Tkanina prostora-časa je konceptualni model, ki združuje tri dimenzije prostora s četrto dimenzijo časa. Prostor-čas po najboljših trenutnih fizikalnih teorijah pojasnjuje nenavadne relativistične učinke, ki izhajajo iz potovanja blizu hitrosti svetlobe in gibanja masivnih predmetov v vesolju.
Kdo je odkril vesolje-čas?
Slavni fizik Albert Einstein je pomagal razviti idejo o vesolju in času kot del svoje teorije relativnosti. Pred njegovim pionirskim delom so imeli znanstveniki dve ločeni teoriji razlage fizikalnih pojavov: Isaac Newtonovi zakoni fizike so opisovali gibanje masivnih predmetov, medtem ko so elektromagnetni modeli Jamesa Clerka Maxwella razlagali lastnosti svetlobe, poroča NASA.
Toda poskusi, izvedeni konec 19. stoletja, kažejo, da je v svetlobi nekaj posebnega. Meritve so pokazale, da je svetloba vedno potovala z isto hitrostjo, ne glede na vse. In leta 1898 je francoski fizik in matematik Henri Poincaré špekuliral, da je lahko hitrost svetlobe neprekosljiva meja. Približno v istem času so drugi raziskovalci razmišljali o možnosti, da bi se predmeti spreminjali po velikosti in masi, odvisno od njihove hitrosti.
Einstein je vse te ideje združil v svoji teoriji posebne relativnosti iz leta 1905, ki je predpostavljala, da je svetlobna hitrost konstantna. Da bi bilo to res, je bilo treba prostor in čas združiti v en sam okvir, ki je imel zaroto, da bi svetlobna hitrost ostala enaka za vse opazovalce.
Oseba v super hitri raketi bo merila čas, da se giblje počasneje, dolžine predmetov pa bodo krajše v primerjavi s človekom, ki potuje z veliko počasnejšo hitrostjo. Zato, ker sta prostor in čas sorazmerna - odvisna sta od hitrosti opazovalca. Vendar je hitrost svetlobe bolj temeljna od obeh.
Ugotovitev, da je vesolje-čas ena sama tkanina, ni Einstein dosegel sam. Ta ideja je prišla od nemškega matematika Hermanna Minkowskija, ki je v kolokviju iz leta 1908 dejal, "da je vesolje sam po sebi in čas sam po sebi obsojen, da zbledi v zgolj sence in le nekakšna zveza obeh bo ohranila neodvisno resničnost . "
Prostor-čas, ki ga je opisal, je še vedno znan kot Minkowski prostor-čas in služi kot ozadje izračunov tako v relativnosti kot v teoriji kvantnega polja. Slednje opisuje dinamiko subatomskih delcev kot polj, pravi astrofizik in pisatelj znanosti Ethan Siegel.
Kako deluje prostor-čas
Dandanes, ko ljudje govorijo o vesolju in času, ga pogosto opišejo kot spominjajo na list gume. Tudi to izvira iz Einsteina, ki je med razvojem teorije splošne relativnosti spoznal, da je sila gravitacije posledica krivulj v tkanini vesolja in časa.
Ogromni predmeti - na primer Zemlja, sonce ali vi - ustvarjajo popačenja v prostoru-času, zaradi katerih se upogibajo. Te krivulje posledično omejujejo načine, kako se premika vse v vesolju, saj morajo predmeti slediti potekom po tej izkrivljeni ukrivljenosti. Gibanje zaradi gravitacije je dejansko gibanje po zasukih in zavojih prostora-časa.
Nasina misija z imenom Gravity Probe B (GP-B) je leta 2011 izmerila obliko vesoljsko-časovnega vrtinca okoli Zemlje in ugotovila, da se tesno sklada z Einsteinovim napovedmi.
Toda večini tega ostaja težava, da se večina ljudi ovije okoli. Čeprav lahko o prostoru in času govorimo, da je podoben pločevinam gume, se analogija sčasoma pokvari. List gume je dvodimenzionalen, prostor-čas pa štiridimenzionalen. List ne predstavlja samo podlage v prostoru, ampak tudi podlage v času. Zapletene enačbe, ki se uporabljajo za obračun vsega tega, so težavne za delo celo fizikov.
"Einstein je naredil čudovit stroj, vendar nam ni natančno zapustil uporabniškega priročnika," je zapisal astrofizik Paul Sutter za sestrino spletno mesto Live Science, Space.com. "V splošni relativnosti je samo to, da odpeljemo domov, tako kompleksna, da ko nekdo odkrije rešitev enačb, dobi rešitev poimenovano po njih in postane sam po sebi legendaren."
Česa znanstveniki še ne vedo
Relativnost kljub svoji zapletenosti ostaja najboljši način za izračun fizikalnih pojavov, o katerih poznamo. Vendar znanstveniki vedo, da so njihovi modeli nepopolni, ker relativnost še vedno ni popolnoma usklajena s kvantno mehaniko, ki pojasnjuje lastnosti subatomskih delcev z izjemno natančnostjo, vendar ne vključuje sile teže.
Kvantna mehanika temelji na dejstvu, da so drobni koščki, ki sestavljajo vesolje, diskretni ali kvantizirani. Torej so fotoni, delci, ki sestavljajo svetlobo, kot majhni koščki svetlobe, ki pridejo v ločenih paketih.
Nekateri teoretiki ugibajo, da morda tudi sam prostor-čas prihaja v te kvantizirane koščke, ki pomagajo premostiti relativnost in kvantno mehaniko. Raziskovalci Evropske vesoljske agencije so predlagali misijo Mednarodnega laboratorija za kvantno raziskovanje vesolja in časa (GrailQuest) Gamma-Astronomy, ki bi letela okoli našega planeta in izvajala ultra natančne meritve oddaljenih, močnih eksplozij, imenovanih gama žarkov, ki lahko razkrijejo naravo prostora-časa.
Takšna misija se ne bi začela vsaj desetletje in pol, toda če bi se zgodila, bi to morda pomagalo razrešiti nekatere največje skrivnosti v fiziki.
