Нашата Вселената концепция по същество зависи от това как възприемаме пространството и времето. От началото на XX век ключовите открития — теорията на относителността на Айнщайн, квантовата механика и други — промениха тези концепции от статични, абсолютни системи в динамични и понякога дори контраинтуитивни области, в които частиците, полетата и дори самата структура на пространствено-времевия континуум взаимодействат по удивителни начини. Тези научни пробиви принудиха да се откажем от традиционните принципи на Нютон и да приемем Вселената, в която скоростите, близки до светлинната, изкривяват измерванията на разстояния и продължителност, където гравитацията произтича от изкривяването на пространствено-времевия континуум, а не от „невидима сила“, и където квантовите явления позволяват на частиците да се държат като вълни, да се преплитат на големи разстояния и да съществуват в дискретни енергийни състояния.
Тема 9: природата на пространството и времето разглежда тези основни преобразувания на съвременната физика: от относителната връзка между движение и причинност до мистериозните черни дупки, тъмна материя и тъмна енергия, които определят космическата еволюция. Докато се сблъскваме с предизвикателствата на квантовата механика и относителността, развиваме възможен път към обединена теория, която може да свърже геометрията на Вселената в голям мащаб с взаимодействието на частиците в най-малък мащаб. Ето основните теми:
- Специална относителност: разтягане на времето и скъсяване на дължината – истината, разкрита от Айнщайн, че бързо движещите се часовници „изостават“, а дължините се скъсяват, опровергавайки ежедневната логика.
- Обща относителност: гравитацията като изкривено пространство-време – теория на геометрията, обясняваща явления от орбитите на планетите до гравитационното лещиране и предсказваща екзотични обекти като черните дупки.
- Квантова механика: дуализъм на вълни и частици – преход от класическия детерминизъм към вероятностната вълнова функция, с появата на принципа на неопределеност и съществуването на дискретни енергийни нива.
- Квантова теория на полетата и Стандартният модел – кулминацията на физиката на частиците, описваща фермиони и бозони и техните основни взаимодействия, но оставяща въпроси относно гравитацията и физиката извън Стандартния модел.
- Черни дупки и хоризонти на събитията – изключително силни гравитационни кладенци, от които дори светлината не може да избяга, характеризиращи се с явления като излъчване на Хокинг и определящи значими процеси в развитието на галактиките.
- Червееви дупки и пътуване във времето – хипотетични решения на уравненията на Айнщайн; макар и много спекулативни, те поставят под въпрос нашето разбиране за причинността и космическата свързаност.
- Тъмна материя: „невидима“ маса – индиректни данни за невидима материя, определяща кривите на въртене на галактиките и закономерностите на лещиране; търсят се WIMP, аксони или други екзотични частици.
- Тъмна енергия: ускоряващо се разширение – наблюденията показват, че Вселената се разширява все по-бързо, като причината може да е „отблъскваща“ енергия, пронизваща пространствено-времевия континуум.
- Гравитационни вълни – вълни в пространствено-времевия континуум, предсказани от Айнщайн, вече наблюдавани при сливане на черни дупки или неутронни звезди, потвърждаващи прогнозите на относителността.
- Към обединена теория – в момента се развиват теории като теория на струните или циклична квантова гравитация (loop quantum gravity), с цел да се обедини квантовата механика с общата относителност, т.е. да се създаде универсална теория на „Всичко“.
Заедно тези теми разкриват, че пространството и времето не са просто пасивни „сцени“, а активни, променящи се участници във Вселената. От субатомния мащаб до самото разширение на Вселената – нашите усилия да ги разберем ни водят до гранична област, където математиката, експериментите и въображението се сливат. В статиите на тези 9 теми подробно се оценява колко много вече сме разбрали за най-дълбоките закони на природата – и какви още въпроси чакат отговор, докато се движим към по-пълна картина на реалността.