Наша Усесвіт концепція суттєво залежить від того, як ми сприймаємо простір і час. З початку XX століття ключові відкриття — теорія відносності Ейнштейна, квантова механіка та інші — змінили ці поняття з статичних, абсолютних систем на динамічні та іноді навіть контринтуїтивні сфери, де частинки, поля і навіть сама структура простір-часу взаємодіють дивовижними способами. Ці наукові прориви змусили відмовитися від традиційних принципів Ньютона і прийняти Всесвіт, де швидкості, близькі до світла, спотворюють виміри відстаней і тривалості, де гравітація виникає з вигину простір-часу, а не з «невидимої сили», і де квантові явища дозволяють частинкам поводитися як хвилі, переплітатися на великих відстанях і існувати в дискретних енергетичних станах.
9-та тема: природа простору і часу розглядає ці фундаментальні трансформації сучасної фізики: від відносного руху і причинно-наслідкових зв’язків до загадкових чорних дір, темної матерії та темної енергії, які визначають космічну еволюцію. У той час як ми стикаємося з викликами квантової механіки і відносності, ми розробляємо можливий шлях до єдиної теорії, здатної поєднати геометрію Всесвіту великого масштабу з взаємодією частинок найменшого масштабу. Ось основні теми:
- Спеціальна відносність: розтягнення часу і скорочення довжини – істина, відкрита Ейнштейном, що швидко рухомі годинники «спізнюються», а довжини скорочуються, спростовуючи повсякденну логіку.
- Загальна відносність: гравітація як вигнутий простір-час – теорія геометрії, що пояснює явища від орбіт планет до гравітаційного лінзування і передбачає такі екзотичні об’єкти, як чорні діри.
- Квантова механіка: дуалізм хвиль і частинок – перехід від класичного детермінізму до ймовірнісної хвильової функції, що виник з принципом невизначеності і існуванням дискретних енергетичних рівнів.
- Квантова теорія полів і Стандартна модель – кульмінація фізики частинок, що описує ферміони та бозони і їх основні взаємодії, але залишає питання щодо гравітації і фізики за межами Стандартної моделі.
- Чорні діри та горизонти подій – надзвичайно сильні гравітаційні колодязі, звідки навіть світло не може втекти, що характеризуються такими властивостями, як випромінювання Хокінга (Hawking) і визначають важливі процеси розвитку галактик.
- Кротові нори і подорожі в часі – гіпотетичні розв’язки рівнянь Ейнштейна; хоча дуже спекулятивні, вони кидають виклик нашому розумінню причинності і космічної взаємозв’язності.
- Темна матерія: «невидима» маса – непрямі дані про невидиму матерію, що визначає криві обертання галактик і закономірності лінзування; тривають пошуки WIMP, аксонів чи інших екзотичних частинок.
- Темна енергія: прискорене розширення – спостереження показують, що Всесвіт розширюється все швидше, причиною чого може бути «відштовхуюча» енергія, що пронизує простір-час.
- Гравітаційні хвилі – хвилі простір-часу, передбачені Ейнштейном, вже зафіксовані під час злиття чорних дір або нейтронних зірок, підтверджуючи прогнози відносності.
- До єдиної теорії – наразі розробляються такі теорії, як теорія струн або петельна квантова гравітація (loop quantum gravity), щоб поєднати квантову механіку з загальною відносністю, тобто створити універсальну теорію «Усього».
Разом ці теми показують, що простір і час — це не просто пасивні «сцени», а активні, що змінюються учасники Всесвіту. Від субатомного масштабу до самого розширення Всесвіту — наші зусилля зрозуміти їх ведуть до граничної сфери, де математика, експерименти і уява поєднуються. У статтях цих 9 тем детально оцінюється, скільки ми вже зрозуміли про найглибші закони природи — і які ще питання чекають на відповіді на шляху до всебічнішої картини реальності.