Tkanina prostora-vremena konceptualni je model koji spaja tri dimenzije prostora s četvrtom dimenzijom vremena. Prema najboljim trenutnim fizičkim teorijama, prostor-vrijeme objašnjavaju neobične relativističke efekte koji nastaju putovanjem brzinom svjetlosti, kao i kretanjem masivnih predmeta u svemiru.
Tko je otkrio prostor-vrijeme?
Poznati fizičar Albert Einstein pomogao je razvijati ideju o prostoru-vremenu kao dijelu svoje teorije relativnosti. Prije njegovog pionirskog rada, znanstvenici su imali dvije odvojene teorije za objašnjenje fizičkih pojava: Isaac Newtonovi zakoni fizike opisali su kretanje masivnih objekata, dok su elektromagnetski modeli Jamesa Clerka Maxwella objasnili svojstva svjetlosti, prema NASA-i.
No eksperimenti provedeni krajem 19. stoljeća sugerirali su da u svjetlu postoji nešto posebno. Mjerenja su pokazala da svjetlost uvijek putuje istom brzinom, bez obzira na sve. A 1898. francuski fizičar i matematičar Henri Poincaré nagađao je da bi brzina svjetlosti mogla biti nenadmašiva granica. Otprilike u isto vrijeme, drugi su istraživači razmatrali mogućnost da se predmeti mijenjaju u veličini i masi, ovisno o njihovoj brzini.
Einstein je sve te ideje objedinio u svojoj teoriji posebne relativnosti iz 1905. godine, koja je postulirala da je brzina svjetlosti konstantna. Da bi to bilo istina, prostor i vrijeme morali su biti udruženi u jedinstveni okvir koji je zavjeravao da brzina svjetlosti ostane jednaka za sve promatrače.
Osoba u brzi raketi odmjerit će vrijeme da se kreće sporije, a duljine predmeta biti kraće u usporedbi s osobom koja putuje mnogo sporijom brzinom. To je zato što su prostor i vrijeme relativni - ovise o promatračkoj brzini. Ali brzina svjetlosti je temeljnija od bilo koje od njih.
Zaključak da je prostor-vrijeme samo jedno tkivo nije ono što je Einstein postigao sam. Ta je ideja potekla od njemačkog matematičara Hermanna Minkowskog, koji je u kolokviju iz 1908. rekao: "Sada je prostor sam po sebi, a vrijeme samo po sebi, osuđeni na to da nestane u pukoj sjeni i samo će svojevrsno sjedinjenje njih dvoje sačuvati neovisnu stvarnost „.
Prostor-vrijeme koje je opisao još uvijek je poznat kao Minkowski prostor-vrijeme i služi kao pozadina izračuna i u relativnosti i u teoriji kvantnog polja. Potonje opisuje dinamiku subatomskih čestica kao polja, prema astrofizičaru i znanstvenom piscu Ethanu Siegelu.
Kako funkcionira prostor-vrijeme
U današnje vrijeme, kada ljudi govore o prostoru-vremenu, često ga opisuju kao nalik na lim gume. To također dolazi od Einsteina, koji je shvatio kako je razvijao svoju teoriju opće relativnosti da sila sile dolazi zbog krivulja u tkivu prostora-vremena.
Ogromni predmeti - poput Zemlje, Sunca ili vas - stvaraju izobličenja u prostor-vremenu zbog kojih se savijaju. Ove krivulje zauzvrat ograničavaju načine na koje se kreće sve u svemiru jer objekti moraju slijediti staze duž ove iskrivljene zakrivljenosti. Gibanje zbog gravitacije zapravo je gibanje duž zavoja prostora-vremena.
Misija NASA-e pod nazivom Gravity Probe B (GP-B) izmjerila je oblik svemirskih i vremenskih vrtloga oko Zemlje u 2011. godini i otkrila da se ona u potpunosti podudara s Einsteinovim predviđanjima.
No, mnogo toga ostaje teško većini ljudi da zamotaju glave. Iako možemo razgovarati o prostoru-vremenu kao da je sličan limu gume, analogija se na kraju raspada. Gumeni lim je dvodimenzionalan, dok je prostor-vrijeme četverodimenzionalno. To ne samo da su osnove u prostoru koje list predstavlja, već i da se oblikuju u vremenu. Složene jednadžbe koje su korištene za sve ovo teško su čak i s fizičarima s kojima rade.
"Einstein je napravio prekrasnu mašinu, ali nije nam baš ostavio korisnički priručnik", napisao je astrofizičar Paul Sutter za sestrinu stranicu Live Science, Space.com. "Samo da se vratimo kući do točke, opća relativnost je toliko složena da, kada netko otkrije rješenje jednadžbi, dobije rješenje nazvano po njima i sami po sebi postanu polu-legendarni."
Što znanstvenici još uvijek ne znaju
Unatoč svojoj zamršenosti, relativnost ostaje najbolji način za obračun fizičkih fenomena o kojima znamo. Ipak, znanstvenici znaju da su njihovi modeli nepotpuni jer relativnost još uvijek nije potpuno usklađena s kvantnom mehanikom, što objašnjava svojstva subatomskih čestica s ekstremnom preciznošću, ali ne uključuje silu gravitacije.
Kvantna mehanika počiva na činjenici da su sitni komadići koji čine svemir diskretni ili kvantizirani. Dakle, fotoni, čestice koje čine svjetlost, su poput malih komada svjetlosti koji se nalaze u različitim paketima.
Neki teoretičari pretpostavljaju da možda i sam prostor-vrijeme dolazi u ove kvantizirane dijelove, pomažući premošćavanju relativnosti i kvantne mehanike. Istraživači Europske svemirske agencije predložili su međunarodnu misiju Gamma-Astronomy Laboratory za kvantno istraživanje svemira i vremena (GrailQuest), koja bi letjela oko našeg planeta i napravila ultra-točna mjerenja udaljenih, snažnih eksplozija nazvanih gama-rafalima koji mogla otkriti blisku prirodu prostora-vremena.
Takva misija ne bi se trebala pokrenuti barem desetljeće i pol, ali kad bi se to dogodilo, možda bi pomoglo u rješavanju nekih od najvećih misterija preostalih u fizici.
