Что Такое Пространство?

Не то, что ты думаешь



Попросите группу физиков и философов дать определение «пространству», и вы, скорее всего, увязнете в долгой дискуссии, включающей такие глубокие, но бессмысленные сочетания слов, как «сама ткань пространства-времени является физическим проявлением концепций».

квантовой энтропии, сплетенной воедино универсальной природой места».

Если подумать, может быть, не стоит вступать в глубокие дискуссии между физиками и философами.

Является ли пространство просто бесконечной пустотой, лежащей в основе всего? Или это пустота между объектами? Что, если пространство — не то и не другое, а даже физическая сущность, способная плескаться, как ванна с водой? Оказывается, природа космоса – одна из величайших и страннейших загадок Вселенной.

Так что будьте готовы к.

долгим дискуссиям.

— Я занимаюсь освоением космоса

Пространство — это физическая сущность

Но если вы бросите вызов своей интуиции и еще раз подумаете над вопросом, то увидите, что найти однозначный ответ сложно.

Большинство людей представляют себе космос как пустоту, в которой все происходит — как большой пустой склад или театральную сцену, на которой разворачиваются события Вселенной.

В этом смысле пространство — это отсутствие вещей.

Это пустота, ожидающая заполнения, например: «Я оставил место для десерта» или «Я нашел отличное место для парковки».

Экспонат А: космос Если следовать этой идее, то пространство может существовать само по себе, без заполнения его материей.

Например, если вы вообразите, что во Вселенной существует конечное количество материи, вы можете представить, что вы пролетели так далеко, что достигли точки, за которой вообще нет материи и вся материя осталась позади.

Перед вами было бы чистое и пустое пространство, а за ним пространство могло бы простираться до бесконечности.

С этой точки зрения пространство представляет собой бесконечную пустоту.

— В космосе должно быть очень одиноко

Могло ли такое существовать?

Но один из уроков истории заключается в том, что каждый раз, когда мы думаем, что что-то очевидно верно (Земля плоская, и есть много печенья девочек-скаутов полезно), мы должны относиться к этому скептически и пересмотреть эту концепцию.

Более того, мы должны рассмотреть совершенно разные объяснения одного и того же опыта.

Возможно, мы не подумали ни о каких теориях.

Могут существовать теории, связанные с этим, в которых наше восприятие Вселенной является лишь одним странным примером.

Иногда самое сложное — определить наши предположения, особенно когда они кажутся естественными и простыми.

В нашем случае есть и другие разумные идеи о том, каким может быть пространство.

Что, если пространство не может существовать без материи — что, если это не что иное, как отношения между частями материи? С этой точки зрения не существует такой вещи, как чистое пустое пространство, поскольку идея пространства, простирающегося за пределы последней частицы материи, не имеет смысла.

Например, вы не сможете измерить расстояние между двумя частицами, если у вас нет частиц.

Концепция пространства закончится, когда не останется частиц, определяющих его.

Что произойдет после этого? Не пустое место.

Экспонат Б: космос Это странное и нелогичное представление о пространстве, тем более, что с понятием непространства мы никогда не сталкивались.

Но странности никогда не были препятствием для физики, так что не сбрасывайте со счетов такую возможность.

Какое у нас пространство?

Пространство — это явно не пустота и явно не простое соотношение частиц материи.

Мы знаем это, потому что наблюдали поведение в космосе, которое не вписывается ни в одну из этих идей.

Мы наблюдали, как пространство изгибается, пульсирует и расширяется.

В этот момент ваш мозг должен сказать: «Чтоааааааааааааааааа.

» Если вы читали, возможно, вас удивили такие фразы, как «искривление пространства» и «расширение пространства».

Что они могли означать? В чем смысл? Если пространство — это идея, то оно не может ни сгибаться, ни расширяться, как и его нельзя нарезать кубиками и поджарить с кориандром (за исключением Калифорнии, где с кориандром можно делать что угодно).

Если пространство — это наш правитель, который измеряет расположение вещей, как мы можем измерить искривление или расширение пространства? Отличные вопросы! Причина, по которой идея искривления пространства сбивает с толку, заключается в том, что большинство из нас вырастают с представлением о пространстве как о невидимом фоне, на котором все происходит. Возможно, вы думаете об этом пространстве как о театральной сцене, упомянутой ранее, с твердыми деревянными планками в качестве пола и твердыми стенами по бокам.

И возможно, вы воображаете, что ничто во Вселенной не способно искривить эту сцену, поскольку эта абстрактная структура не является частью Вселенной, а является тем, что содержит Вселенную.

- По-моему, это прямо К сожалению, здесь ваша идея неверна.

Чтобы понять смысл общей теории относительности и задуматься о современных теориях пространства, вам необходимо отказаться от идеи пространства как абстрактной сцены и принять его физическую сущность.

Вам нужно представить, что пространство имеет свойства и поведение и что оно реагирует на материю Вселенной.

Его можно защипнуть, сжать и даже начинить кориандром.

К этому моменту ваш мозг уже должен посылать тревожные сигналы, связанные с бессмысленностью происходящего: «Что за #@#$?!?!».

Ясно.

Но держитесь, ведь настоящее безумие еще впереди.

К концу истории ваши тревоги утихнут. Но нам нужно тщательно раскрыть эти концепции, чтобы понять идеи и оценить поистине странные и фундаментальные загадки космоса, которые остаются неразгаданными.

Космическое желе - и ты в нем плаваешь

Обычно предметы могут без проблем передвигаться в желе, так же, как мы можем передвигаться в комнате, наполненной воздухом, не замечая частиц воздуха.

Но при определенных условиях это желе может изгибаться, изменяя процесс прохождения предметов через него.

Он также может сжиматься и двигаться волнами, меняя форму вещей внутри него.

?Экспонат B: пространство Это желе (назовем его «пространственным желе») не будет полной аналогией природы пространства (желе существует в космосе, но мы не знаем, существует ли пространство внутри чего-либо еще), но оно поможет вам представить, что пространство, в котором вы сейчас находитесь, не обязательно фиксированное и абстрактное.

Вы находитесь в определенной среде, и эта среда может растягиваться, дрожать или искажаться так, что вы даже не чувствуете.

Возможно, через вас только что прошла волна пространства.

Или, может быть, вас сейчас тянет в странном направлении, и вы даже не подозреваете об этом.

До недавнего времени мы даже не замечали, что желе вообще как-то вело себя, кроме того, что просто стояло на своем месте и никуда не уходило, поэтому мы путали его с пустотой.

Так что же может сделать это космическое желе? Оказывается, есть много странных вещей.

Во-первых, пространство может расширяться.

Давайте хорошенько подумаем, что означает расширение пространства.

Это означает, что объекты удаляются друг от друга, не перемещаясь относительно желе.

По нашей аналогии представьте, что вы находитесь в желе, и вдруг желе начинает расти и расширяться.

Если вы сидите напротив другого человека, этот человек теперь находится дальше от вас, даже если вы оба не переместились относительно желе.

- Мне кажется, что мы отдаляемся друг от друга Как мы узнаем, что желе расширилось? Разве линейка, которой мы меряем желе, тоже не расширится? Пространство между атомами линейки расширилось бы и раздвинуло бы их.

Если бы линейка была сделана из очень мягкой ириски, она бы расширилась.

Но если ваша линейка твердая, все ее атомы плотно слипаются (с помощью электромагнитных сил), а длина линейки остается прежней, из-за чего вы замечаете появление дополнительного пространства.

А о расширении космоса мы знаем, потому что видим его расширение – так была открыта темная энергия.

Мы знаем, что в ранней Вселенной пространство расширялось с шокирующей скоростью, и что подобное расширение происходит и сегодня.

Мы также знаем, что пространство может изгибаться.

Наше желе можно сжимать и деформировать, как ириску.

Мы знаем это из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, что гравитация — это искривление пространства.

Когда объект имеет массу, он заставляет окружающее пространство искажаться и менять форму.

Когда пространство меняет форму, вещи больше не движутся в нем так, как вы можете себе представить.

Вместо того, чтобы двигаться по прямой линии, бейсбольный мяч, проходящий через кучу изогнутого желе, будет изгибаться вместе с ним.

Если желе сильно деформировать чем-то тяжелым, например шаром для боулинга, бейсбольный мяч может даже начать двигаться вокруг него — так же, как Луна движется вокруг Земли или Земля вокруг Солнца.

Это мы можем наблюдать невооруженным глазом! Например, свет искажает свой путь, проходя мимо массивных объектов, таких как наше Солнце или гигантские сгустки темной материи.

Если бы гравитация была просто силой между объектами с массой, она не смогла бы притягивать фотоны, не имеющие массы.

Единственный способ объяснить искривление пути света — это искривление самого пространства.

Хитрый бросок Эйнштейна Наконец, мы знаем, что пространство может двигаться волнообразно.

Это не так уж и странно, если учесть, что мы знаем, что пространство может растягиваться и изгибаться.

Что интересно, по желе могут проходить изгибы и растяжения – и это называется гравитационной волной.

Если вы внезапно исказите пространство, оно распространится наружу, как звуковая волна или как волна в жидкости.

Такое поведение может иметь место только в том случае, если пространство имеет определенную физическую природу и не является простой абстрактной концепцией чистой пустоты.

Мы знаем, что эти волны реальны, поскольку их предсказывает общая теория относительности, и что мы действительно их обнаружили.

Где-то во Вселенной две черные дыры безумно вращались в объятиях друг друга, вызывая огромные возмущения в пространстве, которые распространялись наружу.

Используя очень чувствительное оборудование, мы обнаружили эти волны здесь, на Земле.

Эти волны можно рассматривать как волны расширения и сжатия пространства.

Когда такая волна проходит, пространство сжимается в одном направлении и расширяется в другом.

Странное поведение, на которое способно пространство: расширяться, изгибаться, раскачиваться, вращаться.

Ну нет- желе это действительно так? Вы уверены?

Наши экспериментальные наблюдения ясно показывают, что расстояние между объектами в пространстве не измеряется на невидимом абстрактном фоне, а зависит от свойств пространственного киселя, в котором мы все живем, едим печенье и режем кинзу.

Но если идея пространства как динамического объекта с физическими свойствами может объяснить такие явления, как расширение и искривление пространства, то в конечном итоге это приводит нас к новым вопросам.

Например, у вас может возникнуть соблазн сказать, что то, что мы называли пространством, теперь следует называть физическим желе («физлом»), но это желе должно находиться в чем-то, что мы теперь можем снова назвать пространством.

Это было бы очень умно, но, насколько нам известно (а мы знаем немного), желе не обязательно должно быть ни в чем другом.

Когда желе сгибается и искажается, искажение меняет способ взаимодействия его частей — это не искажение желе по отношению к какой-то большей комнате, которую оно заполняет. Но то, что наше пространственное желе не обязательно должно находиться внутри чего-то еще, не означает, что оно не находится внутри чего-то еще.

Возможно, то, что мы называем пространством, находится внутри большего «суперпространства».

Возможно, это суперпространство похоже на бесконечную пустоту – но мы этого не знаем.

Возможно ли, что в некоторых частях Вселенной нет космоса? Другими словами, если пространство представляет собой желе, возможно ли отсутствие желе, а не желе? Смысл этих понятий не совсем ясен, поскольку все наши физические законы предполагают существование пространства – так какие же законы могли бы работать вне пространства? Мы не знаем.

- Так что же это за желе снаружи? — К сожалению, неизвестно.

Недавно появилось новое представление о космосе как предмете, и мы находимся в самом начале понимания того, что такое космос.

В каком-то смысле мы все еще связаны нашими интуитивными представлениями.

Эти концепции хорошо работали, когда древние мужчины и женщины охотились и собирали доисторическую кинзу, но нам необходимо освободиться от оков этих концепций и осознать, что космос совсем не похож на то, что мы себе представляем.

Непосредственно об искривленном пространстве

Если пространство может искривляться вокруг объектов с массой, может ли оно иметь общую кривизну? Это все равно, что спросить, плоское ли наше желе: вы знаете, что его можно деформировать, надавив на какую-то точку, но утонет ли оно целиком? Или он идеально прямой? Те же вопросы можно задать и о космосе.

Ответы на эти вопросы во многом повлияют на наше понимание Вселенной.

Например, если пространство плоское, это означает, что если вы путешествуете в одном направлении, вы просто будете продолжать двигаться, возможно, бесконечно.

Но если пространство искривлено, то могут произойти и другие интересные вещи.

Если кривизна пространства положительна, то путешествие в одном направлении сделает петлю и вернется в то же место на другой стороне! Это полезная информация, если, например, вам не нравится, что люди подкрадываются к вам сзади.

Самый длинный розыгрыш во Вселенной Объяснить идею искривленного пространства довольно сложно, поскольку наш мозг не очень хорошо приспособлен для визуализации подобных концепций.

А зачем ему это нужно? Большая часть нашей повседневной деятельности (избегание хищников или поиск ключей от машины) связана с трехмерным миром, который кажется неподвижным (хотя, если бы на нас напали инопланетяне, которые могли бы изменить кривизну пространства, я надеюсь, что мы справились бы и с этим).

Что означало бы, если бы пространство имело кривизну? Один из способов визуализации — представить, что мы живем в двухмерном мире, запертом на листе бумаги.

Это означает, что мы можем двигаться только в двух направлениях.

Если этот лист бумаги, на котором мы живем, лежит ровно, мы можем сказать, что наше пространство плоское.

Но если по какой-то причине оно искривлено, мы говорим, что пространство искривлено.

А бумагу можно согнуть двумя способами.

Он может быть изогнут в одном направлении (положительная кривизна) или в разных направлениях, как седло или чипсы Pringles (это будет отрицательная кривизна или расстройство диеты).

И вот что круто: если мы обнаружим, что пространство везде плоское, это будет означать, что лист бумаги (пространство) может продолжаться вечно.

Но если мы обнаружим, что пространство имеет положительную кривизну, то останется только одна форма, которая сохраняет положительную кривизну повсюду: сфера.

Или, технически говоря, сфероид (как картофель).

Это один из способов, которым наша Вселенная может замкнуться в себе.

Мы все можем жить в трехмерном эквиваленте картофеля, а это означает, что независимо от того, в каком направлении вы пойдете, вы в конечном итоге вернетесь назад.



В этом случае получается, что мы имеем ответ на аналогичный вопрос – пространство, судя по всему, «достаточно плоское», то есть плоское с погрешностью 0,4%.

Ученые двумя совершенно разными методами рассчитали, что кривизна пространства (по крайней мере, того, что мы видим) практически равна нулю.

Что это за методы? Один из них – измерение треугольников.

У кривизны есть интересное свойство: треугольники в искривленном пространстве не подчиняются тем же правилам, что треугольники в плоском пространстве.

Вернемся к нашей аналогии с листом бумаги.

Треугольник, нарисованный на плоском листе бумаги, будет отличаться от треугольника, нарисованного на изогнутой поверхности.

Ученые провели эксперимент, эквивалентный измерению треугольников в трехмерном пространстве, изучая пространственные взаимоотношения разных его точек, запечатленные на изображении ранней Вселенной.

Они обнаружили, что измеренные ими треугольники соответствуют плоскому пространству.

Другой способ сказать нам, что пространство плоское, — это посмотреть на то, что заставляет пространство искривляться: на энергию во Вселенной.

Согласно общей теории относительности, во Вселенной существует определенное количество энергии (точнее, плотность энергии), которая заставляет пространство искривляться в одном из направлений.

Оказывается, величина плотности энергии, которую мы можем измерить в нашей Вселенной, в точности соответствует тому факту, что пространство вообще не искривлено (с погрешностью 0,4%).

Некоторые из вас могут быть разочарованы тем, что мы не живем в крутом трехмерном клубне картофеля, который складывается сам по себе, если лететь в одном направлении.

Конечно, кто не мечтал стильно путешествовать по Вселенной на ракетном мотоцикле? Эвел Нивель ? Но вместо того, чтобы разочаровываться в скучной плоскостности Вселенной, вы можете заинтересоваться.

Почему? Потому что, насколько нам известно, плоская сущность нашей Вселенной — это гигантское совпадение космических размеров.

- На мой взгляд, это плохая идея, вне зависимости от кривизны пространства.

- Ну блин.

Думаю об этом.

Вся масса и энергия во Вселенной придают пространству кривизну (помните, масса и энергия искажают пространство), и если бы у нас было хоть немного больше массы и энергии, чем сейчас, пространство искривилось бы в одном направлении.

А если бы их было немного меньше, то пространство искривилось бы в другую сторону.

Но, по-видимому, у нас достаточно энергии, чтобы сохранять пространство идеально плоским.

Точное количество материи, необходимое для отсутствия искривления, составляет пять атомов водорода на кубический метр пространства.

Если бы у нас было 6 или 4 атома водорода, вся наша Вселенная была бы совершенно другой (более изогнутой и интересной, но другой).

Дальше – чужой.

Поскольку кривизна пространства влияет на движение материи, а материя влияет на кривизну пространства, возникают эффекты обратной связи.

Если бы на заре существования Вселенной материи было хоть немного больше или недостаточно, и мы не достигли той критической плотности материи, необходимой для того, чтобы пространство было плоским, то все бы еще дальше отошло от плоского состояния, как результат. Чтобы пространство было плоским сейчас, оно должно было быть чрезвычайно плоским в ранней Вселенной или удерживаться плоским чем-то еще.

Это одна из величайших загадок космоса.

Мы не только не знаем, что такое пространство, но и не знаем, почему оно такое, какое оно есть.

Форма пространства

Как только вы признаете, что пространство — это не бесконечная пустота, а, возможно, бесконечная физическая сущность со свойствами, у вас может возникнуть много странных вопросов по этому поводу.

Например, каков размер и форма помещения? Размер и форма пространства говорят нам, сколько в нем места и как оно соотносится само с собой.

Вы можете подумать, что, поскольку пространство плоское и не имеет формы картофеля или седла (или картофеля в седле), идея размера и формы пространства не имеет смысла.

В конце концов, если пространство плоское, значит, оно будет продолжаться вечно, верно? Не обязательно!



Это определенно не соответствует форме пространства.

Пространство может быть плоским и бесконечным.

Или он может быть плоским и иметь край.

Или, что еще более странно, он может быть плоским и все же замкнутым в себе.

Как у космоса может быть преимущество? В принципе, нет причин, по которым пространство не должно иметь края, даже если оно плоское.

Например, диск — это плоская двумерная поверхность с гладким сплошным краем.

Возможно, трехмерное пространство тоже имеет границу из-за странных геометрических свойств на ее краю.

Еще более интересной является возможность того, что пространство может быть плоским и при этом замкнутым.

Это будет похоже на одну из таких видеоигр, как Asteroids или Pac-Man, где, когда вы выходите за край экрана, вы просто оказываетесь на другой стороне.

Пространство может быть каким-то неизвестным образом связано само с собой.

Например, червоточины теоретически предсказываются общей теорией относительности.

В червоточине две разные удаленные точки пространства могут быть соединены друг с другом.

Что, если края пространства соединены друг с другом таким же образом? Мы не знаем.

Квантовое пространство

Воздух кажется непрерывным.

Он заполняет любой объем и имеет интересные динамические свойства (ветер и погода).

Но мы знаем, что все, что нам нравится в воздухе — то, как он нежно касается наших щек, как прохладный летний ветерок, или то, как он не дает нам задохнуться, — на самом деле обусловлено совместным поведением миллиардов отдельных молекул, а не является свойством сами молекулы.

Вариант с гладким пространством нам кажется более осмысленным.

Ведь нам кажется, что мы движемся в пространстве плавно и непрерывно.

Мы не прыгаем от пикселя к пикселю, дергаясь, как персонаж видеоигры, перемещаясь по экрану.

Или мы прыгаем?



- Бегать! Это круговая диаграмма! Учитывая наше нынешнее понимание Вселенной, было бы более удивительно, если бы пространство было бесконечно гладким.

В конце концов, мы знаем, что все остальное квантовано.

Материя квантована, энергия квантована, взаимодействия квантованы, печенье девочек-скаутов квантовано.

Более того, квантовая физика предполагает существование минимальной значимой длины 10 ^-35 м.

Поэтому с точки зрения квантовой механики было бы естественно, если бы пространство было квантовано.

Но мы не знаем.

Но тот факт, что мы этого не знаем, не помешал физикам делать смелые предположения! Если пространство квантовано, это означает, что когда мы двигаемся, мы фактически перепрыгиваем из одного маленького места в другое.

С этой точки зрения космос — это сеть связанных узлов, подобных станциям метро.

Каждый узел представляет собой локацию, а связи между ними представляют отношения между локациями (какая из них находится рядом с какой).

Это отличается от идеи, что пространство — это просто отношения между частями материи, поскольку эти узлы могут быть пустыми и при этом существовать.

Что интересно, эти узлы не обязательно должны находиться внутри большого пространства или структуры.

Они могут просто существовать.

В этом случае то, что мы называем пространством, будет всего лишь совокупностью связей между узлами, а все частицы Вселенной будут лишь свойствами этого пространства, а не элементами, расположенными в нем.

Например, это могут быть режимы вибрации этих узлов.

Это не так уж и неправдоподобно, как кажется.

Современная теория частиц основана на квантовых полях, заполняющих все пространство.

Поле означает, что с каждой точкой пространства связано число или значение.

С этой точки зрения частицы — это всего лишь возбужденные состояния этих полей.

Так что мы недалеко от такой теории.

Кстати, физики любят подобные идеи, когда то, что кажется нам фундаментальным (например, космос), возникает из чего-то более глубокого.

Это дает им ощущение, что они заглядывают за кулисы и открывают более глубокий уровень реальности.

Некоторые даже подозревают, что взаимосвязь узлов пространства образуется за счет переплетения частиц, но это математические фантазии кучки перепитых кофе теоретиков.

Тайны космоса

Если пространство является физическим объектом, а не фоном или структурой, и имеет Теги: #Популярная наука #физика #квантовая физика #космос #теория относительности #теория относительности #желе

• Как Выбрать Программу Графического Макетирования

  19 Oct, 24

• Sap Business One Как Настраиваемая Erp Для Компаний Малого И Среднего Бизнеса

  19 Oct, 24

• Apple Опровергла Информацию О Новой Уязвимости Ios, Пригодной Для Кражи Пользовательских Данных

  19 Oct, 24

• «Пятерочка» Запустит Программу Лояльности Для Клиентов

  19 Oct, 24

• Может Ли Трафик Быть Безлимитным?

  19 Oct, 24

• Управляем Конвектором И Термостатом Electrolux Из Home Assistant. Часть 2

  19 Oct, 24

• Защита Вашего Браузера От Снятия Отпечатков Пальцев — Опыт Brave

  19 Oct, 24

• Задача О Двух Мячах

  19 Oct, 24

• Aperture: Переключение Между Библиотеками

  19 Oct, 24

• Радио Пандора — Новое Онлайн-Радио. Выбор Стиля 2.0 :-)

  19 Oct, 24