FoodPro Preloader

Hvordan Einstein avslørte universets underlige "Nonlocality"


Kort sagt I hverdagen er avstand og plassering verdslige absolutter. Likevel foreslår fysikk at det på det mest grunnleggende nivået er universet ikke-lokalt - det er ikke slikt som sted eller avstand. I utgangspunktet syntes Isaac Newtons tyngdebegrep utgjøre fenomenet nonlocality fordi den attraktive kraften mellom massene syntes å virke magisk på tvers av ekspansjoner. Albe

Kort sagt

  • I hverdagen er avstand og plassering verdslige absolutter. Likevel foreslår fysikk at det på det mest grunnleggende nivået er universet ikke-lokalt - det er ikke slikt som sted eller avstand.
  • I utgangspunktet syntes Isaac Newtons tyngdebegrep utgjøre fenomenet nonlocality fordi den attraktive kraften mellom massene syntes å virke magisk på tvers av ekspansjoner.
  • Albert Einsteins generelle relativitet tilskrives i stedet tyngdekraften til krumning av tidsrom. Likevel introduserte den en dypere følelse av nonlocality ved å vise at romtidsposisjoner ikke har noen inneboende betydning.

Tilpasset fra Spooky Action at a Distance: Fenomenet som Reimagines Space og Time - og hva det betyr for Black Holes, Big Bang og Theories of Everything, av George Musser, etter avtale med / Farrar, Straus og Giroux, LLC (US ). Copyright © 2015 av George Musser. Alle rettigheter reservert .

Da jeg først lærte om kvantefenomenet kjent som nonlocality i begynnelsen av 1990-tallet, var jeg en kandidatstudent. Men jeg hørte ikke om det fra min kvantemekanikprofessor: han så ikke så godt som å nevne det. Ved å bla i en lokal bokhandel, hentet jeg et nylig publisert arbeid, Det Bevisste Universet, som overrasket meg med sin påstand om at "ingen tidligere oppdagelse har gitt flere utfordringer til vår følelse av hverdagens virkelighet" enn nonlocality. Fenomenet hadde smaken av forbudt frukt.

I hverdags tale er "lokalitet" et litt pretensiøst ord for et nabolag, by eller et annet sted. Men den opprinnelige betydningen, som daterer seg til det 17. århundre, handler om selve begrepet "sted." Det betyr at alt har et sted. Du kan alltid peke på et objekt og si, "Her er det." Hvis du ikke kan, må det ikke egentlig eksistere. Hvis læreren spør hvor leksene dine er, og du sier at det ikke er hvor som helst, har du noe å forklare å gjøre.

Verden vi opplever har alle egenskapene til lokaliteten. Vi har en sterk følelse av plass og forholdet mellom steder. Vi føler smerten i separasjon fra de vi elsker, og impotensen til å være for langt unna noe vi vil påvirke. Og likevel foreslår flere grener av fysikk at det på et dypere nivå ikke kan være noe slikt som sted og ikke noe som avstand. Fysikkforsøk kan binde skjebnen til to partikler sammen slik at de oppfører seg som et par magiske mynter. Hvis du snu dem, vil hver land på hodene eller haler - men alltid på samme side som sin partner. De handler på en koordinert måte, selv om ingen kraft går gjennom rommet mellom dem. Disse partiklene kan glide av til motsatte sider av universet, og likevel fungerer de sammen. Partiklene krenker lokaliteten - de overskrider plass.

Tydeligvis har naturen slått en særegen og delikat balanse: under alle omstendigheter overholder den lokaliteten, og den adlyde lokalitet hvis vi skal eksistere, men det slipper hint om å være nonlocal på grunnlagene. For de som studerer det, er nonlocality mor til alle fysikk gåter, implisert i et bredt tverrsnitt av de mysterier som fysikere konfronterer i disse dager - ikke bare den rareheten av kvantpartikler, men også skjebnen til sorte hull, opprinnelsen til kosmos og naturens essensielle enhet.

For det meste av det 20. århundre var kvantekonfliktasjon - den spesielle synkronitet av partikler - den eneste typen nonlocality som vurderte noe omtale. Det var fenomenet at Albert Einstein kalte "spooky action på avstand." Men fysikere skjønte gradvis at andre fenomener også er mistenkelig spooky.

For eksempel skapte Einstein sin generelle relativitetsteori - som gir vår moderne forståelse av tyngdekraften - med det eksplisitte formålet med å utskyve nonlocality fra fysikk. Isaac Newtons tyngdekraft handlet på avstand, som om det var magisk og generell relativitet, snakket trollet i to ved å vise at krumning av tidsrom og ikke en usynlig kraft gir opphav til gravitasjonsattraksjon. Men hva Einstein har til hensikt kan ha vært, hans teori begynte å avsløre en annen side som fysikere satte den i bruk. Tyngdekraftenes virkninger viser seg å være glitrende med ikke-lokale fenomener.

Hva vi mener med "her"

En dag i høst snakket Don Marolf, en fysiker ved University of California, Santa Barbara, og jeg om gravitasjon mens han satt i studentens sentrum på hans campus, spiste salater og kikket over lagunen. Men hold deg på. Hvordan visste jeg virkelig at jeg satt i UCSBs studentesenter på en bestemt dag i høst? Prinsippet om lokalitet sier at jeg hadde en stilling, studentesenteret hadde en stilling, og da disse to stillingene sammenfalt, var jeg der. GPS-koordinatene på telefonen min matchet senterets, og datoen matchet kalenderen på veggen. Men denne tilsynelatende enkle prosedyren står ikke opp på undersøkelsen. "For å stille et spørsmål om her, bør vi vite hva vi mener med" her ", og det er ikke så lett å gjøre, " forteller Marolf.

En åpenbar komplikasjon er at California er tektonisk aktiv. Krustplaten som Santa Barbara sitter, beveger seg nordvest med et par tommer per år i forhold til resten av Nord-Amerika og til det nasjonale breddegraden og lengdegraden. Så har student senter ingen fast stilling. Hvis jeg kommer tilbake noen år fra nå og går til de samme koordinatene, finner jeg meg selv sitter i den lagunen. Mapping-selskaper må periodisk gjenopprette tektoniske soner for å ta hensyn til denne bevegelsen.

Du kan anta at student senter fortsatt har en posisjon definert i absolutt forstand av rommet selv. Likevel er rom og tid ikke mer stabile enn en tektonisk plate. De kan glide, heve og spenne. Når en massiv kropp skifter, sender den rystelser gjennom tidsperioden kontinuum, resculpting den. Kafeteriets posisjon kan endres som et resultat, selv om den tektoniske platen forblir satt. Denne prosessen, i stedet for Newtons mystiske handling på avstand, er hvordan tyngdekraften kommuniseres fra sted til sted, ifølge Einsteins generelle relativitetsteori. Som geologiske tremor, gravitasjonskrypsler forplanter seg ved en viss endelig hastighet - nemlig lysets.

For å forstå omformingen av tidsrom, må våre sinn overvinne en hindring for abstraksjon. Spacetime er ikke like håndfast som et geologisk landskap. Vi kan ikke se det, enda mindre skille form. Likevel får vi indirekte glimt. Objekter som beveger seg fritt gjennom rommet, uhindret av andre gjenstander, er som regndråper som strekker seg over en bilrute, og viser glassets kurve: de sporer ut formens form. For eksempel observerer astronomer rutinemessig strålestråler som begynner som parallelle, passerer nær en gigantisk masse av masse som solen, og deretter krysser. Lærebøker og artikler som beskriver denne effekten sier ofte at solens tyngdekraft har bøyd lysstrålene, men det er ikke helt riktig. Strålene er like rette som rette kan være. Det som solen egentlig har gjort er å endre reglene for geometri, det vil si for å koble rom - slik at parallelle linjer kan møtes.

Morphing av rom og tid er ikke bare ting av eksotisk fysikk. Det styrer bevegelsen av enhver fallende gjenstand. Baseballs, vinglasser, dyre smartphones: Ting som glir ut av hånden, akselererer mot gulvet fordi jordens massevarsler tid. (Vridning av rom spiller bare en liten rolle i disse tilfellene.) "Ned" er definert av retningen i hvilken tid som går langsommere. Klokker på havnivå krysse langsommere enn klokker på toppen av Denali; en klokke som er festet til ankelen din, vil falle bak en på håndleddet. I menneskelige termer er avviket høyest i en biljon, men nok til å ta hensyn til hastigheten der fallende gjenstander henter fart. Når du ser et eple faller fra et tre, ser du det ruller over tidens konturer.

Relativitetens åpenbaring

Selv om formforskyvningen av mellomromstiden forklarer bort den slags nonlocality som Newton snakket om, produserer den et nytt utvalg. Det kommer ut av relativitetsteoriets kjernevirksomhet: at det ikke er noe slikt som et sted utenfor tidsrom, ingen ekstern eller absolutt standard for å bedømme det. Dette tilsynelatende selvinnlysende forslaget har bemerkelsesverdige konsekvenser. Det betyr at romtid ikke bare warps, men også mister mange av de kvaliteter vi forholder oss til, inkludert muligheten til å definere steder.

I motsetning til et guddommelig perspektiv, sier Marolf, "er veldig subtilt, og ærlig talt forstod Einstein det ikke lenge." Tidligere begrep av rom, inkludert Newtons og Selv Einsteins egen tidligere tenkning, antok at rommet hadde en fast geometri, som vil la deg forestille deg å stige over rom og se ned på den. Faktisk på et tidspunkt hevdet Einstein at det måtte være et absolutt referansepunkt, ellers ville formen på rommet bli tvetydig.

For en følelse av hvorfor tvetydigheten oppstår, bør du vurdere hvordan vi opplever geografi i hverdagen. Vi kan anta at det er en unik "ekte" form for landskapet - hva Google Earth viser - men i praksis er formen definert av opplevelsen av å være innebygd i det landskapet, og at opplevelsen kan variere. En student som går sent til eksamen, en idrettsutøver som hobbler på en forstuet ankel, en professor som går med en kollega mens han er dypt i samtalen og en syklist som roper på fotgjengere for å komme seg ut av veien, vil oppleve svært forskjellige universiteter. En kort avstand for en kan virke som en uendelig kryssning til en annen. Når vi skjuler utsikten fra høyt, kan vi ikke lenger gjøre endelige uttalelser om hva som er der.

I en epiphany i 1915 innså Einstein at tvetydigheten ikke er en feil, men en funksjon. Han bemerket at vi aldri observerer steder å ha absolutte steder, uansett. I stedet tilordner vi posisjoner basert på hvordan objekter er ordnet i forhold til hverandre, og - viktigst - de relative stedene er objektive. Alle som vandrer rundt på universitetsområdet vil gjenkjenne den grunnleggende bestilling av steder. De vil sette sammen UCs studentesenter med lagunen i stedet for å sette dem på motsatte sider av campus. Hvis landskapet bukket eller fløt mens bevaring av disse relasjonene, ville innbyggerne aldri vite det. Så det er for romtid. Ulike observatører kan tilskrive forskjellige steder til et sted, men vil være enige om forholdene som binder seg til hverandre. Disse relasjonene er det som bestemmer hendelsene som oppstår. "Hvis George og Don møtte på en bestemt kafé ved middagstid i det første tidsromet, " forteller Marolf meg, "de ville også gjøre det i det etterfølgende tidsrom. Det er bare det i det første tilfellet dette ville ha skjedd i punkt B, og i det omstilte tilfellet forekommer det ved punkt A. "

Kafeteriet ligger da ved A eller B eller C eller D eller E-en uendelig mulige stillinger. Når vi sier at det er plassert på et slikt sted, bruker vi virkelig en stenografi for forhold til andre landemerker. Mangler definitive koordinater, kafeteriaen må være plassert av tingene i og rundt den. For å finne den, må du søke over hele verden til et sted der bordene, stolene og salatbaren er ordnet akkurat slik, og hvor en uteplass har utsikt over en lagune som er badet i det gyldne sollyset i Sør-California. Studentesenterets posisjon er en eiendom som ikke er sentrum, men av hele systemet som det tilhører. "Spørsmålet du spurte, refererer i prinsippet til hele spredningstiden, sier Marolf.

Tvetydigheten av lokaliserte målinger er en form for nonlocality. Til å begynne med kan mengder som energi ikke ligge på noe bestemt sted, av den enkle grunn at det ikke er noe slikt som et bestemt sted. Du kan ikke peke på en posisjon enn du kan plante et flagg på sjøen. Poeng i rommet er uutslettelig og utbytbar. Fordi de mangler noen differensierende egenskaper, må alt som verden består av ikke ligge på poeng; Plassen er ikke i stand til å støtte noen lokalisert struktur. Gravitasjonsmengder må i stedet være helhetlige egenskaper av tidsrom i sin helhet.

Videre beskrives de flere ekvivalente former av rom ved forskjellige konfigurasjoner av gravitasjonsfeltet. I en konfigurasjon kan feltet utøve en sterkere kraft på ett sted enn det ville i en annen konfigurasjon, med kompenserende endringer andre steder for å opprettholde det relative arrangementet av objekter. Poeng i gravitasjonsfeltet må være sammenkoblet med hverandre slik at de kan flippe rundt mens de kollektivt fremdeles produserer samme indre arrangement av objekter. Disse koblingene bryter med prinsippet om at enkelte steder i rommet har en selvstendig eksistens. Marolf har sagt det slik: "En hvilken som helst tyngdeorientering er ikke en lokal feltteori. Selv klassisk er det viktige begrensningslikninger. Feltet på dette punktet i mellomrom og feltet på dette punktet i mellomrom er ikke uavhengige. "

Under de fleste omstendigheter kan vi ignorere denne nonlocality. Du kan betegne noe tilgjengelig stykke materie som referansepunkt og bruke det til å forankre et koordinatnett. Du kan, til Santa Barbarans chagrin, ta Los Angeles som sentrum av universet og definere hvert annet sted med hensyn til det. I dette rammene kan du gå om virksomheten din i lykksalig uvitenhet om verdens grunnleggende manglende evne til å avgrense steder. "Når du har gjort det, ser fysikken ut som om den er lokal, " forteller Marolf. "Gravitasjonsdynamikken er helt lokal. Ting beveger seg på en kontinuerlig måte, begrenset av lysets hastighet. "Men tyngdekraften er fortsatt bare" pseudo local. "Nonlocality er alltid der, som lurer under overflaten, og oppstår under ekstreme forhold som svarte hull.

Kort sagt, Einsteins teori er nonlocal på en mer subtil og lumsk måte enn Newtons tyngdeorienterte teori. Newtonske tyngdekraften handlet på avstand, men det opererte i det minste innenfor et rammeverk med absolutt rom. Einsteinsk tyngdekraft har ikke noe slikt element av trolldom; dets effekter ripple gjennom universet ved lysets hastighet. Likevel slår det rammen, bryter lokaliteten i det som var, for Einstein, sin mest grunnleggende forstand: bestemmelsen om at alle ting har en plassering. Generell relativitet forstyrrer vårt intuitive bilde av rom som en slags beholder der materielle gjenstander bor og tvinger oss til å søke etter en helt ny oppfatning av sted.

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "Where is Here?" in313, 5, 70-73 (november 2015)

MER FOR Å EXPLORE

Kvantum ikke-lokalitet og relativitet: Metafysiske intimasjoner av moderne fysikk. Tredje utgave. Tim Maudlin. Wiley-Blackwell, 2011.

Nonlocality utenfor Quantum Mechanics. Sandu Popescu i naturfysikk, vol. 10, nr. 4, sider 264-270; April 2014.

For videoer, blogginnlegg og forklaringer av nonlocality, besøk www.georgemusser.com

FRA VÅRE ARKIV

En kvantitativ trussel mot spesiell relativitet. David Z Albert og Rivka Galchen; Mars 2009.

Kvantvekt i Flatland. Steven Carlip; April 2012.

Hot Spot Hot Rod: Internett Invaderer AutomobileRinger av Saturn og 2 Moons Shine i nydelig NASA PhotoAntarktis Lake Vostok May Hold Extreme LifeÅ gjøre de store Apple Green Starts med Empire State BuildingSaint Patrick's Day Science: Brew Up Some Green Soda Pop!Incognito Caterpillar truer amerikanske grenserAfrika Faces Hotter FutureEt resirkulert univers