Ο ιστός του χωροχρόνου είναι ένα εννοιολογικό μοντέλο που συνδυάζει τις τρεις διαστάσεις του χώρου με την τέταρτη διάσταση του χρόνου. Σύμφωνα με τις καλύτερες τρέχουσες φυσικές θεωρίες, ο χωροχρόνος εξηγεί τα ασυνήθιστα σχετικιστικά αποτελέσματα που προκύπτουν από το ταξίδι κοντά στην ταχύτητα του φωτός καθώς και την κίνηση μαζικών αντικειμένων στο σύμπαν.
Ποιος ανακάλυψε το χωροχρόνο;
Ο διάσημος φυσικός Albert Einstein συνέβαλε στην ανάπτυξη της ιδέας του χωροχρόνου ως μέρος της θεωρίας της σχετικότητας. Πριν από την πρωτοποριακή εργασία του, οι επιστήμονες είχαν δύο ξεχωριστές θεωρίες για να εξηγήσουν τα φυσικά φαινόμενα: οι νόμοι της φυσικής του Isaac Newton περιγράφουν την κίνηση μαζικών αντικειμένων, ενώ τα ηλεκτρομαγνητικά μοντέλα του James Clerk Maxwell εξηγούσαν τις ιδιότητες του φωτός, σύμφωνα με τη NASA.
Αλλά τα πειράματα που έγιναν στα τέλη του 19ου αιώνα υποδηλώνουν ότι υπήρχε κάτι ιδιαίτερο για το φως. Οι μετρήσεις έδειξαν ότι το φως πάντα ταξίδευε με την ίδια ταχύτητα, ανεξάρτητα από το τι. Και το 1898, ο γάλλος φυσικός και μαθηματικός Henri Poincaré εικάζεται ότι η ταχύτητα του φωτός μπορεί να είναι ένα αξεπέραστο όριο. Την ίδια εποχή, άλλοι ερευνητές εξέταζαν την πιθανότητα να αλλάξουν αντικείμενα σε μέγεθος και μάζα, ανάλογα με την ταχύτητά τους.
Ο Αϊνστάιν τράβηξε όλες αυτές τις ιδέες μαζί στη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του 1905, η οποία υποθέτει ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν σταθερή. Για να είναι αλήθεια αυτό, ο χώρος και ο χρόνος έπρεπε να συνδυαστούν σε ένα ενιαίο πλαίσιο που συνωμοτούσε για να διατηρήσει την ταχύτητα του φωτός το ίδιο για όλους τους παρατηρητές.
Ένα άτομο σε ένα υπερσύγχρονο πυραύλο θα μετρήσει το χρόνο να κινείται πιο αργά και τα μήκη αντικειμένων θα είναι μικρότερα σε σύγκριση με ένα άτομο που ταξιδεύει με πολύ πιο αργή ταχύτητα. Αυτό συμβαίνει επειδή ο χώρος και ο χρόνος είναι σχετικοί - εξαρτώνται από την ταχύτητα ενός παρατηρητή. Αλλά η ταχύτητα του φωτός είναι πιο θεμελιώδης από τις δύο.
Το συμπέρασμα ότι ο χωροχρόνος είναι ένα ενιαίο ύφασμα δεν ήταν αυτό που ο Αϊνστάιν έφτασε ο ίδιος. Η ιδέα αυτή ήρθε από το γερμανό μαθηματικό Hermann Minkowski, ο οποίος είπε σε ένα συνέδριο του 1908: "Από εδώ καιρό ο χώρος από μόνη της και ο καιρός από μόνη της είναι καταδικασμένοι να ξεθωριασθούν σε απλές σκιές και μόνο ένα είδος συνενώσεως των δύο θα διατηρήσει μια ανεξάρτητη πραγματικότητα . "
Ο χωροχρόνος που περιγράφει είναι ακόμα γνωστός ως χώρος-χρόνος του Minkowski και χρησιμεύει ως φόντο των υπολογισμών τόσο στη θεωρία της σχετικότητας όσο και στη θεωρία του κβαντικού πεδίου. Ο τελευταίος περιγράφει τη δυναμική των υποατομικών σωματιδίων ως πεδία, σύμφωνα με τον αστροφυσικό και τον επιστημονικό συγγραφέα Ethan Siegel.
Πώς λειτουργεί ο χωροχρόνος
Σήμερα, όταν οι άνθρωποι μιλάνε για το χωροχρόνο, συχνά το περιγράφουν σαν να μοιάζουν με ένα φύλλο καουτσούκ. Και αυτό προέρχεται από τον Αϊνστάιν, ο οποίος συνειδητοποίησε καθώς ανέπτυξε τη θεωρία της γενικής σχετικότητας ότι η δύναμη της βαρύτητας οφειλόταν σε καμπύλες στον ιστό του χωροχρόνου.
Μαζικά αντικείμενα - όπως η Γη, ο ήλιος ή εσείς - δημιουργούν στρεβλώσεις στο χώρο-χρόνο που το κάνουν να λυγίσει. Αυτές οι καμπύλες, με τη σειρά τους, συστέλλουν τους τρόπους με τους οποίους κινούνται τα πάντα στο σύμπαν, επειδή τα αντικείμενα πρέπει να ακολουθούν μονοπάτια κατά μήκος αυτής της στρεβλωμένης καμπυλότητας. Η κίνηση λόγω της βαρύτητας είναι στην πραγματικότητα κίνηση κατά μήκος των στροφών και των στροφών του χωροχρόνου.
Μια αποστολή της NASA που ονομάζεται Gravity Probe B (GP-B) μέτρησε το σχήμα της στροβίλου χωροχρόνου γύρω από τη Γη το 2011 και διαπίστωσε ότι συμφωνεί στενά με τις προβλέψεις του Αϊνστάιν.
Αλλά πολλά από αυτά παραμένουν δύσκολα για τους περισσότερους ανθρώπους να τυλίξουν τα κεφάλια τους γύρω. Παρόλο που μπορούμε να συζητήσουμε για το χρονικό διάστημα ως παρόμοιο με ένα φύλλο καουτσούκ, η αναλογία τελικά καταρρέει. Ένα ελαστικό φύλλο είναι διδιάστατο, ενώ ο χωροχρόνος είναι τετραδιάστατος. Δεν είναι μόνο οι στροφές στο διάστημα που αντιπροσωπεύει το φύλλο, αλλά και οι στροφές στο χρόνο. Οι σύνθετες εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για να ληφθούν υπόψη όλα αυτά είναι δύσκολο να εργαστούν ακόμη και οι φυσικοί.
"Ο Αϊνστάιν έκανε μια όμορφη μηχανή, αλλά δεν μας άφησε ακριβώς ένα εγχειρίδιο χρήστη", έγραψε ο αστροφυσικός Paul Sutter για την αδερφή περιοχή της Live Science, Space.com. "Για να οδηγήσουμε το σημείο στο σπίτι, η γενική σχετικότητα είναι τόσο περίπλοκη ώστε όταν κάποιος ανακαλύψει μια λύση στις εξισώσεις, παίρνουν τη λύση που ονομάζεται μετά από αυτά και γίνονται ημι-θρυλικές από μόνα τους».
Ποιοι επιστήμονες ακόμα δεν ξέρουν
Παρά την πολυπλοκότητά της, η σχετικότητα παραμένει ο καλύτερος τρόπος για να υπολογίσουμε τα φυσικά φαινόμενα που γνωρίζουμε. Ωστόσο, οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι τα μοντέλα τους είναι ελλιπή, επειδή η σχετικότητα δεν συμφωνείται πλήρως με την κβαντική μηχανική, πράγμα που εξηγεί τις ιδιότητες των υποατομικών σωματιδίων με ακρίβεια αλλά δεν ενσωματώνει τη δύναμη της βαρύτητας.
Η κβαντομηχανική βασίζεται στο γεγονός ότι τα μικροσκοπικά κομμάτια που συνθέτουν το σύμπαν είναι διακεκριμένα ή κβαντισμένα. Έτσι τα φωτόνια, τα σωματίδια που σχηματίζουν το φως, είναι σαν μικρά κομμάτια φωτός που έρχονται σε ξεχωριστά πακέτα.
Μερικοί θεωρητικοί έχουν υποθέσει ότι ίσως και ο χωροχρόνος επίσης έρχεται σε αυτά τα κβαντισμένα κομμάτια, βοηθώντας στη γεφύρωση της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής. Οι ερευνητές της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος έχουν προτείνει στο Διεθνές Εργαστήριο για την Κβαντική Εξερεύνηση της Χώρας-Χρόνος (GrailQuest), το οποίο θα πετάξει γύρω από τον πλανήτη μας και θα κάνει εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις απομακρυσμένων ισχυρών εκρήξεων που ονομάζονται εκρήξεις ακτίνων-γ θα μπορούσε να αποκαλύψει την ανοικτή φύση του χωροχρόνου.
Μια τέτοια αποστολή δεν θα ξεκινούσε για τουλάχιστον μια δεκαετία και μισό, αλλά, αν συνέβαινε, θα μπορούσε ίσως να βοηθήσει στην επίλυση μερικών από τα μεγαλύτερα μυστήρια που παραμένουν στη φυσική.
