Ткань пространства-времени - это концептуальная модель, объединяющая три измерения пространства с четвертым измерением времени. Согласно лучшим из современных физических теорий, пространство-время объясняет необычные релятивистские эффекты, возникающие при путешествии со скоростью света, а также при движении массивных объектов во вселенной.
Кто открыл пространство-время?
Знаменитый физик Альберт Эйнштейн помог развить идею пространства-времени в рамках своей теории относительности. До его новаторской работы ученые имели две отдельные теории для объяснения физических явлений: законы физики Исаака Ньютона описывали движение массивных объектов, в то время как электромагнитные модели Джеймса Клерка Максвелла объясняли свойства света, согласно НАСА.
Но эксперименты, проведенные в конце 19-го века, показали, что в свете было что-то особенное. Измерения показали, что свет всегда движется с одинаковой скоростью, несмотря ни на что. А в 1898 году французский физик и математик Анри Пуанкаре предположил, что скорость света может быть непреодолимым пределом. Примерно в то же время другие исследователи рассматривали возможность изменения размеров и массы объектов в зависимости от их скорости.
Эйнштейн объединил все эти идеи в своей теории специальной теории относительности 1905 года, которая постулировала, что скорость света постоянна. Для того чтобы это было правдой, пространство и время должны были быть объединены в единую структуру, которая должна была поддерживать скорость света одинаковой для всех наблюдателей.
Человек в сверхбыстрой ракете будет измерять время, чтобы двигаться медленнее, и длину объектов, которые будут короче, по сравнению с человеком, путешествующим с гораздо меньшей скоростью. Это потому, что пространство и время относительны - они зависят от скорости наблюдателя. Но скорость света более фундаментальна, чем любая.
Вывод о том, что пространство-время - это единая ткань, не был достигнут самим Эйнштейном. Эта идея пришла от немецкого математика Германа Минковского, который сказал в коллоквиуме 1908 года: «Отныне пространство само по себе и время само по себе обречены на исчезновение в простых тенях, и только своего рода объединение двух сохранит независимую реальность. «.
Пространство-время, которое он описал, до сих пор известно как пространство-время Минковского и служит фоном для расчетов как в теории относительности, так и в теории квантового поля. Последний описывает динамику субатомных частиц как полей, считает астрофизик и научный писатель Итан Сигел.
Как работает пространство-время
В наши дни, когда люди говорят о пространстве-времени, они часто описывают его как напоминающий лист резины. Это также исходит от Эйнштейна, который понял, разрабатывая свою теорию общей теории относительности, что сила гравитации была вызвана кривыми в ткани пространства-времени.
Массивные объекты - такие как Земля, Солнце или вы - создают искажения в пространстве-времени, которые вызывают его изгиб. Эти кривые, в свою очередь, сужают способы, которыми движется все во вселенной, потому что объекты должны следовать по путям этой искривленной кривизны. Движение под действием силы тяжести на самом деле является движением вдоль поворотов пространства-времени.
Миссия НАСА под названием Gravity Probe B (GP-B) измерила форму пространственно-временного вихря вокруг Земли в 2011 году и обнаружила, что она тесно согласуется с предсказаниями Эйнштейна.
Но большинству людей все еще трудно обернуть голову вокруг. Хотя мы можем обсуждать пространство-время как нечто подобное листу резины, аналогия в конце концов рушится. Резиновый лист двумерный, а пространство-время четырехмерное. Лист представляет собой не только деформации в пространстве, но и деформации во времени. Сложные уравнения, используемые для объяснения всего этого, являются сложными даже для физиков.
«Эйнштейн сделал красивую машину, но он точно не оставил нам руководство пользователя», - писал астрофизик Пол Саттер для родственного сайта Live Science, Space.com. «Чтобы понять суть, общая теория относительности настолько сложна, что когда кто-то находит решение уравнений, он получает решение, названное в его честь, и становится полулегендарным сами по себе».
Что ученые до сих пор не знают
Несмотря на свою сложность, теория относительности остается лучшим способом объяснить физические явления, о которых мы знаем. Тем не менее, ученые знают, что их модели неполны, потому что теория относительности все еще не полностью согласована с квантовой механикой, которая объясняет свойства субатомных частиц с чрезвычайной точностью, но не включает в себя силу гравитации.
Квантовая механика основывается на том факте, что крошечные кусочки, составляющие вселенную, являются дискретными или квантованными. Таким образом, фотоны, частицы, которые составляют свет, похожи на маленькие кусочки света, которые входят в отдельные пакеты.
Некоторые теоретики предполагают, что, возможно, само пространство-время также входит в эти квантованные куски, помогая соединить относительность и квантовую механику. Исследователи из Европейского космического агентства предложили миссию Международной лаборатории астрономии гамма-квантов по исследованию квантового пространства-времени (GrailQuest), которая будет летать вокруг нашей планеты и производить сверхточные измерения отдаленных, мощных взрывов, называемых гамма-всплесками, которые может раскрыть близкую природу пространства-времени.
Такая миссия не будет запущена в течение по крайней мере полутора десятилетий, но, если она это сделает, она, возможно, поможет решить некоторые из самых больших загадок, остающихся в физике.
