Avaruus-ajan kangas on käsitteellinen malli, jossa yhdistyvät tilan kolme ulottuvuutta ajan neljänteen ulottuvuuteen. Parhaiden nykyisten fyysisten teorioiden mukaan avaruus-aika selittää epätavalliset relativistiset vaikutukset, jotka johtuvat matkustamisesta lähellä valon nopeutta sekä massiivisten esineiden liikkeistä maailmankaikkeudessa.
Kuka löysi avaruus-ajan?
Kuuluisa fyysikko Albert Einstein auttoi kehittämään ajaa avaruus-ajasta osana suhteellisuusteoriaansa. Ennen uraauurtavaa työstään tutkijoilla oli kaksi erillistä teoriaa fysikaalisten ilmiöiden selittämiseksi: Isaac Newtonin fysiikkalaissa kuvataan massiivisten esineiden liikettä, kun taas James Clerk Maxwellin sähkömagneettisissa malleissa selitettiin valon ominaisuuksia NASA: n mukaan.
Mutta 1800-luvun lopulla tehdyt kokeilut viittasivat siihen, että valossa oli jotain erityistä. Mittaukset osoittivat, että valo kulki aina samalla nopeudella riippumatta siitä, mitä. Ja vuonna 1898 ranskalainen fyysikko ja matemaatikko Henri Poincaré arvasi, että valon nopeus saattaa olla ylittämätön raja. Samanaikaisesti muut tutkijat harkitsivat mahdollisuutta, että esineet muuttuivat koosta ja massasta nopeudesta riippuen.
Einstein veti kaikki nämä ajatukset yhteen 1905-luvun erikoissuhteellisuusteoriassaan, joka postuloi valon nopeuden olevan vakio. Jotta tämä olisi totta, tila ja aika oli yhdistettävä yhdeksi kehykseksi, jonka tarkoituksena oli pitää valon nopeus kaikilla tarkkailijoilla samana.
Supernopeassa raketissa oleva henkilö mittaa ajan liikkua hitaammin ja esineiden pituuden olla lyhyempi kuin henkilö, joka matkustaa paljon hitaammalla nopeudella. Tämä johtuu siitä, että tila ja aika ovat suhteellisia - ne riippuvat tarkkailijan nopeudesta. Mutta valon nopeus on perustavanlaatuisempi kuin kumpikaan.
Päätelmä, että avaruus-aika on yksi kangas, ei ollut sellainen, jonka Einstein teki itse. Tämä ajatus tuli saksalaiselta matemaatikolta Hermann Minkowskilta, joka sanoi vuonna 1908 pidetyssä keskusteluissa: "Tästä lähtien avaruus itsessään ja aika itsessään on tarkoitus haalistua pelkkiksi varjoiksi, ja vain eräänlainen näiden kahden yhdistys säilyttää itsenäisen todellisuuden. ."
Hänen kuvailemansa avaruus-aika tunnetaan edelleen nimellä Minkowski space-time ja toimii laskelmien taustana sekä suhteellisuusteoriassa että kvanttikenttäteoriassa. Jälkimmäinen kuvaa subatomisten hiukkasten dynamiikkaa kenttiä, astrofysiikan ja tiedekirjailijan Ethan Siegelin mukaan.
Kuinka avaruus-aika toimii
Nykyään, kun ihmiset puhuvat avaruusajasta, he kuvaavat sitä usein kumilevyn kaltaiseksi. Tämäkin tulee Einsteinilta, joka tajusi kehitettäessä yleisen suhteellisuusteorian teoriaansa, että painovoima johtui avaruus-ajan kankaan käyristä.
Massiiviset esineet - kuten maa, aurinko tai sinä - aiheuttavat avaruus-ajan vääristymiä, jotka aiheuttavat sen taipumisen. Nämä käyrät puolestaan rajoittavat tapoja, joilla kaikki maailmankaikkeuden liikkuu, koska esineiden on noudatettava polkuja tämän vääntyneen kaarevuuden mukaan. Painovoimasta johtuva liike on itse asiassa liikettä avaruus-ajan käänteillä.
NASA-operaatio nimeltään Gravity Probe B (GP-B) mittasi avaruus-pyörteen muotoa Maan ympärillä vuonna 2011 ja havaitsi, että se vastaa läheisesti Einsteinin ennusteita.
Mutta suurin osa tästä on vaikea useimmille ihmisille kääriä päätään. Vaikka voimme keskustella avaruusajasta samanlaisina kuin kumilevy, analogia lopulta hajoaa. Kumilevy on kaksiulotteinen, kun taas avaruus-aika on neljäulotteinen. Arkki ei ole vain loimi avaruudessa, vaan myös loimentaa ajoissa. Kaiken tämän selvittämiseen käytetyt monimutkaiset yhtälöt ovat hankalia jopa fyysikoille työskennellä.
"Einstein teki kauniin koneen, mutta hän ei jätä tarkalleen meille käyttöohjetta", kirjoitti astrofysiikka Paul Sutter Live Sciencen sisarussivustolle, Space.com. "Vain ajaakseen pistettä kotiin, yleinen suhteellisuusteoria on niin monimutkainen, että kun joku löytää ratkaisun yhtälöihin, hän saa ratkaisunsa nimeltään ratkaisun ja tulee itsessään puolilegendaariseksi."
Mitä tiedemiehet eivät vieläkään tiedä
Monimutkaisuudestaan huolimatta suhteellisuusteoria on edelleen paras tapa ottaa huomioon tunnetut fysikaaliset ilmiöt. Tutkijat kuitenkin tietävät, että heidän mallinsa ovat epätäydellisiä, koska suhteellisuustasoa ei silti ole täysin sovitettu yhteen kvanttimekaniikan kanssa, mikä selittää subatomisten hiukkasten ominaisuudet äärimmäisen tarkasti, mutta ei sisällä painovoimaa.
Kvanttimekaniikka perustuu siihen tosiasiaan, että universumin muodostavat pienet bitit ovat erillisiä tai kvantisoituja. Joten fotonit, valoa muodostavat hiukkaset, ovat kuin pieniä valotuotteita, jotka tulevat erillisistä paketeista.
Jotkut teoreetikot ovat spekuloineet, että kenties aika-aika tulee myös näihin kvantisoituihin paloihin, auttaen siltaamaan suhteellisuussuhdetta ja kvanttimekaniikkaa. Euroopan avaruusjärjestön tutkijat ovat ehdottaneet avaruus-ajan kvantttitutkimuksen kansainvälistä laboratoriota Gamma-ray Astronomy Laboratory (GrailQuest), joka lentäisi planeettamme ympäri ja suorittaisi ultra-tarkkoja mittauksia etäisistä, voimakkaista räjähdyksistä, joita kutsutaan gammasäteen purskeiksi. voisi paljastaa avaruus-ajan läheisen luonteen.
Tällainen operaatio ei käynnistyisi vähintään puolitoista vuosikymmentä, mutta jos se toteutettaisiin, se auttaisi ehkä ratkaisemaan joitain fysiikan jäljelle jääneistä suurimmista mysteereistä.
