Денес се смета дека Универзумот се состои од кванти – ентитети со физички карактеристики како маса, напон, момент. Квантите комуницираат едни со други. Квантот може да биде честичка, бран или било што друго – тоа е неделива, најмала количина на енергија што се јавува во елементарните процеси. Две или повеќе кванти можат да се поврзат едни со други, градејќи сложена структура. Протони, атоми, молекули, човечки суштества… сето тоа се сложени структури направени од кванти.
Квантната физика е релативно нова гранка на науката, таа се појави на почетокот на 20 век со теоријата за зрачење на црното тело објавена од Макс Планк. Сепак, самата идеја дека Универзумот е составен од невидливи, неделиви ентитети кои комуницираат за да изградат сложени структури е стара преку 2.000 години, која датира од Демокрит, а низ историјата многу филозофи се занимавале со оваа теза, барајќи ја основата на целата природа.
Исто така, треба да се спомене дека постои и друг правец на мислата според кој материјата е бесконечно делива, така што такви најмали, неделиви (божествени) честички не ни постојат. Таквото размислување ја претвора секоја конечна количина во бесконечност, од која повторно произлегуваат бројни тешкотии.
Без оглед на тоа од што всушност е направен Универзумот, на неговите градежни блокови им треба „фаза“ – нешто во кое ќе се одвива нивното движење, за воопшто да се појават интеракции.
Што е простор-време: каква е природата на универзумот во кој живееме?
Њутновиот универзум
Во Њутновиот универзум, таа фаза беше рамна и празна – апсолутен простор. Тоа е простор кој постои независно од било што друго, кој би постоел доколку во него нема трошка материја. Таквиот простор е ентитет сам по себе, фиксна тродимензионална структура. Во оваа поставка, времето секогаш тече рамномерно – апсолутно време. Сите набљудувачи, честички, бранови, кванти би ги доживеале просторот и времето целосно идентично, без разлика каде се наоѓаат.
Покрај тоа што даде три закони кои ја формираат основата на класичната механика, тој постави и еден закон за гравитација. Њутн ја опиша гравитацијата како взаемна привлечност на телата кои поседуваат маса. Според неговата равенка, привлечната сила помеѓу две тела е пропорционална на производот на нивните маси и обратно пропорционална на квадратот на нивното меѓусебно растојание.
Недостатокот на Њутновиот закон за гравитација, кој беше општо прифатен до појавата на Ајнштајновата општа теорија на релативност, е неговата неспособност да го претстави времето како незаменлива компонента на интеракцијата на два објекти. Според Њутн, гравитациското привлекување на две тела кои поседуваат маса не зависи од својствата на просторот, туку од својствата на самите тела.
До крајот на 19 век, стана јасно дека концептот на Њутн за универзумот има недостатоци, што многу научници го истакнаа.
Се покажа дека честичките, чија брзина се приближува до брзината на светлината, „го доживуваат“ времето поинаку од честичките кои се неподвижни или се движат бавно. За честичките кои се движат со брзина од приближната брзина на светлината, времето се продолжува, т.е. забавува. Се увиди дека енергијата т.е. моментот на честичките зависи од контекстот. Тоа значи дека просторот и времето не се апсолутни величини. Начинот на кој го доживуваме Универзумот директно зависи од нашето движење низ него.
Што е простор-време: каква е природата на универзумот во кој живееме?
Специјална теорија на релативност
Така настана растеглив концепт на простор и време. Некои работи останаа константни – како што е остатокот од масата на честичките и брзината на светлината, но некои други работи се трансформираа во променливи.
Просторот и времето станаа променливи, така што брзината на светлината останува константна за сите набљудувачи, секаде и секогаш. Со други зборови, законите на универзумот останаа универзални, истото важи каде и да сте и без разлика колку брзо или бавно се движите. Просторот и времето се она што се менува. Просторните и временските интервали помеѓу кои било два настани зависат од состојбата на движење на нивниот набљудувач. Различни набљудувачи различно ги набљудуваат просторните и временските интервали на истите настани. Од друга страна, брзината на светлината во вакуум се зема како апсолутна големина, како брзина која е иста за сите инерцијални референтни системи и која не може да се надмине, односно што претставува најголема можна брзина во природата. Барем така вели специјалната теорија на релативноста на Ајнштајн.
Простор-времето на Херман Минковски
Во 1907 година, поранешниот професор на Ајнштајн дошол до фантастично откритие дека просторот и времето можат да бидат опфатени со една формулација.
Со еден елегантен потег, Херман Минковски постави нов концепт пред очите на човештвото: простор-време. Во специјалната теорија на релативноста, простор-времето ја претставува картата на Универзумот, според која Универзумот е сè уште рамен, но сега има четири димензии (ширина, длабочина, висина и време).
Ова им ja обезбеди на физичарите многу потребната „фаза“, медиум за движење на честичките низ Универзумот каде што е можно честичките да бидат во релативна врска една со друга и да комуницираат една со друга. Сепак, оваа теорија не вклучуваше гравитација.
Сепак, концептот простор-време развиен од Минковски е основата на повеќето денешни пресметки во рамките на квантната теорија на полето.
Ајнштајнов принцип на еквивалентност
Ако немаше гравитација, простор-времето на Минковски ќе беше се што ни треба. Ова во суштина би бил едноставен универзум во кој забрзувањето би се случило исклучиво преку интеракцијата на честичките. Сепак, постои сила на гравитација во нашиот Универзум, која исто така им дава на телата забрзување.
Како што објаснува принципот на еквивалентност на Ајнштајн, не постои прекумерна разлика помеѓу гравитационата маса (јачината на гравитационата сила што се применува на објект) и инерцијалната маса (количината на отпорност на објектот на промена на состојбата под влијание на сила). Гравитацијата и инерцијата се концептуално различни, но во практична смисла ние не ги чувствуваме овие разлики – ниту еден експеримент никогаш не успеал недвосмислено да ја демонстрира практичната разлика меѓу нив.
Во вселенски брод што се движи рамномерно, немате тежина додека бродот не забрза. Исто така, под услов во одреден момент вселенскиот брод (се движи со рамномерна брзина) да помине покрај небесно тело со соодветна маса, под дејство на неговата гравитациона сила повторно ќе се здебелите како кога бродот забрзувал. Ако не можете да видите што ве забрзало, навистина не ви е грижа. Тежина е масата помножена со забрзувањето (од каде и да доаѓа тоа забрзување).
Општа теорија на релативност
Ова откритие и неговата математичка поврзаност со концептот на простор-време на Минковски го отворија патот за општа теорија на релативноста.
Главната разлика помеѓу специјалната теорија на релативност на универзумот на Минковски и општата теорија на релативност на закривениот универзум е воведувањето на Тензорот во пресметката (Ајнштајн метрички тензор или Рајманова метрика).
Бернхард Рајман бил математичар од 19 век и ученик на Гаус. Токму тој му го постави математичкиот формализам бидејќи секое поле, линија, лак, растојание… може да постои и да се дефинира во произволно закривен простор од кој било број димензии. Неговата геометрија претставува генерализација на Гаусовата диференцијална геометрија од 2 до n димензии. На Ајнштајн и на неговите колеги им требаше речиси една деценија да се справат со сложени пресметки на геометријата на мноштвото (апстрактни тополошки простори слични на Евклидовиот простор чија структура е посложена од Евклидовиот простор), но кога се беше готово, добивме општа теорија на релативност – теорија која го опишува нашиот четиридимензионален универзум во кој има гравитација. Целата општа теорија на релативноста беше формулирана на јазикот на тензорите, кој Ајнштајн го совлада со голема тешкотија.
Метричките тензори ја дефинираат закривеноста на простор-времето. Оваа кривина зависи од материјата, енергијата и напнатоста меѓу нив. Со други зборови, самата содржина на Универзумот ја дефинира искривувањето на простор-времето. Затоа, начинот на кој Универзумот е закривен ни кажува како материјата и енергијата ќе се движат низ него.
Според првиот Њутнов закон, телото ќе продолжи да се движи. Кога ќе го замислиме ова, веднаш помислуваме на права линија. Меѓутоа, во концептот на закривен Универзум, тело што се движи ќе продолжи да се движи по геодетска линија – крива линија. Во закривен универзум, тоа е геодетската линија, а не правата линија, тоа е најкраткото растојание помеѓу две точки. Ова станува особено очигледно на космичка скала каде што закривеноста на простор-времето, создадена од објекти со огромна маса, ја искривува светлината што допира до нас од нивната позадина. На тој начин понекогаш добиваме дури и повеќе слики.
Метрички тензори
Кога размислуваме за гравитацијата, често мислиме само на масата на објектот (како што правел Њутн). Масата навистина влијае на силата на гравитационата сила, но таа во никој случај не е единствената. Во општата теорија на релативноста, густината на објектот (количината на маса по единица волумен, односно неговото набивање) навистина придонесува за гравитационата сила. Сепак, ова е само еден од многуте параметри – само една од 16-те компоненти на метричкиот тензор! Има и притисоци (како што е притисокот на електромагнетното зрачење, вакуумскиот притисок и притисокот на честичките кои брзо се движат). Постојат шест други компоненти кои ја одредуваат промената на волуменот на телото и неговата деформација (како што се плимните сили). Сите тие важат за планети – како Земјата, како за тела со голема маса – како што се неутронските ѕвезди, како и за брановите без маса што се шират низ вселената – гравитациското зрачење, т.е. гравитациски бранови.
Тоа е, значи, досега 10 параметри, а споменавме дека има 16. Метричкиот тензор е симетричен ентитет. Тоа значи дека има четири „дијагонални“ компоненти (густина и притисок), шест недијагонални, независни компоненти (компоненти за волумен и деформација). Останатите компоненти се одредуваат со симетрија.
Метриката ни ја открива врската помеѓу материјата/енергијата во Универзумот и искривувањето на простор-времето. Општата теорија на релативноста вели дека ако некогаш знаеме точно каде е материјата/енергијата на нашиот Универзум и што прави во даден пример, можеме да ја знаеме целата историја на Универзумот – оттука и неговото минато и неговата иднина, неговата вечност!
Откритието дека Универзумот се шири, дека потекнува од Големата експлозија и дека под влијание на темната материја ќе заврши со големо ладење и празнина, целото наше сегашно разбирање на Универзумот – може да се разбере само во контекст на општо релативност.материја/енергија и простор-време. Просторот-времето е како една голема сцена каде што се одвива интеракцијата на честичките, но таква фаза која постојано се менува и се развива заедно со сè во Универзумот. Просторот-времето се менува според промените во материјата/енергијата – нивните еволуции се испреплетени.
