Кіріспе
Объектінің кеңістік-уақыт арқылы қозғалуының ерекше жолы. Объектінің әлем сызығы (немесе әлем сызығы) – объектінің 4 өлшемді кеңістік-уақытта қалдыратын іздері. Бұл – қазіргі физиканың, әсіресе теориялық физиканың маңызды түсінігі. "Әлем сызығы" ұғымы "орбита" немесе "траектория" (мысалы, планетаның ғарыштағы орбитасы немесе автомобильдің жолдағы траекториясы) сияқты ұғымдардан уақыт өлшемін қосу арқылы ерекшеленеді және әдетте кеңістік-уақыттың кең аумағын қамтиды, онда көзбен қарағанда түзу болып көрінетін жолдар кеңістік-уақытта қисырап, олардың (салыстырмалы түрде) абсолюттік жағдайларын көрсетеді – арнайы салыстырмалылық немесе гравитациялық өзара әрекеттесудің сипатын ашады. Әлем сызығы идеясын физиктер ұсынған, ал Герман Минковский осы саланың негізін қалаушысы болды. Бүгінде бұл термин көбінесе салыстырмалылық теориясы (яғни, арнайы және жалпы салыстырмалылық теориясы) контекстінде қолданылады.
The world line (or worldline) of an object is the path that an object traces in 4 dimensional spacetime. It is an important concept of modern physics, and particularly theoretical physics. The concept of a "world line" is distinguished from concepts such as an "orbit" or a "trajectory" (e. g., a planet's orbit in space or the trajectory of a car on a road) by inclusion of the dimension time, and typically encompasses a large area of spacetime wherein paths which are straight perceptually are rendered as curves in space time to show their (relatively) more absolute position states—to reveal the nature of special relativity or gravitational interactions. The idea of world lines was originated by physicists and was pioneered by Hermann Minkowski. The term is now used most often in the context of relativity theories (i. e., special relativity and general relativity).
Физикадағы қолданысы
Объектінің әлем сызығы (әдетте кеңістіктегі нүкте ретінде, мысалы, бөлшек немесе бақылаушы ретінде) – бұл объектінің тарихына сәйкес келетін кеңістік-уақыт оқиғаларының тізбегі. Әлем сызығы – кеңістік-уақыттағы қисықтың ерекше түрі. Төменде эквивалентті анықтама түсіндіріледі: Әлем сызығы – уақыт тәрізді немесе кеңістік-уақыттағы нөлдік қисық. Әлем сызығының әрбір нүктесі – бұл сол кездегі объектінің уақыты мен кеңістіктегі орнымен белгіленетін оқиға. Мысалы, Жердің орбитасы кеңістікте шамамен шеңбер, кеңістікте үш өлшемді (жабық) қисық: Жер жыл сайын Күнге қатысты кеңістіктегі бір нүктеге қайта оралады. Алайда, ол басқа (кейінгі) уақытта жетеді. Сондықтан Жердің әлем сызығы кеңістік-уақытта спиральді болып келеді (төрт өлшемді кеңістіктегі қисық) және сол нүктеге қайтып келмейді. Кеңістік-уақыт – бұл оқиғалардың жиынтығы, оқиғаларды анықтайтын үздіксіз және тегіс координаттар жүйесімен бірге. Әрбір оқиға төрт санмен белгіленуі мүмкін: уақыт координатасы және үш кеңістік координатасы; сондықтан кеңістік-уақыт төрт өлшемді кеңістік болып табылады. Кеңістік-уақыттың математикалық термині – төрт өлшемді көптүрлілік (әр нүктеге жақын Евклид кеңістігіне ұқсас топологиялық кеңістік). Бұл ұғым жоғары өлшемді кеңістікке де қолданылуы мүмкін. Төрт өлшемді көріністі жеңілдету үшін екі кеңістік координатасы жиі қысқартылады. Одан кейін оқиға Минковский диаграммасындағы нүктемен бейнеленеді, бұл әдетте уақыт координатасы, мысалы, t тігінен, ал кеңістік координатасы, мысалы, x көлденеңнен сызылған жазықтық. Ф. Р. Харвидің айтуынша, [кеңістік-уақыт] M қисығы, егер оның жанамасы әр нүктеде болашақ уақытқа қатысты жататын болса, бөлшектің әлем сызығы деп аталады. Доға ұзындығы параметрі өзіндік уақыт деп аталады және әдетте τ деп белгіленеді. M ұзындығы бөлшектің өзіндік уақыты деп аталады. Егер M әлем сызығы түзу кесіндісі болса, онда бөлшек еркін құлауда екені айтылады. Әлем сызығы кеңістік-уақыттағы бір нүктенің жолын көрсетеді. Әлемдік жапырақ – бұл кеңістік-уақыт арқылы қозғалатын бір өлшемді сызық (мысалы, жіп) арқылы сызылған екі өлшемді аналогты бет. Ашық жіптің (ұштары бос) әлемдік жапырағы – жолақ; жабық жіптің (ілмек) әлемдік жапырағы – түтік. Егер объект жай ғана нүкте ретінде емес, кеңейтілген көлемге ие болса, онда ол әлем сызығын емес, әлем түтігін көрсетеді.
A curve M in [spacetime] is called a worldline of a particle if its tangent is future timelike at each point. The arclength parameter is called proper time and usually denoted τ. The length of M is called the proper time of the particle. If the worldline M is a line segment, then the particle is said to be in free fall. A world line traces out the path of a single point in spacetime. A world sheet is the analogous two dimensional surface traced out by a one dimensional line (like a string) traveling through spacetime. The world sheet of an open string (with loose ends) is a strip; that of a closed string (a loop) resembles a tube. Once the object is not approximated as a mere point but has extended volume, it traces not a world line but rather a world tube.
Әлем сызықтары оқиғаларды сипаттау әдісі ретінде
Бір өлшемді түзу немесе қисық бір параметрдің функциясы ретінде координаттармен бейнеленуі мүмкін. Параметрдің әрбір мәні кеңістік-уақыттағы бір нүктеге сәйкес келеді және параметрді өзгерту сызықтың жолын анықтайды. Осылайша, математикалық тұрғыдан алғанда, қисық төрт координаталық функциямен сипатталады (мұндағы әдетте уақыт координатасын білдіреді), олар бір параметрге тәуелді. Кеністік-уақыттағы координаталар торсы – төрт координаталық функцияның үшеуі тұрақты мәнге тең болғанда алынатын қисықтар жиынтығы. Кейде "әлем сызығы" термині кеңістік-уақыттағы кез келген қисыққа қатысты бейресми түрде қолданылады. Бұл терминология шатасуға себеп болуы мүмкін. Дұрысырақ айтқанда, әлем сызығы – бұл бөлшектің, бақылаушының немесе кішкентай дененің (уақыт) тарихын көрсететін кеңістік-уақыттағы қисық. Әдетте, әлем сызығы бойымен қисықтың параметрі ретінде дененің немесе бақылаушының өзіндік уақыты қолданылады.
Уақыт-кеңістік қисықтардың қарапайым мысалдары
Көлденең сызық сегментінен тұратын қисық (тұрақты уақыт координатасындағы сызық) кеңістік-уақыттағы таяқты білдіруі мүмкін, бірақ бұл толыққанды әлемдік сызық емес. Параметр тек таяқтың ұзындығын көрсетеді. Тұрақты кеңістік координатасындағы сызық (жоғарыда қабылданған конвенция бойынша тік сызық) қозгалмайтын бөлшекті (немесе тұрақты бақылаушыны) білдіруі мүмкін. Еңкейген сызық тұрақты координаталық жылдамдығы бар бөлшекті білдіреді (уақыт координатының өсуімен кеңістік координатының тұрақты өзгеруі). Сызық тік сызықтан қаншалықты еңкейсе, жылдамдық соншалықты жоғары болады. Екі әлемдік сызық егер бөлек басталып, кейін қиылысса, соқтығысуды немесе "кездесуді" білдіреді. Бір уақытта бір оқиғадан басталатын екі әлемдік сызық, кейін әрқайсысы өз жолын ұстанады, мысалы, бір бөлшектің екіге ыдырауы немесе бір бөлшектің екінші бөлшекті шығаруы болуы мүмкін. Бөлшектің және бақылаушының әлемдік сызықтары фотонның әлемдік сызығымен (жарық жолы) байланысты болуы мүмкін және бөлшектің фотон шығарып, кейін бақылаушының байқауына (немесе басқа бөлшектің сіңіруіне) алып келетін диаграмманы құрайды.
Арнайы салыстырмалылық теориясындағы әлем сызықтары
Әлем сызығы (және тангенс векторлары туралы түсінік) оқиғалар арасындағы интервалды өлшеу құралысыз сипатталған. Негізгі математика мынадай: ерекше салыстырмалылық теориясы мүмкін әлем сызықтарына белгілі бір шектеулер қояды. Ерекше салыстырмалылық теориясында кеңістік-уақытты сипаттау, үдемейтін (сонымен қатар айналмайтын) ерекше координаттық жүйелермен шектеледі, олар инерциялық координаттық жүйелер деп аталады. Мұндай координаттық жүйелерде жарық жылдамдығы тұрақты болады. Кеністік-уақыт құрылымы η билинеарлық формасымен анықталады, ол оқиғалардың әрбір жұбы үшін нақты санды береді. Билинеарлық форма кейде кеңістік-уақыт метрикасы деп аталады, бірақ ерекше оқиғалар кейде нөлдік мәнге ие болғандықтан, математикадағы метрикалық кеңістіктердегі метрикалардан айырмашылығы, билинеарлық форма кеңістік-уақытта математикалық метрика болып табылмайды. Бос түсетін бөлшектер/объектілердің әлем сызықтары геодезиялық сызықтар деп аталады. Ерекше салыстырмалылық теориясында бұл Минковский кеңістігіндегі түзу сызықтар болып табылады. Көбінесе уақыт бірліктері жарық жылдамдығын тік (уақыт) осьпен конус құрайтын, әдетте 45 градус бұрыштағы сызықтармен көрсету үшін таңдалады. Жалпы, кеңістіктегі пайдалы қисықтар үш түрге бөлінеді (басқа түрлері жартылай бірі, жартылай екіншісі болады): жарыққа ұқсас қисықтар, әрбір нүктеде жарық жылдамдығымен қозғалады. Олар кеңістік-уақытта конус құрайды, оны екі бөлікке бөледі. Конус кеңістік-уақытта үш өлшемді, екі өлшемді суреттерде сызық ретінде, ал бір кеңістіктік өлшемді суреттерде конус ретінде көрінеді. уақытқа ұқсас қисықтар, жарық жылдамдығынан төмен жылдамдықпен қозғалады. Бұл қисықтар жарыққа ұқсас қисықтармен анықталған конус ішінде болуы керек. Жоғарыдағы анықтама бойынша: әлем сызықтары – кеңістік-уақыттағы уақытқа ұқсас қисықтар. жарық конусының сыртында жатқан кеңістікке ұқсас қисықтар. Мұндай қисықтар, мысалы, физикалық объектінің ұзындығын сипаттауы мүмкін. Цилиндрдің шеңбері мен таяқтың ұзындығы – кеңістікке ұқсас қисықтар. Әлем сызығындағы берілген оқиға кезінде кеңістік-уақыт (Минковский кеңістігі) үш бөлікке бөлінеді. Берілген оқиғаның болашағы – болашақ жарық конусы ішіндегі уақытқа ұқсас қисықтар арқылы қол жетімді барлық оқиғалардан тұрады. Берілген оқиғаның өткені – оқиғаға әсер ете алатын барлық оқиғалардан тұрады (яғни, өткен жарық конусы ішіндегі әлем сызықтары арқылы берілген оқиғамен байланысты бола алатын оқиғалар). Берілген оқиғадағы жарық конусы – жарық сәулелері арқылы оқиғамен байланыстырылатын барлық оқиғалардан тұрады. Түндегі аспанды бақылағанда біз негізінен өткен жарық конусын ғана көреміз. Басқа жер – екі жарық конусы арасындағы аймақ. Бақылаушы үшін "басқа жердегі" нүктелер оларға қолжетімді емес; сигналдарды бақылаушыға тек өткендегі нүктелер ғана жібере алады. Әдеттегі зертханалық тәжірибеде, жалпы өлшем бірліктерін және әдістерін қолдана отырып, біз қазіргі уақытқа қарап тұрғандай көрінуі мүмкін, бірақ шын мәнінде жарықтың таралуына әрқашан белгілі бір уақыт кешігуі болады. Мысалы, біз Күнді "қазіргі" емес, 8 минут бұрынғы күйінде көреміз. Галилей/Ньютон теориясындағыдан айырмашылығы, "басқа жер" қалың; ол үш өлшемді көлем емес, оның орнына төрт өлшемді кеңістік-уақыт аймағы. "Басқа жерге" бір мезгілдегі гипержазықтық кіреді, ол белгілі бір бақылаушы үшін олардың әлем сызығына гиперболалық ортогональды кеңістікпен анықталады. Бұл шын мәнінде үш өлшемді, бірақ суретте екі өлшемді болады, өйткені түсінікті сурет жасау үшін біз бір өлшемді жоюға мәжбүр болдық. Жарық конустары белгілі бір кеңістік-уақыт оқиғасындағы барлық бақылаушылар үшін бірдей болғанымен, әртүрлі бақылаушылар, әртүрлі жылдамдықтарымен, бірақ кеңістік-уақыттағы оқиғада (нүктеде) сәйкес келетін, олардың салыстырмалы жылдамдықтарымен анықталатын бұрышта бір-бірін қиып өтетін әлем сызықтарына ие, сондықтан олардың әртүрлі бір мезгілдегі гипержазықтықтары бар. "Қазіргі" уақыт көбінесе қарастырылып отырған жалғыз кеңістік-уақыт оқиғасын білдіреді.
light like curves, having at each point the speed of light. They form a cone in spacetime, dividing it into two parts. The cone is three dimensional in spacetime, appears as a line in drawings with two dimensions suppressed, and as a cone in drawings with one spatial dimension suppressed. time like curves, with a speed less than the speed of light. These curves must fall within a cone defined by light like curves. In our definition above: world lines are time like curves in spacetime. space like curves falling outside the light cone. Such curves may describe, for example, the length of a physical object. The circumference of a cylinder and the length of a rod are space like curves. At a given event on a world line, spacetime (Minkowski space) is divided into three parts. The future of the given event is formed by all events that can be reached through time like curves lying within the future light cone. The past of the given event is formed by all events that can influence the event (that is, that can be connected by world lines within the past light cone to the given event). The lightcone at the given event is formed by all events that can be connected through light rays with the event. When we observe the sky at night, we basically see only the past light cone within the entire spacetime. Elsewhere is the region between the two light cones. Points in an observer's elsewhere are inaccessible to them; only points in the past can send signals to the observer. In ordinary laboratory experience, using common units and methods of measurement, it may seem that we look at the present, but in fact there is always a delay time for light to propagate. For example, we see the Sun as it was about 8 minutes ago, not as it is "right now". Unlike the present in Galilean/Newtonian theory, the elsewhere is thick; it is not a 3 dimensional volume but is instead a 4 dimensional spacetime region. Included in "elsewhere" is the simultaneous hyperplane, which is defined for a given observer by a space that is hyperbolic orthogonal to their world line. It is really three dimensional, though it would be a 2 plane in the diagram because we had to throw away one dimension to make an intelligible picture. Although the light cones are the same for all observers at a given spacetime event, different observers, with differing velocities but coincident at the event (point) in the spacetime, have world lines that cross each other at an angle determined by their relative velocities, and thus they have different simultaneous hyperplanes. The present often means the single spacetime event being considered.
Бір мезгілдегі гипержапсары
Әлем сызығы уақыт тәрізді жылдамдық 4-векторын анықтайтындықтан, Минковский формасы сызықтық функцияны анықтайды. Осы сызықтық функционалдың нөлдік кеңістігі N болсын. Содан кейін N, v-ге қатысты бір мезгілдегі гипержазықтық деп аталады. Бір мезгілдегі салыстырмалылық – N-нің v-ге тәуелді екендігі туралы мәлімдеме. Расында, N – η-ға қатысты v-нің ортогональді толықтырғышы. Егер екі әлем сызығы u және w бір-бірімен байланысты болса, олар бір мезгілдегі гипержазықтықты бөліседі. Бұл гипержазықтық математикалық тұрғыдан бар, бірақ салыстырмалылықтағы физикалық қатынастар жарық арқылы ақпараттың таралуын қамтиды. Мысалы, Кулон заңымен сипатталған дәстүрлі электростатикалық күш бір мезгілдегі гипержазықтықта бейнеленуі мүмкін, бірақ заряд пен күштің салыстырмалық қатынастары кідіріс потенциалдарын қамтиды.
Жалпы салыстырмалылық теориясындағы әлем сызықтары
Жалпы салыстырмалылық теориясында дүние сызықтарын қолдану негізінен ерекше салыстырмалылық теориясындағыдай, бірақ айырмашылығы – уақыт-кеңістік қисаяды. Метрика бар, ал оның динамикасы Эйнштейннің өріс теңдеулерімен анықталады және уақыт-кеңістіктегі масса-энергия таралуына тәуелді. Метрика жарық (нөлдік), кеңістік және уақыт тәрізді қисықтарды анықтайды. Сондай-ақ, жалпы салыстырмалылық теориясында дүние сызықтарына уақыт тәрізді қисықтар мен уақыт-кеңістіктегі нөлдік қисықтар кіреді, мұнда уақыт тәрізді қисықтар жарық конусының ішінде жатады. Дегенмен, жарық конусы міндетті түрде уақыт осіне 45 градус бұрышпен еңкейтілмейді. Бірақ, бұл таңдалған координаттар жүйесінің артық құбылысы болып табылады және жалпы салыстырмалылық теориясының координаттар еркіндігін (диффеоморфизм инварианттылығын) көрсетеді. Кез келген уақыт тәрізді қисыққа сәйкес, "уақыт осі" сол қисыққа сәйкес келетін серке бақылаушы табылады, және ешқандай бақылаушы ерекше құқыққа ие болмағандықтан, біз әрқашан жарық конустары уақыт осіне 45 градусқа еңкейген жергілікті координаттар жүйесін таба аламыз. Мысалы, Эддингтон-Финкельштейн координаттарын қараңыз. Еркін құлауға түсетін бөлшектердің немесе денелердің (күннің айналасындағы планеталар немесе ғарышкерлер сияқты) дүние сызықтары геодезиялық деп аталады.
Кванттық өріс теориясындағы әлем сызықтары
Кванттық өріс теориясы, қазіргі заманғы бөлшектер физикасының негізгі құрылымы, әдетте квантталған өрістер теориясы ретінде сипатталады. Дегенмен, кеңінен мойындалмаса да, Фейнман бұл туралы білгеннен бері көптеген кванттық өріс теорияларын әлемдік сызықтар арқылы да сипаттауға болады. Бұл оның кейіннен қалыпты стандартқа айналған тұжырымдамасын жасау жұмысынан бұрын болды. Кванттық өріс теориясының әлемдік сызықтар арқылы тұжырымдамасы, өлшеу теорияларындағы түрлі есептеулерде және электромагниттік өрістердің сызықтық емес әсерлерін сипаттауда өте жемісті болып табылды.