Struktura časoprostoru je koncepční model kombinující tři dimenze prostoru se čtvrtou dimenzí času. Podle nejlepších současných fyzikálních teorií vysvětluje časoprostor neobvyklé relativistické efekty, které vznikají při cestování blízko rychlosti světla a pohybu hmotných objektů ve vesmíru.
Kdo objevil časoprostor?
Slavný fyzik Albert Einstein pomáhal rozvíjet myšlenku na časoprostor jako součást jeho teorie relativity. Před svou průkopnickou prací měli vědci dvě samostatné teorie vysvětlující fyzikální jevy: Fyzikální zákony Isaaca Newtona popisovaly pohyb hmotných objektů, zatímco elektromagnetické modely Jamese Clerk Maxwella vysvětlovaly vlastnosti světla podle NASA.
Experimenty provedené na konci 19. století však naznačovaly, že na světle bylo něco zvláštního. Měření ukázala, že světlo vždy cestovalo stejnou rychlostí, bez ohledu na to. A v roce 1898 francouzský fyzik a matematik Henri Poincaré spekuloval, že rychlost světla může být nepřekonatelnou mezí. Zhruba ve stejnou dobu zvažovali další vědci možnost, že se objekty mění podle velikosti a velikosti, v závislosti na jejich rychlosti.
Einstein všechny tyto myšlenky spojil ve své teorii speciální relativity z roku 1905, která předpokládala, že rychlost světla byla konstantní. Aby to byla pravda, musel být prostor a čas spojen do jediného rámce, který se spikl, aby udržel rychlost světla stejnou pro všechny pozorovatele.
Osoba v superrychlé raketě bude měřit čas, který se bude pohybovat pomaleji, a délky předmětů, které mají být kratší, ve srovnání s osobou, která cestuje mnohem pomaleji. Je to proto, že prostor a čas jsou relativní - závisí na rychlosti pozorovatele. Rychlost světla je ale podstatnější než jedna.
Závěr, že časoprostor je jediná struktura, nebyl ten, kterého Einstein dosáhl sám. Tato myšlenka přišla od německého matematika Hermanna Minkowského, který v kolokviu z roku 1908 řekl: „Henceforthův prostor sám o sobě a čas sám o sobě jsou odsouzeny k zániku do pouhého stínu a pouze určitý druh spojení těchto dvou zachová nezávislou realitu. . “
Vesmírný čas, který popsal, je stále známý jako Minkowskiho vesmírný čas a slouží jako pozadí výpočtů v teorii relativity i kvantového pole. Ten popisuje dynamiku subatomických částic jako pole, podle astrofyzika a spisovatele vědy Ethana Siegela.
Jak funguje časoprostor
V dnešní době, když lidé mluví o časoprostoru, to často popisují jako podobu gumy. I to pochází od Einsteina, který si při vývoji své teorie obecné relativity uvědomil, že gravitační síla je způsobena křivkami v prostoru časoprostoru.
Masivní objekty - jako Země, Slunce nebo vy - vytvářejí zkreslení v časoprostoru, které způsobuje jeho ohýbání. Tyto křivky zase omezují způsoby, kterými se vše ve vesmíru pohybuje, protože objekty musí sledovat toto zakřivené zakřivení. Pohyb způsobený gravitací je ve skutečnosti pohybem po zvratech a zatáčkách časoprostoru.
Mise NASA s názvem Gravity Probe B (GP-B) změřila tvar vesmírného víru kolem Země v roce 2011 a zjistila, že úzce odpovídá Einsteinovým předpovědím.
Většina z toho však zůstává pro většinu lidí obtížná omotat si hlavu. I když můžeme diskutovat o časoprostoru jako o podobné gumě, analogie se nakonec rozpadne. Kaučuk je dvourozměrný, zatímco časoprostor je čtyřrozměrný. List nepředstavuje pouze warp v prostoru, ale také warp v čase. Složité rovnice použité pro toto všechno jsou složité pro to, aby s nimi mohli pracovat i fyzici.
„Einstein vyrobil krásný stroj, ale on nám přesně neopustil uživatelskou příručku,“ napsal astrofyzik Paul Sutter pro sesterskou stránku Live Science, Space.com. "Abychom se dostali k věci domů, je obecná relativita tak složitá, že když někdo objeví řešení rovnic, dostane řešení pojmenované podle nich a stane se samy o sobě polořadovkou."
Co vědci stále nevědí
Navzdory své složitosti zůstává relativita nejlepším způsobem, jak vysvětlit fyzické jevy, o kterých víme. Vědci přesto vědí, že jejich modely jsou neúplné, protože relativita stále ještě není zcela sladěna s kvantovou mechanikou, která vysvětluje vlastnosti subatomických částic s extrémní přesností, ale nezahrnuje gravitační sílu.
Kvantová mechanika spočívá na skutečnosti, že drobné kousky tvořící vesmír jsou diskrétní nebo kvantované. Takže fotony, částice, které vytvářejí světlo, jsou jako malé kousky světla, které přicházejí v různých paketech.
Někteří teoretici spekulovali, že možná i časoprostor sám přichází v těchto kvantovaných kusy, což pomáhá překlenout relativitu a kvantovou mechaniku. Vědci z Evropské kosmické agentury navrhli misi Mezinárodní laboratoře pro astronomii gama paprsků pro kvantové zkoumání kosmického času (GrailQuest), která by letěla po naší planetě a prováděla ultra přesná měření vzdálených, silných explozí zvaných gama záblesky, které mohl odhalit blízkou povahu časoprostoru.
Taková mise by se nespustila alespoň deset let a půl, ale pokud ano, možná by pomohla vyřešit některé z největších záhad ve fyzice.
