Meidän Universumin käsityksemme perustuu olennaisesti siihen, miten hahmotamme avaruuden ja ajan. 1900-luvun alun keskeiset löydöt—Einsteinin suhteellisuusteoria, kvanttimekaniikka ja muut—muuttivat nämä käsitteet staattisista, absoluuttisista järjestelmistä dynaamisiksi ja joskus jopa vastoin intuitiota oleviksi alueiksi, joissa hiukkaset, kentät ja jopa itse avaruusaikarakenteen rakenne vuorovaikuttavat hämmästyttävillä tavoilla. Nämä tieteelliset murrokset pakottivat hylkäämään perinteiset Newtonin periaatteet ja hyväksymään Universumin, jossa valonnopeutta lähestyvät nopeudet vääristävät etäisyyksien ja ajan mittauksia, jossa painovoima syntyy avaruusaikakäyryydestä eikä "näkymättömästä voimasta", ja jossa kvanttiset ilmiöt sallivat hiukkasten käyttäytyä kuin aaltomuodot, kietoutua yhteen suurilla etäisyyksillä ja esiintyä diskreeteissä energiatiloissa.
9. aihe: avaruuden ja ajan luonne tarkastelee näitä modernin fysiikan keskeisiä uudistuksia: suhteellisen liikkeen ja kausaalisuuden yhteydestä salaperäisiin mustiin aukkoihin, pimeään aineeseen ja pimeään energiaan, jotka määräävät kosmisen evoluution. Sillä välin kun kohtaamme kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian yhdistämisen haasteet, kehitämme mahdollista tietä kohti yhtenäistä teoriaa, joka voi yhdistää suuren mittakaavan Universumin geometrian pienimmän mittakaavan hiukkasvuorovaikutuksiin. Tässä ovat pääaiheet:
- Erityinen suhteellisuusteoria: ajan laajeneminen ja pituuden supistuminen – Einsteinin paljastama totuus, että nopeasti liikkuvat kellot "myöhästyvät" ja pituudet lyhenevät, kumoten arkijärjen.
- Yleinen suhteellisuusteoria: painovoima kaarevana avaruusaikana – geometrinen teoria, joka selittää ilmiöitä planeettojen radoista gravitaatiolinssiin ja ennustaa eksoottisia kohteita kuten mustia aukkoja.
- Kvanttimekaniikka: aalto-hiukkasdualismi – siirtymä klassisesta determinismistä todennäköisyyspohjaiseen aaltotoimintoon, epävarmuusperiaatteen ja diskreettien energiatilojen syntyessä.
- Kvanttikenttäteoria ja standardimalli – hiukkasfysiikan huipentuma, joka kuvaa fermioneja ja bosoneja sekä niiden keskeisiä vuorovaikutuksia, mutta jättää kysymyksiä painovoimasta ja standardimallin ulkopuolisesta fysiikasta.
- Mustat aukot ja tapahtumahorisontit – erittäin voimakkaat painovoimakaivot, joista edes valo ei pääse pakenemaan, ominaisuuksinaan esimerkiksi Hawkingin säteily ja merkittävät galaksien kehityksen prosessit.
- Madonreiät ja aikamatkustus – hypoteettiset Einsteinin yhtälöiden ratkaisut; vaikka hyvin spekulatiivisia, ne haastavat käsityksemme kausaalisuudesta ja kosmisesta yhteydestä.
- Pimeä aine: "näkymätön" massa – epäsuorat havainnot näkymättömästä aineesta, joka määrää galaksien pyörimisnopeudet ja linssivaikutukset; etsinnät WIMP:ien, aksionien tai muiden eksoottisten hiukkasten perässä jatkuvat.
- Pimeä energia: kiihtyvä laajeneminen – havainnot osoittavat, että Universumi laajenee yhä nopeammin, syynä voi olla "poistava" energia, joka läpäisee avaruusaikaa.
- Gravitaatioaallot – avaruusajan aallot, jotka Einstein ennusti ja jotka on jo havaittu mustien aukkojen tai neutronitähtien yhdistyessä, vahvistaen suhteellisuusteorian ennusteet.
- Kohti yhtenäisteoriaa – tällä hetkellä kehitteillä olevat teoriat kuten jousiteoria tai silmukkakvanttigravitaatio, pyrkien yhdistämään kvanttimekaniikan yleiseen suhteellisuusteoriaan eli luomaan universaalin "Kaiken" teorian.
Yhdessä nämä aiheet paljastavat, että avaruus ja aika eivät ole pelkkiä passiivisia "näyttämöitä", vaan aktiivisia, muuttuvia Universumin osallistujia. Subatomisesta mittakaavasta aina koko Universumin laajenemiseen – pyrkimyksemme ymmärtää niitä vie meidät rajatilaiseen alueeseen, jossa matematiikka, kokeet ja mielikuvitus yhdistyvät. Näissä yhdeksännen aiheen artikkeleissa arvioidaan yksityiskohtaisesti, kuinka paljon olemme jo ymmärtäneet luonnon syvimmistä laeista – ja mitä kysymyksiä vielä odottaa vastausta matkalla kohti kokonaisvaltaisempaa todellisuuden kuvaa.