Il tessuto dello spazio-tempo è un modello concettuale che combina le tre dimensioni dello spazio con la quarta dimensione del tempo. Secondo le migliori teorie fisiche attuali, lo spazio-tempo spiega gli insoliti effetti relativistici che derivano dal viaggiare vicino alla velocità della luce e dal movimento di oggetti massicci nell'universo.
Chi ha scoperto lo spazio-tempo?
Il famoso fisico Albert Einstein contribuì a sviluppare l'idea dello spazio-tempo come parte della sua teoria della relatività. Prima del suo lavoro pionieristico, gli scienziati avevano due teorie separate per spiegare i fenomeni fisici: le leggi della fisica di Isaac Newton descrivevano il movimento di oggetti enormi, mentre i modelli elettromagnetici di James Clerk Maxwell spiegavano le proprietà della luce, secondo la NASA.
Ma esperimenti condotti alla fine del XIX secolo suggerirono che c'era qualcosa di speciale nella luce. Le misurazioni hanno mostrato che la luce viaggiava sempre alla stessa velocità, non importa quale. E nel 1898, il fisico e matematico francese Henri Poincaré ipotizzò che la velocità della luce potesse essere un limite insuperabile. Più o meno nello stesso periodo, altri ricercatori stavano considerando la possibilità che gli oggetti cambiassero in dimensioni e massa, a seconda della loro velocità.
Einstein mise insieme tutte queste idee nella sua teoria della relatività speciale del 1905, che postulava che la velocità della luce fosse una costante. Perché ciò sia vero, lo spazio e il tempo dovevano essere combinati in un unico quadro che cospirava per mantenere la velocità della luce uguale per tutti gli osservatori.
Una persona in un razzo superveloce misurerà il tempo per muoversi più lentamente e la lunghezza degli oggetti sarà più breve rispetto a una persona che viaggia a una velocità molto più lenta. Questo perché lo spazio e il tempo sono relativi - dipendono dalla velocità di un osservatore. Ma la velocità della luce è più fondamentale di entrambe.
La conclusione che lo spazio-tempo è un singolo tessuto non è stata una che Einstein ha raggiunto da solo. Quell'idea venne dal matematico tedesco Hermann Minkowski, che disse in un colloquio del 1908: "Lo spazio da ora in poi da solo, e il tempo da solo, sono destinati a svanire in semplici ombre, e solo una sorta di unione dei due manterrà una realtà indipendente ".
Lo spazio-tempo che ha descritto è ancora noto come spazio-tempo di Minkowski e funge da sfondo per i calcoli sia della relatività che della teoria dei campi quantistici. Quest'ultimo descrive la dinamica delle particelle subatomiche come campi, secondo l'astrofisico e scrittore scientifico Ethan Siegel.
Come funziona lo spazio-tempo
Oggi, quando le persone parlano dello spazio-tempo, spesso lo descrivono come un foglio di gomma. Anche questo viene da Einstein, che realizzò mentre sviluppava la sua teoria della relatività generale che la forza di gravità era dovuta a curve nel tessuto dello spazio-tempo.
Oggetti voluminosi - come la Terra, il sole o te - creano distorsioni nello spazio-tempo che ne causano la flessione. Queste curve, a loro volta, restringono i modi in cui tutto si muove nell'universo, perché gli oggetti devono seguire percorsi lungo questa curvatura deformata. Il movimento dovuto alla gravità è in realtà un movimento lungo i colpi di scena dello spazio-tempo.
Una missione della NASA chiamata Gravity Probe B (GP-B) ha misurato la forma del vortice spazio-temporale attorno alla Terra nel 2011 e ha scoperto che concorda strettamente con le previsioni di Einstein.
Ma gran parte di questo rimane difficile per la maggior parte delle persone a avvolgersi la testa. Sebbene possiamo considerare lo spazio-tempo simile a un foglio di gomma, l'analogia alla fine si interrompe. Un foglio di gomma è bidimensionale, mentre lo spazio-tempo è quadridimensionale. Non sono solo gli orditi nello spazio a rappresentare il foglio, ma anche gli orditi nel tempo. Le complesse equazioni utilizzate per spiegare tutto ciò sono difficili da lavorare anche per i fisici.
"Einstein ha realizzato una bellissima macchina, ma non ci ha lasciato esattamente un manuale d'uso", ha scritto l'astrofisico Paul Sutter per il sito gemello di Live Science, Space.com. "Solo per portare a casa il punto, la relatività generale è così complessa che quando qualcuno scopre una soluzione alle equazioni, ottengono la soluzione che prende il loro nome e diventano semi-leggendari a sé stanti".
Ciò che gli scienziati ancora non sanno
Nonostante la sua complessità, la relatività rimane il modo migliore per spiegare i fenomeni fisici di cui siamo a conoscenza. Tuttavia gli scienziati sanno che i loro modelli sono incompleti perché la relatività non è ancora completamente riconciliata con la meccanica quantistica, il che spiega le proprietà delle particelle subatomiche con estrema precisione ma non incorpora la forza di gravità.
La meccanica quantistica si basa sul fatto che i piccoli pezzi che compongono l'universo sono discreti o quantizzati. Quindi i fotoni, le particelle che compongono la luce, sono come piccoli pezzi di luce che arrivano in pacchetti distinti.
Alcuni teorici hanno ipotizzato che forse lo stesso spazio-tempo sia presente anche in questi blocchi quantizzati, contribuendo a collegare la relatività e la meccanica quantistica. I ricercatori dell'Agenzia spaziale europea hanno proposto la missione Laboratorio internazionale di astronomia dei raggi gamma per l'esplorazione quantistica dello spazio-tempo (GrailQuest), che volerebbe intorno al nostro pianeta e farebbe misurazioni ultra accurate di esplosioni lontane e potenti chiamate esplosioni di raggi gamma che potrebbe rivelare la natura ravvicinata dello spazio-tempo.
Una missione del genere non si lancerebbe per almeno un decennio e mezzo ma, se lo facesse, forse aiuterebbe a risolvere alcuni dei più grandi misteri rimasti in fisica.
