A jak to vidí odborníci?
Časoprostor
Časoprostor nebo prostoročas je fyzikální pojem z teorie relativity sjednocující prostor a čas do jednoho čtyřrozměrného objektu. Čas hraje roli čtvrtého rozměru a je oproti zbylým třem prostorovým rozměrům význačný (například tím, že v něm lze pohybovat jen jedním směrem). V obecné teorii relativity je časoprostor obecně zakřivený a má strukturu variety. Projevy zakřivení časoprostoru pozorujeme jako gravitaci.
V teorii relativity je vnímání času a prostoru odděleně závislé na pozorovateli (narozdíl od klasické fyziky), prostoročas je na pozorovateli nezávislý, což umožňuje formulaci fyzikálních zákonů tak, aby jejich tvar nezávisel na vztažné soustavě.
Jednotlivé body časoprostoru nazýváme události a matematicky s nimi zacházíme jako se čtyřvektory. Dráhy bodových částic v prostoročasu pak nazýváme světočáry. Vícerozměrný objekt vykresluje v časoprostoru tzv. světoplochu.
Pojmy prostoročas a časoprostor označují totéž. Rozdíl je jen v tom, zda zapisujeme nejprve souřadnice prostoru, nebo času. V případě prostoročasu jsou první tři souřadnice prostorové a čtvrtá časová. V případě časoprostoru se časová souřadnice posouvá na nultou pozici, tedy před prostorové souřádnice. Dnes se z důvodu jednoduchosti zápisu používá druhý způsob, tedy časoprostor.
Obsah |
[editovat] Vzdálenost v časoprostoru
Vzdálenost mezi dvěma událostmi v prostoročasu se označuje jako prostoročasová vzdálenost (interval).
[editovat] Speciální teorie relativity
- Podrobnější informace naleznete v článku Speciální teorie relativitynaleznete v článcích [[{{{2}}}]] a [[{{{3}}}]]naleznete v článcích [[{{{4}}}]], [[{{{5}}}]] a [[{{{6}}}]]naleznete v článcích [[{{{7}}}]], [[{{{8}}}]], [[{{{9}}}]] a [[{{{10}}}]].
Prostoročas užívaný ve speciální teorii relativity je čtyřrozměrný, přičemž souřadnice x, y, z představují prostorové souřadnice a časová souřadnice je vyjadřována jako ct, kde c je rychlost světla. Čtveřice souřadnic tvoří čtyřvektor. Všechny souřadnice (prostorové i časová) mají tedy prostorový rozměr (jejich jednotkou jsou metry).
Takto vytvořený čtyřrozměrný prostor je použitelný pouze tehdy, pokud vzdálenost v tomto prostoru je invariantní vzhledem k Lorentzově transformaci. To vyžaduje, aby vzdálenost mezi dvěma body tohoto prostoru byla definována jiným způsobem, než je obvyklé v euklidovském prostoru.
Doplníme-li časovou souřadnici o imaginární jednotku, tzn. časovou souřadnici vyjádříme jako ict, lze vzdálenost vyjádřit vztahem
Veličina Δs2 bývá také označována jako „lineární element“.
Takto definovaný prostoročas má euklidovský charakter a je označován jako Minkowskiho prostoročas. Geometrie v Minkowskiho prostoročase však není euklidovská, ale označuje se jako pseudoeuklidovská.
Z hlediska přechodu od speciální teorie relativity k obecné teorii relativity je však vhodnější formulovat vzdálenost zavedením metrického tenzoru. Vzhledem k tomu, že Minkowskiho prostor není zakřivený, má metrický tenzor jednoduchý tvar
,
kde ι,κ = 0,1,2,3, přičemž index 0 označuje časovou složku a indexy 1, 2 a 3 označují prostorové komponenty metrického tenzoru.
Místo uvedené metriky se často používá metrický tenzor s rozdílnou signaturou
Skalární součin dvou vektorů Aι, Bι pak lze vyjádřit jako ηικAιBκ, kde bylo užito Einsteinovo sumační pravidlo. Výraz pro skalární součin lze použít i pro vyjádření vzdálenosti, tzn.
- Δs2 = ηικΔxιΔxκ,
kde x0 označuje časovou souřadnici a xi pro i = 1,2,3 označuje prostorové souřadnice.
Tento postup umožňuje využití prostředků Riemannovy geometrie. Vzhledem k tomu, že vzdálenost je indefinitní, označujeme tuto geometrii jako pseudoriemannovskou.
Každý bod Minkowskiho prostoročasu představuje tzv. prostoročasovou událost, čímž vyjadřujeme, že se nejedná pouze o prostorový bod, ale o bod prostoru vztahující se k danému časovému okamžiku. Vzdálenost mezi dvěma událostmi se označuje jako prostoročasový interval (vzdálenost).
[editovat] Obecná teorie relativity
- Podrobnější informace naleznete v článku Obecná teorie relativitynaleznete v článcích [[{{{2}}}]] a [[{{{3}}}]]naleznete v článcích [[{{{4}}}]], [[{{{5}}}]] a [[{{{6}}}]]naleznete v článcích [[{{{7}}}]], [[{{{8}}}]], [[{{{9}}}]] a [[{{{10}}}]].
V obecné teorii relativity se místo Minkowskiho prostoročasu používá Riemannův prostoročas, který může být obecně zakřivený a metrika je v něm charakterizována symetrickým metrickým tenzorem gικ, který obecně není diagonální. Vzdálenost je pak vyjadřována jako
- ds2 = gικdxιdxκ
Přechod ke speciální teorii relativity lze zajistit položením
- gικ = ηικ
Vzdálenost pak získá tvar
- ds2 = ηικdxιdxκ
[editovat] Rozdělení prostoročasových intervalů
Prostoročasové vzdálenosti mezi dvěma událostmi lze rozdělit podle toho, zda je možné mezi oběma událostmi předat informaci prostřednictvím signálu šířícího se světelnou nebo podsvětelnou rychlostí.
- Časupodobný interval - též časový nebo časového charakteru. Jedná se o případ, kdy mezi oběma událostmi může být předána informace prostřednictvím signálu, který se šíři podsvětelnou rychlostí, tzn. rychlostí nižší než je rychlost světla. V takovémto uspořádání může být např. vznik první události příčinou výskytu druhé události apod., tzn. mezi oběma událostmi existuje příčinná souvislost. Ve zvolené metrice platí ds2 < 0. V metrice s opačnou signaturou bude ds2 > 0.
- světelný interval - též světelného charakteru nebo také izotropní či nulový. Jedná se o případ, kdy mohou být obě události spojeny pouze prostřednictvím světelného signálu, tzn. signálem šířícím se rychlostí světla c. Mezi oběma událostmi existuje příčinná souvislost. Bez ohledu na volbu metriky v tomto případě platí Δs2 = 0.
- prostorupodobný interval - též prostorového charakteru. Jedná se o případ, kdy mezi oběma událostmi nemůže být předána informace prostřednictvím signálu, který se šíři podsvětelnou nebo světelnou rychlostí. Ve zvolené metrice platí ds2 > 0. V metrice s opačnou signaturou bude ds2 < 0.
Poznámka: To zda je prostoročasový interval větší nebo menší než nula je závislé na signatuře zvolené metriky.
Množinu událostí, které mají od dané události A nulovou vzdálenost označujeme světelný kužel.
Ten rozděluje prostoročas na tři oblasti: absolutní minulost, absolutní
budoucnost a relativní současnost. Absolutní minulostí označujeme ty
události, které pro všechny pozorovatele leží v minulosti události A, absolutní budoucnost jsou pak události, které pro každého pozorovatele leží v budoucnosti události A a relativní současnost jsou události, pro něž to, zda patří do minulosti nebo budoucnosti A závisí na pozorovateli.
