Što je tkanina svemirskog vremena?

U Newtonovoj slici gravitacija, prostor i vrijeme su apsolutne, fiksne količine, dok je na Einsteinovoj slici prostor - vrijeme jedinstvena, ujedinjena struktura u kojoj su tri dimenzije prostora i jedna dimenzija vremena neraskidivo povezane.

Gravitacija je možda bila prva temeljna sila ikad otkrivena, ali u mnogočemu ostaje najmanje razumljiva. Znamo da je to uvijek privlačno i da će bilo koje dvije mase u Svemiru, bez obzira gdje se nalazile, iskusiti svoju silu. Kad je Einstein izmislio svoju opću teoriju relativnosti, jedan od velikih napretka bio je prepoznavanje da su prostor i vrijeme spojeni u jedinstvenu cjelinu: prostor-vrijeme. Drugi je bio da prisutnost materije i energije zakrivljava samu tkaninu ovog svemirskog vremena, a taj zakrivljeni prostor u vremenu diktira kako se materija kreće. Ali je li ta slika tačna? Mariusz Wroblewski je skeptičan i pita:

Volio bih da konačno netko prizna i prizna da to što pokazuje kuglice na posteljini ne rezimira kao sliku stvarnosti.

Slobodno to priznajem i priznajem. Koliko god sveprisutne slike savijenih listova ili koordinatnih sustava, one ne odražavaju stvarno stvarnost koju naseljavamo.

Zakrivljenost prostora u vremenu oko bilo kojeg masivnog predmeta određena je kombinacijom mase i udaljenosti od središta mase. Međutim, ovaj dvodimenzionalni prikaz prostora-vremena poput mrežice nije nužno najtačniji način za percepciju.

T. PYLE / CALTECH / MIT / LIGO LAB

Ako ste ikad vidjeli sliku savijene dvodimenzionalne rešetke s masama na njoj koja predstavlja prostor, znat ćete da je ova vrsta ilustracije vrlo česta. Čini se da prikazuje tkivo prostora kao zakrivljenog prisustvom mase, pa će stoga svaka druga čestica koja putuje duž ove tkanine imati svoju putanju okrenutu prema ovom gravitacijskom izvoru. Što je veća masa i bliži joj je, veća je zakrivljenost, a samim tim i veće savijanje.

Čini se da se, barem intuitivno, poklapa s eksperimentima i opažanjima koja su izvršena za provjeru i potvrđivanje opće relativnosti u posljednjih gotovo 100 godina. Iz savijanja pozadinske svjetlosti tijekom totalnog pomračenja Sunca do efekta gravitacijskog leća danas, barem kvalitativno, čini se da se slika slaže.

Rezultati ekspedicije Eddingtona iz 1919. pokazali su, na kraju, da je Opća teorija relativnosti opisala savijanje zvijezdane svjetlosti oko masivnih objekata, svrgnuvši Newtonovu sliku. Ovo je bila prva promatračka potvrda Einsteinove opće relativnosti, a čini se da se podudara s vizualizacijom „savijenog-tkiva-prostora“.

ILUSTROVANE LONDONSKE VIJESTI, 1919

Ali što bi zapravo podrazumijevala takva slika? Ako je prostor poput tkanine, kako ga masa zakrivljava?

Čini se kao da se masa nekako "povuče" na tkaninu, a ostale čestice koje putuju tim prostorom povuku se "dolje" i nekom nevidljivom, misterioznom silom. Jasno, to ne može biti ispravno, jer uopće nema vanjske gravitacije! Uz to, linije rešetke zakrive se od mase, a ne prema, koja također ne može biti ispravna, pogotovo ako je gravitacija privlačna.

Gravitacija jednostavno jest, a jednadžbe koje opisuju opću relativnost su samo geometrijske prirode. Ideja da prostor mase i energije krivulje može biti ispravna, iako ova naivna vizualizacija mora biti pogrešna.

Ideja da je prostor tkanina ima svoja ograničenja. Sasvim je jasno da velika masa ne može povući ovu tkaninu 'dolje' i natjerati ostale predmete unutar nje da se kreću zakrivljenom stazom. Prostorno vrijeme može se pokoravati geometrijskim jednadžbama i biti zakrivljeno, ali ne ovako.

DAVID CHAMPION, MAX PLANCK INSTITUT ZA RADIJSKU ASTRONOMIJU

Umjesto toga, možemo bolje postići ako idemo na točan broj prostornih dimenzija: tri.

Zamislite za početak da imamo potpuno prazan prostor. U blizini nema mase; nema zračenja; nema tamne materije, tamne energije, neutrina ili bilo čega drugog zbog čega bi ovaj prostor mogao curiti. Također nema unutarnje zakrivljenosti.

Umjesto toga, zamislite samo da je prostor ravan, statičan i prazan. Ako bismo inzistirali na crtanju rešetke, poput matematičkog prekrivanja, na samom prostoru, evo kako bi to izgledalo.

Prostor često vizualiziramo kao 3D rešetku, iako je ovo prekomjerno pojednostavljenje ovisno o okviru kad uzmemo u obzir koncept svemirskog vremena. Ako česticu stavite na ovu rešetku i pustite da se Svemir širi, čini se da će čestica odstupiti od vas.

REUNMEDIA / STORYBLOCKS

A sad, spustimo masu u ovo svemirsko vrijeme. Masa mora zakriviti prostor, ali to zapravo nije tkanina: jednostavno ništavilo čini sam prazni Svemir. Jednadžbe Opće relativnosti govore nam kako geometrija djeluje na ovu zakrivljenost, ali ne govore nam kako to vizualizirati.

Međutim, jedan sjajan način da to učinite jest nacrtati vaše mreže kao da predstavljaju silu koju ima čestica prašine zanemarive mase, bez pritiska, koja je u stanju mirovanja u odnosu na novu masu. Što je veća sila koju će čestica doživjeti, veća je i zakrivljenost prostora. Kad bismo to izvukli, došli bismo do vrlo različite, potencijalno korisnije slike.

Umjesto prazne, prazne, 3D rešetke, odlaganje mase uzrokuje ono što bi bilo "ravne" linije da bi umjesto toga postalo zakrivljeno određenom količinom. Imajte na umu da se čini da se više vuku prema masi dotičnoj.

BOŽIĆNA VITALE NETWORKOLOGIES AND PRATT INSTITUTE

Najveći problem ove slike je što je teško crtati!

Srećom, pojavom računalne animacije, možemo vizualizirati kako prostor zakrivljava čak i predmete u pokretu. Zapamtite, to zapravo nije tkanina, već preuzima cjelinu Svemira. Prostorno vrijeme jednostavno je: ono preostalo je kad odnesemo sve u Svemiru ono što smo sposobni oduzeti. Kada u Svemir odložimo stvari poput masa, prostorni je i dalje tu, ali njegova su svojstva izmijenjena onim što se nalazi unutar njega. Što je veća masa koju stavite u nju, to se prostor više zakrivljava.

To vrijedi čak i za jednu masu kojom se jednostavno krećemo. Mogao se kretati ravnom linijom ili zakrivljenom stazom; mogao se kretati prirodnim putem (zbog gibanja drugih masa) ili umjetno (jer ga je premještala vanjska sila). Bilo kako bilo, to ne razlikuje mnogo. Pravi je problem što se mase kreću kroz prostor, mijenja se i geometrija koja opisuje prostor.

Kao rezultat toga, objekti koji borave u tom prostoru, bili oni masivni ili bez mase, promijenit će svoje gibanje kao odgovor na prisutnost i svojstva cjelokupne materije i energije unutar nje. Objašnjenje Johna Wheelera da ta masa govori o prostoru kako se treba kriviti, dok zakrivljeni prostor govori o tome kako se kretati, još uvijek drži.

Animirani pogled na to kako prostorno vrijeme reagira na masu koja se kreće kroz njega pomaže prikazati točno kako, kvalitativno, to nije samo list tkanine, već je sav prostor zakrivljen prisutnošću i svojstvima materije i energije u Svemiru.

LUCASVB

Možete govoriti o prostoru kao tkanini, ali ako to učinite, budite svjesni da ono što radite implicitno svodi vašu perspektivu na dvodimenzionalnu analogiju. Prostor u našem Svemiru je trodimenzionalan, a kada ga kombinirate s vremenom, dobivate četverodimenzionalnu količinu. Kad je riječ o pojmu zakrivljenosti prostora, na ovo se odnosi Opća relativnost.

Ali ni pod kojim okolnostima ne smijete shvatiti prostor kao da je to materijalna, fizička stvar; nije. Ovo je samo matematička struktura u koju možemo zapisati jednadžbe da bismo opisali: jednadžbe Einsteinove opće relativnosti. Činjenica da materija i zračenje reagiraju na tu zakrivljenost na točno određene načine koje predviđaju jednadžbe potvrđuje ovu teoriju, ali to ne znači da je prostor zapravo tkanina.

Ilustracija gravitacijskog leće prikazuje kako se pozadinske galaksije - ili bilo koji svjetlosni put - izobličuje prisutnošću intervencijske mase, kao što je klaster galaksije u prvom planu. Analogija "tkanine svemira" samo je analogija i nije fizički značajna.

NASA / ESA

Također govorimo o svemiru koji se širi u kontekstu da se „tkanina prostora rasteže“, iako nema tkanine i zapravo se ne proteže, ili se, po tom pitanju, na bilo koji način mijenja. Ono što se događa je jednostavno da se udaljenost između bilo koje dvije točke u Svemiru mijenja prema određenom skupu pravila u kontekstu Opće relativnosti. Galaksije, poput grožđica ugrađenih u kruh kruha, šire se daleko jedna od druge. Valna duljina zračenja također postaje sve duža, kao da se duljina vala i žljebova valova također širi jedna od druge.

Ali u stvarnosti, ne postoji tkanina koja uzrokuje širenje. U analogiji s raštikom / kruhom, grožđice (galaksije) su fizički stvarne, ali kruh (tkanina prostora) je samo vizualizacija.

Model „kruh od grožđica“ u svemiru koji se širi, gdje se relativne udaljenosti povećavaju kako se prostor (tijesto) širi.

NASA / WMAP SCENSKI TIM

Jedna od najatradonalnijih ideja za zamotavanje glave u čitavoj fizici je da su jednadžbe koje opisuju Svemir upravo to: jednadžbe koje opisuju stvari koje fizički možemo promatrati. Ne možemo više promatrati „tkaninu prostora“ nego što možemo opažati ništavilo praznog prostora; ona jednostavno postoji. Svaka vizualizacija koju joj pokušamo dodijeliti, bila to 2D tkanina, 3D rešetka ili kugla tijesta za pečenje je upravo to: kreacija nadahnuta ljudima. Sama teorija to ne zahtijeva.

Na velikoj slici lijevo na sceni dominiraju mnoge galaksije ogromnog skupa zvane MACS J1149 + 2223. Gravitacijsko leće divovskog klastera obasjalo je svjetlost iz novonastale galaksije, poznate kao MACS 1149-JD, nekih 15 puta. U gornjem desnom dijelu, djelomično uvećanje prikazuje MACS 1149-JD detaljnije, a donje desno se pojavljuje dublje zumiranje. To je ispravno i u skladu s općom relativnošću i neovisno o tome kako vizualiziramo (ili da li vizualiziramo) prostor.

NASA / ESA / STScI / JHU

Ono što ipak možemo promatrati su fizički objekti - materija i zračenje - prisutni unutar tog prostora. To su entiteti koje možemo izmjeriti, a predviđanja za ponašanje tih objekata omogućuju nam testiranje teorija poput Einsteinove opće relativnosti. Ne radimo baš dobro na prihvaćanju matematike onakvu kakva jest, pa smo odlučili napraviti analogije koje će nam pomoći da shvatimo što se događa sa Univerzumom. Uspjeh Opće relativnosti raste i opada opažanjem i mjerenjima. Možemo promatrati mjerljive posljedice ove teorije, ali ne i stvarnu strukturu svemirskog vremena, čak i ako je ona predviđena temeljem same teorije.

Sve analogije, u tom pogledu, imaju ograničenja i nedostatke. Možemo odabrati vizualizaciju koja je možda manje pogrešna od 2D slike savijene tkanine, ali nema točnog odgovora. Opća relativnost govori nam o tome što svemir daje materiju i energiju raspoređene na specifičan način, a naša su opažanja u skladu s tim. Možemo odabrati da ga vizualiziramo na bilo koji način koji nam ima najviše smisla, ali sve su vizualizacije inherentno manjkave. Najbolje što možemo je pokušati shvatiti Univerzum, koliko je zapravo zagonetan, kao što zapravo jest.