Rymdtidens tyg är en konceptuell modell som kombinerar rymdens tre dimensioner med den fjärde tidsdimensionen. Enligt det bästa av de nuvarande fysiska teorierna förklarar rymdtid de ovanliga relativistiska effekterna som uppstår genom att resa nära ljusets hastighet såväl som rörelsen av massiva objekt i universum.
Vem upptäckte rymdtid?
Den berömda fysikern Albert Einstein hjälpte till att utveckla idén om rymdtid som en del av hans relativitetsteori. Innan hans banbrytande arbete hade forskare två separata teorier för att förklara fysiska fenomen: Isaac Newtons fysiska lagar beskrev rörelsen hos massiva föremål, medan James Clerk Maxwells elektromagnetiska modeller förklarade ljusets egenskaper, enligt NASA.
Men experiment som gjordes i slutet av 1800-talet antydde att det fanns något speciellt med ljus. Mätningar visade att ljus alltid reste med samma hastighet, oavsett vad. Och 1898 spekulerade den franska fysikern och matematikern Henri Poincaré att ljusets hastighet kan vara en oöverträfflig gräns. Ungefär samma tid övervägde andra forskare möjligheten att objekt förändrades i storlek och massa, beroende på deras hastighet.
Einstein drog samman alla dessa idéer i sin speciella relativitetsteori från 1905, som antydde att ljusets hastighet var en konstant. För att detta skulle vara sant måste rum och tid kombineras till en enda ram som konspirerade för att hålla ljusets hastighet densamma för alla observatörer.
En person i en supersnabb raket kommer att mäta tiden för att röra sig långsammare och längden på föremål som ska vara kortare jämfört med en person som reser med mycket långsammare hastighet. Det beror på att utrymme och tid är relativa - de beror på observatörens hastighet. Men ljusets hastighet är mer grundläggande än antingen.
Slutsatsen att rymdtid är ett enda tyg var inte Einstein själv. Den tanken kom från den tyska matematikern Hermann Minkowski, som sade i ett kollokvium från 1908: "Hittills rymden av sig själv, och tiden av sig själv, är dömd att försvinna i bara skuggor, och endast en slags förening av de två kommer att bevara en oberoende verklighet ".
Den rymdtid som han beskrev är fortfarande känd som Minkowski rymdtid och fungerar som bakgrund för beräkningar i både relativitet och kvantfältsteori. Den senare beskriver dynamiken hos subatomära partiklar som fält, enligt astrofysiker och vetenskapsförfattare Ethan Siegel.
Hur rymdtid fungerar
I dag, när människor pratar om rymdtid, beskriver de ofta det som att det liknar ett gummiark. Även detta kommer från Einstein, som insåg när han utvecklade sin teori om allmän relativitet att tyngdkraften berodde på kurvor i rymdens tid.
Massiva föremål - som jorden, solen eller dig - skapar snedvridningar i rymden som får den att böjas. Dessa kurvor begränsar i sin tur de sätt på vilket allt i universum rör sig, eftersom objekt måste följa vägar längs denna snedvrängda krökning. Rörelse på grund av tyngdkraft är faktiskt rörelse längs vridningar av rymd-tid.
Ett NASA-uppdrag som heter Gravity Probe B (GP-B) mätte formen på rymd-tid-virveln runt jorden 2011 och fann att den nära överensstämmer med Einsteins förutsägelser.
Men mycket av detta är fortfarande svårt för de flesta människor att slå om huvudet. Även om vi kan diskutera rymdtid som att likna ett ark med gummi, bryts analogin så småningom. Ett gummiark är tvådimensionellt, medan rymdtid är fyrdimensionellt. Det är inte bara varp i rymden som arket representerar, utan också varp i tid. De komplexa ekvationer som används för att redogöra för allt detta är svåra för även fysiker att arbeta med.
"Einstein skapade en vacker maskin, men han lämnade oss inte exakt en användarmanual," skrev astrofysiker Paul Sutter för Live Science: s systersida, Space.com. "Bara för att köra hem punkten är den allmänna relativiteten så komplicerad att när någon upptäcker en lösning på ekvationerna får de lösningen uppkallad efter dem och blir semi-legendarisk i sig."
Vad forskarna fortfarande inte vet
Trots dess intrikatitet förblir relativitet det bästa sättet att redovisa de fysiska fenomenen vi känner till. Ändå vet forskare att deras modeller är ofullständiga eftersom relativitet fortfarande inte helt förenas med kvantmekanik, vilket förklarar egenskaperna hos subatomära partiklar med extrem precision men inte innehåller gravitationskraften.
Kvantmekanik bygger på det faktum att de små bitarna som utgör universum är diskreta eller kvantiserade. Så fotoner, de partiklar som utgör ljus, är som små bitar av ljus som finns i distinkta paket.
Vissa teoretiker har spekulerat i att kanske även rymdtid kommer i dessa kvantiserade bitar, vilket hjälper till att överbrygga relativitet och kvantmekanik. Forskare vid Europeiska rymdorganisationen har föreslagit Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time (GrailQuest) -uppdraget, som skulle flyga runt vår planet och göra ultraläkra mätningar av avlägsna kraftfulla explosioner som kallas gammastrålar. kan avslöja rymdtidens nära natur.
Ett sådant uppdrag skulle inte starta på minst ett och ett halvt decennium, men om det gjorde det kanske det skulle hjälpa till att lösa några av de största mysterierna som finns kvar i fysiken.
