Was ist das Raumzeitkontinuum?
“ Raum-Zeit-Kontinuum“ mag wie ein gewichtiger Begriff klingen, aber es ist nicht allzu schwer zu verstehen, wenn wir es aufschlüsseln.
„Raumzeit“ ist lediglich eine Möglichkeit, Raum und Zeit als miteinander verwobene Konzepte zu betrachten – zwei Teile desselben Ganzen. Albert Einstein prägte den Begriff, als er Anfang der 1900er Jahre die Relativitätstheorie vorschlug. Sie können alles und jeden innerhalb der Raumzeit anhand von vier Koordinaten lokalisieren. die drei Dimensionen von Raum (Breite, Breite und Länge) und Zeit. Klingt kompliziert, oder? Wenden wir diese Informationen auf ein praktisches Szenario an.
Angenommen, Sie möchten sich mit einem Freund treffen. Dazu müssen Sie einen bestimmten Ort und eine bestimmte Zeit für das Rendezvous definieren. Die Planung eines „Treffens morgen“ reicht nicht aus – Sie müssen angeben, wann und wo Sie sich treffen möchten. Also würden Sie wahrscheinlich so etwas sagen; „Treffen wir uns morgen um 10:00 Uhr im Johnson’s Park.“ Diese einfache Anfrage ist ein Beispiel für die Raumzeit im Spiel! Sie können keinen bestimmten Raum in unserem Universum besetzen, ohne auch eine bestimmte Zeit zu besetzen – daher Raumzeit!
„Kontinuum“ ist ein schickes Wort, das sich auf etwas bezieht, das für immer andauert und nur allmähliche Veränderungen erfährt. Stellen Sie sich eine gigantische Karte ohne Unterbrechungen, Lücken oder Leerzeichen vor. Diese Karte erklärt alles und jeden in unserem Universum zu jedem Zeitpunkt, zu dem es existiert. Was Sie sich gerade vorgestellt haben, ist das „Raum-Zeit-Kontinuum“ auf den Punkt gebracht!
Du existierst im Raum-Zeit-Kontinuum, neben den Sternen am Himmel, den Planeten in unserem Sonnensystem und dem Gerät, mit dem du diesen Artikel liest!
Wer hat das Raumzeitkontinuum vorgeschlagen?
Wie bereits erwähnt, hat Albert Einstein den Begriff Raumzeit geprägt. Er führte das Konzept erstmals 1905 in seiner Arbeit „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ ein. Die beiden großen Erkenntnisse aus diesem Artikel (# 1 Die Gesetze der Physik sind in allen Bezugsrahmen ohne Beschleunigung konsistent, und # 2 Die Lichtgeschwindigkeit ist für alle Beobachter im Vakuum konstant) bilden die Grundlage von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie.
Wahrscheinlich sind Sie irgendwann in Ihrem Leben auf „E = mc2“ – oder „Energie entspricht Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat“ – gestoßen. Dies ist die Masse-Energie-Äquivalenzformel, wobei „E“ für „Energie“ steht, „m“ für „Masse“ steht und „c2“ die „Lichtgeschwindigkeit im Quadrat“ symbolisiert. Diese Formel bedeutet einfach, dass Objekte mehr Masse gewinnen, je schneller sie sich bewegen. Wenn sich also ein Objekt der Lichtgeschwindigkeit näherte, würde seine Masse schließlich unendlich werden – zusammen mit der Energie, die benötigt wird, um es weiter zu bewegen!
Wie kommt die Allgemeine Relativitätstheorie ins Spiel?
Einstein schlug später 1916 die Allgemeine Relativitätstheorie vor, um zu erklären, wie Schwerkraft und Masse das Raumzeitkontinuum beeinflussen. Stellen Sie sich die Raumzeit als Matratze und einen Planeten als Bowlingkugel vor. Wenn Sie die Bowlingkugel auf die Matratze legen, krümmt sich der Stoff um sich selbst. Wenn Sie einen Golfball neben diese Bowlingkugel legen, fällt er in die durch das größere Objekt verursachte Delle.
Riesige Objekte machen dasselbe mit der Raumzeit. Je größer ein Objekt ist, desto mehr biegt es die Raumzeit um sich selbst und führt andere Objekte in der Nähe dazu, sich durch Raum (und Zeit) zu bewegen. Das ist gravity in a nutshell! Die Erde zum Beispiel ist so massiv, dass sie die Raumzeit verbiegt, um uns auf ihrer Oberfläche zu halten.
Ist Zeitreisen möglich?
Nach Jahrhunderten intensiver Forschung lautet die Antwort der wissenschaftlichen Gemeinschaft immer noch ein klares „Vielleicht?“ Wir müssen rekapitulieren, um zu erklären, warum. Einstein entdeckte, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist, unabhängig davon, wie schnell sich andere Objekte bewegen. Er lernte auch, dass sich nichts schneller bewegen kann als Licht (ohne unendliche Masse zu gewinnen). Bedenken Sie also folgendes: Zwei Personen, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen, sehen Licht mit genau derselben Geschwindigkeit. Dies wird tatsächlich dazu führen, dass diese Personen die Zeit anders erleben, so unmöglich das auch klingen mag.
Sie sehen, die Zeit wird langsamer, wenn ein sich schnell bewegendes Objekt mit einem anderen, nicht so schnell bewegenden Objekt verglichen wird. Dieses einzigartige Phänomen wird als Zeitdilatation bezeichnet. Mehrere große Filme (wie X-Men: Days of Future Past und Interstellar) zeigen die Zeitdilatation in Aktion! Wenn eine Person ein Raumschiff besteigen und mit halber Lichtgeschwindigkeit reisen würde, würde sie viel langsamer altern als eine andere Person auf der Erde!
Auch niedrigere Geschwindigkeiten können diesen Effekt erzeugen. Wissenschaftler verwendeten spezielle Uhren, um festzustellen, dass ein Satellit, der die Erde umkreist, jeden Tag 38 Mikrosekunden gewann. Der Satellit durchlief die Zeit nur ein bisschen langsamer als die Wissenschaftler auf der Erde, was die Idee unterstützt, dass sich Objekte relativ zueinander durch Zeit und Raum bewegen.
Viele Wissenschaftler sind sich einig, dass die Zeitdilatation die einzig mögliche Form der Zeitreise ist. Einsteins Relativitätstheorie beinhaltet jedoch Wurmlöcher oder direkte Passagen zwischen getrennten Punkten in der Raumzeit. Schneller als das Licht Reisen mag im herkömmlichen Sinne unmöglich sein, aber ein Wurmloch zwischen zwei Punkten in der Raumzeit würde ein Objekt sofort von A nach B bewegen lassen! Wurmlöcher sind derzeit eine abstrakte Idee, aber Wissenschaftler könnten eines Tages herausfinden, wie sie sie nutzen können.
Wo wir die Raumzeit falsch verstehen
Es gibt ein paar Dinge, die Einsteins Relativitätstheorie und unser aktuelles Wissen über das Raumzeitkontinuum nicht erklären können. Auf atomarer Ebene bewegen sich Teilchen beispielsweise nicht immer so, wie sie es nach der Relativitätstheorie sollten. Ebenso verstehen wir nicht, was mit Materie passiert, wenn sie in ein Schwarzes Loch fällt – eine Region des Raumes, die praktisch unendliche Dichte hat. Neue Ideen wie die Stringtheorie versuchen, die Relativitätstheorie in diesen Situationen zum Laufen zu bringen, während das Konzept des Phasenraums darauf hindeutet, dass das gesamte Raumzeitkontinuum relativ sein könnte!
Neugierige Geister halfen uns, unser gegenwärtiges Verständnis des Raumzeitkontinuums zu entwickeln. Wir glauben, dass die heutigen Missverständnisse den Weg für die Antworten von morgen ebnen werden. Aber warten Sie nicht, bis ein anderer theoretischer Physiker den Umschlag drückt. Lerne weiter über unser Universum und trage persönlich zum wissenschaftlichen Diskurs bei!