Нерелятивистское пространство-время
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
В физике нерелятивистское пространство-время — это любая математическая модель, которая объединяет n -мерное пространство и m -мерное время в единый континуум, отличный от модели (3+1), используемой в теории относительности .
В том смысле, который используется в этой статье, пространство-время считается «нерелятивистским», если (а) оно отклоняется от (3+1)-мерности, даже если в остальном постулаты специальной или общей теории относительности удовлетворяются, или если (б) оно не подчиняется постулатам специальной или общей теории относительности, независимо от размерности модели.
Введение
[ редактировать ]Существует множество причин, по которым можно изучать пространство-время, которое не удовлетворяет релятивистским постулатам и/или которое отклоняется от кажущейся (3+1) размерности известной Вселенной.
Галилеево/ньютоновское пространство-время
[ редактировать ]Классическим примером нерелятивистского пространства-времени является пространство-время Галилея и Ньютона. Это пространство-время повседневного «здравого смысла». [ 1 ] Пространство-время Галилея/Ньютона предполагает, что пространство евклидово «плоское»), и что время имеет постоянную скорость движения, которая не зависит от состояния движения наблюдателя (то есть или даже от чего-либо внешнего. [ 2 ]
Ньютоновская механика имеет место в контексте галилеева/ньютоновского пространства-времени. Для огромного набора задач результаты вычислений с использованием механики Ньютона лишь незначительно отличаются от вычислений с использованием релятивистской модели. Поскольку вычисления с использованием механики Ньютона значительно проще, чем с использованием релятивистской механики, а также соответствуют интуиции, [ 1 ] большинство повседневных механических задач решаются с помощью механики Ньютона.
Модельные системы
[ редактировать ]Усилия, предпринятые с 1930 года по разработке последовательной квантовой теории гравитации , пока не дали более чем предварительных результатов. [ 3 ] Изучение квантовой гравитации затруднено по нескольким причинам. Технически общая теория относительности — сложная нелинейная теория. Очень немногие проблемы, представляющие значительный интерес, допускают аналитическое решение, а численные решения в области сильных полей могут потребовать огромного количества времени суперкомпьютера.
Концептуальные вопросы представляют еще большую трудность, поскольку общая теория относительности утверждает, что гравитация является следствием геометрии пространства-времени. Поэтому создание квантовой теории гравитации потребовало бы квантования самих основных единиц измерения: пространства и времени. [ 4 ] Завершенная теория квантовой гравитации, несомненно, представила бы визуализацию Вселенной, отличную от любой, которую представляли до сих пор.
Одним из многообещающих исследовательских подходов является изучение особенностей упрощенных моделей квантовой гравитации, которые представляют меньше технических трудностей, сохраняя при этом фундаментальные концептуальные особенности полноценной модели. В частности, общая теория относительности в уменьшенных измерениях (2+1) сохраняет ту же базовую структуру полной теории (3+1), но технически намного проще. [ 4 ] Многие исследовательские группы применили этот подход к изучению квантовой гравитации. [ 5 ]
Теории «новой физики»
[ редактировать ]Идея о том, что релятивистскую теорию можно с пользой расширить за счет введения дополнительных измерений, возникла в 1914 году, когда Нордстём модифицировал его предыдущие теории гравитации 1912 и 1913 годов . В этой модификации он добавил дополнительное измерение, в результате чего появилась 5-мерная векторная теория. Теория Калуцы-Клейна (1921 г.) была попыткой объединить теорию относительности с электромагнетизмом. Хотя поначалу теория Калуцы-Клейна с энтузиазмом приветствовалась такими физиками, как Эйнштейн, она была слишком полна противоречий, чтобы быть жизнеспособной теорией. [ 6 ] : я – VIII
Различные теории суперструн имеют эффективные низкоэнергетические пределы, которые соответствуют классическому пространству-времени с размерностями, отличными от кажущейся размерности наблюдаемой Вселенной. Утверждалось, что все миры, кроме (3+1)-мерного, представляют собой мертвые миры без наблюдателей. Следовательно, на основе антропных аргументов можно было бы предсказать , что наблюдаемая Вселенная должна быть одним из (3+1) пространства-времени. [ 7 ]
Пространство и время могут не быть фундаментальными свойствами, а скорее представлять собой возникающие явления, корни которых лежат в квантовой запутанности. [ 8 ]
Время от времени возникал вопрос, возможно ли вывести разумные законы физики во Вселенной, имеющей более одного временного измерения. Ранние попытки построить пространство-время с дополнительными времениподобными измерениями неизбежно сталкивались с такими проблемами, как нарушение причинности , и поэтому могли быть немедленно отвергнуты. [ 7 ] но теперь известно, что существуют жизнеспособные модели такого пространства-времени, которые можно соотнести с общей теорией относительности и Стандартной моделью и которые позволяют предсказывать новые явления, находящиеся в пределах экспериментального доступа. [ 6 ] : 99–111
Возможные наблюдательные данные
[ редактировать ]Наблюдаемые высокие значения космологической постоянной могут означать, что кинематика существенно отличается от релятивистской кинематики. Отклонение от релятивистской кинематики будет иметь важные космологические последствия в отношении таких загадок, как проблема « недостающей массы ». [ 9 ]
На сегодняшний день общая теория относительности прошла все экспериментальные испытания. Однако предложения, которые могут привести к созданию квантовой теории гравитации (например, теория струн и петлевая квантовая гравитация ), в целом предсказывают нарушения слабого принципа эквивалентности в 10 −13 до 10 −18 диапазон. [ 10 ] Предполагаемые в настоящее время тесты слабого принципа эквивалентности приближаются к такой степени чувствительности, что необнаружение нарушения будет таким же серьезным результатом, как и обнаружение нарушения. Необнаружение нарушения принципа эквивалентности в этом диапазоне предполагает, что гравитация настолько фундаментально отличается от других сил, что требует серьезной переоценки текущих попыток объединить гравитацию с другими силами природы. Положительное обнаружение, с другой стороны, послужит важным ориентиром на пути к объединению. [ 10 ]
Физика конденсированного состояния
[ редактировать ]Исследования конденсированного состояния породили двустороннюю связь между физикой пространства-времени и физикой конденсированного состояния :
- С одной стороны, пространственно-временные подходы использовались для исследования некоторых явлений конденсированной среды. Например, были исследованы пространства-времени с локальной нерелятивистской симметрией, способные поддерживать массивные поля материи. Этот подход использовался для исследования деталей взаимодействия материи, явлений переноса и термодинамики нерелятивистских жидкостей. [ 11 ]
- С другой стороны, системы конденсированного состояния можно использовать для имитации определенных аспектов общей теории относительности. Хотя эти системы по своей сути нерелятивистские, они предоставляют модели квантовой теории поля искривленного пространства-времени, которые доступны экспериментально. К ним относятся акустические модели в текущих жидкостях, системах бозе-эйнштейновского конденсата или квазичастицы в движущихся сверхтекучих жидкостях , таких как квазичастицы и доменные границы A-фазы сверхтекучего He -3 . [ 12 ]
Примеры модельных систем
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2017 г. ) |
Примеры теорий «новой физики»
[ редактировать ] | Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2017 г. ) |
Примеры возможных наблюдательных данных
[ редактировать ] | Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2017 г. ) |
Примеры из физики конденсированного состояния
[ редактировать ] | Этот раздел пуст. Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2017 г. ) |
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б Дэвис, Филип Дж. (2006). Математика и здравый смысл: случай творческого напряжения . Уэлсли, Массачусетс: АК Питерс. п. 86. ИСБН 9781439864326 .
- ^ Ринасевич, Роберт. «Взгляды Ньютона на пространство, время и движение» . Стэнфордская энциклопедия философии . Лаборатория метафизических исследований Стэнфордского университета . Проверено 24 марта 2017 г.
- ^ Ровелли, Карло (2000). «Заметки к краткой истории квантовой гравитации». arXiv : gr-qc/0006061 .
- ^ Перейти обратно: а б Калип, Стив. «Мои исследования» . Физический факультет Калифорнийского университета в Дэвисе . Проверено 17 июня 2017 г.
- ^ Карлип, Стивен (2003). Квантовая гравитация в измерениях 2+1 (PDF) . Издательство Кембриджского университета. стр. 1–8. ISBN 9780521545884 . Проверено 17 июня 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б Барс, Ицхак; Тернинг, Джон (2010). Дополнительные измерения в пространстве и времени . Спрингер. ISBN 9780387776378 .
- ^ Перейти обратно: а б Тегмарк, Макс (1997). «О размерности пространства-времени». Сорт. Квантовая гравитация . 14 (4): Л69–Л75. arXiv : gr-qc/9702052 . Бибкод : 1997CQGra..14L..69T . дои : 10.1088/0264-9381/14/4/002 . S2CID 15694111 .
- ^ Коуэн, Рон (19 ноября 2015 г.). «Квантовый источник пространства-времени» . Природа . 527 (7578): 290–293. Бибкод : 2015Natur.527..290C . дои : 10.1038/527290a . ПМИД 26581274 . S2CID 4447880 . Проверено 21 июня 2017 г.
- ^ Альдрованди, Р.; Альдрованди, Алабама; Криспино, LCB; Перейра, JG (1999). «Нерелятивистское пространство-время с космологической постоянной». Сорт. Квантовая гравитация . 16 (2): 495–506. arXiv : gr-qc/9801100 . Бибкод : 1999CQGra..16..495A . дои : 10.1088/0264-9381/16/2/013 . S2CID 16691405 .
- ^ Перейти обратно: а б Овердуин, Джеймс; Эверитт, Фрэнсис; Мастер, Джон; Уорден, Пол (2009). «Научное обоснование STEP» Достижения в космических исследованиях . 43 (10): 1532–1537. arXiv : 0902.2247 . Бибкод : 2009AdSpR..43.1532O . дои : 10.1016/j.asr.2009.02.012 . S2CID 8019480 .
- ^ Джераси, Майкл; Прабху, Картик; Робертс, Мэтью М. (октябрь 2015 г.). «Искривленные нерелятивистские пространства-времени, ньютоновская гравитация и массивная материя». Журнал математической физики . 56 (10): 103505. arXiv : 1503.02682 . Бибкод : 2015JMP....56j3505G . дои : 10.1063/1.4932967 . ISSN 0022-2488 . S2CID 119701218 .
- ^ Виссер, Мэтт (2002). «Аналоговые модели гравитации и гравитации». Генерал Отл. Грав . 34 (10): 1719–1734. arXiv : gr-qc/0111111 . Бибкод : 2001gr.qc....11111V . дои : 10.1023/а:1020180409214 . S2CID 14342213 .