Cấu trúc của không-thời gian là một mô hình khái niệm kết hợp ba chiều không gian với chiều thứ tư của thời gian. Theo các lý thuyết vật lý tốt nhất hiện nay, không-thời gian giải thích các hiệu ứng tương đối bất thường phát sinh từ việc di chuyển gần tốc độ ánh sáng cũng như chuyển động của các vật thể lớn trong vũ trụ.
Ai phát hiện ra không-thời gian?
Nhà vật lý nổi tiếng Albert Einstein đã giúp phát triển ý tưởng về không-thời gian như là một phần của lý thuyết tương đối của ông. Trước công trình tiên phong của ông, các nhà khoa học đã có hai lý thuyết riêng biệt để giải thích các hiện tượng vật lý: định luật vật lý của Isaac Newton đã mô tả chuyển động của các vật thể lớn, trong khi các mô hình điện từ của James Clerk Maxwell giải thích các tính chất của ánh sáng, theo NASA.
Nhưng các thí nghiệm được thực hiện vào cuối thế kỷ 19 cho thấy có một cái gì đó đặc biệt về ánh sáng. Các phép đo cho thấy ánh sáng luôn truyền đi với cùng tốc độ, không có vấn đề gì. Và vào năm 1898, nhà vật lý và toán học người Pháp, Henri Poincaré đã suy đoán rằng vận tốc ánh sáng có thể là một giới hạn không thể vượt qua. Cũng trong khoảng thời gian đó, các nhà nghiên cứu khác đang xem xét khả năng các vật thể thay đổi kích thước và khối lượng, tùy thuộc vào tốc độ của chúng.
Einstein đã kết hợp tất cả những ý tưởng này lại với nhau trong lý thuyết tương đối đặc biệt năm 1905 của mình, theo đó quy định rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số. Để điều này trở thành sự thật, không gian và thời gian phải được kết hợp thành một khung duy nhất âm mưu để giữ tốc độ ánh sáng như nhau cho tất cả các nhà quan sát.
Một người trong một tên lửa siêu tốc sẽ đo thời gian để di chuyển chậm hơn và chiều dài của các vật thể ngắn hơn so với một người di chuyển với tốc độ chậm hơn nhiều. Đó là bởi vì không gian và thời gian là tương đối - chúng phụ thuộc vào tốc độ của người quan sát. Nhưng tốc độ của ánh sáng là cơ bản hơn cả.
Kết luận rằng không-thời gian là một loại vải không phải là thứ mà Einstein tự mình đạt được. Ý tưởng đó xuất phát từ nhà toán học người Đức Hermann Minkowski, người đã nói trong một hội thảo năm 1908, "Chính không gian và thời gian của chính nó, đã bị tiêu diệt vào bóng tối đơn thuần, và chỉ một loại kết hợp của hai người sẽ duy trì một thực tại độc lập . "
Thời gian không gian mà ông mô tả vẫn được gọi là không gian thời gian chồn và đóng vai trò là nền tảng của các tính toán trong cả thuyết tương đối và lý thuyết trường lượng tử. Sau này mô tả động lực học của các hạt hạ nguyên tử như các trường, theo nhà vật lý thiên văn và nhà văn khoa học Ethan Siegel.
Thời gian hoạt động như thế nào
Ngày nay, khi mọi người nói về không-thời gian, họ thường mô tả nó giống như một tấm cao su. Điều này cũng đến từ Einstein, người đã nhận ra khi ông phát triển lý thuyết tương đối tổng quát rằng lực hấp dẫn là do các đường cong trong kết cấu của không-thời gian.
Các vật thể khổng lồ - như Trái đất, mặt trời hoặc bạn - tạo ra các biến dạng trong không-thời gian khiến nó bị uốn cong. Những đường cong này, lần lượt, hạn chế những cách mà mọi thứ trong vũ trụ di chuyển, bởi vì các vật thể phải đi theo những con đường dọc theo đường cong bị vênh này. Chuyển động do trọng lực thực sự là chuyển động dọc theo các vòng xoắn và không gian.
Một sứ mệnh của NASA có tên Gravity dò B (GP-B) đã đo hình dạng của cơn lốc không gian quanh Trái đất vào năm 2011 và thấy rằng nó phù hợp chặt chẽ với dự đoán của Einstein.
Nhưng phần lớn điều này vẫn còn khó khăn đối với hầu hết mọi người. Mặc dù chúng ta có thể thảo luận về không-thời gian giống như một tấm cao su, sự tương tự cuối cùng đã bị phá vỡ. Một tấm cao su là hai chiều, trong khi không gian thời gian là bốn chiều. Nó không chỉ cong vênh trong không gian mà tấm thể hiện, mà còn cong vênh theo thời gian. Các phương trình phức tạp được sử dụng để giải thích cho tất cả những điều này là khó khăn cho ngay cả các nhà vật lý làm việc với.
"Einstein đã tạo ra một cỗ máy tuyệt đẹp, nhưng anh ấy không chính xác để lại cho chúng tôi một hướng dẫn sử dụng", nhà vật lý thiên văn Paul Sutter viết cho trang web chị em của Live Science, Space.com. "Chỉ cần lái xe về nhà, thuyết tương đối rộng phức tạp đến mức khi ai đó phát hiện ra một giải pháp cho các phương trình, họ có được giải pháp được đặt theo tên của họ và trở thành bán huyền thoại theo cách riêng của họ."
Những gì các nhà khoa học vẫn chưa biết
Mặc dù phức tạp của nó, thuyết tương đối vẫn là cách tốt nhất để giải thích cho các hiện tượng vật lý mà chúng ta biết. Tuy nhiên, các nhà khoa học biết rằng mô hình của họ không đầy đủ vì thuyết tương đối vẫn chưa được điều hòa hoàn toàn với cơ học lượng tử, điều này giải thích các tính chất của các hạt hạ nguyên tử với độ chính xác cực cao nhưng không kết hợp lực hấp dẫn.
Cơ học lượng tử dựa trên thực tế là các bit nhỏ tạo nên vũ trụ là rời rạc, hoặc lượng tử hóa. Vì vậy, các photon, các hạt tạo nên ánh sáng, giống như những khối ánh sáng nhỏ có trong các gói riêng biệt.
Một số nhà lý thuyết đã suy đoán rằng có lẽ chính thời gian không gian cũng xuất hiện trong các khối lượng tử hóa này, giúp thu hẹp tính tương đối và cơ học lượng tử. Các nhà nghiên cứu tại Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã đề xuất Phòng thí nghiệm thiên văn quốc tế tia Gamma cho nhiệm vụ khám phá lượng tử thời gian (GrailQuest), sẽ bay xung quanh hành tinh của chúng ta và thực hiện các phép đo cực kỳ chính xác về các vụ nổ mạnh, xa gọi là vụ nổ tia gamma. có thể tiết lộ bản chất gần gũi của không-thời gian.
Một nhiệm vụ như vậy sẽ không khởi động trong ít nhất một thập kỷ rưỡi, nhưng nếu có, nó có thể sẽ giúp giải quyết một số bí ẩn lớn nhất còn lại trong vật lý.
