Платът на пространството-времето е концептуален модел, съчетаващ трите измерения на пространството с четвъртото измерение на времето. Според най-добрите от съвременните физически теории, пространството и времето обясняват необичайните релативистични ефекти, които възникват от пътуването близо до скоростта на светлината, както и от движението на масивни предмети във Вселената.
Кой откри пространство-време?
Известният физик Алберт Айнщайн помогна за развитието на идеята за пространството и времето като част от неговата теория на относителността. Преди пионерската му работа учените имаха две отделни теории за обяснение на физическите явления: законите на физиката на Исак Нютон описаха движението на масивни обекти, докато електромагнитните модели на Джеймс Клерк Максуел обясниха свойствата на светлината, според НАСА.
Но експериментите, проведени в края на 19 век, предполагат, че има нещо особено в светлината. Измерванията показаха, че светлината винаги пътува със същата скорост, независимо какво. И през 1898 г. френският физик и математик Анри Поанкаре спекулира, че скоростта на светлината може да бъде ненадмината граница. Приблизително през същото време други изследователи обмисляха възможността обектите да се променят по размер и маса, в зависимост от скоростта им.
Айнщайн привлича всички тези идеи заедно в своята теория за специална относителност от 1905 г., която постулира, че скоростта на светлината е постоянна. За да бъде това вярно, пространството и времето трябваше да бъдат комбинирани в една единствена рамка, която се заговори, за да запази скоростта на светлината еднаква за всички наблюдатели.
Човек в свръхбърза ракета ще измерва времето, за да се движи по-бавно, а дължината на предметите да бъде по-къса в сравнение с човек, пътуващ с много по-малка скорост. Това е така, защото пространството и времето са относителни - те зависят от скоростта на наблюдателя. Но скоростта на светлината е по-основна от двете.
Изводът, че пространството-времето е една и съща тъкан, не е този, който Айнщайн достигна сам. Тази идея дойде от немския математик Херман Минковски, който в колоквиум от 1908 г. заяви: „Оттук нататък пространството и времето само по себе си са обречени да избледняват в обикновени сенки и само един вид съюз на двамата ще запази независима реалност . "
Описаното от него пространство-време все още е известно като пространство-време на Минковски и служи като фон на изчисленията както в теорията на относителността, така и в теорията на квантовото поле. Последният описва динамиката на субатомните частици като полета, според астрофизикът и писател на науката Итън Сийгъл.
Как работи пространството-времето
В наши дни, когато хората говорят за пространство-време, те често го описват като приличащ на лист гума. Това също идва от Айнщайн, който разбрал, докато развивал теорията си за обща относителност, че силата на гравитацията се дължи на криви в тъканта на пространството-време.
Масивни предмети - като Земята, Слънцето или вие - създават изкривявания в пространството и времето, които го навеждат. Тези криви от своя страна ограничават начините, по които се движи всичко във Вселената, защото обектите трябва да следват пътища по тази изкривена кривина. Движението поради гравитацията всъщност е движение по обратите на пространството-времето.
Мисия на НАСА, наречена Gravity Probe B (GP-B), измерва формата на вихъра на пространството и времето около Земята през 2011 г. и установи, че тя напълно съответства на прогнозите на Айнщайн.
Но голяма част от това остава трудно за повечето хора да увият главата си. Въпреки че можем да обсъдим, че пространството-времето е подобно на лист гума, аналогията в крайна сметка се разпада. Гуменият лист е двумерен, докато пространството-времето е четириизмерен. Листата не е само основи в пространството, но и изкривява във времето. Сложните уравнения, използвани за отчитане на всичко това, са трудни за работа дори с физиците.
„Айнщайн направи красива машина, но не ни остави точно ръководството на потребителя“, пише астрофизикът Пол Сътър за сестринския сайт на Live Science, Space.com. "Само за да се насочи към къщата, общата относителност е толкова сложна, че когато някой открие решение на уравненията, получава решението, кръстено на тях, и сами по себе си стават полу легендарни."
Какво все още не знаят учените
Въпреки своята сложност, относителността остава най-добрият начин за отчитане на физическите явления, за които знаем. И въпреки това учените знаят, че техните модели са непълни, защото относителността все още не е напълно съгласувана с квантовата механика, което обяснява с изключителна точност свойствата на субатомните частици, но не включва силата на гравитацията.
Квантовата механика се опира на факта, че малките битове, съставляващи Вселената, са дискретни или квантовани. Така че фотоните, частиците, които образуват светлина, са като малки парченца светлина, които идват в различни пакети.
Някои теоретици изказаха предположения, че може би самото пространство-време също влиза в тези квантови парчета, помагайки да се преодолее относителността и квантовата механика. Изследователи от Европейската космическа агенция предложиха мисията на Гама-астрономичната международна лаборатория за квантово изследване на космическото време (GrailQuest), която ще лети около нашата планета и ще направи ултра точни измервания на далечни, мощни експлозии, наречени избухвания на гама-лъчи, които може да разкрие близкия характер на пространството-времето.
Подобна мисия няма да стартира поне десетилетие и половина, но ако се случи, може би ще помогне за разрешаването на някои от най-големите мистерии, останали във физиката.
