Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle
Spaţiu-timpul, aşa cum îi spune şi numele, pune spaţiul şi timpul împreună, dar nu doar într-o formă convenţională, matematică, ci ca structură fundamentală a universului. Conceptul a fost creat în contextul cristalizării teoriei generale a relativităţii de către Albert Einstein, dar cel care a propus conceptul de spaţiu-timp a fost unul dintre profesorii de matematică a lui Einstein, Hermann Minkowski. Einstein a avut nevoie de câţiva ani pentru a accepta ideea, pe care o credea iniţial inutilă. Ulterior conceptul de spaţiu-timp a devenit fundamental în înţelegerea noii teorii a gravitaţiei conţinută în teoria generală a relativităţii.
Când a apărut spaţiu-timpul?
Spaţiu-timpul a apărut odată cu naşterea universului, odată cu Big-Bangul, acum 12,5-13,8 miliarde ani. Poate nu sună tocmai surpinzător, dar una dintre consecinţe este următoarea: înainte de Big Bang timpul nu a existat! Vă puteţi închipui aşa ceva? Nu chiar, pentru că suntem părţi ale acestui univers, iar mintea umană pur şi simplu nu este construită pentru a imagina lipsa timpului. De asemenea, nu ne putem imagine lipsa spaţiului; putem scoate mental tot dintr-un segment de spaţiu, dar nu putem imagina nimicul absolut. Un articol pe acest subiect aici: Limitele raţiunii umane: spaţiu şi timpul.
Dacă vă străduiţi cumva să înţelegeţi ce s-a întâmplat înainte de Big Bang, dacă ceea ce ştim astăzi este adevărat, şi anume că timpul s-a născut odată cu Big Bangul, atunci această strădanie nu are sens, pentru că nimic nu se poate întâmpla în afara timpului.
Ce este spaţiu-timpul?
Continuul spaţiu-timp ori, mai scurt, spaţiu-timpul, este cadrul în care universul există; este format din spaţiu, cu cele trei dimensiuni spaţiale, plus a patra dimensiune, timpul. Poţi scoate tot ce vrei dintr-o zonă a spaţiu-timpului, precum toată materia şi radiaţia, dar spaţiu-timpul nu poate fi exclus. Spaţiu-timpul este fundamentul universului.
După naşterea universului, evoluţia acestuia, însemnând apariţia atomilor, formarea primelor stele şi galaxii şamd, are loc în spaţiu-timp. Nu ştim nimic despre ce ar putea avea loc în afara spaţiu-timpului.
Chestiunea fundamentală care trebuie reţinută este următoarea: spaţiu-timpul este modul în care universul este organizat. Timpul nu poate fi separat de spaţiu, deşi de foarte multe ori există această tendinţă. De exemplu, există tendinţa de a explica faptul că nimic nu se poate deplasa cu o viteză mai mare decât viteza luminii, luând în calcul doar spaţiul, şi invocând ca motiv faptul că ar fi nevoie de o energie infinită pentru a accelera un corp din starea de repaus până la viteza luminii. Dar nu putem vorbi despre viteze în afara unui sistem de referinţă. În spaţiu interstelar, fără a stabili acest sistem de referinţă, nu poţi spune dacă un corp este în mişcare rectilinie uniformă ori este staţionar. Pe baza a ce ai putea face asta? Spaţiul în sine nu poate fi considerat un sistem de referinţă, cel puţin din cauza faptului că nu ştim mare lucru despre structura ultimă a spaţiu-timpului. Nu ştim cum arată la nivel fundamental. Revenind la ideea vitezelor superluminice, trebuie amintit că nimic nu se poate deplasa în spaţiu-timp (nu în spaţiu) cu o viteză mai mare decât viteza luminii. Un corp, precum fotonii, care se deplasează cu viteza luminii, nu experimentează timpul! Aceasta este o limită fundamentală a universului nostru. V-aţi putea întreba, desigur, după ce am amintit că în spaţiul interstelar gol nu există un sistem de referinţă: când vorbim despre un foton că se deplasează cu viteza luminii, la ce ne referim? În raport cu ce? Răspunsul e clar şi straniu: fotonul se deplasează cu viteza luminii în raport cu absolut orice, fără excepţie, într-un sistem de referinţă dat!
Reprezentare spaţiu-timp, curbat de prezenţa unor mase. Credit: SLAC National Accelerator Laboratory
Cum arată spaţiu-timpul?
După cum spunea Einstein, "proprietăţile geometrice ale spaţiului nu sunt independente, ci depind de materie". Ce vrea să însemne asta? Că continuul spaţiu-timp este metamorfozat de materie. Că spaţiu-timpul este contorsionat în funcţie de cantitatea de materie prezentă într-o anumită regiune a spaţiului. Atunci când densitatea de materie este foarte mare, cum este cazul găurilor negre, spaţiu-timpul este atât de curbat, încât materia ori radiaţia din preajma găurii negre este nevoită să se îndrepte către interiorul găurii negre.
Spaţiu-timpul nu are o structură cunoscută şi nu poate fi privit ca un sistem de referinţă fundamental.
Deşi spaţiu-timpul este prezentat în cărţile de fizică, în articolele de popularizare, ca acesta, şi în special în documentare, în dorinţa de a ne face să înţelegem ce înseamnă curbura spaţiu-timpului, sub forma unui linii curbe, este imposibil de observat acestă curbură în mod experimental. Totul are la bază matematica ce însoţeşte teoria relativităţii generale.
Spaţiu-timpul nu poate fi văzut în mod direct; înţelegem că există pe baza experienței de zi cu zi.
Fizicienii au încercat să vizualizeze spaţiu-timpul sub forma unei ţesături fundamentale, asemănătoare, dacă vreţi, unei table de şah, formate din mici segmente de spaţiu de mărimea lungimii Planck, care măsoară 10-35 metri. Se apreciază însă că un spaţiu-timp astfel structurat ar crea asimetrii care ar contrazice teoria specială a relativităţii; de exemplu, lumina de diferite culori ar putea călători la viteze diferite, iar astfel de efecte ar fi măsurabile.
Reprezentare a spaţiu-timpului structurat sub forma unor mici cuburi, reprezentând componentele fundamentale
Relaţia dintre spaţiu-timp şi materie
Nu putem separa spaţiu-timpul de materie. Spaţiu-timpul este afectat, distorsionat de materie. Pe de altă parte, oricărui obiect i se dictează de către forma spaţiu-timpului cum să se mişte în univers. Aşadar, este o determinare reciprocă între cele două. Dacă nu v-aţi dat seama deja, fără să pronunţ termenul "gravitaţia", în fapt am vorbit despre gravitaţie, iar gravitaţia, conform teoriei relativităţii generalizate, care introduce şi conceptul de spaţiu-timp curb, este rezultatul curbării spaţiu-timpului de către materie şi energie. Da, acesta este înţelesul curent privind gravitaţia: corpurile nu sunt atrase unele de altele, ci corpurile se mişcă în linie dreptă în spaţiu-timpul curbat de către materie şi energie. Deşi noi nu vedem aceste deplasări ca fiind în linie dreaptă când observăm mişcarea corpurilor în zone de spaţiu-timp curbat, la nivel fundamental este vorba despre distanţele cele mai scurte din spaţiu-timp.
Spaţiu-timpul, efectul inseparabilităţii cuantice? Din ce este alcătuit spaţiu-timpul?
Problema cu spaţiu-timpul este că nu-l putem vedea, la nivel de elemente constitutive. Spaţiu-timpul este peste tot, este mediul în care este plasat tot ce există în universul nostru, dar nu vedem nimic atunci când sondăm spaţiu-timpul la scară din ce în ce mai mică.
Răspunsul onest este: nu ştim din ce este alcătuit spaţiu-timpul.
Ne-ar ajuta enorm dacă am putea "vedea" din ce este format, dacă o asemenea afirmaţi are sens, şi am recâştiga un sistem de referinţă universal (cum a fost considerat eterul.). Existenţa unui sistem de referinţă universal ar fi utilă, cu siguranţă. Lipsa unui asemenea sistem duce la nenumărate confuzii în înţelegerea, de exemplu, a relativităţii speciale şi generale.
Una dintre propunerile recente din lumea fizicii teoretice privind spaţiu-timpul este următoarea: poate că ceea ce numim inseparabilitate cuantică (eng. quantum entanglement) este ceea ce uneşte spaţiu-timpul, permiţând comunicarea între diverse părţi ale spaţiu-timpului. Dacă nu suntem familiarizaţi cu conceptul de inseparabilitate cuantică, citiţi acest articol (link). În esenţă este vorba despre faptul că două particule, precum doi electroni, odată corelaţi cuantic, sunt cumva conectaţi unul la altul până la momentul în care sunt măsuraţi. Atunci când se măsoară spinul unuia, ştim sigur că spinul celuilalt este opus. Partea interesantă este că spinul primului nu este decis până în momentul măsurării, deci nu e vorba despre faptul că după corelare fiecare electron se depărtează cu spinul deja stabilit. Acest comportament cuantic a fost demonstrat de nenumărate ori de către fizicieni şi este problematic pentru că sugerează că viteza luminii ar fi depăşită (informaţia între cei doi electroni, care ar putea fi măsuraţi când sunt la marginile universului observabil, e pildă, ar circula cu o viteză mai mare decât viteza fotonului, ceea ce încalcă un principiu fundamental al teoriei relativităţii).
Dacă inseparabilitatea cuantică este într-adevăr cumva implicată în alcătuirea spaţiu-timpului rămâne de demonstrat, fireşte. Ce ştim astăzi este că în cadrul unor simulări pe calculator a universului s-a observat că gravitaţia a fost observată ca fenomen emergent al inseparabilităţii cuantice. Fizicianul Juan Maldacena a arătat că într-un model al unui univers cuantic cu doar două dimensiuni ale spaţiului, fără nicio forţă a gravitaţiei, demonstrează acelaşi comportament cu un model tridimensional al unui univers "gol", care conţine doar tipul de spațiu-timp necesar pentru descrie gravitaţia conform teoriei generale a relativităţii.
Curbarea spaţiu-timpului duce la efectul de lentilă gravitaţională, lumina având o traiectorie curbată în univers. credit imagine: NASA / STScI
Puteţi citi un articol despre fenomenul de lentilă gravitaţională aici.
2015 - prima dată când am văzut spaţiu-timpul vibrând
În 2015 omul a detectat pentru prima dată vibraţii ale spaţiu-timpului, sub forma unor unde gravitaţionale generate de coliziunea a două găuri negre (citeşte un articol despre descoperirea undelor gravitaţionale). Conform teoriei generale a relativității, undele gravitaţionale reprezintă ondulaţii ale continuului spaţiu-timp produse de corpuri masive aflate în accelerare.
Deşi, cum ar trebui să fie clar până acum, spaţiu-timpul este curbat în prezenţa materiei şi energiei, detectarea unei modificări a structurii spaţiu-timpului a reprezentat o provocare ştiinţifică şi tehnologică deosebită. Deşi teoria privind curbarea spaţiu-timpului ca urmare a unor fenomene cosmice, precum coliziunea a două găuri negre, era solidă, abia detectarea nemijlocită a acestui fenomen a consfinţit această consecinţă care decurgea din teorie.
Reprezentare unde gravitaţionale, generate de două corpuri cosmice care se rotesc rapid unul în jurul celuilalt
Energia nevăzută din spaţiu-timp
Pentru a vedea ce populează spaţiu-timpul, vă invităm să citiţi acest articol: Cât cântăreşte spaţiul gol?
Câmp cuantic (reprezentare computerizată)
În acest articol vorbim despre câmpurile cuantice, care sunt fundamentul particulelor, precum quarcurile, electronii, fotonii, gluonii etc. În mod încă nu pe deplin înţeles, spaţiu-timpul găzduieşte o cantitate infinită de energie, sub formă de câmpuri cuantice, câmpuri cuantice nefluctuante, energie întunecată etc.
Citiţi şi:
⇒ Cel mai uimitor aspect al fizicii: călătoria noastră în spaţiu-timp
⇒ Cum se curbează spaţiu-timpul?
