Τι είναι το διάστημα;

Ζητήστε από μια ομάδα φυσικών και φιλοσόφων να ορίσουν τον «χώρο» και πιθανότατα θα κολλήσετε σε μια μακρά συζήτηση που περιλαμβάνει βαρείς αλλά χωρίς νόημα συνδυασμούς λέξεων όπως «η ίδια η υφή του χωροχρόνου είναι μια φυσική εκδήλωση των εννοιών της κβαντικής εντροπίας υφασμένα από την καθολική φύση της τοποθεσίας». Με δεύτερη σκέψη, ίσως θα έπρεπε να αποφύγετε να ξεκινήσετε βαθιές συζητήσεις μεταξύ φιλοσόφων και φυσικών.

Είναι ο χώρος απλώς ένα άπειρο κενό που βρίσκεται κάτω από τα πάντα; Ή μήπως είναι το κενό ανάμεσα πράγματα; Τι θα συμβεί αν ο χώρος δεν είναι κανένα από τα δύο, αλλά είναι ένα φυσικό πράγμα που μπορεί να γλιστρήσει, σαν μια μπανιέρα γεμάτη νερό;

Αποδεικνύεται ότι η ίδια η φύση του διαστήματος είναι ένα από τα μεγαλύτερα και πιο παράξενα μυστήρια στο σύμπαν. Ετοιμαστείτε, λοιπόν, γιατί τα πράγματα πρόκειται να γίνουν … διαστημικά.

Space, It's a Thing

Όπως πολλές βαθιές ερωτήσεις, η ερώτηση για το τι είναι ο χώρος ακούγεται στην αρχή απλή. Αλλά αν αμφισβητήσετε τη διαίσθησή σας και επανεξετάσετε την ερώτηση, ανακαλύπτετε ότι είναι δύσκολο να βρεθεί μια σαφής απάντηση.

Οι περισσότεροι άνθρωποι φαντάζονται ότι ο χώρος είναι απλώς το κενό στο οποίο συμβαίνουν τα πράγματα, όπως μια μεγάλη άδεια αποθήκη ή μια σκηνή θεάτρου στην οποία διαδραματίζονται τα γεγονότα του σύμπαντος. Σε αυτήν την άποψη, ο χώρος είναι κυριολεκτικά η έλλειψη πραγμάτων . Είναι ένα κενό που κάθεται εκεί περιμένοντας να γεμίσει, όπως στο "Εξοικονομώ χώρο για επιδόρπιο" ή "Βρήκα έναν υπέροχο χώρο στάθμευσης."

Εάν ακολουθείτε αυτή την έννοια, τότε ο χώρος είναι κάτι που μπορεί να υπάρχει από μόνο του χωρίς καμία ύλη που να τον γεμίζει. Για παράδειγμα, αν φανταστείτε ότι το σύμπαν έχει μια πεπερασμένη ποσότητα ύλης μέσα του, θα μπορούσατε να φανταστείτε ότι ταξιδεύετε τόσο μακριά ώστε να φτάσετε σε ένα σημείο πέρα ​​από το οποίο δεν υπάρχουν άλλα πράγματα και όλη η ύλη στο σύμπαν είναι πίσω σας. Θα αντιμετωπίζατε καθαρό κενό χώρο, και πέρα ​​από αυτό, ο χώρος μπορεί να εκτείνεται στο άπειρο. Σε αυτήν την άποψη, ο χώρος είναι το κενό που απλώνεται για πάντα.

Θα μπορούσε να υπάρχει κάτι τέτοιο;

Αυτή η εικόνα του χώρου είναι λογική και φαίνεται να ταιριάζει με την εμπειρία μας. Αλλά ένα μάθημα της ιστορίας είναι ότι κάθε φορά που πιστεύουμε ότι κάτι είναι προφανώς αληθινό (π.χ. η Γη είναι επίπεδη ή το να τρώτε πολλά μπισκότα Girl Scout είναι καλό για εσάς), θα πρέπει να είμαστε δύσπιστοι και να κάνουμε ένα βήμα πίσω για να το εξετάσουμε προσεκτικά. Επιπλέον, θα πρέπει να εξετάσουμε ριζικά διαφορετικές εξηγήσεις που περιγράφουν επίσης την ίδια εμπειρία. Ίσως υπάρχουν θεωρίες που δεν έχουμε σκεφτεί. Ή ίσως υπάρχουν σχετικές θεωρίες όπου η εμπειρία μας για το σύμπαν είναι μόνο ένα παράξενο παράδειγμα. Μερικές φορές το δύσκολο είναι να προσδιορίσουμε τις υποθέσεις μας, ειδικά όταν φαίνονται φυσικές και απλές.

Σε αυτήν την περίπτωση, υπάρχουν και άλλες εύλογες ιδέες για το τι θα μπορούσε να είναι ο χώρος. Τι γίνεται αν ο χώρος δεν μπορεί να υπάρξει χωρίς ύλη—τι κι αν δεν είναι τίποτα άλλο από τη σχέση ανάμεσα στην ύλη; Με αυτήν την άποψη, δεν μπορείτε να έχετε καθαρό «κενό χώρο» επειδή η ιδέα οποιουδήποτε χώρου πέρα ​​από το τελευταίο κομμάτι της ύλης δεν έχει νόημα. Για παράδειγμα, δεν μπορείτε να μετρήσετε την απόσταση μεταξύ δύο σωματιδίων εάν δεν έχετε κανένα σωματίδιο. Η έννοια του «χώρου» θα τελείωνε όταν δεν απομένουν άλλα σωματίδια ύλης για να τον ορίσουν. Τι θα ήταν πέρα ​​από αυτό; Δεν είναι κενός χώρος.

Αυτός είναι ένας αρκετά περίεργος και αντιδιαισθητικός τρόπος σκέψης για το διάστημα, ειδικά δεδομένου ότι δεν έχουμε βιώσει ποτέ την έννοια του μη χώρου. Αλλά το περίεργο δεν στάθηκε ποτέ εμπόδιο στη φυσική, γι' αυτό έχετε ανοιχτό μυαλό.

Ποιο διάστημα είναι το μέρος;

Ποια από αυτές τις ιδέες για το διάστημα είναι σωστή; Είναι ο χώρος σαν ένα άπειρο κενό που περιμένει να γεμίσει; Ή μήπως υπάρχει μόνο στο πλαίσιο της ύλης;

Αποδεικνύεται ότι είμαστε αρκετά σίγουροι ότι ο χώρος δεν είναι κανένα από αυτά τα πράγματα. Το διάστημα σίγουρα όχι ένα κενό κενό και σίγουρα όχι απλώς μια σχέση μεταξύ της ύλης. Το γνωρίζουμε αυτό γιατί έχουμε δει το διάστημα να κάνει πράγματα που δεν ταιριάζουν σε καμία από αυτές τις ιδέες. Παρατηρήσαμε το διάστημα λυγίζει και κυματίζει και διαστέλλεται .

Αυτό είναι το μέρος όπου πηγαίνει ο εγκέφαλός σας, "Ταααααα…;"

Εάν προσέχετε, θα πρέπει να μπερδευτείτε λίγο όταν διαβάζετε τις φράσεις "κάμψη του χώρου" και "διεύρυνση του χώρου". Τι θα μπορούσε να σημαίνει αυτό; Πώς έχει νόημα; Αν ο χώρος είναι ιδέα, τότε δεν μπορεί να λυγίσει ή να διευρυνθεί περισσότερο από ό,τι μπορεί να κοπεί σε κύβους και να σοταριστεί με κόλιαντρο. Εάν το διάστημα είναι ο χάρακάς μας για τη μέτρηση της θέσης των αντικειμένων, πώς μετράτε την κάμψη ή την επέκταση του χώρου;

Καλές ερωτήσεις! Ο λόγος που αυτή η ιδέα της κάμψης του χώρου είναι τόσο μπερδεμένη είναι ότι οι περισσότεροι από εμάς μεγαλώνουμε με μια νοητική εικόνα του χώρου ως ένα αόρατο σκηνικό στο οποίο συμβαίνουν πράγματα. Ίσως φαντάζεστε ότι ο χώρος είναι σαν τη σκηνή του θεάτρου που αναφέραμε πριν, με σκληρές ξύλινες σανίδες ως πάτωμα και άκαμπτους τοίχους από όλες τις πλευρές. Και ίσως φαντάζεστε ότι τίποτα στο σύμπαν δεν θα μπορούσε να κάμψει αυτό το στάδιο επειδή αυτό το αφηρημένο πλαίσιο δεν είναι μέρος του σύμπαντος αλλά κάτι που περιέχει το σύμπαν.

Δυστυχώς, εκεί πάει στραβά η νοητική σας εικόνα. Για να κατανοήσετε τη γενική σχετικότητα και να σκεφτείτε τις σύγχρονες ιδέες του χώρου, πρέπει να εγκαταλείψετε την ιδέα του χώρου ως αφηρημένο στάδιο και να αποδεχτείτε ότι είναι ένα φυσικό πράγμα . Πρέπει να φανταστείτε ότι ο χώρος έχει ιδιότητες και συμπεριφορές και ότι αντιδρά στην ύλη του σύμπαντος. Μπορείτε να τσιμπήσετε χώρο, να το στύψετε και, ναι, ακόμη και να το γεμίσετε με κόλιανδρο.

Σε αυτό το σημείο, ο εγκέφαλός σας μπορεί να ακούγεται "τι το #@#$?!?! ” ανοησίες συναγερμοί. Αυτό είναι απολύτως κατανοητό. Ετοιμαστείτε να μας αντέξετε, γιατί η πραγματική τρέλα δεν έχει έρθει ακόμα. Οι ανοησίες συναγερμοί σας θα εξαντληθούν μέχρι να τελειώσουμε. Αλλά πρέπει να ξεσυσκευάσουμε αυτές τις έννοιες προσεκτικά για να κατανοήσουμε τις ιδέες εδώ και να εκτιμήσουμε τα πραγματικά παράξενα και βασικά μυστήρια σχετικά με το διάστημα που παραμένουν αναπάντητα.

Space Goo, You're Swimming in It

Πώς μπορεί ο χώρος να είναι ένα φυσικό πράγμα που κυματίζει και λυγίζει, και τι σημαίνει αυτό;

Σημαίνει ότι αντί να είναι σαν ένα άδειο δωμάτιο (ένα πραγματικά μεγάλο δωμάτιο) ο χώρος μοιάζει περισσότερο με μια τεράστια σταγόνα χοντρού λίπους. Κανονικά, τα πράγματα μπορούν να κινούνται στο γκάζι χωρίς προβλήματα, όπως ακριβώς μπορούμε να κινούμαστε σε ένα δωμάτιο γεμάτο αέρα χωρίς να παρατηρούμε όλα τα σωματίδια του αέρα. Όμως, υπό ορισμένες συνθήκες, αυτό το γκάζι μπορεί να λυγίσει, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα πράγματα μέσα από αυτό. Μπορεί επίσης να σφίγγει και να κάνει κύματα, αλλάζοντας το σχήμα των πραγμάτων μέσα σε αυτό.

Αυτό το goo (θα το ονομάσουμε "space goo") δεν είναι μια τέλεια αναλογία για τη φύση του χώρου, αλλά είναι μια αναλογία που σας βοηθά να φανταστείτε ότι ο χώρος στον οποίο κάθεστε αυτή τη στιγμή δεν είναι απαραίτητα σταθερός και αφηρημένος . Αντίθετα, κάθεστε σε κάποιο συγκεκριμένο πράγμα , και αυτό το πράγμα μπορεί να τεντωθεί ή να κουνηθεί ή να παραμορφωθεί με τρόπους που μπορεί να μην αντιλαμβάνεστε.

Ίσως ένας κυματισμός χώρου μόλις πέρασε από μέσα σου. Ή ίσως μας τεντώνουν προς μια περίεργη κατεύθυνση αυτή τη στιγμή και δεν το γνωρίζουμε καν. Στην πραγματικότητα, μέχρι πρόσφατα δεν είχαμε καν προσέξει ότι ο σκύλος έκανε οτιδήποτε άλλο από το να κάθεται εκεί, να μην πηγαίνει πουθενά, γι' αυτό το μπερδεύαμε με το τίποτα.

Τι μπορεί λοιπόν να κάνει αυτό το space goo; Αποδεικνύεται ότι μπορεί να κάνει πολλά παράξενα πράγματα.

Πρώτον, ο χώρος μπορεί να επεκταθεί. Ας σκεφτούμε προσεκτικά για ένα λεπτό τι σημαίνει η επέκταση του χώρου. Αυτό σημαίνει ότι τα πράγματα απομακρύνονται περισσότερο το ένα από το άλλο χωρίς να κινούνται πραγματικά μέσα από το σκοτάδι . Στην αναλογία μας, φανταστείτε ότι κάθεστε στο goo, και ξαφνικά το goo άρχισε να μεγαλώνει και να επεκτείνεται. Εάν καθόσαστε απέναντι από ένα άλλο άτομο, αυτό το άτομο θα ήταν τώρα πιο μακριά από εσάς χωρίς κανένας από τους δύο να έχει μετακομίσει σε σχέση με το σκάνδαλο.

Πώς θα μπορούσαμε να ξέρουμε ότι το goo επεκτάθηκε; Δεν θα ήταν ένας χάρακας που χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε το γκάζι επίσης επεκτείνουν? Είναι αλήθεια ότι ο χώρος μεταξύ όλων των ατόμων στον χάρακα θα διευρυνόταν, απομακρύνοντάς τα. Και αν ο χάρακάς μας ήταν κατασκευασμένος από εξαιρετικά μαλακό ταφί, θα επεκτεινόταν επίσης. Αλλά εάν χρησιμοποιείτε έναν άκαμπτο χάρακα, όλα τα άτομά του θα συγκρατούνται σφιχτά το ένα από το άλλο (με ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις) και ο χάρακας θα παραμένει στο ίδιο μήκος, επιτρέποντάς σας να παρατηρήσετε ότι δημιουργήθηκε περισσότερος χώρος.

Και γνωρίζουμε ότι ο χώρος μπορεί να επεκταθεί επειδή έχουμε δεί διαστέλλεται—έτσι ανακαλύφθηκε η σκοτεινή ενέργεια. Γνωρίζουμε ότι στην αρχή του σύμπαντος το διάστημα επεκτεινόταν και τεντωνόταν με συγκλονιστικούς ρυθμούς, και ότι μια παρόμοια διαστολή συμβαίνει ακόμα και σήμερα.

Γνωρίζουμε επίσης ότι ο χώρος μπορεί να λυγίσει . Το γκομενάκι μας μπορεί να στριμωχτεί και να παραμορφωθεί όπως και το taffy. Το γνωρίζουμε αυτό γιατί στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν αυτό είναι η βαρύτητα:η κάμψη του διαστήματος. Όταν κάτι έχει μάζα, προκαλεί παραμόρφωση του χώρου γύρω του και αλλαγή σχήματος.

Όταν ο χώρος αλλάζει σχήμα, τα πράγματα δεν κινούνται πλέον μέσα του όπως φαντάζεστε αρχικά. Αντί να κινείται σε ευθεία γραμμή, ένα μπέιζμπολ που περνάει μέσα από μια μάζα λυγισμένης γουλιάς θα καμπυλωθεί μαζί του. Εάν το γκάζι παραμορφωθεί σοβαρά από κάτι βαρύ, όπως μια μπάλα μπόουλινγκ, το μπέιζμπολ μπορεί ακόμη και να κινηθεί σε έναν βρόχο γύρω από αυτό—όπως το φεγγάρι περιστρέφεται γύρω από τη Γη ή η Γη περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο.

Και αυτό είναι κάτι που μπορούμε πραγματικά να δούμε με γυμνά μάτια! Το φως, για παράδειγμα, λυγίζει την πορεία του όταν περνά κοντά σε ογκώδη αντικείμενα όπως ο ήλιος μας ή γιγάντιες σταγόνες σκοτεινής ύλης. Εάν η βαρύτητα ήταν απλώς μια δύναμη μεταξύ αντικειμένων με μάζα - αντί για κάμψη του χώρου - τότε δεν θα έπρεπε να μπορεί να τραβήξει φωτόνια, τα οποία δεν έχουν μάζα. Ο μόνος τρόπος για να εξηγήσουμε πώς μπορεί να κάμπτεται η διαδρομή του φωτός είναι αν είναι ο ίδιος ο χώρος που κάμπτεται.

Τέλος, γνωρίζουμε ότι ο χώρος μπορεί να κυματιστεί . Αυτό δεν είναι πολύ τραβηγμένο δεδομένου ότι γνωρίζουμε ότι ο χώρος μπορεί να τεντωθεί και να λυγίσει. Αλλά αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι το τέντωμα και η κάμψη μπορούν να διαδοθούν σε όλο το διάστημα μας? αυτό ονομάζεται βαρυτικό κύμα. Εάν προκαλέσετε μια ξαφνική παραμόρφωση του χώρου, αυτή η παραμόρφωση θα ακτινοβολήσει προς τα έξω σαν ηχητικό κύμα ή κυματισμός στο εσωτερικό ενός υγρού. Αυτό το είδος συμπεριφοράς θα μπορούσε να συμβεί μόνο εάν ο χώρος έχει μια συγκεκριμένη φυσική φύση και δεν είναι απλώς μια αφηρημένη έννοια ή καθαρό κενό.

Γνωρίζουμε ότι αυτή η κυματιστική συμπεριφορά είναι πραγματική επειδή (α) η γενική σχετικότητα προβλέπει αυτούς τους κυματισμούς και (β) έχουμε πραγματικά αισθανθεί αυτούς τους κυματισμούς. Κάπου στο σύμπαν, δύο τεράστιες μαύρες τρύπες ήταν κλειδωμένες σε μια ξέφρενη περιστροφή η μία γύρω από την άλλη, και καθώς περιστρέφονταν, προκάλεσαν τεράστιες παραμορφώσεις στο διάστημα που ακτινοβολούσαν προς τα έξω στο διάστημα. Χρησιμοποιώντας πολύ ευαίσθητο εξοπλισμό, εντοπίσαμε αυτούς τους διαστημικούς κυματισμούς εδώ στη Γη.

Μπορείτε να σκεφτείτε αυτούς τους κυματισμούς ως κύματα διαστημικού τεντώματος και συμπίεσης. Στην πραγματικότητα, όταν ένας διαστημικός κυματισμός διέρχεται, ο χώρος συρρικνώνεται προς μία κατεύθυνση και διαστέλλεται προς άλλη κατεύθυνση.

Ακούγεται πολύ άσχημο. Είσαι σίγουρος;

Όσο τρελό κι αν ακούγεται ότι ο χώρος είναι ένα πράγμα και όχι απλώς καθαρό κενό, αυτό μας λέει η εμπειρία μας για το σύμπαν. Οι πειραματικές παρατηρήσεις μας καθιστούν αρκετά σαφές ότι η απόσταση μεταξύ των αντικειμένων στο διάστημα δεν μετριέται σε ένα αόρατο αφηρημένο σκηνικό, αλλά εξαρτάται από τις ιδιότητες του διαστημικού σκάφους στο οποίο ζούμε όλοι, τρώμε μπισκότα και ψιλοκόβουμε κόλιανδρο.

Ωστόσο, ενώ η σκέψη του χώρου ως ένα δυναμικό πράγμα με φυσικές ιδιότητες και συμπεριφορές μπορεί να εξηγήσει περίεργα φαινόμενα όπως η κάμψη και το τέντωμα του χώρου, οδηγεί μόνο σε περισσότερες ερωτήσεις.

Για παράδειγμα, μπορεί να μπείτε στον πειρασμό να πείτε ότι αυτό που ονομάζαμε διάστημα θα πρέπει τώρα να ονομάζεται physics goo ("phgoo"), αλλά ότι αυτό το goo πρέπει να είναι in κάτι που θα μπορούσαμε τώρα να ονομάσουμε ξανά χώρο. Αυτό θα ήταν έξυπνο, αλλά από όσο γνωρίζουμε (το οποίο μέχρι σήμερα δεν είναι πολύ μακριά), το goo δεν χρειάζεται να είναι σε τίποτα άλλο. Όταν λυγίζει και καμπυλώνει, αυτό είναι εσωτερική κάμψη που αλλάζει τις σχέσεις μεταξύ των τμημάτων του χώρου, όχι την κάμψη του γκαζόν σε σχέση με κάποιο μεγαλύτερο δωμάτιο που γεμίζει.

Αλλά μόνο και μόνο επειδή ο χώρος μας δεν χρειάζεται το να κάθεσαι μέσα σε κάτι άλλο δεν σημαίνει ότι δεν είναι κάθεται μέσα σε κάτι άλλο. Ίσως αυτό που ονομάζουμε διάστημα βρίσκεται στην πραγματικότητα μέσα σε κάποιο μεγαλύτερο «υπερχώρο». Και ίσως αυτός ο υπερχώρος είναι σαν ένα άπειρο κενό, αλλά δεν έχουμε ιδέα.

Είναι δυνατόν να υπάρχουν μέρη του σύμπαντος χωρίς χώρο; Με άλλα λόγια, εάν ο χώρος είναι ένα γκάζι, είναι δυνατόν να υπάρχει το μη-γκου, ή η απουσία του γκου; Το νόημα αυτών των εννοιών δεν είναι πολύ σαφές επειδή όλοι οι φυσικοί μας νόμοι προϋποθέτουν την ύπαρξη του χώρου, επομένως ποιοι νόμοι θα μπορούσαν να λειτουργήσουν έξω από το διάστημα; Δεν έχουμε ιδέα.

Γεγονός είναι ότι αυτή η νέα κατανόηση του χώρου ως πράγματος ήρθε πρόσφατα, και είμαστε στην αρχή της κατανόησης του χώρου. Από πολλές απόψεις, εξακολουθούμε να παρασυρόμαστε από τις διαισθητικές μας αντιλήψεις. Αυτές οι αντιλήψεις μας εξυπηρέτησαν καλά όταν οι πρώτοι άνδρες και γυναίκες κυνηγούσαν για κυνήγι και αναζητούσαν τροφή για τον προϊστορικό κόλιανδρο, αλλά πρέπει να σπάσουμε τα δεσμά αυτών των εννοιών και να συνειδητοποιήσουμε ότι ο χώρος είναι πολύ διαφορετικός από αυτό που φανταζόμασταν.

Σκέφτομαι ευθύς για τον λυγισμένο χώρο

Εάν ο εγκέφαλός σας δεν πονάει ακόμα από όλες αυτές τις σκοτεινές έννοιες που κάμπτουν το διάστημα, εδώ υπάρχει ένα άλλο μυστήριο σχετικά με το διάστημα:Είναι ο χώρος επίπεδος ή καμπύλος (και αν είναι καμπύλος, με ποια κατεύθυνση καμπυλώνει);

Αυτές είναι τρελές ερωτήσεις, αλλά δεν είναι και τόσο δύσκολο να τις κάνεις όταν αποδεχτείς την ιδέα ότι ο χώρος είναι εύπλαστος. Εάν ο χώρος μπορεί να κάμπτεται γύρω από αντικείμενα με μάζα, θα μπορούσε να έχει μια συνολική καμπυλότητα; Είναι σαν να ρωτάμε αν το πουλάκι μας είναι επίπεδο:Ξέρετε ότι μπορεί να κουνηθεί και να παραμορφωθεί αν πιέσετε οποιοδήποτε σημείο πάνω του, αλλά πέφτει συνολικά; Ή μήπως κάθεται τέλεια ίσια; Μπορείτε επίσης να κάνετε αυτές τις ερωτήσεις σχετικά με το διάστημα.

Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις σχετικά με το διάστημα θα είχε τεράστιο αντίκτυπο στην αντίληψή μας για το σύμπαν. Για παράδειγμα, αν ο χώρος είναι επίπεδος, σημαίνει ότι αν ταξιδεύετε προς μια κατεύθυνση για πάντα, θα μπορούσατε απλώς να συνεχίσετε, πιθανώς στο άπειρο.

Αλλά αν ο χώρος είναι καμπύλος, τότε μπορεί να συμβούν άλλα ενδιαφέροντα πράγματα. Εάν ο χώρος έχει μια συνολική θετική καμπυλότητα, τότε το να φύγετε προς μια κατεύθυνση μπορεί πραγματικά να σας κάνει να κυκλώσετε και να επιστρέψετε στο ίδιο σημείο από την αντίθετη κατεύθυνση! Αυτή είναι χρήσιμη πληροφορία εάν, για παράδειγμα, δεν σας αρέσει η ιδέα των ανθρώπων που έρχονται κρυφά πίσω σας.

Η εξήγηση της ιδέας του καμπυλωμένου χώρου είναι πολύ δύσκολη επειδή ο εγκέφαλός μας απλά δεν είναι καλά εξοπλισμένος για να απεικονίσει έννοιες σαν αυτές. Γιατί να είναι; Το μεγαλύτερο μέρος της καθημερινής μας εμπειρίας (όπως η αποφυγή των αρπακτικών ή η εύρεση των κλειδιών μας) ασχολείται με έναν τρισδιάστατο κόσμο που φαίνεται αρκετά σταθερός (αν και αν ποτέ δεχτούμε επίθεση από εξελιγμένους εξωγήινους που μπορούν να χειραγωγήσουν την καμπυλότητα του διαστήματος, ελπίζουμε και εμείς να μπορέσουμε να καταλάβω γρήγορα).

Τι θα σήμαινε για τον χώρο να έχει καμπυλότητα; Ένας τρόπος για να το οραματιστούμε είναι να προσποιηθούμε για μια στιγμή ότι ζούμε σε έναν δισδιάστατο κόσμο, σαν να είμαστε παγιδευμένοι σε ένα φύλλο χαρτιού. Αυτό σημαίνει ότι μπορούμε να κινηθούμε μόνο προς δύο κατευθύνσεις. Τώρα, αν αυτό το σεντόνι στο οποίο ζούμε είναι τελείως ίσιο, λέμε ότι ο χώρος μας είναι επίπεδος.

Αν όμως για κάποιο λόγο αυτό το φύλλο χαρτιού είναι λυγισμένο, τότε λέμε ότι ο χώρος είναι καμπύλος.

Και υπάρχουν δύο τρόποι με τους οποίους μπορεί να λυγίσει το χαρτί. Μπορεί να είναι όλα καμπυλωμένα προς μία κατεύθυνση (που ονομάζεται «θετική καμπυλότητα») ή μπορεί να λυγίσει προς διαφορετικές κατευθύνσεις, όπως μια σέλα αλόγου ή ένα τσιπ πατάτας Pringles (αυτό ονομάζεται «αρνητική καμπυλότητα» ή «σπάσιμο της διατροφής σας»).

Εδώ είναι το ωραίο μέρος:αν ανακαλύψουμε ότι ο χώρος είναι επίπεδος παντού, σημαίνει ότι το φύλλο χαρτιού (χώρος) θα μπορούσε ενδεχομένως να παραμείνει για πάντα. Αλλά αν ανακαλύψουμε ότι ο χώρος έχει μια θετική καμπυλότητα παντού, τότε υπάρχει μόνο ένα σχήμα που έχει θετική καμπυλότητα παντού:μια σφαίρα. Ή για να είμαι πιο τεχνικός, ένα σφαιροειδές (δηλαδή, μια πατάτα). Αυτός είναι ένας τρόπος με τον οποίο το σύμπαν μας θα μπορούσε να περιπλανηθεί γύρω του. Θα μπορούσαμε όλοι να ζούμε στο τρισδιάστατο ισοδύναμο μιας πατάτας, που σημαίνει ότι όποια κατεύθυνση κι αν πάτε, καταλήγετε να επιστρέφετε στο ίδιο σημείο.

Σε αυτή την περίπτωση, αποδεικνύεται ότι έχουμε μια απάντηση, η οποία είναι ότι ο χώρος φαίνεται να είναι «αρκετά επίπεδος», καθώς ο χώρος είναι εντός 0,4 τοις εκατό από το να είναι επίπεδος. Οι επιστήμονες, μέσω δύο πολύ διαφορετικών μεθόδων, υπολόγισαν ότι η καμπυλότητα του διαστήματος (τουλάχιστον ο χώρος που μπορούμε να δούμε) είναι σχεδόν μηδενική.

Ποιοι είναι αυτοί οι δύο τρόποι; Ένας από τους τρόπους είναι η μέτρηση τριγώνων. Ένα ενδιαφέρον πράγμα σχετικά με την καμπυλότητα είναι ότι τα τρίγωνα σε έναν καμπύλο χώρο δεν ακολουθούν τους ίδιους κανόνες με τα τρίγωνα σε επίπεδο χώρο. Σκεφτείτε ξανά την αναλογία του φύλλου χαρτιού. Ένα τρίγωνο που σχεδιάζεται σε ένα επίπεδο φύλλο χαρτιού θα φαίνεται διαφορετικό από ένα τρίγωνο που σχεδιάζεται σε μια καμπύλη επιφάνεια.

Οι επιστήμονες έκαναν το ισοδύναμο της μέτρησης των τριγώνων που σχεδιάστηκαν στο τρισδιάστατο σύμπαν μας κοιτάζοντας μια εικόνα του πρώιμου σύμπαντος  και μελετώντας τη χωρική σχέση μεταξύ διαφορετικών σημείων σε αυτήν την εικόνα. Και αυτό που βρήκαν ήταν ότι τα τρίγωνα που μέτρησαν αντιστοιχούν σε αυτά του επίπεδου χώρου.

Ο άλλος τρόπος με τον οποίο γνωρίζουμε ότι το διάστημα είναι βασικά επίπεδος είναι κοιτάζοντας το πράγμα που προκαλεί την καμπύλη του χώρου στην πρώτη θέση:την ενέργεια στο σύμπαν. Σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, υπάρχει μια συγκεκριμένη ποσότητα ενέργειας στο σύμπαν (ενεργειακή πυκνότητα, στην πραγματικότητα) που θα προκαλέσει κάμψη του χώρου προς τη μία ή την άλλη κατεύθυνση. Αποδεικνύεται ότι η ποσότητα της ενεργειακής πυκνότητας που μπορούμε να μετρήσουμε στο σύμπαν μας είναι ακριβώς η σωστή ποσότητα που χρειάζεται για να κάνει ο χώρος που μπορούμε να δούμε να μην κάμπτεται καθόλου (μέσα σε ένα περιθώριο σφάλματος 0,4 τοις εκατό).

Μερικοί από εσάς μπορεί να απογοητευτείτε όταν μάθαμε ότι δεν ζούμε σε μια δροσερή τρισδιάστατη κοσμική πατάτα που περιστρέφεται αν πάτε για πάντα προς μια κατεύθυνση. Σίγουρα, ποιος δεν έχει ονειρευτεί να κάνει περιστροφές σε στυλ Evel Knievel σε ολόκληρο το σύμπαν με μια μοτοσικλέτα πυραύλων; Αλλά αντί να νιώθετε απογοητευμένοι από το γεγονός ότι ζούμε σε ένα βαρετό επίπεδο σύμπαν, ίσως να θέλετε να σας ενδιαφέρει λίγο. Γιατί; Επειδή από όσο γνωρίζουμε, το γεγονός ότι ζούμε σε ένα επίπεδο σύμπαν είναι μια γιγάντια σύμπτωση σε κοσμικό επίπεδο.

Σκέψου το. Όλη η μάζα και η ενέργεια στο σύμπαν είναι αυτό που δίνει στο διάστημα την καμπυλότητά του (θυμηθείτε ότι η μάζα και η ενέργεια παραμορφώνουν το χώρο), και αν είχαμε λίγο περισσότερη μάζα και ενέργεια από ό,τι έχουμε τώρα, το διάστημα θα είχε καμπυλωθεί μονόδρομα. Και αν είχαμε λίγο λιγότερο από αυτό που έχουμε τώρα, ο χώρος θα είχε καμπυλωθεί αντίστροφα. Αλλά φαίνεται ότι έχουμε απλώς το σωστό ποσό για να γίνει ο χώρος απόλυτα επίπεδος όσο μπορούμε να πούμε. Στην πραγματικότητα, η ακριβής ποσότητα είναι περίπου πέντε άτομα υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο χώρου. Αν είχαμε έξι άτομα υδρογόνου ανά κυβικό μέτρο χώρου, ή τέσσερα , ολόκληρο το σύμπαν θα ήταν πολύ διαφορετικό (πιο καμπυλωτό και πιο σέξι, αλλά διαφορετικό).

Και γίνεται πιο περίεργο. Εφόσον η καμπυλότητα του χώρου επηρεάζει την κίνηση της ύλης και η ύλη επηρεάζει την καμπυλότητα του χώρου, υπάρχουν φαινόμενα ανάδρασης. Αυτό σημαίνει ότι αν υπήρχε λίγο υπερβολική ύλη ή όχι αρκετή ύλη στις πρώτες μέρες του σύμπαντος, έτσι ώστε να μην είχαμε δίκιο σε αυτή την κρίσιμη πυκνότητα να κάνουμε το διάστημα επίπεδο, τότε θα είχε ωθήσει τα πράγματα ακόμα πιο μακριά από επίπεδη. Για να είναι ο χώρος αρκετά επίπεδος τώρα σημαίνει ότι έπρεπε να είναι εξαιρετικά επίπεδο στο πρώιμο σύμπαν, ή πρέπει να υπάρχει κάτι άλλο που να το κρατά επίπεδο.

Αυτό είναι ένα από τα μεγαλύτερα μυστήρια για το διάστημα. Όχι μόνο δεν ξέρουμε τι ακριβώς είναι ο χώρος, δεν ξέρουμε επίσης γιατί συμβαίνει να είναι έτσι όπως είναι. Οι γνώσεις μας σε αυτό το θέμα φαίνεται να πέφτουν… αμετάβλητες.

Το σχήμα του διαστήματος

Η καμπυλότητα του χώρου δεν είναι το μόνο πράγμα για το οποίο έχουμε βαθιά ερωτήματα όταν πρόκειται για τη φύση του χώρου. Μόλις αποδεχτείτε ότι ο χώρος δεν είναι ένα άπειρο κενό αλλά μάλλον ένα ίσως-άπειρο φυσικό πράγμα με ιδιότητες, μπορείτε να κάνετε κάθε είδους περίεργες ερωτήσεις σχετικά με αυτό. Για παράδειγμα, ποιο είναι το μέγεθος και το σχήμα του χώρου;

Το μέγεθος και το σχήμα του χώρου μας λέει πόσος χώρος υπάρχει και πώς συνδέεται με τον εαυτό του. Μπορεί να νομίζετε ότι εφόσον ο χώρος είναι επίπεδος και δεν έχει σχήμα πατάτας ή σέλας αλόγου (ή πατάτας σε σέλα αλόγου), η ιδέα του μεγέθους και του σχήματος του χώρου δεν έχει νόημα. Τελικά, αν ο χώρος είναι επίπεδος, σημαίνει ότι πρέπει να συνεχίζει για πάντα, σωστά; Όχι απαραίτητα!

Ο χώρος μπορεί να είναι επίπεδος και άπειρος. Ή θα μπορούσε να είναι επίπεδο και να έχει μια άκρη σε αυτό. Ή, ακόμα πιο περίεργο, θα μπορούσε να είναι επίπεδο και ακίνητο βρόχο γύρω από τον εαυτό του.

Πώς μπορεί ο χώρος να έχει πλεονέκτημα; Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο ο χώρος δεν μπορεί να έχει όριο ακόμα κι αν είναι επίπεδος. Για παράδειγμα, ένας δίσκος είναι μια επίπεδη δισδιάστατη επιφάνεια με λεία συνεχή άκρη. Ίσως ο τρισδιάστατος χώρος να έχει και ένα όριο κάποια στιγμή χάρη σε κάποια περίεργη γεωμετρική ιδιότητα στα άκρα του.

Ακόμα πιο ενδιαφέρουσα είναι η πιθανότητα ο χώρος να είναι επίπεδος και να εξακολουθεί να περιστρέφεται γύρω του. Θα ήταν σαν να παίζετε ένα από αυτά τα βιντεοπαιχνίδια (όπως Asteroids ή Pac-Man ) όπου αν μετακινηθείτε πέρα ​​από την άκρη της οθόνης εμφανίζεται απλώς στην άλλη πλευρά. Το διάστημα μπορεί να είναι σε θέση να συνδεθεί με τον εαυτό του με κάποιο τρόπο που δεν γνωρίζουμε ακόμη πλήρως. Για παράδειγμα, οι σκουληκότρυπες είναι θεωρητικές προβλέψεις της γενικής σχετικότητας. Σε μια σκουληκότρυπα, δύο διαφορετικά σημεία στο χώρο που απέχουν πολύ μεταξύ τους μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους. Τι γίνεται αν οι άκρες του χώρου συνδέονται όλες μεταξύ τους με παρόμοιο τρόπο; Δεν έχουμε ιδέα.

Κβαντικό διάστημα

Τέλος, μπορείτε να ρωτήσετε εάν ο χώρος στην πραγματικότητα αποτελείται από μικροσκοπικά διακριτά κομμάτια χώρου, όπως τα εικονοστοιχεία σε μια οθόνη τηλεόρασης, ή απείρως ομαλή, έτσι ώστε να υπάρχει άπειρος αριθμός θέσεων που μπορείτε να βρίσκεστε μεταξύ δύο σημείων στο διάστημα;

Οι επιστήμονες στην αρχαιότητα ίσως δεν είχαν φανταστεί ότι ο αέρας αποτελείται από μικροσκοπικά διακριτά μόρια. Εξάλλου, ο αέρας φαίνεται να είναι συνεχής. Λειτουργεί για να γεμίσει οποιονδήποτε όγκο και έχει ενδιαφέρουσες δυναμικές ιδιότητες (όπως ο άνεμος και ο καιρός). Ωστόσο, γνωρίζουμε ότι όλα αυτά τα πράγματα που αγαπάμε στον αέρα (πώς ακουμπάει απαλά στο μάγουλό σου σε ένα δροσερό καλοκαιρινό αεράκι ή πώς μας προστατεύει από ασφυξία) είναι στην πραγματικότητα η συνδυασμένη συμπεριφορά δισεκατομμυρίων μεμονωμένων μορίων αέρα και όχι οι θεμελιώδεις ιδιότητες του τα ίδια μεμονωμένα μόρια.

Το σενάριο του ομαλού χώρου φαίνεται να έχει περισσότερο νόημα για εμάς. Εξάλλου, η εμπειρία μας από τη μετακίνηση στο διάστημα είναι ότι γλιστράμε μέσα από αυτό με έναν εύκολο, συνεχή τρόπο. Δεν μεταπηδάμε από pixel σε pixel με σπασμωδικό τρόπο όπως κάνει ένας χαρακτήρας βιντεοπαιχνιδιού όταν κινείται στην οθόνη.

Ή εμείς;

Δεδομένης της τρέχουσας κατανόησής μας για το σύμπαν, στην πραγματικότητα θα ήταν περισσότερο εκπληκτικό αν ο χώρος αποδείχτηκε απείρως ομαλός. Αυτό συμβαίνει επειδή γνωρίζουμε ότι όλα τα άλλα είναι κβαντισμένα. Η ύλη κβαντίζεται, η ενέργεια κβαντοποιείται, οι δυνάμεις κβαντίζονται, τα cookies Girl Scout κβαντίζονται. Επιπλέον, η κβαντική φυσική προτείνει ότι μπορεί να υπάρχει μια μικρότερη απόσταση που έχει νόημα, η οποία είναι περίπου 10 μέτρα. Έτσι, από μια κβαντομηχανική προοπτική, θα ήταν λογικό αν ο χώρος κβαντιζόταν. Αλλά, και πάλι, πραγματικά δεν έχουμε ιδέα.

Αλλά η έλλειψη ιδέας δεν εμπόδισε τους φυσικούς να φαντάζονται τρελές πιθανότητες! Εάν ο χώρος είναι κβαντισμένος, αυτό σημαίνει ότι όταν κινούμαστε στο διάστημα, στην πραγματικότητα πηδάμε από μικρές μικρές τοποθεσίες σε άλλες μικρές μικρές τοποθεσίες. Σε αυτήν την άποψη, ο χώρος είναι ένα δίκτυο συνδεδεμένων κόμβων, όπως οι σταθμοί σε ένα σύστημα μετρό. Κάθε κόμβος αντιπροσωπεύει μια τοποθεσία και οι συνδέσεις μεταξύ των κόμβων αντιπροσωπεύουν τις σχέσεις μεταξύ αυτών των θέσεων (δηλαδή, ποια είναι δίπλα σε ποια άλλη). Αυτό είναι διαφορετικό από την ιδέα ότι ο χώρος είναι απλώς η σχέση μεταξύ της ύλης, επειδή αυτοί οι κόμβοι του χώρου μπορεί να είναι κενοί και να εξακολουθούν να υπάρχουν.

Είναι αρκετά ενδιαφέρον ότι αυτοί οι κόμβοι δεν θα χρειάζεται να κάθονται μέσα σε μεγαλύτερο χώρο ή πλαίσιο . Θα μπορούσαν απλώς… να είναι. Σε αυτό το σενάριο, αυτό που ονομάζουμε χώρο θα ήταν απλώς οι σχέσεις μεταξύ των κόμβων και όλα τα σωματίδια στο σύμπαν θα ήταν απλώς ιδιότητες αυτού του χώρου και όχι στοιχεία σε αυτόν. Για παράδειγμα, μπορεί να είναι λειτουργίες δόνησης αυτών των κόμβων.

Αυτό δεν είναι τόσο τραβηγμένο όσο ακούγεται. Η τρέχουσα θεωρία των σωματιδίων βασίζεται σε κβαντικά πεδία που γεμίζουν όλο το διάστημα. Ένα πεδίο σημαίνει απλώς ότι υπάρχει ένας αριθμός ή μια τιμή, που σχετίζεται με κάθε σημείο σε αυτό το διάστημα. Σε αυτήν την άποψη, τα σωματίδια είναι απλώς διεγερμένες καταστάσεις αυτών των πεδίων. Άρα δεν είμαστε πολύ μακριά από αυτό το είδος θεωρίας ήδη.

Παρεμπιπτόντως, οι φυσικοί αγαπούν αυτό το είδος ιδέας, όπου κάτι που μας φαίνεται θεμελιώδες (όπως το διάστημα) βγαίνει τυχαία από κάτι βαθύτερο. Τους δίνει την αίσθηση ότι έχουμε κρυφοκοιτάξει πίσω από την κουρτίνα για να ανακαλύψουμε ένα βαθύτερο στρώμα πραγματικότητας. Μερικοί μάλιστα υποπτεύονται ότι οι σχέσεις μεταξύ των κόμβων του χώρου σχηματίζονται από την κβαντική εμπλοκή των σωματιδίων, αλλά αυτό είναι μαθηματική εικασία από μια δέσμη θεωρητικών που έχουν υπερβολική καφεΐνη.

Τα Μυστήρια του Διαστήματος

Εάν έχετε διαβάσει μέχρι εδώ και είτε το έχετε κατανοήσει βαθιά είτε απλώς μετέτρεψε το ανόητο ξυπνητήρι σας σε σίγαση, τότε δεν θα πρέπει να διστάσουμε να εξερευνήσουμε την πιο τρελή ιδέα για το διάστημα (ναι, γίνεται πιο τρελό).

Εάν ο χώρος είναι ένα φυσικό πράγμα - όχι ένα σκηνικό ή πλαίσιο - με δυναμικές ιδιότητες όπως συστροφές και κυματισμούς, ίσως ακόμη και κατασκευασμένο από κβαντισμένα κομμάτια χώρου, τότε πρέπει να αναρωτηθούμε:Τι άλλο μπορεί το διάστημα;

Όπως ο αέρας, ίσως έχει διαφορετικές καταστάσεις και φάσεις. Κάτω από ακραίες συνθήκες, ίσως μπορεί να τακτοποιηθεί με πολύ απροσδόκητους τρόπους ή να έχει παράξενες απροσδόκητες ιδιότητες με τον ίδιο τρόπο που ο αέρας συμπεριφέρεται διαφορετικά είτε είναι σε υγρή, αέρια ή στερεή μορφή. Ίσως ο χώρος που γνωρίζουμε, αγαπάμε και καταλαμβάνουμε (μερικές φορές περισσότερο από όσο θα θέλαμε) είναι μόνο ένας σπάνιος τύπος χώρου και υπάρχουν άλλοι τύποι χώρου εκεί έξω στο σύμπαν που απλώς περιμένουν να καταλάβουμε πώς να τους δημιουργήσουμε και να τους χειριστούμε .

Το πιο ενδιαφέρον εργαλείο που έχουμε για να απαντήσουμε σε αυτό το ερώτημα είναι το γεγονός ότι ο χώρος παραμορφώνεται από μάζα και ενέργεια. Για να καταλάβουμε τι είναι ο χώρος και τι μπορεί να κάνει, το καλύτερο στοίχημά μας είναι να τον ωθήσουμε στα άκρα κοιτάζοντας προσεκτικά μέρη όπου κοσμικά τεράστιες μάζες τον συμπιέζουν και τον καταπονούν:μαύρες τρύπες. Αν μπορούσαμε να εξερευνήσουμε κοντά σε μαύρες τρύπες, θα μπορούσαμε να δούμε το διάστημα τεμαχισμένο και τεμαχισμένο με τρόπους που προκαλούν την έκρηξη των ανοησίων συναγερμών μας.

Και το συναρπαστικό είναι ότι είμαστε πιο κοντά από ποτέ στο να μπορέσουμε να διερευνήσουμε αυτές τις ακραίες παραμορφώσεις του διαστήματος. Ενώ πριν ήμασταν κουφοί στους κυματισμούς των βαρυτικών κυμάτων που κινούνται μέσα στο σύμπαν, τώρα έχουμε τη δυνατότητα να αφουγκραστούμε τα κοσμικά γεγονότα που ταρακουνούν και διαταράσσουν το κύμα του διαστήματος. Ίσως στο εγγύς μέλλον θα καταλάβουμε περισσότερα για την ακριβή φύση του διαστήματος και θα βρούμε αυτά τα βαθιά ερωτήματα που είναι κυριολεκτικά παντού γύρω μας.

Μην αφήνετε χώρο λοιπόν. Και εξοικονομήστε χώρο στον εγκέφαλό σας για τις απαντήσεις.

Ο Jorge Cham είναι ο δημιουργός του δημοφιλούς διαδικτυακού κόμικ Piled Higher and Deeper, γνωστό και ως PHD Comics. Κέρδισε το διδακτορικό του. στη ρομποτική στο Στάνφορντ.

Ο Ντάνιελ Γουάιτσον είναι καθηγητής πειραματικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Irvine, και μέλος της Αμερικανικής Εταιρείας Φυσικής. Διεξάγει έρευνα χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων στο CERN.

Από We Have No Idea:A Guide to the Unknown Universe από τους Jorge Cham και Daniel Whiteson, που δημοσιεύτηκε στις 9 Μαΐου 2017 από την Riverhead Books, αποτύπωμα της Penguin Publishing Group, τμήμα της Penguin Random House, LLC. Πνευματικά δικαιώματα © 2017 από τον Jorge Cham και τον Daniel Whiteson.

Πίστωση εικόνας δυνητικού πελάτη: Elysee Shen / Getty Images