Rumtidens stof er en konceptuel model, der kombinerer de tre dimensioner i rummet med den fjerde dimension. I henhold til det bedste af de nuværende fysiske teorier forklarer rumtid de usædvanlige relativistiske effekter, der opstår ved at rejse nær lysets hastighed såvel som bevægelsen af massive genstande i universet.
Hvem opdagede rumtid?
Den berømte fysiker Albert Einstein var med til at udvikle ideen om rumtid som en del af hans relativitetsteori. Forud for sit banebrydende arbejde havde forskere to separate teorier for at forklare fysiske fænomener: Isaac Newtons fysiske love beskrev bevægelsen af massive genstande, mens James Clerk Maxwells elektromagnetiske modeller forklarede lysets egenskaber ifølge NASA.
Men eksperimenter udført i slutningen af 1800-tallet antydede, at der var noget specielt ved lys. Målinger viste, at lys altid kørte med samme hastighed, uanset hvad. Og i 1898 spekulerede den franske fysiker og matematiker Henri Poincaré i, at lysets hastighed kan være en uovervindelig grænse. Omkring den samme tid overvejede andre forskere muligheden for, at genstande ændrede sig i størrelse og masse, afhængigt af deres hastighed.
Einstein trak alle disse ideer sammen i sin særlige relativitetsteori fra 1905, der antydede, at lysets hastighed var en konstant. For at dette skulle være sandt, måtte plads og tid kombineres i en enkelt ramme, der konspirerede for at holde lysets hastighed den samme for alle observatører.
En person i en super hurtig raket måler tiden for at bevæge sig langsommere og længderne af genstande, der skal være kortere, sammenlignet med en person, der rejser med meget langsommere hastighed. Det er fordi rum og tid er relative - de afhænger af en observatørs hastighed. Men lysets hastighed er mere grundlæggende end hverken.
Konklusionen om, at rumtid er et enkelt stof, var ikke Einstein, der nåede af sig selv. Denne idé kom fra den tyske matematiker Hermann Minkowski, der sagde i et kollokvium fra 1908: "Herefter er pladsen i sig selv og tiden i sig selv dømt til at falme væk i blotte skygger, og kun en slags forening af de to vil bevare en uafhængig virkelighed ."
Den rumtid, han beskrev, er stadig kendt som Minkowski-rumtiden og fungerer som baggrunden for beregninger i både relativitet og kvantefeltteori. Sidstnævnte beskriver dynamikken i subatomære partikler som felter ifølge astrofysiker og videnskabsforfatter Ethan Siegel.
Sådan fungerer rumtid
I dag, når folk taler om rumtid, beskriver de det ofte som et lak af gummi. Dette kommer også fra Einstein, som indså, da han udviklede sin teori om generel relativitet, at tyngdekraften skyldtes kurver i rum-tidens stof.
Massive genstande - som Jorden, solen eller dig - skaber forvrængninger i rummet, der får den til at bøje. Disse kurver begrænser til gengæld de måder, hvorpå alt i universet bevæger sig, fordi genstande skal følge stier langs denne snevede krumning. Bevægelse på grund af tyngdekraften er faktisk bevægelse langs rum-tidens drejninger og sving.
En NASA-mission kaldet Gravity Probe B (GP-B) målte formen af rum-tidsvirvelen omkring Jorden i 2011 og fandt, at den nøje stemmer overens med Einsteins forudsigelser.
Men meget af dette er stadig vanskeligt for de fleste mennesker at vikle hovedet rundt. Selvom vi kan diskutere rumtid som at ligner et ark gummi, brydes analogien til sidst. Et gummiplade er to-dimensionelt, mens rum-tid er fire-dimensionelt. Det er ikke kun varp i rummet, som arket repræsenterer, men også varp i tid. De komplekse ligninger, der bruges til at tage højde for alt dette, er vanskelige for selv fysikere at arbejde med.
"Einstein lavede en smuk maskine, men han efterlod os ikke nøjagtigt en brugermanual," skrev astrofysiker Paul Sutter til Live Science 's søsterside, Space.com. "Bare for at køre punktet hjem, er den generelle relativitet så kompliceret, at når nogen opdager en løsning på ligningerne, får de løsningen opkaldt efter dem og bliver semi-legendarisk i sig selv."
Hvad forskere stadig ikke ved
På trods af dets forviklinger er relativitet stadig den bedste måde at redegøre for de fysiske fænomener, vi kender til. Alligevel ved videnskabsmænd, at deres modeller er ufuldstændige, fordi relativitet stadig ikke er fuldstændigt forenet med kvantemekanik, hvilket forklarer egenskaberne ved subatomære partikler med ekstrem præcision, men ikke inkorporerer tyngdekraften.
Kvantemekanik hviler på det faktum, at de små bits, der udgør universet, er diskrete eller kvantiserede. Så fotoner, de partikler, der udgør lys, er som små bidder af lys, der kommer i forskellige pakker.
Nogle teoretikere har spekuleret i, at måske selve rumtiden også kommer i disse kvantiserede bidder, hvilket hjælper med at bygge bro over relativitet og kvantemekanik. Forskere ved Det Europæiske Rumorganisation har foreslået Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time (GrailQuest) -missionen, som ville flyve rundt på vores planet og foretage ultra-nøjagtige målinger af fjerne, kraftige eksplosioner kaldet gamma-ray bursts, som kunne afsløre rumtidens tætte karakter.
En sådan mission ville ikke lancere i mindst et halvt årti, men hvis den gjorde det, ville det måske hjælpe med at løse nogle af de største mysterier, der er tilbage i fysikken.
