Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas

W tym artykule:

1. Zakrzywienie czasoprzestrzeni – teoria Einsteina
2. Jak czarne dziury zakrzywiają czasoprzestrzeń
3. Teleparalelizm
4. Tunele czasoprzestrzenne

Dzięki pracy naukowców wiemy, że za zakłócenia orbity Merkurego odpowiada grawitacyjne zakrzywienie czasoprzestrzeni przez Słońce. Zaobserwowano też wywołane przez grawitację spowolnienie upływu czasu w pobliżu Ziemi. Udał się również udowodnić, że istnieją fale grawitacyjne, czyli fale samej czasoprzestrzeni. Wywołują je m.in. zderzające się czarne dziury – czyli obiekty zakrzywiające czasoprzestrzeń tak bardzo, że nic z ich pobliża nie może się już wydostać.

Zakrzywienie czasoprzestrzeni – teoria Einsteina

Z punktu widzenia fizyki grawitacja to kształt czasoprzestrzeni, czyli wszystkiego, co nas otacza. Czasoprzestrzeń to trzy wymiary przestrzenne i czas, który traktujemy jak czwarty wymiar. Każda masa prowadzi do zakrzywienia czasoprzestrzeni. Powoduje w niej „wgłębienie” – rozciągając i trójwymiarową przestrzeń, i czas.

Zaskakująca rotacja Merkurego

Sonda Messenger dokonała pomiarów ruchu Merkurego, na podstawie których naukowcy wysnuli nowe wnioski na temat oddziaływań tej planety z innymi ciałami w Układzie Słonecznym – szczegó...

Wyobraźmy sobie dwuwymiarową płaszczyznę, np. naciągniętą gumową membranę. Jeśli położymy na niej ciężką kulę, powierzchnia się ugnie i mniejsze kulki znajdujące się w pobliżu zostaną „przyciągnięte” do większej. To samo dzieje się we Wszechświecie – tyle, że membraną jest czterowymiarowa czasoprzestrzeń.

Jak czarne dziury zakrzywiają czasoprzestrzeń

Do ekstremalnie silnego zakrzywienia czasoprzestrzeni dochodzi w czarnych dziurach. Czarne dziury powstają, kiedy umiera masywna gwiazda. Zajmowany przez nie obszar czasoprzestrzeni ma grawitację tak silną, że nic, łącznie ze światłem, nie jest w stanie jej opuścić. Czarną dziurę otacza powierzchnia nazywana horyzontem zdarzeń, która wyznacza granicę bez powrotu. Można ją porównać do studni. Zakrzywienie czasoprzestrzeni jest tu tak duże, że nic nie może go pokonać.

Czarna dziura nie tylko ugina przestrzeń wokół siebie, ale również czas. Czas zwalnia przy niej o około tysiąc razy.

Uchwycono moment, gdy czarna dziura "pożera" gwiazdę. Czy to brakujące ogniwo ewolucji kosmosu?

Czarne dziura o masie pośredniej (IMBH) to dla astrofizyków od dawna poszukiwane ”brakujące ogniwo” w ewolucji kosmosu. Naukowcom udało się niedawno natrafić na najbardziej prawdopodobneg...

Jeszcze bardziej ekstremalne warunki panują wewnątrz czarnej dziury. Jej grawitacja prawdopodobnie ściska całą materię i energię w jeden punkt. Zakrzywienie czasoprzestrzeni staje się tu tak ogromne, że pojawia się tzw. osobliwość.

Czarne dziury mają jeszcze inną niezwykłą właściwość. Pokazują, co się dzieje po ich stronie fizycznie dalszej od obserwatora. Olbrzymia grawitacja czarnej dziury prowadzi to takiego zakrzywienia czasoprzestrzeni, że dobiegają do nas fotony z tej strony czarnej dziury, która jest od nas odwrócona. Gdybyśmy się znaleźli w takiej odległości od czarnej dziury, z tego samego powodu moglibyśmy oglądać własne plecy!

Teleparalelizm

Obserwując krążące wokół siebie masywne obiekty naukowcy odkryli, że w ich okolicy zachodzi nie tylko zakrzywienie czasoprzestrzeni, ale również jej „ciągnięcie” czy „włóczenie”. To efekt Lensego-Thirringa. Polega on na tym, że obracające się ciało ciągnie za sobą czasoprzestrzeń niczym łyżka obracana w miodzie.

Jak bije serce czarnej dziury? Licząca dekady kosmiczna zagadka została rozwiązana

Co się dzieje w najbliższym sąsiedztwie czarnych dziur? Naukowcy ciągle nie potrafią wyczerpująco odpowiedzieć na to pytanie. Jednak właśnie znaleźli kolejny klocek układanki. Po kilkuna...

Albert Einstein pracował nad innym matematycznym modelem kosmosu niż ten opisany w teorii względności. Uczony wpadł na pomysł, że masa nie tylko zakrzywia czasoprzestrzeni, ale również ją skręca. Czasoprzestrzeń wokół masywnych ciał powinna więc jednocześnie i się uginać, i wirować. Einstein nazwał tę teorię teleparalelizmem.

Takie skręcanie czasoprzestrzeni przez masę tłumaczyłby nie tylko grawitację, ale i np. elektromagnetyzm. Jednak gdy Einstein opublikował swoją pracę w 1928 roku, uwzględnił w niej tylko grawitację.

Tunele czasoprzestrzenne

Einstein odkrył również, że czarne dziury mogą mieć dwa końce. Mogłyby więc tworzyć coś na kształt mostu między dwoma punktami czasoprzestrzeni. Później matematycy udowodnili, że gdy odpowiednio zakrzywimy czasoprzestrzeń, jesteśmy w stanie podróżować z jednego punktu w drugi. Teoretycznie człowiek mógłby przeżyć taką podróż.

Materia powstaje ze światła? Po 80 lat znamy odpowiedź na to pytanie

Po raz pierwszy eksperymenty wykazały, że z kolizji fotonów – czyli ze światła – może powstać materia.

Takie tunele czasoprzestrzenne to tzw. wormholes (w dosłownym tłumaczeniu „dziury wygryzione przez robaki”). Fachowo nazywamy je mostami Einsteina-Rosena. To tunele, które można wykorzystać do szybkich podróży międzygwiezdnych. Przypomnijmy sobie porównanie czasoprzestrzeni do gumowej membrany. Gdy w takiej płachcie zrobimy zagłębienie o kształcie balonika i wygniemy ją, możemy „na skróty” dostać się do bardzo odległego miejsca.

Nasz ekspert

Jan Stradowski

Redaktor prowadzący serwisu www.national-geographic.pl, z wykształcenia lekarz, z zamiłowania biolog i przyrodnik. W Radiu TOK FM prowadzi audycję „Człowiek 2.0”. Więcej: www.stradowski.net