Icke-relativistisk rumtid
Inom fysiken är en icke-relativistisk rumtid vilken matematisk modell som helst som smälter samman n -dimensionell rymd och m -dimensionell tid till ett enda kontinuum annat än (3+1)-modellen som används i relativitetsteorin .
I den mening som används i denna artikel anses en rumtid vara "icke-relativistisk" om (a) den avviker från (3+1) dimensionalitet, även om postulaten av speciell eller allmän relativitet på annat sätt är uppfyllda, eller om (b) den lyder inte postulaten av speciell eller allmän relativitet, oavsett modellens dimensionalitet.
Introduktion
Det finns många anledningar till att rymdtider kan studeras som inte uppfyller relativistiska postulat och/eller som avviker från det kända universums skenbara (3+1) dimensionalitet.
Galileisk/Newtonsk rumtid
Det klassiska exemplet på en icke-relativistisk rumtid är rumtiden för Galileo och Newton. Det är rumtiden för vardagens "sunt förnuft". Galileisk/Newtonsk rumtid antar att rymden är euklidisk (dvs. "platt"), och att tiden har en konstant passagehastighet som är oberoende av en observatörs rörelsetillstånd , eller faktiskt av något yttre.
Newtonsk mekanik äger rum inom ramen för galileisk/newtonsk rumtid. För en stor problemuppsättning skiljer sig resultaten av beräkningar med Newtonsk mekanik endast omärkligt från beräkningar med en relativistisk modell. Eftersom beräkningar med Newtonsk mekanik är betydligt enklare än de som använder relativistisk mekanik, samt motsvarar intuition, löses de flesta vanliga mekanikproblem med hjälp av Newtonsk mekanik.
Modellsystem
Ansträngningar sedan 1930 för att utveckla en konsekvent kvantteori om gravitation har ännu inte gett mer än trevande resultat. Studiet av kvantgravitation är svårt av flera skäl. Rent tekniskt är generell relativitetsteori en komplex, olinjär teori. Väldigt få problem av betydande intresse medger analytiska lösningar, och numeriska lösningar i det starka fältet kan kräva enorma mängder superdatortid.
Konceptuella frågor utgör en ännu större svårighet, eftersom generell relativitetsteori säger att gravitationen är en konsekvens av rumtidens geometri. Att producera en kvantteori om gravitation skulle därför kräva kvantisering av själva de grundläggande måttenheterna: rum och tid. En färdig teori om kvantgravitation skulle utan tvekan presentera en visualisering av universum som inte liknar någon som hittills har föreställts.
En lovande forskningsmetod är att utforska egenskaperna hos förenklade modeller av kvantgravitation som ger färre tekniska svårigheter samtidigt som de grundläggande konceptuella egenskaperna hos den fullfjädrade modellen behålls. I synnerhet den allmänna relativitetsteorin i reducerade dimensioner (2+1) behåller samma grundläggande struktur som hela (3+1) teorin, men är tekniskt mycket enklare. Flera forskargrupper har antagit denna metod för att studera kvantgravitation.
"Ny fysik" teorier
Idén om att relativistisk teori skulle kunna utökas med införandet av extra dimensioner har sitt ursprung i Nordstöms 1914 modifiering av hans tidigare gravitationsteorier från 1912 och 1913 . I denna modifiering lade han till ytterligare en dimension som resulterade i en 5-dimensionell vektorteori. Kaluza–Klein-teorin (1921) var ett försök att förena relativitetsteorin med elektromagnetism. Även om Kaluza-Klein-teorin till en början entusiastiskt välkomnades av fysiker som Einstein, var teorin alltför behäftad med inkonsekvenser för att vara en genomförbar teori.
Olika supersträngteorier har effektiva lågenergigränser som motsvarar klassiska rumtider med alternativa dimensionaliteter än det observerade universums skenbara dimensionalitet. Det har hävdats att alla utom den (3+1) dimensionella världen representerar döda världar utan observatörer. Därför, på grundval av antropiska argument , skulle det förutsägas att det observerade universum skulle vara ett av (3+1) rumtid.
Rum och tid är kanske inte grundläggande egenskaper, utan kan snarare representera framväxande fenomen vars ursprung ligger i kvantintrassling.
Man hade då och då undrat om det är möjligt att härleda förnuftiga fysiklagar i ett universum med mer än en tidsdimension. Tidiga försök att konstruera rumtider med extra tidsliknande dimensioner mötte oundvikligen frågor som kausalitetsbrott och kunde därför omedelbart avvisas, men det är nu känt att det finns livskraftiga ramverk av sådana rumtider som kan korreleras med allmän relativitet och standardmodellen , och som göra förutsägelser om nya fenomen som ligger inom området för experimentell tillgång.
Möjliga observationsbevis
Observerade höga värden på den kosmologiska konstanten kan innebära kinematik som skiljer sig väsentligt från relativistisk kinematik. En avvikelse från relativistisk kinematik skulle ha betydande kosmologiska implikationer när det gäller sådana pussel som problemet med " saknad massa" .
Hittills har den allmänna relativitetsteorien uppfyllt alla experimentella tester. Förslag som kan leda till en kvantteori om gravitation (såsom strängteori och loop-kvantgravitation ) förutspår dock generellt brott mot den svaga ekvivalensprincipen i intervallet 10 -13 till 10 -18 . För närvarande föreställda tester av den svaga likvärdighetsprincipen närmar sig en grad av känslighet så att icke-upptäckande av en kränkning skulle vara ett lika djupgående resultat som upptäckt av en kränkning. Icke-upptäckt av brott mot ekvivalensprincipen inom detta område skulle tyda på att gravitationen är så fundamentalt skild från andra krafter att den kräver en större omvärdering av nuvarande försök att förena gravitationen med de andra naturkrafterna. En positiv upptäckt skulle å andra sidan ge en viktig vägledning mot enande.
Fysik av kondenserad materia
Forskning om kondenserad materia har skapat ett tvåvägsförhållande mellan rumtidsfysik och kondenserad materias fysik :
- Å ena sidan har rymdtidsansatser använts för att undersöka vissa fenomen med kondenserad materia. Till exempel har rumtider med lokala icke-relativistiska symmetrier undersökts som kan stödja massiva materiefält. Detta tillvägagångssätt har använts för att undersöka detaljerna i materiakopplingar, transportfenomen och termodynamiken hos icke-relativistiska vätskor.
- Å andra sidan kan system med kondenserad materia användas för att efterlikna vissa aspekter av allmän relativitet. Även om de i sig är icke-relativistiska, tillhandahåller dessa system modeller av kvantfältteori med krökt rumstid som är experimentellt tillgängliga. De inkluderar akustiska modeller i strömmande vätskor, Bose-Einstein-kondensatsystem eller kvasipartiklar i rörliga superfluider , såsom kvasipartiklarna och domänväggarna i A-fasen av superfluid He-3 .