Nasze pojęcie Wszechświata zasadniczo zależy od tego, jak postrzegamy przestrzeń i czas. Od początku XX wieku kluczowe odkrycia — teoria względności Einsteina, mechanika kwantowa i inne — zmieniły te koncepcje z statycznych, absolutnych systemów w dynamiczne i czasem nawet sprzeczne dziedziny, w których cząstki, pola i nawet sama struktura czasoprzestrzeni oddziałują w zaskakujący sposób. Te naukowe przełomy zmusiły do porzucenia tradycyjnych zasad Newtona i przyjęcia Wszechświata, w którym prędkości bliskie prędkości światła zniekształcają pomiary odległości i czasu, gdzie grawitacja wynika z krzywizny czasoprzestrzeni, a nie z „niewidzialnej siły”, i gdzie zjawiska kwantowe pozwalają cząstkom zachowywać się jak fale, splatać się na duże odległości oraz istnieć w dyskretnych stanach energetycznych.
Temat 9: natura przestrzeni i czasu bada te fundamentalne przekształcenia nowoczesnej fizyki: od względności ruchu i związku przyczynowości po tajemnicze czarne dziury, ciemną materię oraz ciemną energię, które kształtują ewolucję kosmiczną. W czasie, gdy mierzymy się z wyzwaniami mechaniki kwantowej i względności, rozwijamy możliwą drogę do teorii unifikującej, zdolnej połączyć geometrię Wszechświata na dużą skalę z oddziaływaniami cząstek na najmniejszą skalę. Oto główne tematy:
- Szczególna teoria względności: dylatacja czasu i kontrakcja długości – prawda odkryta przez Einsteina, że szybko poruszające się zegary „opóźniają się”, a długości się skracają, obalając codzienną logikę.
- Ogólna teoria względności: grawitacja jako zakrzywiona czasoprzestrzeń – teoria geometrii wyjaśniająca zjawiska od orbit planet po soczewkowanie grawitacyjne i przewidująca egzotyczne obiekty, takie jak czarne dziury.
- Mechanika kwantowa: dualizm falowo-cząsteczkowy – przejście od klasycznego determinizmu do probabilistycznej funkcji falowej, pojawienie się zasady nieoznaczoności i istnienie dyskretnych poziomów energii.
- Kwantowa teoria pola i Model Standardowy – kulminacja fizyki cząstek, opisująca fermiony i bozony oraz ich podstawowe oddziaływania, pozostawiająca jednak pytania dotyczące grawitacji i fizyki poza Modelem Standardowym.
- Czarne dziury i horyzonty zdarzeń – niezwykle silne studnie grawitacyjne, z których nawet światło nie może uciec, charakteryzujące się takimi cechami jak promieniowanie Hawkinga i wpływające na istotne procesy rozwoju galaktyk.
- Robaki czasoprzestrzenne i podróże w czasie – hipotetyczne rozwiązania równań Einsteina; choć bardzo spekulatywne, kwestionują nasze rozumienie przyczynowości i kosmicznej spójności.
- Ciemna materia: „niewidzialna” masa – pośrednie dowody na istnienie niewidzialnej materii, kształtującej krzywe rotacji galaktyk i zasady soczewkowania; trwają poszukiwania WIMP, aksjonów i innych egzotycznych cząstek.
- Ciemna energia: przyspieszająca ekspansja – obserwacje wskazują, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, co może być spowodowane „odpychającą” energią przenikającą czasoprzestrzeń.
- Fale grawitacyjne – fale czasoprzestrzenne przewidziane przez Einsteina, już zaobserwowane podczas zderzeń czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, potwierdzające prognozy względności.
- W kierunku teorii unifikującej – obecnie rozwijane teorie, takie jak teoria strun czy pętlowej grawitacji kwantowej (loop quantum gravity), mające na celu połączenie mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności, czyli stworzenie uniwersalnej teorii „Wszystkiego”.
Razem te tematy ukazują, że przestrzeń i czas nie są jedynie pasywnymi „scenami”, lecz aktywnymi, zmieniającymi się uczestnikami Wszechświata. Od skali subatomowej po rozszerzanie się samego Wszechświata – nasze wysiłki, by je zrozumieć, prowadzą nas do granicznej dziedziny, gdzie matematyka, eksperymenty i wyobraźnia łączą się. W artykułach tematu 9 szczegółowo oceniono, ile już wiemy o najgłębszych prawach natury – i jakie pytania nadal czekają na odpowiedź, zmierzając ku pełniejszemu obrazowi rzeczywistości.