Materialul spațiu-timp este un model conceptual care îmbină cele trei dimensiuni ale spațiului cu a patra dimensiune a timpului. Conform celor mai bune teorii fizice actuale, spațiul-timp explică efectele relativiste neobișnuite care decurg din călătoria în apropierea vitezei luminii, precum și mișcarea obiectelor masive din univers.
Cine a descoperit spațiul-timp?
Celebrul fizician Albert Einstein a ajutat la dezvoltarea ideii de spațiu-timp ca parte a teoriei sale despre relativitate. Înainte de activitatea sa de pionierat, oamenii de știință aveau două teorii separate pentru a explica fenomenele fizice: legile fizicii lui Isaac Newton au descris mișcarea obiectelor masive, în timp ce modelele electromagnetice ale lui James Clerk Maxwell au explicat proprietățile luminii, potrivit NASA.
Dar experimentele efectuate la sfârșitul secolului XIX au sugerat să existe ceva special în ceea ce privește lumina. Măsurătorile au arătat că lumina a călătorit întotdeauna cu aceeași viteză, indiferent de situație. Și în 1898, fizicianul și matematicianul francez Henri Poincaré a speculat că viteza luminii ar putea fi o limită de neegalat. Cam în aceeași perioadă, alți cercetători au avut în vedere posibilitatea ca obiectele să se schimbe în dimensiune și în masă, în funcție de viteza lor.
Einstein a reunit toate aceste idei împreună în teoria sa din 1905 despre relativitatea specială, care a postulat că viteza luminii era o constantă. Pentru ca acest lucru să fie adevărat, spațiul și timpul trebuiau combinate într-un cadru unic care a conspirat pentru a menține viteza luminii la fel pentru toți observatorii.
O persoană dintr-o rachetă super rapidă va măsura timpul pentru a se mișca mai lent, iar lungimea obiectelor va fi mai scurtă în comparație cu o persoană care călătorește cu o viteză mult mai lentă. Asta pentru că spațiul și timpul sunt relative - depind de viteza unui observator. Dar viteza luminii este mai fundamentală decât una.
Concluzia că spațiul-timp este o singură țesătură nu a fost una la care Einstein a ajuns de la sine. Această idee a venit de la matematicianul german Hermann Minkowski, care a spus într-un colocviu din 1908, „Spațiul de acum înainte și timpul în sine, sunt sortiți să se estompeze în simple umbre și doar un fel de unire a celor doi va păstra o realitate independentă .“
Spațiul-timp pe care l-a descris este cunoscut în continuare ca spațiu-timp Minkowski și servește ca fundal al calculelor atât în teoria relativității, cât și în teoria câmpului cuantic. Acesta din urmă descrie dinamica particulelor subatomice drept câmpuri, potrivit astrofizicianului și scriitorului de știință Ethan Siegel.
Cum funcționează spațiul-timp
În zilele noastre, când oamenii vorbesc despre spațiu-timp, ei îl descriu adesea ca asemănând cu o foaie de cauciuc. Acest lucru provine și de la Einstein, care și-a dat seama când își dezvolta teoria relativității generale că forța gravitației se datora curbelor din țesătura spațiului-timp.
Obiectele masive - precum Pământul, soarele sau tu - creează distorsiuni în spațiu-timp care îl determină să se îndoaie. La rândul lor, aceste curbe constrâng modalitățile prin care se deplasează tot ceea ce există în univers, deoarece obiectele trebuie să urmeze căi de-a lungul acestei curburi deformate. Mișcarea datorată gravitației este de fapt mișcare de-a lungul răsucirilor și virajelor spațiului-timp.
O misiune NASA numită Gravity Probe B (GP-B) a măsurat forma vortexului spațiu-timp în jurul Pământului în 2011 și a constatat că acesta este în conformitate cu prevederile lui Einstein.
Dar o mare parte din acest lucru rămâne dificil pentru majoritatea oamenilor să-și învețe capul. Deși putem discuta despre spațiu-timp ca fiind similar cu o foaie de cauciuc, în cele din urmă, analogia se descompune. O foaie de cauciuc are două dimensiuni, în timp ce spațiul-timp este de patru dimensiuni. Foaia nu înseamnă doar deformări în spațiu, ci și deformări în timp. Ecuațiile complexe folosite pentru a explica toate acestea sunt dificile pentru chiar fizicieni să lucreze.
"Einstein a făcut o mașină frumoasă, dar nu ne-a lăsat exact manualul utilizatorului", a scris astrofizicianul Paul Sutter pentru site-ul sora Live Science, Space.com. „Doar pentru a conduce acasă punctul, relativitatea generală este atât de complexă încât, atunci când cineva descoperă o soluție la ecuații, primește soluția numită după ei și devine semi-legendară la propriu."
Ceea ce oamenii de știință încă nu știu
În ciuda complexității sale, relativitatea rămâne cea mai bună modalitate de a da socoteală fenomenelor fizice pe care le cunoaștem. Cu toate acestea, oamenii de știință știu că modelele lor sunt incomplete, deoarece relativitatea nu este încă împăcată pe deplin cu mecanica cuantică, ceea ce explică proprietățile particulelor subatomice cu o precizie extremă, dar nu încorporează forța gravitației.
Mecanica cuantică se bazează pe faptul că biții minusculi care alcătuiesc universul sunt discrete sau cuantificate. Deci fotonii, particulele care formează lumină, sunt ca niște bucăți mici de lumină care vin în pachete distincte.
Unii teoreticieni au speculat că, probabil, spațiul-timp în sine intră și în aceste bucăți cuantificate, contribuind la punerea la punct a relativității și a mecanicii cuantice. Cercetătorii de la Agenția Spațială Europeană au propus Laboratorul Internațional de Astronomie cu raze Gamma pentru explorarea cuantică a misiunii Space-Time (GrailQuest), care ar zbura în jurul planetei noastre și ar face măsurători ultra-precise ale unor explozii îndepărtate și puternice numite explozii de raze gamma care ar putea dezvălui natura apropiată a spațiului-timp.
O astfel de misiune nu s-ar lansa cel puțin un deceniu și jumătate, dar, dacă s-ar întâmpla, ar putea ajuta la rezolvarea unora dintre cele mai mari mistere rămase în fizică.
