時空の構造は、3つの次元の空間と4番目の次元の時間を組み合わせた概念モデルです。現在の最高の物理理論によると、時空は、光速の近くを移動することから生じる異常な相対論的効果や、宇宙の巨大な物体の動きを説明しています。
誰が時空を発見しましたか？
有名な物理学者アルバートアインシュタインは、彼の相対性理論の一部として時空のアイデアを発展させるのを助けました。 NASAによれば、彼の先駆的な研究の前は、科学者は物理現象を説明する2つの別々の理論を持っていました。
しかし、19世紀の終わりに行われた実験は、光について何か特別なことがあったことを示唆していました。測定の結果、光は何があっても常に同じ速度で移動することがわかりました。そして1898年、フランスの物理学者であり数学者でもあるアンリポアンカレは、光の速度が他の追随を許さない限界であると推測しました。同じ頃、他の研究者は、速度に応じてオブジェクトのサイズと質量が変化する可能性を検討していました。
アインシュタインは、光速が一定であると仮定した1905年の特殊相対性理論の理論でこれらすべての考えをまとめました。これが真実であるためには、空間と時間を組み合わせて、すべての観測者の光速を同じに保つことを目的とした単一のフレームワークにする必要がありました。
超高速ロケットを使用している人は、ゆっくりと移動する時間を測定し、はるかに遅い速度で移動する人と比較して、オブジェクトの長さを短くします。それは、空間と時間は相対的であるためです-それらは観測者の速度に依存します。しかし、光速はどちらよりも基本的です。
時空が単一のファブリックであるという結論は、アインシュタインが自分で到達したものではありませんでした。その考えは、1908年の談話会で「それ自体は空間自体、そしてそれ自体は時間自体が、単なる影に消える運命にあり、2つの一種の結合だけが独立した現実を維持するだろう」 」
彼が説明した時空はまだミンコフスキー時空として知られ、相対性理論と量子場理論の両方で計算の背景として機能します。宇宙物理学者で科学作家のイーサン・シーゲルによると、後者は素粒子のダイナミクスをフィールドとして説明しています。
時空の仕組み
今日、人々が時空について話すとき、彼らはそれをゴムのシートに似ているとしばしば説明します。これもアインシュタインから来ている。アインシュタインは、彼が一般相対性理論の彼の理論を発展させたときに、重力は時空の構造の曲線によるものであることに気付いた。
地球、太陽、またはあなたのような巨大な物体は、時空に歪みを引き起こし、それを曲げます。これらの曲線は、オブジェクトがこの湾曲した曲率に沿ってパスをたどる必要があるため、宇宙のすべてが移動する方法を狭めます。重力による運動は、実際には時空のねじれと回転に沿った運動です。
重力プローブB（GP-B）と呼ばれるNASAのミッションは、2011年に地球の周りの時空渦の形状を測定し、アインシュタインの予測と密接に一致していることを発見しました。
しかし、これの多くは、ほとんどの人が頭を回すのが難しいままです。時空はゴムのシートに似ていると論じることができますが、その類似性は最終的に破綻します。ゴムシートは2次元ですが、時空は4次元です。シートが表すのは空間のワープだけではなく、時間のワープでもあります。これらすべてを説明するために使用される複雑な方程式は、物理学者でさえ扱うにはトリッキーです。
「アインシュタインは美しい機械を作ったが、ユーザーマニュアルを正確に残してくれなかった」と、宇宙科学者であるライブサイエンスの姉妹サイトSpace.comのPaul Sutterは書いている。 「要点を述べると、一般相対性理論は非常に複雑で、誰かが方程式の解を発見すると、その解にちなんで名付けられ、それ自体が半伝説になります。」
科学者がまだ知らないこと
その複雑さにもかかわらず、相対性理論は、私たちが知っている物理現象を説明する最良の方法であり続けます。それでも科学者は、相対性理論が量子力学と完全に一致していないため、モデルが不完全であることを知っています。量子力学では、原子以下の粒子の特性は非常に正確に説明されますが、重力は組み込まれていません。
量子力学は、宇宙を構成する小さなビットが離散的または量子化されているという事実に基づいています。そのため、光を構成する粒子である光子は、個別のパケットに入ってくる光の小さなチャンクのようなものです。
一部の理論家は、おそらく時空自体もこれらの量子化されたチャンクに含まれ、相対性理論と量子力学の橋渡しに役立つと推測しています。欧州宇宙機関の研究者は、私たちの惑星の周りを飛行し、ガンマ線バーストと呼ばれる遠くの強力な爆発の超正確な測定を行う、時空の量子探査のためのガンマ線天文学国際研究所（GrailQuest）ミッションを提案しました。時空のクローズアップの性質を明らかにすることができます。
そのような任務は少なくとも10年半の間は開始されませんが、それが実行された場合、それはおそらく物理学に残っている最大の謎のいくつかを解決するのに役立ちます。
