Het weefsel van ruimte-tijd is een conceptueel model dat de drie dimensies van ruimte combineert met de vierde dimensie van tijd. Volgens de beste huidige fysische theorieën verklaart ruimtetijd de ongebruikelijke relativistische effecten die voortvloeien uit het reizen in de buurt van de lichtsnelheid en de beweging van enorme objecten in het universum.
Wie heeft de ruimtetijd ontdekt?
De beroemde natuurkundige Albert Einstein hielp het idee van ruimte-tijd te ontwikkelen als onderdeel van zijn relativiteitstheorie. Voorafgaand aan zijn baanbrekende werk hadden wetenschappers twee afzonderlijke theorieën om fysische verschijnselen te verklaren: de natuurwetten van Isaac Newton beschreven de beweging van massieve objecten, terwijl de elektromagnetische modellen van James Clerk Maxwell de eigenschappen van licht verklaarden, aldus NASA.
Maar experimenten aan het einde van de 19e eeuw suggereerden dat licht iets speciaals had. Metingen lieten zien dat licht altijd met dezelfde snelheid reisde, wat er ook gebeurde. En in 1898 speculeerde de Franse natuurkundige en wiskundige Henri Poincaré dat de lichtsnelheid een onovertroffen limiet zou kunnen zijn. Rond dezelfde tijd overwogen andere onderzoekers de mogelijkheid dat objecten in grootte en massa veranderden, afhankelijk van hun snelheid.
Einstein bracht al deze ideeën samen in zijn 1905-theorie van speciale relativiteitstheorie, die veronderstelde dat de lichtsnelheid een constante was. Om dit waar te maken, moesten ruimte en tijd worden gecombineerd in één raamwerk dat samenzweerde om de lichtsnelheid voor alle waarnemers hetzelfde te houden.
Een persoon in een supersnelle raket meet de tijd om langzamer te bewegen en de lengte van objecten om korter te zijn in vergelijking met een persoon die met een veel lagere snelheid reist. Dat komt omdat ruimte en tijd relatief zijn - ze zijn afhankelijk van de snelheid van een waarnemer. Maar de lichtsnelheid is fundamenteler dan beide.
De conclusie dat ruimte-tijd een enkele stof is, was niet een die Einstein zelf bereikte. Dat idee kwam van de Duitse wiskundige Hermann Minkowski, die in een colloquium uit 1908 zei: 'Voortaan is de ruimte op zichzelf en de tijd op zichzelf gedoemd om te vervagen in louter schaduwen, en alleen een soort vereniging van de twee zal een onafhankelijke realiteit bewaren . "
De ruimtetijd die hij beschreef, staat nog steeds bekend als Minkowski-ruimtetijd en dient als achtergrond voor berekeningen in zowel de relativiteitstheorie als de kwantumveldentheorie. Deze laatste beschrijft de dynamiek van subatomaire deeltjes als velden, volgens astrofysicus en wetenschapsschrijver Ethan Siegel.
Hoe ruimte-tijd werkt
Tegenwoordig, wanneer mensen praten over ruimte-tijd, beschrijven ze het vaak als een soort rubber. Ook dit komt van Einstein, die zich bij het ontwikkelen van zijn algemene relativiteitstheorie realiseerde dat de zwaartekracht te wijten was aan krommen in het weefsel van de ruimtetijd.
Enorme objecten - zoals de aarde, de zon of jij - veroorzaken vervormingen in de ruimtetijd waardoor ze gaan buigen. Deze krommen beperken op hun beurt de manieren waarop alles in het universum beweegt, omdat objecten paden moeten volgen langs deze kromme kromming. Beweging als gevolg van zwaartekracht is eigenlijk beweging langs de wendingen van ruimte-tijd.
Een NASA-missie genaamd Gravity Probe B (GP-B) mat de vorm van de ruimte-tijdwerveling rond de aarde in 2011 en ontdekte dat deze nauw overeenstemt met de voorspellingen van Einstein.
Maar veel hiervan blijft voor de meeste mensen moeilijk om hun hoofd rond te wikkelen. Hoewel we ruimte-tijd kunnen bespreken als vergelijkbaar met een stuk rubber, valt de analogie uiteindelijk uiteen. Een rubberen plaat is tweedimensionaal, terwijl ruimtetijd vierdimensionaal is. Het blad vertegenwoordigt niet alleen vervormingen in de ruimte, maar ook vervormingen in de tijd. De complexe vergelijkingen waarmee dit alles wordt verklaard, zijn zelfs voor natuurkundigen lastig om mee te werken.
"Einstein heeft een prachtige machine gemaakt, maar hij heeft ons niet echt een gebruikershandleiding nagelaten", schreef astrofysicus Paul Sutter voor de zustersite van WordsSideKick.com, Space.com. "Gewoon om het punt naar huis te brengen, de algemene relativiteitstheorie is zo complex dat wanneer iemand een oplossing voor de vergelijkingen ontdekt, ze de naar hen genoemde oplossing krijgen en op zichzelf semi-legendarisch worden."
Wat wetenschappers nog steeds niet weten
Ondanks zijn complexiteit blijft relativiteit de beste manier om rekening te houden met de fysieke verschijnselen die we kennen. Toch weten wetenschappers dat hun modellen onvolledig zijn omdat relativiteit nog niet volledig is verzoend met de kwantummechanica, wat de eigenschappen van subatomaire deeltjes met uiterste precisie verklaart, maar de zwaartekracht niet incorporeert.
De kwantummechanica berust op het feit dat de kleine stukjes waaruit het universum bestaat, discreet of gekwantificeerd zijn. Fotonen, de deeltjes waaruit licht bestaat, zijn dus als kleine stukjes licht die in afzonderlijke pakketten worden geleverd.
Sommige theoretici hebben gespeculeerd dat de ruimtetijd zelf misschien ook in deze gekwantificeerde brokjes zit, die de relativiteitstheorie en de kwantummechanica helpen overbruggen. Onderzoekers van de European Space Agency hebben de Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time (GrailQuest) -missie voorgesteld, die rond onze planeet zou vliegen en ultra-nauwkeurige metingen zou doen van verre, krachtige explosies die gammaflitsen worden genoemd die zou de aard van de ruimtetijd van dichtbij kunnen onthullen.
Zo'n missie zou minstens anderhalf decennium niet van start gaan, maar als dat wel het geval was, zou het misschien helpen om enkele van de grootste mysteries in de natuurkunde op te lossen.
