Тканина простору-часу - це концептуальна модель, що поєднує три виміри простору з четвертим виміром часу. Відповідно до найкращих сучасних фізичних теорій, простір-час пояснює незвичайні релятивістські ефекти, які виникають внаслідок подорожі поблизу швидкості світла, а також руху масивних предметів у Всесвіті.
Хто відкрив простір-час?
Відомий фізик Альберт Ейнштейн допоміг розвинути уявлення про простір-час як частину своєї теорії відносності. До його піонерської роботи вчені мали дві окремі теорії пояснення фізичних явищ: закони фізики Ісаака Ньютона описували рух масивних предметів, а електромагнітні моделі Джеймса Клерка Максвелла пояснювали властивості світла, повідомляє NASA.
Але експерименти, проведені наприкінці 19 століття, свідчили про те, що у світлі є щось особливе. Вимірювання показали, що світло завжди рухався з однаковою швидкістю, незважаючи ні на що. І в 1898 році французький фізик і математик Анрі Пуанкаре припускав, що швидкість світла може бути неперевершеною межею. Приблизно в той же час інші дослідники розглядали можливість зміни об'єктів за розмірами та масою залежно від їх швидкості.
Ейнштейн об'єднав усі ці ідеї разом у своїй теорії особливої відносності 1905 року, яка постулювала, що швидкість світла була постійною. Щоб це було правдою, простір та час мали бути об'єднані в єдину рамку, яка змовилася забезпечити однакову швидкість світла для всіх спостерігачів.
Людина у надшвидкій ракеті вимірюватиме час, щоб рухатися повільніше, а довжина предметів буде коротшою порівняно з людиною, яка подорожує значно меншою швидкістю. Це тому, що простір і час відносні - вони залежать від швидкості спостерігача. Але швидкість світла є більш фундаментальною, ніж будь-яка.
Висновок про те, що простір-час є єдиною тканиною, був не той, до якого Ейнштейн дійшов сам. Ця ідея виникла від німецького математика Германа Міньковського, який в колоквіумі 1908 р. Сказав: "Відтепер простір сам по собі і час сам по собі приречений згасати в прості тіні, і лише своєрідне об'єднання двох збереже незалежну реальність . "
Описаний ним простір-час досі відомий як простір-час Мінковського і служить фоном обчислень як в теорії відносності, так і в теорії квантового поля. Останнє описує динаміку субатомних частинок як полів, на думку астрофізика та письменника-науки Етана Зігеля.
Як працює простір-час
У наш час, коли люди говорять про простір-час, вони часто описують це як схоже на аркуш гуми. Це також походить від Ейнштейна, який зрозумів, розвиваючи свою теорію загальної відносності, що сила тяжіння зумовлена кривими в тканині простору-часу.
Масивні об’єкти - як Земля, Сонце чи ви - створюють спотворення в просторі-часі, які змушують його згортатися. Ці криві, у свою чергу, звужують способи, якими рухається все у Всесвіті, тому що об'єкти повинні слідувати шляхами по цій викривленій кривизні. Рух через силу тяжіння - це фактично рух уздовж поворотів простору-часу.
Місія NASA під назвою Gravity Probe B (GP-B) виміряла форму вихору простору та часу навколо Землі в 2011 році і виявила, що вона цілком відповідає прогнозам Ейнштейна.
Але більшості людей залишається важко загорнути голову. Хоча ми можемо обговорити простір-час як подібний до аркуша гуми, з часом аналогія руйнується. Гумовий лист - двовимірний, а простір - час - чотиривимірний. Аркуш представляє не тільки основи в просторі, але й деформації у часі. Складні рівняння, які використовуються для обліку всього цього, є складними для роботи навіть фізиків.
"Ейнштейн зробив гарну машину, але він точно не залишив нам посібника користувача", - написав астрофізик Пол Саттер для сестринського сайту Live Science, Space.com. "Просто для того, щоб повернути додому справу, загальна відносність настільки складна, що коли хтось виявляє рішення рівнянь, вони отримують рішення, назване на їх честь, і стають напівлегендарними самі по собі".
Що вчені досі не знають
Незважаючи на свою складність, відносність залишається найкращим способом обліку фізичних явищ, про які ми знаємо. Однак вчені знають, що їхні моделі неповні, оскільки відносність все ще не повністю узгоджена з квантовою механікою, що пояснює властивості субатомних частинок з надзвичайною точністю, але не включає силу тяжіння.
Квантова механіка спирається на те, що крихітні шматочки, що утворюють Всесвіт, є дискретними або квантованими. Тож фотони, частинки, що утворюють світло, - це як маленькі шматки світла, що надходять у різні пакети.
Деякі теоретики припускають, що, можливо, і сам простір-час також потрапляє в ці квантовані шматки, що допомагає подолати відносність та квантову механіку. Дослідники Європейського космічного агентства запропонували місію Міжнародної лабораторії з квантового дослідження космічного та космічного часу (GrailQuest) Гамма-астрономії, яка б літала навколо нашої планети і робила ультраточні вимірювання віддалених потужних вибухів під назвою гамма-вибухів, які може виявити близький характер простору-часу.
Така місія не запускатиметься принаймні півтора десятиліття, але, якби це відбулося, це, можливо, допоможе вирішити деякі найбільші таємниці, що залишаються у фізиці.
