Romtidens stoff er en konseptuell modell som kombinerer romets tre dimensjoner med den fjerde dimensjonen av tid. I henhold til de beste av nåværende fysiske teorier, forklarer rom-tid de uvanlige relativistiske effektene som oppstår ved å reise nær lysets hastighet så vel som bevegelsen av massive objekter i universet.
Hvem oppdaget romtid?
Den berømte fysikeren Albert Einstein var med på å utvikle ideen om romtid som en del av hans relativitetsteori. I forkant av sitt banebrytende arbeid hadde forskere to separate teorier for å forklare fysiske fenomener: Isaac Newtons fysiske lover beskrev bevegelsen til massive gjenstander, mens James Clerk Maxwells elektromagnetiske modeller forklarte lysets egenskaper, ifølge NASA.
Men eksperimenter utført på slutten av 1800-tallet antydet at det var noe spesielt med lys. Målinger viste at lys alltid reiste med samme hastighet, uansett hva. Og i 1898 spekulerte den franske fysikeren og matematikeren Henri Poincaré at lysets hastighet kan være en uovertruffen grense. Omtrent på samme tid vurderte andre forskere muligheten for at objekter endret seg i størrelse og masse, avhengig av hastighet.
Einstein trakk alle disse ideene sammen i sin spesielle relativitetsteori fra 1905, som antydet at lysets hastighet var en konstant. For at dette skulle være sant, måtte rom og tid kombineres til en enkelt ramme som konspirerte for å holde lysets hastighet den samme for alle observatører.
En person i en superrask rakett vil måle tiden for å bevege seg saktere og lengden på gjenstander som skal være kortere sammenlignet med en person som reiser med mye lavere hastighet. Det er fordi rom og tid er relative - de avhenger av observatørens hastighet. Men lysets hastighet er mer grunnleggende enn begge deler.
Konklusjonen om at romtid er et enkelt stoff, var ikke Einstein selv nådd. Denne ideen kom fra den tyske matematikeren Hermann Minkowski, som sa i et kollokvium fra 1908: "Hvertidens rom av seg selv og tiden av seg selv er dømt til å visne bort i bare skygger, og bare en slags forening av de to vil bevare en uavhengig virkelighet ."
Romtiden han beskrev er fortsatt kjent som Minkowski romtid og fungerer som bakteppe for beregninger i både relativitet og kvantefeltteori. Sistnevnte beskriver dynamikken i subatomiske partikler som felt, ifølge astrofysiker og vitenskapsforfatter Ethan Siegel.
Hvordan romtid fungerer
I dag, når folk snakker om romtid, beskriver de det ofte som å ligne et gummiark. Også dette kommer fra Einstein, som innså da han utviklet sin teori om generell relativitet at tyngdekraften skyldtes kurver i rom-tidens stoff.
Massive gjenstander - som jorden, solen eller deg - skaper forvrengninger i romtid som får den til å bøye seg. Disse kurvene begrenser på sin side måtene alt i universet beveger seg på, fordi objekter må følge stier langs denne snevde krumningen. Bevegelse på grunn av tyngdekraften er faktisk bevegelse langs vridninger av rom-tid.
Et NASA-oppdrag kalt Gravity Probe B (GP-B) målte formen på romtid-virvelen rundt jorden i 2011 og fant ut at den stemmer overens med Einsteins spådommer.
Men mye av dette er fortsatt vanskelig for folk flest å sno seg rundt hodet. Selv om vi kan diskutere romtid som å være lik et ark med gummi, brytes analogien til slutt. Et gummiark er todimensjonalt, mens romtid er firedimensjonalt. Det er ikke bare varp i rommet som arket representerer, men også varp i tid. De komplekse ligningene som brukes til å gjøre rede for alt dette er vanskelig for selv fysikere å jobbe med.
"Einstein laget en vakker maskin, men han la oss ikke akkurat en bruksanvisning," skrev astrofysiker Paul Sutter for Live Science søsterside, Space.com. "Bare for å kjøre poenget hjem, er generell relativitet så kompleks at når noen oppdager en løsning på likningene, får de løsningen oppkalt etter seg og blir semi-legendarisk i seg selv."
Hva forskere fremdeles ikke vet
Til tross for dets intrikatitet, er relativitet fortsatt den beste måten å redegjøre for de fysiske fenomenene vi kjenner til. Likevel vet forskere at modellene deres er ufullstendige fordi relativitet fremdeles ikke er fullstendig forsonet med kvantemekanikk, noe som forklarer egenskapene til subatomære partikler med ekstrem presisjon, men ikke innbefatter tyngdekraften.
Kvantemekanikk hviler på det faktum at de bittesmå bitene som utgjør universet er diskrete eller kvantiserte. Så fotoner, partiklene som utgjør lys, er som små biter av lys som kommer i forskjellige pakker.
Noen teoretikere har spekulert i at kanskje også romtid også kommer i disse kvantiserte delene, noe som hjelper til med å bygge bro over relativitet og kvantemekanikk. Forskere ved European Space Agency har foreslått Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time (GrailQuest) -oppdraget, som vil fly rundt planeten vår og foreta ultra-nøyaktige målinger av fjerne, kraftige eksplosjoner kalt gamma-ray bursts som kunne avsløre romtidens nærtliggende natur.
Et slikt oppdrag ville ikke starte i minst et og et halvt tiår, men hvis det gjorde det, kan det kanskje bidra til å løse noen av de største mysteriene som gjenstår i fysikken.
