Meie Universumi kontseptsioon sõltub põhimõtteliselt sellest, kuidas me tajume ruumi ja aega. Alates 20. sajandi algusest on läbimurded — Einsteini relatiivsusteooria, kvantmehaanika ja teised — muutnud need mõisted staatilistest, absoluutsetest süsteemidest dünaamilisteks ja mõnikord isegi vastuolulisteks valdkondadeks, kus osakesed, väljad ja isegi ruumajaaja struktuur suhtlevad hämmastaval viisil. Need teaduslikud pöördelised avastused sundisid loobuma traditsioonilistest Newtoni printsiipidest ja vastu võtma Universumi, kus valguse lähedased kiirused moonutavad kauguste ja kestuste mõõtmisi, kus gravitatsioon tuleneb ruumajaaja kõverusest, mitte „nähtamatust jõust“, ja kus kvantilised nähtused võimaldavad osakestel käituda nagu lained, põimuda suurte vahemaade taha ning eksisteerida diskreetsetes energiaseisundites.
9. teema: ruumi ja aja olemus käsitleb neid olulisi kaasaegse füüsika ümberkorraldusi: alates suhtelise liikumise ja põhjuslikkuse seosest kuni salapäraste mustade aukude, pimedate ainete ja pimedate energiate juurde, mis määravad kosmilise evolutsiooni. Samal ajal, kui seisame silmitsi kvantmehaanika ja relatiivsuse ühendamise väljakutsetega, arendame välja võimalikku teed ühtse teooria poole, mis suudaks ühendada universumi suurmastaabilise geomeetria väikseima mastaabilise osakeste vastasmõjuga. Siin on peamised teemad:
- Spetsiaalne relatiivsusteooria: aja venimine ja pikkuse kokkutõmbumine – Einsteini avastus, et kiiresti liikuvad kellad „hilinevad“ ja pikkused lühenevad, mis lükkab ümber igapäevase loogika.
- Üldine relatiivsusteooria: gravitatsioon kui kõver ruumaaeg – geomeetria teooria, mis seletab nähtusi alates planeetide orbiitidest kuni gravitatsioonilise läätsendamiseni ja ennustab selliseid eksootilisi objekte nagu mustad augud.
- Kvantmehaanika: lainete ja osakeste dualism – üleminek klassikalisest determinismist tõenäosusliku lainete funktsiooni juurde, mille puhul kehtib määramatuse printsiip ja eksisteerivad diskreetsed energiatasemed.
- Kvantväljade teooria ja standardmudel – osakestefüüsika tipp, mis kirjeldab fermione ja bosone ning nende põhivastasmõjusid, kuid jätab küsimusi gravitatsiooni ja standardmudeli piiridest väljaspool oleva füüsika kohta.
- Mustad augud ja sündmushorisondid – äärmiselt tugevad gravitatsioonikaevud, kust isegi valgus ei pääse enam välja, omades selliseid omadusi nagu Hawkingi kiirgus ja määrates olulisi galaktikate arenguprotsesse.
- Kirpaugud ja ajarännakud – hüpoteetilised Einsteini võrrandite lahendid; kuigi väga spekulatiivsed, panevad need proovile meie põhjuslikkuse ja kosmilise seotuse arusaama.
- Pime aine: „nähtamatu“ mass – kaudsed andmed nähtamatu aine kohta, mis määrab galaktikate pöörlemiskõveraid ja läätsendamise seaduspärasusi; otsitakse WIMP-e, aksioneid või teisi eksootilisi osakesi.
- Pime energia: kiirenev laienemine – vaatlused näitavad, et universum laieneb üha kiiremini, mille põhjuseks võib olla „tõrjuv“ energia, mis läbistab ruumaaega.
- Gravitatsioonilained – ruumajaaja lained, mille Einstein ennustas ja mis on juba täheldatud mustade aukude või neutronitähtede kokkupõrkel, kinnitades relatiivsusteooria prognoose.
- Ühtse teooria poole – praegu arendatavad teooriad nagu stringiteooria või silmuskvantgravitatsioon (loop quantum gravity), mille eesmärk on ühendada kvantmehaanika üldise relatiivsusega, st luua universaalne „Kõike“ teooria.
Need teemad koos näitavad, et ruum ja aeg ei ole lihtsalt passiivsed „lavad“, vaid aktiivsed, muutuvad universumi osalised. Alates subatomaarsetest mõõtmetest kuni kogu universumi laienemiseni – meie pingutused neid mõista viivad meid piirialale, kus matemaatika, katsed ja kujutlusvõime ühinevad. Need 9 teemad artiklites hindavad põhjalikult, kui palju me juba mõistame looduse sügavaimaid seadusi – ja millised küsimused ootavad veel vastust, liikudes terviklikuma reaalsuse pildi suunas.