โครงสร้างของเวลาอวกาศเป็นรูปแบบแนวคิดที่รวมสามมิติของพื้นที่กับมิติที่สี่ของเวลา ตามทฤษฎีทางกายภาพที่ดีที่สุดในปัจจุบันกาลอวกาศอธิบายผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพที่ผิดปกติซึ่งเกิดจากการเดินทางใกล้กับความเร็วแสงและการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ในจักรวาล
ใครค้นพบช่องว่างเวลา
นักฟิสิกส์ชื่อดัง Albert Einstein ช่วยพัฒนาความคิดเกี่ยวกับเวลาว่างซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของทฤษฎีสัมพัทธภาพของเขา ก่อนที่จะทำงานบุกเบิกนักวิทยาศาสตร์มีทฤษฎีที่แยกกันสองทฤษฎีเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพ: กฎของฟิสิกส์ของไอแซกนิวตันอธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุขนาดใหญ่ในขณะที่แบบจำลองทางแม่เหล็กไฟฟ้าของ James Clerk Maxwell อธิบายคุณสมบัติของแสง
แต่การทดลองที่ดำเนินการในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 แนะนำว่ามีบางสิ่งที่พิเศษเกี่ยวกับแสง การวัดแสดงให้เห็นว่าแสงเดินทางไปด้วยความเร็วเท่ากันเสมอไม่ว่าอะไรก็ตาม และในปี 1898 Henri Poincaréนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้คาดการณ์ว่าความเร็วของแสงอาจจะไม่เกินขีด จำกัด ในช่วงเวลาเดียวกันนักวิจัยคนอื่นกำลังพิจารณาความเป็นไปได้ที่วัตถุจะเปลี่ยนขนาดและมวลทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็ว
Einstein ดึงความคิดทั้งหมดเหล่านี้มารวมกันในทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของเขาในปีพ. ศ. 2448 ซึ่งอ้างว่าความเร็วของแสงคงที่ เพื่อให้สิ่งนี้เป็นจริงพื้นที่และเวลาจะต้องรวมกันเป็นกรอบเดียวที่สมคบกันเพื่อให้ความเร็วของแสงเท่ากันสำหรับผู้สังเกตการณ์ทุกคน
คนที่อยู่ในจรวดที่เร็วมากจะวัดเวลาที่จะเคลื่อนที่ช้าลงและความยาวของวัตถุจะสั้นกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับคนที่เดินทางด้วยความเร็วที่ช้ากว่ามาก นั่นเป็นเพราะพื้นที่และเวลาสัมพันธ์กัน - ขึ้นอยู่กับความเร็วของผู้สังเกต แต่ความเร็วของแสงเป็นพื้นฐานมากกว่าอย่างใดอย่างหนึ่ง
บทสรุปที่ว่ากาลอวกาศเป็นผ้าผืนเดียวไม่ใช่สิ่งเดียวที่ไอน์สไตน์เข้าถึงได้ด้วยตัวเอง ความคิดนั้นมาจากนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมันชื่อ Hermann Minkowski ผู้ซึ่งกล่าวในการประชุม colloquium 2451 "ตั้งแต่บัดนี้เป็นต้นไปพื้นที่โดยตัวของมันเองและเวลาโดยตัวของมันเองถูกทำให้เลือนหายไปในเงามืดเพียงอย่างเดียว ."
เวลาอวกาศที่เขาอธิบายนั้นยังคงเป็นที่รู้จักกันในชื่อ Minkowski space-time และเป็นฉากหลังของการคำนวณทั้งในทฤษฎีสัมพัทธภาพและทฤษฎีควอนตัม - ฟิลด์ หลังอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงของอนุภาค subatomic เป็นเขตข้อมูลตามนักดาราศาสตร์ฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์อีธานซีเกล
วิธีการใช้เวลาว่าง
ทุกวันนี้เมื่อผู้คนพูดถึงเวลาว่างพวกเขามักจะอธิบายว่าคล้ายกับแผ่นยาง นี่ก็มาจากไอน์สไตน์ผู้ซึ่งตระหนักในขณะที่เขาพัฒนาทฤษฏีสัมพัทธภาพทั่วไปของเขาว่าแรงโน้มถ่วงเป็นเพราะความโค้งในโครงสร้างของอวกาศ - เวลา
วัตถุขนาดใหญ่ - เช่นโลกดวงอาทิตย์หรือคุณ - สร้างการบิดเบือนในเวลาว่างที่ทำให้มันงอ ในทางกลับกันเส้นโค้งเหล่านี้ จำกัด วิธีการที่ทุกสิ่งในเอกภพเคลื่อนที่เพราะวัตถุต้องทำตามเส้นทางตามความโค้งงอนี้ การเคลื่อนไหวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นการเคลื่อนไหวไปตามการบิดและการหมุนของอวกาศ - เวลา
ภารกิจของนาซ่าที่เรียกว่า Gravity Probe B (GP-B) วัดรูปร่างของกระแสน้ำวนอวกาศรอบโลกในปี 2554 และพบว่ามันสอดคล้องกับการทำนายของไอน์สไตน์อย่างใกล้ชิด
แต่สิ่งนี้ยังคงเป็นเรื่องยากสำหรับคนส่วนใหญ่ที่จะคาดศีรษะ แม้ว่าเราจะสามารถพูดคุยเกี่ยวกับเวลาว่างว่าคล้ายกับแผ่นยางได้ แต่การเปรียบเทียบในที่สุดก็พังทลายลง แผ่นยางเป็นสองมิติในขณะที่พื้นที่เวลาเป็นสี่มิติ มันไม่ใช่แค่การแปรปรวนในอวกาศที่ชีตแสดง แต่ยังแปรปรวนตามกาลเวลา สมการที่ซับซ้อนที่ใช้อธิบายทั้งหมดนี้เป็นเรื่องยากสำหรับแม้แต่นักฟิสิกส์ที่จะทำงานด้วย
“ ไอน์สไตน์สร้างเครื่องจักรที่สวยงาม แต่เขาก็ไม่ได้ทิ้งคู่มือผู้ใช้ของเราไว้อย่างแน่นอน” พอลซัทเทอร์นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์เขียนไว้สำหรับ Space.com น้องสาวของ Live Science "เพียงขับรถกลับบ้านประเด็นสัมพัทธภาพทั่วไปนั้นซับซ้อนมากจนเมื่อใครบางคนค้นพบคำตอบของสมการพวกเขาจะได้คำตอบที่ตั้งชื่อพวกมันและกลายเป็นกึ่งตำนานในสิทธิ์ของตนเอง
สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ยังไม่รู้
แม้จะมีความซับซ้อนสัมพัทธภาพยังคงเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการอธิบายปรากฏการณ์ทางกายภาพที่เรารู้ แต่นักวิทยาศาสตร์รู้ว่าแบบจำลองของพวกมันไม่สมบูรณ์เพราะทฤษฎีสัมพัทธภาพยังไม่ได้คืนดีกับกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งอธิบายคุณสมบัติของอนุภาคอนุภาคด้วยความแม่นยำสูง แต่ไม่รวมแรงโน้มถ่วง
กลศาสตร์ควอนตัมขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าชิ้นเล็ก ๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นเอกภพนั้นไม่ต่อเนื่อง ดังนั้นโฟตอนอนุภาคที่ประกอบเป็นแสงเป็นเหมือนชิ้นส่วนเล็ก ๆ ของแสงที่มาในแพ็คเก็ตที่แตกต่างกัน
นักทฤษฎีบางคนคาดการณ์ว่าบางทีเวลาอวกาศก็มาในส่วนของควอนตั้มเหล่านี้ซึ่งช่วยในการสร้างทฤษฏีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม นักวิจัยที่องค์การอวกาศยุโรปได้เสนอห้องปฏิบัติการดาราศาสตร์ดาราศาสตร์รังสีแกมม่าเพื่อการสำรวจอวกาศ (GrailQuest) ซึ่งจะบินรอบโลกของเราและทำการตรวจสอบการระเบิดที่ทรงพลังและแม่นยำที่เรียกว่าแกมม่า สามารถเปิดเผยลักษณะของเวลาว่างอย่างใกล้ชิด
ภารกิจดังกล่าวจะไม่เปิดตัวเป็นเวลาอย่างน้อยหนึ่งทศวรรษครึ่ง แต่ถ้าเป็นเช่นนั้นมันอาจช่วยแก้ปริศนาที่ใหญ่ที่สุดที่เหลืออยู่ในฟิสิกส์
