I fysikk er rom stedet der objekter befinner seg og hvor hendelser som skjer har en relativ posisjon og retning. [ 1 ] Fysisk rom blir vanligvis oppfattet som å ha tre lineære dimensjoner , selv om moderne fysikere vanligvis ser på det, over tid , som en del av et uendelig firdimensjonalt kontinuum kjent som romtid , som i nærvær av materie er buet . I matematikk undersøkes rom med ulikt antall dimensjoner og med ulike underliggende strukturer. Begrepet rom anses som av grunnleggende betydning for en forståelse av det fysiske universet , selv om det er vedvarende uenigheter blant filosofer om hvorvidt det er en enhet, et forhold mellom enheter eller en del av et konseptuelt rammeverk .
Mange av disse filosofiske spørsmålene oppsto på 1600-tallet, under den tidlige utviklingen av klassisk mekanikk . I følge Isaac Newton var rommet absolutt, i den forstand at det var permanent og eksisterte uavhengig av materie. [ 2 ] I stedet trodde filosofer som Gottfried Leibniz at rommet var en samling av relasjoner mellom objekter, gitt av deres avstand og retning fra hverandre. På 1700-tallet beskrev Immanuel Kant , i samsvar med idealistisk filosofi, rom og tid som a priori former, det vil si at de bare eksisterer i menneskesinnet, ikke utenfor det, som lar oss strukturere opplevelser.
På 1800- og 1900-tallet begynte matematikere å undersøke ikke-euklidisk geometri , hvis rom kan sies å være buet i stedet for flatt . I følge Albert Einsteins generelle relativitetsteori avviker rommet rundt gravitasjonsfelt fra det euklidiske rom . [ 3 ] Tester fra generell relativitetsteori har bekreftet at ikke-euklidisk rom gir en bedre modell for rommets form.
På det syttende århundre dukket rom- og tidsfilosofien opp som et sentralt element i epistemologi og metafysikk . Innerst inne kom Gottfried Leibniz , den tyske filosofen og matematikeren, og Isaac Newton , den engelske fysikeren og matematikeren, opp med to motsatte teorier om hva rom er. I stedet for å være en enhet som eksisterer uavhengig av og over materien, mente Leibniz at rommet ikke er noe mer enn en samling av romlige relasjoner mellom objekter i verden: " rommet er det som er et resultat av steder tatt sammen ". [ 4 ] Uokkuperte regioner er de som kan ha objekter i seg, og dermed romlige forhold til andre steder. For Leibniz var rommet en idealisert abstraksjon av relasjonene mellom individuelle enheter eller deres mulige plasseringer, og ville dermed ikke være kontinuerlig , men diskret . [ 5 ]
Rom kan tenkes på en lignende måte som forholdet mellom medlemmer av en familie. Selv om personene i en familie er i slekt med hverandre, eksisterer ikke relasjonene uavhengig av personene. [ 6 ] Leibniz hevdet at rommet ikke kunne eksistere uavhengig av objektene i verden fordi det ville innebære en forskjell mellom to universer som er nøyaktig det samme bortsett fra plasseringen av den materielle verden i hvert univers. Men det ville ikke være noen måte å skille dem fra hverandre, siden det, i henhold til prinsippet om identiteten til usynlige , ikke ville være noen reell forskjell mellom dem. I henhold til prinsippet om tilstrekkelig grunn bør enhver teori om rom som antyder muligheten for at disse to universene eksisterer, være feil. [ 7 ]
Newton tok plass som mer enn forholdet mellom materielle objekter og baserte sin posisjon på observasjon og eksperimentering . For en relativist er det kanskje ingen forskjell mellom treghetsbevegelse , der objekter beveger seg med en konstant hastighet , og ikke-treghetsbevegelser , der hastigheten endres med tiden, siden alle romlige målinger er i forhold til andre objekter og deres slektninger. Men Newton mente at siden ikke-treghetsbevegelse genererer krefter , må den være absolutt. [ 8 ] Han brukte eksemplet med vann i en spinnende bøtte for å bevise poenget sitt. Vann i en bøtte hengt i et tau og satt til å snurre starter med en flat overflate. Etter en stund, mens kuben fortsetter å rotere, blir overflaten av vannet konkav. Hvis spinningen av kuben stopper, er overflaten av vannet fortsatt konkav mens den fortsetter å spinne. Den konkave overflaten ser derfor ikke ut til å være et resultat av relativ bevegelse mellom bøtta og vannet. [ 9 ] I stedet, hevdet Newton, må det være et resultat av ikke-treghetsbevegelse i forhold til selve rommet. I flere århundrer var kubeargumentet avgjørende for å vise at rommet må eksistere uavhengig av materie.
På 1700-tallet utviklet den tyske filosofen Immanuel Kant kunnskapsteorien der kunnskap om verdensrommet kan være både a priori og syntetisk . [ 10 ] Ifølge Kant er kunnskap om rom syntetisk , ved at utsagn om rom ikke bare er sanne i kraft av betydningen av ordene i utsagnet. I sitt arbeid avviste Kant synet om at rommet må være en substans eller et forhold. I stedet konkluderte han med at rom og tid ikke oppdages fordi de ikke er objektive trekk ved verden, men snarere a priori realiteter som bare eksisterer i våre sinn; de er egenskaper ved vårt sinn som lar oss strukturere elementene i vår erfaring. [ 11 ]
Euklids elementer inneholder fem postulater som er grunnlaget for euklidisk geometri. En av dem, parallellpostulatet, har vært gjenstand for debatt blant matematikere i mange århundrer. Dette postulerer at i ethvert plan der det er en rett linje L 1 og et punkt P utenfor den L 1 , er det bare én rett linje L 2 på planet som går gjennom det punktet P og er parallell med L 1 . Fram til 1800-tallet var det få som tvilte på sannheten i det postulatet; til tross for at debatten dreide seg om hvorvidt det var nødvendig som et aksiom, eller om det var en teori som kunne utledes fra de andre aksiomene. [ 12 ] Rundt 1830 publiserte ungarske János Bolyai og russiske Nikolai Ivanovich Lobachevsky separat avhandlinger om en type geometri som ikke inkluderte parallellpostulatet, kalt hyperbolsk geometri . I denne geometrien går et uendelig antall parallelle linjer gjennom punktet P. Følgelig er summen av vinklene til en trekant mindre enn 180. o og omkretsen av en sirkel i forhold til dens diameter er større enn pi . På 1850-tallet utviklet Bernhard Riemann en ekvivalent teori kalt elliptisk geometri , der ingen parallelle linjer går gjennom P. I denne geometrien summerer vinklene til trekantene mer enn 180. o og sirklene har et forhold mellom omkrets og diameter mindre enn pi.
| geometri type | antall parallelle | Summen av vinkler i en trekant | Forholdet mellom omkrets og diameter av en sirkel | Kurvaturmåling |
|---|---|---|---|---|
| hyperbolsk | Uendelig | < 180. eller | >π | < 0 |
| Euklidisk | 1 | 180. eller | π | 0 |
| elliptisk | 0 | > 180. eller | <π | > 0 |
Selv om det var en rådende kantiansk konsensus på den tiden, så snart ikke-euklidiske geometrier var blitt formalisert, begynte noen å stille spørsmål ved om det fysiske rommet er buet eller ikke. Carl Friedrich Gauss , den tyske matematikeren, var den første som vurderte en empirisk undersøkelse av rommets geometriske struktur. Han tenkte på å gjøre en test av summen av vinklene til en enorm stjernetrekant, og det er rapporter om at han faktisk utførte en test, i liten skala, ved å triangulere fjelltopper i Tyskland. [ 13 ]
Henri Poincaré , en fransk matematiker og fysiker fra 1800-tallet, introduserte en viktig idé der han forsøkte å demonstrere nytteløsheten i ethvert forsøk på å oppdage hvilken geometri som gjelder for verdensrommet ved å eksperimentere. [ 14 ] Etter hans syn ville forskere stå overfor en vanskelig situasjon hvis de begrenset seg til overflaten av en stor imaginær sfære med spesielle egenskaper, kjent som en verdenssfære. I denne verden har temperaturen en tendens til å variere på en måte der alle objekter utvider seg og trekker seg sammen i lignende proporsjoner på forskjellige steder på kulen. Med et passende temperaturfall, hvis forskere prøver å bruke målestokker for å bestemme summen av vinklene til en trekant, kan de bli villedet til å tro at de bor i en flat verden, i stedet for en sfærisk overflate. [ 15 ] Faktisk kan forskere i prinsippet ikke bestemme om de bor i en flat eller sfærisk verden, og, hevdet Poincaré, gjelder det samme for debatten om hvorvidt det virkelige rommet er euklidisk eller ikke. For ham, hvis geometri ble brukt til å beskrive rommet, var det et spørsmål om konvensjon . [ 16 ] Siden euklidisk geometri er enklere enn ikke-euklidisk geometri, antok han at førstnevnte alltid brukes til å beskrive den "sanne" geometrien til verden. [ 17 ]
I 1905 publiserte Albert Einstein en artikkel om en spesiell relativitetsteori , der han foreslo at rom og tid kombineres til en enkelt konstruksjon kjent som romtid . I denne teorien er lyshastigheten i et vakuum den samme for alle observatører - noe som betyr at to hendelser som vises samtidig for en bestemt observatør, ikke vil være samtidige for en annen observatør hvis de begge beveger seg i forhold til hverandre. . På den annen side vil en observatør måle en bevegelig klokke for å løpe saktere enn en stasjonær med hensyn til dem; og målingene av objekter har en tendens til å reduseres i retningen de beveger seg i forhold til observatøren.
I løpet av de neste ti årene arbeidet Einstein med en generell relativitetsteori , som beskriver hvordan tyngdekraften samhandler med rom-tid. I stedet for å se tyngdekraften som et kraftfelt som virker i romtiden, foreslo Einstein at den endrer den geometriske strukturen til romtiden. [ 18 ] I følge den generelle teorien går tiden langsommere på steder med lavere gravitasjonspotensial og lysstråler bøyer seg i nærvær av et gravitasjonsfelt. Forskere har studert oppførselen til binære pulsarer , og bekrefter spådommene til Einsteins teorier, og ikke-euklidisk geometri brukes vanligvis til å beskrive rom-tid.
I moderne matematikk er matematiske rom definert som sett med noe ekstra struktur. Det blir ofte beskrevet som de forskjellige typene manifolder , som er rom som tilnærmer det euklidiske rom , hvis egenskaper i stor grad er definert av den lokale forbindelsen til punktene som ligger på hver av dem. Imidlertid er det mange forskjellige matematiske objekter som kalles rom. For eksempel er funksjonsrom generelt ikke nært knyttet til det euklidiske rom.
Klassisk geometri var en av de første utviklingene innen matematikk som prøvde å fange og formalisere den intuitive forestillingen om fysisk rom. Geometrien stammer mest sannsynlig fra praktiske problemer knyttet til oppmåling .
En foredling av klassisk geometri besto i å definere strukturen til normert vektorrom fra de spesielle egenskapene til det euklidiske rom . I et slikt rom kan avstander (og derfor områder eller volumer) defineres og andre metriske forestillinger kan formaliseres .
Rom er en av de få grunnleggende størrelsene i fysikk , i den forstand at det ikke kan defineres gjennom andre grunnleggende fysiske størrelser, ettersom ingenting mer grunnleggende er kjent for øyeblikket. På den annen side kan det relateres til andre fundamentale størrelser. Således, som andre grunnleggende størrelser (som tid og masse ), kan rommet utforskes gjennom måling og eksperimenter.
Astronomi er vitenskapen knyttet til observasjon, analyse og måling av objekter i det ytre rom .
Før Einsteins arbeid med relativistisk fysikk ble rom og tid sett på som uavhengige dimensjoner. Einsteins oppdagelser viste at disse kan matematisk kombineres til et objekt kalt romtid . Det viser seg at avstander i rom eller tid separat ikke er invariante under Lorentz-koordinattransformasjonen, men avstander i Minkowski romtid over romtidsintervaller er; som rettferdiggjør navnet.
Tids- og romdimensjoner bør heller ikke sees på som den eksakte ekvivalenten i Minkowski romtid. Man kan bevege seg fritt i rommet, men ikke i tid. Tids- og romkoordinater blir derfor behandlet forskjellig i spesiell relativitet (hvor tid noen ganger betraktes som en imaginær koordinat ) og generelt relativitetsteori (hvor forskjellige brukes for rom- og tidskomponentene i metrikken for rom-tid ).
Dessuten, i Einsteins generelle relativitetsteori, postuleres romtid å være geometrisk forvrengt ( buet ) nær gravitasjonsmessig signifikante masser. [ 19 ]
Eksperimenter er i gang for å prøve å måle gravitasjonsbølger direkte . Dette er i hovedsak løsninger på likningene til generell relativitet, som beskriver bevegelige rom-tidsbølger. Indirekte bevis for dette er funnet i bevegelsen til Hulse-Taylor binære systemer .
Relativitetsteorien leder til det kosmologiske spørsmålet om hvordan universets form er og hvor rommet kommer fra. Det ser ut til at rommet ble skapt i Big Bang og har ekspandert siden. Den generelle formen på rommet er ikke kjent, det er kjent at rommet utvidet seg veldig raskt på grunn av kosmisk inflasjon . Alan Guth , kjent for sin teori om inflasjon, presenterte de første ideene på et seminar ved Stanford Linear Accelerator Center 23. januar 1980.
Den første fysikeren som innså at kvantemekanikk må innebære endringer i strukturen til rom-tid i svært liten skala var Matvei Bronstein på 1930 -tallet . Forståelsen av opprettelsen av partikkel - antipartikkel -par førte til erkjennelsen av at svært små skalaer av størrelsesorden Planck-lengden romtid måtte avvike markant fra den differensierbare mangfoldige modellen som ble brukt i den generelle relativitetsteorien . Foreløpig (2022) er det ingen eksakt og fullstendig teori om kvantetyngdekraften , det vil si at jeg ikke kjenner til en kvantefeltteori for gravitasjonsfeltet , selv om noen av konsekvensene en slik teori ville ha for strukturen til romvær. . Intuisjonen til de fleste nåværende fysikere er at rom-tid i en veldig liten skala kan være en "sverm" av virtuelle partikler og antipartikler som får romtiden til å se ut som et tilfeldig og svært uregelmessig kvanteskum
Måling av fysisk plass har vært viktig i lang tid. Selv om tidligere samfunn hadde utviklet målesystemer, er International System of Units , (SI), nå det mest brukte i måling av rom, og er nesten universelt brukt innen vitenskap .
For øyeblikket er standardromintervallet, kalt standardmåleren eller ganske enkelt meter , definert som avstanden som reist av lys i et vakuum i løpet av et intervall på nøyaktig 1/299,792,458 av et sekund. Denne definisjonen, sammen med den nåværende definisjonen av et sekund , er basert på den spesielle relativitetsteorien der lysets hastighet spiller rollen som en grunnleggende naturkonstant.
Geografi er grenen av vitenskapen som er opptatt av identifisering og beskrivelse av jorden , ved å bruke romlig bevissthet for å prøve å forstå hvorfor ting eksisterer på bestemte steder. Kartografi er tildeling av mellomrom for å tillate bedre navigasjon, for visningsformål og for å fungere som en lokaliseringsenhet. Geostatistikk bruker statistiske konsepter for innsamling av romlige data for å lage et estimat av observerte fenomener.
Det geografiske rommet betraktes vanligvis som landet som kan tilegnes (i så fall blir det sett på som gård , tomt eller territorium ). Mens noen kulturer baserer sine lover på privat eierskap av plass, identifiserer andre seg med felles tilnærminger til landeierskap, mens andre, som de australske aboriginerne , i stedet for å betrakte land som eiendom, reverserer forholdet og de anses som eiendom til landet de bor i. .
Eierskap av plass er ikke begrenset til land. Eierskap til internasjonalt luftrom og farvann avgjøres internasjonalt. Andre eiendomsformer er nylig etablert i andre rom; for eksempel radiofrekvensbåndene til det elektromagnetiske spekteret eller cyberspace .
Offentlige rom er stedet der enhver person har rett til å sirkulere, i motsetning til private rom, hvor passasje kan begrenses, vanligvis av kriterier om privat eiendom , statlige reservasjoner eller andre. Derfor er det det rommet av offentlig eiendom , domene og offentlig bruk.
Psykologer begynte først å studere hvordan vi oppfatter rom på midten av 1800-tallet. Alt om disse studiene er nå en gren av psykologi . Psykologer analyserer romoppfatningen når den er relatert til hvordan vi gjenkjenner et fysisk objekt eller oppfatter dets interaksjoner.
Mer spesialiserte studier inkluderer amodal persepsjon og objektpermanens. Oppfatningen av omgivelsene er viktig på grunn av dens nødvendige relevans for overlevelse, spesielt med hensyn til jakt og selvoppholdelsesdrift, så vel som for ideen om personlig plass .
Det er funnet romrelaterte fobier , inkludert agorafobi (frykt for åpne rom), astrofobi (frykt for himmelrom) og klaustrofobi (frykt for lukkede rom).