Mūsu Visuma koncepcija būtiski ir pamatīgi ir atkarīga no tā, kā mēs uztveram telpu un laiku. Kopš 20. gadsimta sākuma pamatatklājumi — Einstaina relativitātes teorija, kvantu mehānika un citi — ir pārveidojuši šos jēdzienus no statiskām, absolūtām sistēmām par dinamiskām un reizēm pat pretintuīcijām jomām, kurās daļiņas, lauki un pat pati telplaika struktūra mijiedarbojas pārsteidzošos veidos. Šie zinātniskie lūzumi lika atteikties no tradicionālajiem Ņūtona principiem un pieņemt Visumu, kur gaismas ātrumam tuvi ātrumi izkropļo attālumu un laika mērījumus, kur gravitācija rodas no telplaika izliekuma, nevis no „neredzamās spēka“, un kur kvantu parādības ļauj daļiņām uzvesties kā viļņiem, savstarpēji sapīties lielos attālumos un pastāvēt diskretās enerģijas stāvokļos.
9. tēma: telpas un laika būtība pēta šīs būtiskās mūsdienu fizikas pārmaiņas: no relatīvās kustības un cēloņsakarības saistības līdz noslēpumainajām melnajām caurumiem, tumšajai matērijai un tumšajai enerģijai, kas nosaka kosmisko evolūciju. Tajā pašā laikā, kad saskaramies ar kvantu mehānikas un relativitātes saskaņošanas izaicinājumiem, attīstām iespējamu ceļu uz vienotu teoriju, kas spētu apvienot Visuma lielā mēroga ģeometriju ar mazāko mērogu daļiņu mijiedarbību. Šeit ir galvenās tēmas:
- Speciālā relativitāte: laika pagarināšanās un garuma saīsināšanās – Einstaina atklātā patiesība, ka ātri kustīgi pulksteņi „vēlojas“, bet garumi saīsinās, noliedzot ikdienas loģiku.
- Vispārīgā relativitāte: gravitācija kā izliekts telplaiks – ģeometrijas teorija, kas skaidro parādības no planētu orbītām līdz gravitācijas lēcu efektam un paredz tādus eksotiskus objektus kā melnās caurumi.
- Kvantu mehānika: viļņu un daļiņu dualitāte – pāreja no klasiskā determinisma uz varbūtības viļņu funkciju, ieviešot nenoteiktības principu un diskretu enerģijas līmeņu eksistenci.
- Kvantu lauku teorija un Standarta modelis – daļiņu fizikas kulminācija, kas apraksta fermionus un bozonus un to galvenās mijiedarbības, taču atstāj jautājumus par gravitāciju un fiziku ārpus Standarta modeļa.
- Melno caurumu un notikumu horizonti – ļoti spēcīgi gravitācijas šahtas, kur pat gaisma vairs nevar izbēgt, ar tādām īpašībām kā Hokinga (Hawking) starojums un kas nosaka būtiskus galaktiku attīstības procesus.
- Kirminu caurumi un ceļojumi laikā – hipotētiski Einstaina vienādojumu risinājumi; lai gan ļoti spekulatīvi, tie izaicina mūsu cēloņsakarības un kosmiskās saistības izpratni.
- Tumšā matērija: „neredzamā“ masa – netieši dati par neredzamo matēriju, kas nosaka galaktiku rotācijas līknes un lēcu likumsakarības; notiek meklējumi pēc WIMP, aksioniem vai citām eksotiskām daļiņām.
- Tumšā enerģija: paātrināta paplašināšanās – novērojumi rāda, ka Visums paplašinās arvien ātrāk, un iemesls tam varētu būt „atgrūdoša“ enerģija, kas caurvij telplaiku.
- Gravitācijas viļņi – telplaika viļņi, ko paredzēja Einšteins, jau novēroti, kad saplūst melnie caurumi vai neitronzvaigznes, apstiprinot relativitātes prognozes.
- Ceļā uz vienoto teoriju – pašlaik tiek attīstītas tādas teorijas kā stīgu teorija vai cilpu kvantu gravitācija (loop quantum gravity), lai apvienotu kvantu mehāniku ar vispārējo relativitāti, t.i., radītu visaptverošu „Viss“ teoriju.
Kopā šīs tēmas atklāj, ka telpa un laiks nav tikai pasīvas „skatuves“, bet gan aktīvi, mainīgi Visuma dalībnieki. No subatomu mēroga līdz pašas Visuma paplašināšanās procesam — mūsu centieni tos izprast ved uz robežzonu, kur matemātika, eksperimenti un iztēle saplūst. Šajos 9. tēmas rakstos tiek detalizēti izvērtēts, cik daudz jau esam sapratuši par dziļākajiem dabas likumiem — un kādi vēl jautājumi gaida atbildi, ejot uz visaptverošāku realitātes ainu.