Ruumi-aja kangas on kontseptuaalne mudel, mis ühendab ruumi kolm dimensiooni aja neljanda mõõtmega. Parimate praeguste füüsikaliste teooriate kohaselt selgitab ruumiaeg ebatavalisi relativistlikke efekte, mis tekivad nii kiiruse lähedal liikudes kui ka massiivsete objektide liikumisel universumis.
Kes avastas ruumi-aja?
Kuulus füüsik Albert Einstein aitas oma relatiivsusteooria osana arendada ruumi-aja ideed. Enne oma teedrajavat tööd olid teadlastel füüsikaliste nähtuste selgitamiseks kaks eraldi teooriat: Isaac Newtoni füüsikaseadused kirjeldasid massiivsete objektide liikumist, James Clerk Maxwelli elektromagnetilised mudelid aga NASA andmetel valguse omadusi.
Kuid 19. sajandi lõpus tehtud katsed näitasid, et valguses oli midagi erilist. Mõõtmised näitasid, et valgus liikus alati sama kiirusega, ükskõik mida. Ja 1898. aastal spekuleeris prantsuse füüsik ja matemaatik Henri Poincaré, et valguse kiirus võib olla ületamatu piir. Umbes samal ajal kaalusid teised teadlased võimalust, et objektide suurus ja mass muutuvad sõltuvalt nende kiirusest.
Einstein tõmbas kõik need ideed kokku oma 1905. aasta erirelatiivsusteooria teoorias, mis postuleeris, et valguse kiirus oli konstantne. Selleks, et see tõsi oleks, tuli ruum ja aeg ühendada üheks raamistikuks, mille eesmärk oli hoida valguse kiirus kõigi vaatlejate jaoks ühesugustena.
Ülikiire raketiga inimene mõõdab aega aeglasemaks liikumiseks ja objektide pikkuse lühendamiseks, võrreldes inimesega, kes sõidab palju aeglasemal kiirusel. Sellepärast, et ruum ja aeg on suhtelised - need sõltuvad vaatleja kiirusest. Kuid valguse kiirus on põhimõttelisem kui kumbki.
Järeldus, et ruumi-aeg on ühtne kangas, polnud Einstein ise. Selle idee esitas saksa matemaatik Hermann Minkowski, kes ütles 1908. aasta kollokviumil: "Edaspidine ruum ja aeg iseenesest on määratud hävima pelgalt varjudeks ja ainult nende kahelaadne liit säilitab iseseisva reaalsuse. . "
Tema kirjeldatud ruumiaega tuntakse endiselt kui Minkowski ruumiaega ja see on nii relatiivsusteooria kui kvantväljavälja teooria arvutuste taust. Viimane kirjeldab subatomaatiliste osakeste dünaamikat väljadena, vastavalt astrofüüsik ja teaduskirjanik Ethan Siegel.
Kuidas ruumi-aeg töötab?
Tänapäeval, kui inimesed räägivad ruumi-ajast, kirjeldavad nad seda sageli kummilehe sarnaseks. Ka see pärineb Einsteinilt, kes mõistis oma üldrelatiivsusteooria väljatöötamisel, et raskusjõud oli tingitud kõveratest aegruumi kangas.
Massiivsed objektid - nagu Maa, päike või teie - tekitavad ruumis aja moonutusi, mis põhjustavad selle painutamist. Need kõverad omakorda kitsendavad kõiksuse liikumise viise, sest objektid peavad selle väändunud kumeruse korral kulgema. Raskusjõust tulenev liikumine on tegelikult liikumine mööda ruumi-aegseid pöördeid.
NASA missioon nimega Gravity Probe B (GP-B) mõõtis 2011. aastal Maa ümber kosmose-aja keerise kuju ja leidis, et see on tihedalt kooskõlas Einsteini ennustustega.
Kuid suurel osal sellest on enamikul inimestel endiselt keeruline oma pead mässida. Ehkki võime arutada, et ruumiaeg sarnaneb kummilehega, laguneb lõpuks ikkagi analoogia. Kummileht on kahemõõtmeline, samas kui aeg-aeg on neljamõõtmeline. Leht ei tähenda ainult ruumis lõimimist, vaid ka aja jooksul väändumist. Selle kõige arvestamiseks kasutatavad keerulised võrrandid on keerulised isegi füüsikutega töötamiseks.
"Einstein tegi ilusa masina, kuid ta ei jätnud meile täpselt kasutusjuhendit," kirjutas astrofüüsik Paul Sutter Live Science'i õdede saidile, Space.com. "Lihtsalt punktist koju sõitmiseks on üldrelatiivsus nii keeruline, et kui keegi võrrandite lahenduse leiab, saavad nad neile nime saanud lahenduse ja saavad iseenesest poollegendaarseks."
Mida teadlased veel ei tea
Vaatamata keerukusele on relatiivsusteadus endiselt parim viis nende füüsikaliste nähtuste kohta, millest teame. Kuid teadlased teavad, et nende mudelid on puudulikud, kuna relatiivsus ei ole ikka veel kvantmehaanikaga täielikult ühildatud, mis seletab subatomaatiliste osakeste omadusi ülitäpselt, kuid ei sisalda raskusjõudu.
Kvantmehaanika põhineb tõsiasjal, et universumi moodustavad pisikesed bitid on diskreetsed või kvantiseeritud. Nii et footonid, valgust moodustavad osakesed, on nagu väikesed valguse tükid, mis on eraldiseisvates pakendites.
Mõni teoreetik on spekuleerinud, et võib-olla tuleb aeg-aeg ise ka nendes kvantiseeritud tükkides, aidates ületada relatiivsussuhet ja kvantmehaanikat. Euroopa Kosmoseagentuuri teadlased on teinud ettepaneku kosmose-aja kvantmeetrilise uurimise (GrailQuest) rahvusvahelise missiooni Gamma-ray Astronomy Laboratory jaoks, mis lendaks ümber meie planeedi ja teeks ülitäpseid mõõtmisi kaugete võimsate plahvatuste kohta, mida nimetatakse gammakiirguse purunemisteks. võiks paljastada aegruumi lähedase olemuse.
Sellist missiooni ei käivitataks vähemalt poolteist kümnendit, kuid kui see toimuks, aitaks see võib-olla lahendada mõned suurimad füüsikas säilinud saladused.
