Тајна четврте димензије: Феномен простор-време

Појам простор-време концептуални је модел који спаја три димензије простора са четвртом димензијом времена. Ко је открио тај феномен, како он функционише и шта је то што научници не знају?

Према тренутним теоријама у физици, простор-време објашњава необичне релативистичке ефекте који настају услед путовања брзином светлости, као и кретања масивних објеката у свемиру.

Ко је открио простор-време?

Алберт Ајнштајн помогао је у развоју идеје о простору-времену као делу своје теорије релативитета. Пре његовог пионирског рада, научници су имали две одвојене теорије за ове појаве: Њутнови закони физике описали су кретање масивних објеката, као што су планете, док су електромагнетни модели Џејмса Клерка Маквела објаснили својства светлости.

Експерименти спроведени крајем 19. века указивали су да у светлости постоји нешто посебно. Мерења су показала да светлост увек путује истом брзином. Француски физичар и математичар Жил Анри Поенкаре 1898. године нагађао је да би брзина светлости могла бити ненадмашно ограничена. Отприлике у исто време, други истраживачи су разматрали могућност да предмети мењају величину и масу у зависности од њихове брзине.

Ајнштајн је све те идеје објединио у својој теорији специјалне релативности из 1905. године, чији је закључак да је брзина светлости константна. Да би ово било истина, простор и време су морали да се споје у један јединствени оквир који је подразумевао да брзина светлости остане иста за све посматраче. Особа која има брзу ракету оцениће да се време креће спорије, а да је дужина предмета краћа у поређењу са особом која путује заиста много спорије. То је зато што су простор и време релативни — зависе од брзине посматрача.

Закључак да је простор-време попут неког растегљивог материјала није оно што је Ајнштајн постигао сам. Та идеја потекла је од немачког математичара Хермана Минковског, који је у излагању 1908. године рекао: „Сада су простор сам по себи и време само по себи осуђени да нестану у пукој сенци, а само ће својеврсно сједињење та два сачувати независну стварност“.

Како функционише простор-време
У данашње време, када људи говоре о простору-времену, то често описују као лист гуме који се растеже. И ово потиче од Ајнштајна, који је то схватио док је развијао своју теорију опште релативности — да сила гравитације настаје услед кривина у тканини простор-време.

Масивни предмети, попут Земље и Сунца, стварају дисторзије у простор-времену, због којих се савијају. Ове кривине, заузврат, ограничавају начине на које се креће све у универзуму, јер предмети морају следити утабан пут дуж ове закривљености. Кретање услед гравитације заправо је кретање дуж завоја простор-време.

Мисија НАСА измерила је облик просторно-временског вртлога око Земље 2011. године и открила да се он у потпуности подудара са Ајнштајновим претпоставкама.

Али овај феномен већини људи и даље је тежак за разумевање. Иако можемо да говоримо о простор-времену сличном листу гуме, аналогија се на крају распада. Гумени лист је дводимензионалан, док је простор-време четвородимензионално. Лист не представља само основе у простору, већ и време у времену. Комплексне једначине које се користе за све ово тешке су чак и физичарима.

Шта научници још увек не знају

Упркос својој замршености, релативност остаје најбољи начин за разумевање физичких појава које знамо. Ипак, научници знају да су њихови модели нецеловити, јер релативност још увек није потпуно усклађена са квантном механиком.

Квантна механика почива на чињеници да су ситни комадићи који чине свемир суптилни или квантни. Дакле — фотони, честице које чине светлост, јесу попут малих комада светлости који се налазе у различитим паковањима.

Истраживачи Европске свемирске агенције предложили су међународну мисију Лабораторији за квантно истраживање простор-времена, која би летела око наше планете и вршила ултратачна мерења удаљених, снажних експлозија званих гама-рафали, која могу открити природу простора-времена. Таква мисија се неће покренути најмање деценију и по, али ако се то догоди, можда би помогло у решавању неких највећих мистерија у физици.

Спутњик