Якщо ви думаєте, що час - це просто годинник, який цокає, а простір - велика порожня коробка, в якій відбуваються звичні події, то ви живете в ньютонівській фантазії. Реальний світ набагато складніший і цікавіший.
Час не існує окремо від простору. Існує математична сутність під назвою простір-час, яка описує фізичну реальність нашого всесвіту. Простір-час - це чотиривимірний континуум, де кожна точка представляє місце і мить. Цифри, які закладаються в математичну модель нашого уявлення про зовнішній світ.
Простір-час не плаский або жорсткий. Він згинається, розтягується та деформується під впливом матерії та енергії. Це те, що ми називаємо гравітацією.
Але гравітація не притягує речі разом, вона сама по собі лише наслідок викривлення простору-часу. Чим більшу масу або енергію має “тіло”, тим більше воно викривляє простір-час навколо себе. Вплив на рух об'єктів означає вимірювання часу та оцінка їх просторового місцезнаходження.
Тобто час співвідноситься зі спостерігачем. Він не тече з однаковою швидкістю для всіх. Все залежить від вашої швидкості та особливостей гравітації у вибраній системі координат. Чим швидше ви рухаєтесь або чим ближче ви розташовані до масивного тіла, тим повільніше тече ваш час порівняно з тим, що відбувається з тим, хто перебуває у стані спокою або далеко від регіону, де продовжуються заміри.
Пам’ятаємо: швидкість світла - це кінцева межа швидкості у Всесвіті. Ніщо не може рухатися швидше за світло у вакуумі, а це близько 300 000 кілометрів на секунду. Світлу не потрібне середовище для поширення, на відміну від звуку чи водяних хвиль.
Світло рухається найкоротшим шляхом між двома точками у просторі-часі, який може не бути прямою лінією, якщо простір-час викривлений гравітацією. Такий рух називається гравітаційним лінзуванням.
Швидкість світла також визначає, як ми бачимо віддалені об'єкти у Всесвіті. Оскільки світлу потрібен час, щоб долетіти від далеких джерел, ми бачимо їх такими, якими вони були в минулому, а не такими, якими вони є зараз. Чим далі щось знаходиться, тим старіші зображення телескопів. Інакше кажучи, ми бачимо всесвіт крізь призму космологічного червоного зміщення.
Простір-час - це...
Науковці використовують різні методи для вимірювання часу та оцінки віку Всесвіту. Один з них - оцінка радіоактивного розпаду хімічних елементів у гірських породах або скам'янілостях. Він діє в “земних” умовах, але містить в собі дві явні проблеми. По-перше, у вас має бути точний відрізок часу, стосовно якого проводяться всі розрахунки. По-друге, у вас має бути контрольний матеріал, за допомогою якого перевіряються ці обчислення. А тут дійсно виникають проблеми, вважаючи на те, що всі показники приймаються на віру. В буквальному сенсі слова.
Інший спосіб - оцінка швидкості розширення Всесвіту та космічного мікрохвильового фонового випромінювання. В такому разі ми нібито простежуємо його розвиток від початкового стану. А це означає, що час, точніше, вимірювання часу, відносне не “відносно” до спостерігача, а до того, що відомо як Великий вибух і якого насправді, можливо, ніколи не існувало.
Парадокс в тому, що один і той же простір-і-час сприймаються по-різному, в залежності від обраної точки відліку, системи координат та методологічної позиції експериментатора. Різні спостерігачі можуть не погодитися у вимірах простору і часу для однієї й тієї ж події, але вони (вірогідно) погодяться у вимірі простору-часу.
Саме тому ми повинні говорити про простір-час, а не про простір і час окремо, тому що тільки простір-час стає інваріантним в межах спеціальної теорії відносності.
Один зі способів візуалізації простору-часу — знаменита діаграма Мінковського, на якій на одній осі відкладається простір, а на іншій - час. Події в просторі-часі на цій діаграмі зображуються точками, а шляхи руху об'єктів - лініями. Нахил ліній показує швидкість об'єкта, а відстань між двома точками - інтервал між двома подіями.
Ось приклад діаграми Мінковського:
З іншого боку, простір-час - це поняття, введене Альбертом Ейнштейном у його теорії загальної відносності. Згідно з нею, простір і час тісно пов'язані між собою.
Ключова ідея простору-часу полягає в тому, що маса та енергія впливає на геометрію Всесвіту. Масивні зірки або планети викривляють тканину простору-часу навколо себе. Але таке викривлення здійснюються всіма об’єктами, що мають масу. Навіть невелику масу. Просто в такому випадку ми можемо знехтувати деякими ефектами, а теорію Ейнштейна “полегшити” до звичної ньютонівської моделі.
Що говорять космологи про простір-час
Стівен Гокінг - один з найвпливовіших фізиків 21 століття, який багато займався вивченням і часу, і простору.
У своїй книзі "Коротка історія часу" 1988 року науковець відстежує, як концепція простору-часу виникла з теорії відносності Ейнштейна. Він наочно демонструє, що простір і час не абсолютні, а відносні до спостерігача і стану руху. Він також обговорює, як простір-час спотворюється під дією гравітації та може діяти в умовах сингулярності чорних дір, де зникає сучасна фізика.
Далі, в книзі "Природа простору і часу" 1996 року, написаній у співавторстві з Роджером Пенроузом, Гокінґ викладає свої погляди на походження і долю Всесвіту, роль квантової теорії та природу простору-часу. Він стверджує, що простір-час скінченний, але не має межі чи краю та описується за допомогою квантової теорії гравітації.
Він також припускає, що не існує унікального космічного часу. Радше існує мережа причинно-наслідкових зв'язків між подіями у просторі-часі.
У 2001 році виходить "Всесвіт у двох словах", де космолог досліджує наслідки теорії струн і М-теорії для структури й еволюції простору-часу. Тут вже він говорить, що простір-час може мати понад чотири виміри, і що є різні форми або топології на різних масштабах.
Гокінг припускає, що простір-час - багаторазово пов'язаний за своєю природою. Це означає, що між віддаленими регіонами всесвіту існують червоточини або інші короткі шляхи.
Пітер Гіггс найбільш відомий своїм передбаченням бозона Хіггса, частинки, яка надає масу іншим частинкам через поле Гіггса.
В інтерв'ю The Guardian 2013 року він заявив, що його не цікавить мультивсесвіт, різноманітні фізичні закони та константи інших світів.
"Я думаю, що це відмовка. Це спосіб уникнути проблеми, чому константи природи є такими, якими вони є. Я не думаю, що це дуже плідна ідея", - стверджує Гіггс. За його словами, він віддає перевагу більш простим поясненням походження Всесвіту, таким як інфляція.
У лекції 2014 року в Королівському товаристві вчений обговорив роль симетрії та порушення симетрії у фізиці, особливо у зв'язку з механізмом Гіггса та електрослабкою теорією. Він пояснив, як поле Гіггса порушує симетрію між електромагнітними та слабкими силами, породжуючи різні частинки та взаємодії. На його думку, поле Гіггса може відповідати за порушення іншої симетрії в ранньому Всесвіті — адже кількість матерії перевішує кількість антиматерії.
У статті 2015 року для журналу Scientific American Гіггс розмірковує :
"Відкриття бозона Хіггса в ЦЕРНі є великим досягненням для експериментальної фізики. Воно підтверджує важливу частину нашого розуміння того, як елементарні частинки набувають маси. Це також відкриває нові можливості для вивчення фундаментальних питань про походження і долю нашого Всесвіту".
В цій же публікації висловлюється припущення, що поле Гіггса впливає на форму простору-часу космологічного майбутнього. Тобто не виключено, що поле Гіггса “виробляє” простір-час, а далі ми його сприймаємо в залежності від обраних дослідницьких інструментів.
В свою чергу, японський космолог Мічіо Каку, відомий не тільки прихильністю до теорії струн, але й цілком фантастичними ідеями, наголошує:
"Подорож у часі можлива відповідно до законів фізики. Ми повинні модифікувати наш здоровий глузд, коли маємо справу з теорією відносності Ейнштейна, яка дозволяє викривлення і перекручування простору і часу. Питання не в тому, чи можливі подорожі в часі, а в тому, чи це практично можливо. Нам потрібно знайти червоточину, короткий шлях крізь простір і час, або чорну діру, що обертається, або циліндр нескінченної довжини, що обертається зі швидкістю світла. Це дуже складні інженерні проблеми, але вони не є неможливими".
Він також пояснив, як подорожі в часі створюють парадокси, такі як парадокс дідуся, коли ви повертаєтеся в минуле і вбиваєте свого дідуся до того, як він зустрінеться з вашою бабусею. Він припустив, що одним зі способів вирішення цих парадоксів може бути звернення до ідеї мультивсесвіту, згідно з якою існує багато паралельних всесвітів з різною історією.
У статті 2015 року для The Guardian Кокс зазначає:
У статті 2015 року для The New York Times Каку продовжує свої роздуми в контексті Теорії Всього:
"Мультивсесвіт — це наслідок теорії струн, найперспективніший кандидат на Теорію Всього. Теорія струн постулює, що вся матерія і сили — це лише коливання крихітних струн у 10-мірному просторі-часі. Однак існує багато способів згорнути додаткові шість вимірів у крихітні фігури, які називаються багатовидами Калабі-Яу. Кожна форма породжує свій власний набір фізичних законів і констант. Це означає, що може існувати величезна кількість всесвітів, кожен зі своїми власними законами фізики".
У лекції 2022 році Каку представив свої ідеї щодо майбутнього людства та його дослідження простору і часу. За його словами, "майбутнє людства лежить у зорях. Ми вступаємо в нову еру освоєння космосу, де будемо використовувати нанотехнології, біотехнології, штучний інтелект і квантову фізику, щоб досліджувати Сонячну систему і не тільки. Ми також будемо використовувати ці технології для маніпулювання простором і часом, створюючи червоточини та двигуни викривлення, які дозволять нам подорожувати швидше за світло і відвідувати інші всесвіти. Ми станемо як боги, здатні створювати нові реальності та нові світи".
Але він попередив, що ми повинні бути обережними, щоб не знищити себе або нашу планету, враховуючи техногенні ризики.
Брайан Кокс найбільш відомий своїми науково-популярними книгами та телепередачами.
Так, у відео 2008 року Кокс пояснив, що різниця між простором і часом полягає у фізичному значенні зі знаком мінус. Точніше:
"Простір і час - це не окремі речі. Вони - частина однієї речі, яка називається простір-час. І спосіб вимірювання відстаней у просторі-часі відрізняється від способу вимірювання відстаней у просторі. У просторі ви користуєтесь теоремою Піфагора: відстань у квадраті дорівнює сумі квадратів сторін прямокутного трикутника.
У просторі-часі ви приймаєте аналогічну формулу, але зі знаком мінус: відстань у квадраті дорівнює різниці між квадратами інтервалів часу і простору. Знак мінус означає, що простір і час - різні аспекти однієї речі, і вони можуть змішуватися залежно від того, як швидко ви рухаєтесь".
"Всесвіт почався з Великого Вибуху 13,8 мільярдароків тому, і він закінчиться Великим Заморожуванням через трильйони років у майбутньому. Це не суперечливі твердження; це спостереження, засновані на наших найкращих вимірюваннях космічного мікрохвильового фонового випромінювання - післясвітіння творіння - і швидкості розширення і складу Всесвіту".
Також, на його думку, простір-час може викривлятися матерією та енергією, створюючи гравітацію, і як він може розтягуватися темною енергією, змушуючи Всесвіт прискорювати своє розширення.
У серіалі 2022 року для BBC Two:
"Відкриття нашого місця у Всесвіті - одне з найбільших наукових досягнень усіх часів. У цій серії я озираюся на десятиліття відкриттів і на наступний космічний рубіж, ставлячи деякі з найбільших питань, які ми можемо собі поставити: Як все почалося? Чи ми самотні? І що чекає на нас у майбутньому?".
