawiałaby wizualizację Wszechświata inną niż jakakolwiek, jaką dotychczas sobie wyobrażano.
Jednym z obiecujących podejść badawczych jest zbadanie cech uproszczonych modeli grawitacji kwantowej, które stwarzają mniej problemów technicznych, zachowując przy tym podstawowe cechy koncepcyjne pełnoprawnego modelu. W szczególności ogólna teoria względności w zredukowanych wymiarach (2+1) zachowuje tę samą podstawową strukturę pełnej teorii (3+1), ale jest technicznie znacznie prostsza. Wiele grup badawczych przyjęło to podejście do badania grawitacji kwantowej.
Teorie „nowej fizyki”.
Pomysł, że teorię relatywistyczną można z pożytkiem rozszerzyć poprzez wprowadzenie dodatkowych wymiarów, zrodził się z modyfikacji przez Nordstöma w 1914 r. jego poprzednich teorii grawitacji z 1912 i 1913 r . W tej modyfikacji dodał dodatkowy wymiar, w wyniku czego powstała 5-wymiarowa teoria wektorów. Teoria Kaluzy-Kleina (1921) była próbą ujednolicenia teorii względności z elektromagnetyzmem. Chociaż początkowo została entuzjastycznie przyjęta przez fizyków, takich jak Einstein, teoria Kaluzy-Kleina była zbyt pełna niespójności, aby mogła być teorią realną.
Różne teorie superstrun mają efektywne granice niskich energii, które odpowiadają klasycznym czasoprzestrzennym z alternatywnymi wymiarami niż pozorna wymiarowość obserwowanego wszechświata. Argumentowano, że wszystkie światy wymiarowe oprócz (3+1) reprezentują martwe światy bez obserwatorów. Dlatego na podstawie argumentów antropicznych można by przewidzieć , że obserwowany wszechświat powinien być jednym z czasoprzestrzeni (3+1).
Przestrzeń i czas mogą nie być podstawowymi właściwościami, ale raczej mogą reprezentować pojawiające się zjawiska, których początki tkwią w splątaniu kwantowym.
Od czasu do czasu zastanawiano się, czy możliwe jest wyprowadzenie sensownych praw fizyki we wszechświecie o więcej niż jednym wymiarze czasowym. Wczesne próby konstruowania czasoprzestrzeni z dodatkowymi wymiarami czasopodobnymi nieuchronnie napotykały problemy, takie jak naruszenie przyczynowości i mogły zostać natychmiast odrzucone, ale obecnie wiadomo, że istnieją realne ramy takich czasoprzestrzeni, które można skorelować z ogólną teorią względności i Modelem Standardowym , i które przewidywać nowe zjawiska, które są w zasięgu dostępu eksperymentalnego.
Możliwe dowody obserwacyjne
Zaobserwowane wysokie wartości stałej kosmologicznej mogą sugerować kinematykę znacznie różniącą się od kinematyki relatywistycznej. Odstępstwo od kinematyki relatywistycznej miałoby znaczące implikacje kosmologiczne w odniesieniu do takich zagadek, jak problem „ brakującej masy ”.
Do tej pory ogólna teoria względności pozytywnie przeszła wszystkie testy eksperymentalne. Jednak propozycje, które mogą prowadzić do kwantowej teorii grawitacji (takie jak teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa ) ogólnie przewidują naruszenie zasady słabej równoważności w zakresie od 10-13 do 10-18 . Obecnie przewidywane testy słabej zasady równoważności zbliżają się do stopnia czułości, takiego jak brak odkrycia naruszenia byłoby równie głębokim skutkiem, jak wykrycie naruszenia. Niewykrycie naruszenia zasady równoważności w tym zakresie sugerowałoby, że grawitacja jest tak fundamentalnie różna od innych sił, że wymaga poważnej ponownej oceny obecnych prób unifikacji grawitacji z innymi siłami natury. Z drugiej strony pozytywne wykrycie byłoby głównym drogowskazem w kierunku zjednoczenia.
Fizyka materii skondensowanej
Badania nad materią skondensowaną zrodziły dwukierunkową zależność między fizyką czasoprzestrzeni a fizyką materii skondensowanej :
- Z jednej strony podejście czasoprzestrzenne zostało wykorzystane do zbadania pewnych zjawisk związanych ze skondensowaną materią. Na przykład zbadano czasoprzestrzenie z lokalnymi nierelatywistycznymi symetriami, które mogą wspierać masywne pola materii. Podejście to zostało wykorzystane do zbadania szczegółów sprzężeń materii, zjawisk transportu i termodynamiki płynów nierelatywistycznych.
- Z drugiej strony układy materii skondensowanej można wykorzystać do naśladowania pewnych aspektów ogólnej teorii względności. Chociaż wewnętrznie nierelatywistyczne, systemy te dostarczają modeli kwantowej teorii pola zakrzywionej czasoprzestrzeni, które są dostępne eksperymentalnie. Obejmują one modele akustyczne w przepływających płynach, kondensatu Bosego-Einsteina lub kwazicząstkach w poruszających się nadcieczach , takich jak kwazicząstki i ściany domeny fazy A nadciekłego He-3 .