Tkanina czasoprzestrzeni jest modelem konceptualnym łączącym trzy wymiary przestrzeni z czwartym wymiarem czasu. Zgodnie z najlepszymi aktualnymi teoriami fizycznymi czasoprzestrzeń wyjaśnia niezwykłe efekty relatywistyczne, które powstają w wyniku podróżowania w pobliżu prędkości światła, a także ruchu masywnych obiektów we wszechświecie.
Kto odkrył czasoprzestrzeń?
Słynny fizyk Albert Einstein pomógł rozwinąć ideę czasoprzestrzeni w ramach swojej teorii względności. Przed swoją pionierską pracą naukowcy mieli dwie osobne teorie wyjaśniające zjawiska fizyczne: prawa fizyki Izaaka Newtona opisywały ruch masywnych obiektów, podczas gdy modele elektromagnetyczne Jamesa Clerk Maxwella wyjaśniały właściwości światła, według NASA.
Ale eksperymenty przeprowadzone pod koniec XIX wieku sugerowały, że w świetle jest coś wyjątkowego. Pomiary wykazały, że światło zawsze poruszało się z tą samą prędkością, bez względu na wszystko. W 1898 r. Francuski fizyk i matematyk Henri Poincaré spekulował, że prędkość światła może być nie do przekroczenia. Mniej więcej w tym samym czasie inni badacze rozważali możliwość zmiany wielkości i masy obiektów w zależności od ich prędkości.
Einstein zebrał wszystkie te idee w swojej teorii szczególnej teorii względności z 1905 r., W której postulowano, że prędkość światła jest stała. Aby było to prawdą, przestrzeń i czas musiały zostać połączone w jedną strukturę, która spiskowała, aby utrzymać prędkość światła na tym samym poziomie dla wszystkich obserwatorów.
Osoba w superszybkiej rakiecie mierzy czas, aby poruszać się wolniej, a długość obiektów ma być krótsza w porównaniu z osobą podróżującą z dużo wolniejszą prędkością. To dlatego, że przestrzeń i czas są względne - zależą od prędkości obserwatora. Ale prędkość światła jest bardziej fundamentalna niż jedno z nich.
Wniosek, że czasoprzestrzeń jest pojedynczą tkaniną, nie był tym, do którego Einstein doszedł sam. Pomysł wyszedł od niemieckiego matematyka Hermanna Minkowskiego, który w kolokwium z 1908 r. Powiedział: „Odtąd sama przestrzeń i czas same są skazane na zanikanie w cień, a tylko ich połączenie zachowa niezależną rzeczywistość . ”
Opisany przez niego czasoprzestrzeń jest nadal znany jako czasoprzestrzeń Minkowskiego i służy jako tło do obliczeń zarówno w teorii względności, jak i teorii pola kwantowego. Ten ostatni opisuje dynamikę cząstek subatomowych jako pola, według astrofizyka i pisarza naukowego Ethana Siegela.
Jak działa czasoprzestrzeń
W dzisiejszych czasach, kiedy ludzie mówią o czasoprzestrzeni, często opisują to jako arkusz gumy. To również pochodzi od Einsteina, który, gdy rozwinął swoją teorię ogólnej teorii względności, uświadomił sobie, że siła grawitacji była spowodowana krzywymi w strukturze czasoprzestrzeni.
Masywne obiekty - takie jak Ziemia, Słońce lub Ty - powodują zniekształcenia czasoprzestrzeni, które powodują ich zginanie. Te krzywe z kolei ograniczają ruchy wszystkiego we wszechświecie, ponieważ obiekty muszą podążać ścieżkami wzdłuż tej wypaczonej krzywizny. Ruch wywołany grawitacją jest w rzeczywistości ruchem wzdłuż zakrętów czasoprzestrzeni.
Misja NASA o nazwie Grawitacyjna Sonda B (GP-B) zmierzyła kształt czasoprzestrzennego wiru wokół Ziemi w 2011 roku i stwierdziła, że ściśle zgadza się z przewidywaniami Einsteina.
Ale większość z nich pozostaje trudna do uchwycenia. Chociaż możemy omawiać czasoprzestrzeń jako podobną do arkusza gumy, analogia ostatecznie się załamuje. Arkusz gumy jest dwuwymiarowy, a czasoprzestrzeń czterowymiarowa. Arkusz reprezentuje nie tylko wypaczenie w przestrzeni, ale także wypaczenie w czasie. Złożone równania stosowane do tego wszystkiego są trudne nawet dla fizyków.
„Einstein stworzył piękną maszynę, ale nie zostawił nam instrukcji obsługi” - napisał astrofizyk Paul Sutter dla siostrzanej witryny Live Science, Space.com. „Aby wyjaśnić sedno sprawy, ogólna teoria względności jest tak złożona, że gdy ktoś odkryje rozwiązanie równań, otrzymuje rozwiązanie nazwane od nich i staje się prawie legendarne”.
Czego naukowcy wciąż nie wiedzą
Pomimo swojej złożoności względność pozostaje najlepszym sposobem na wyjaśnienie zjawisk fizycznych, o których wiemy. Jednak naukowcy wiedzą, że ich modele są niekompletne, ponieważ teoria względności wciąż nie jest w pełni pogodzona z mechaniką kwantową, co tłumaczy właściwości cząstek subatomowych z niezwykłą precyzją, ale nie uwzględnia siły grawitacji.
Mechanika kwantowa polega na tym, że małe kawałki tworzące wszechświat są dyskretne lub kwantowane. Zatem fotony, cząsteczki tworzące światło, są jak małe kawałki światła, które przychodzą w odrębnych pakietach.
Niektórzy teoretycy spekulują, że być może sama czasoprzestrzeń pojawia się również w tych skwantowanych kawałkach, pomagając w połączeniu teorii względności i mechaniki kwantowej. Naukowcy z Europejskiej Agencji Kosmicznej zaproponowali misję Międzynarodowego Laboratorium Astronomii Gamma-ray dla kwantowej eksploracji czasoprzestrzeni (GrailQuest), która latałaby wokół naszej planety i dokonywała ultra-dokładnych pomiarów odległych, potężnych eksplozji zwanych rozbłyskami gamma, które może ujawnić bliższą naturę czasoprzestrzeni.
Taka misja nie rozpoczęła się przez co najmniej półtorej dekady, ale gdyby tak się stało, być może pomógłby rozwiązać niektóre z największych tajemnic pozostałych w fizyce.
