מארג הזמן-חלל הוא מודל רעיוני המשלב את שלושת הממדים של החלל עם הממד הרביעי של הזמן. על פי מיטב התיאוריות הפיזיקליות הקיימות, זמן-חלל מסביר את ההשפעות היחסיות הלא שגרתיות הנובעות מנסיעה בסמוך למהירות האור כמו גם מהתנועה של עצמים מאסיביים ביקום.
מי גילה חלל-זמן?
הפיזיקאי המפורסם אלברט איינשטיין עזר לפתח את רעיון הזמן-החלל כחלק מתורת היחסות שלו. לפני עבודתו החלוצית היו למדענים שתי תיאוריות נפרדות כדי להסביר תופעות פיזיות: חוקי הפיזיקה של אייזק ניוטון תיארו את תנועתם של חפצים מאסיביים, ואילו המודלים האלקטרומגנטיים של ג'יימס קלקר מקסוול הסבירו את תכונות האור, כך על פי נאס"א.
אולם ניסויים שנערכו בסוף המאה ה -19 העלו על כך שיש משהו מיוחד באור. המדידות הראו כי האור נסע תמיד באותה המהירות, לא משנה מה. ובשנת 1898, הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי אנרי פואנקרה העלה השערה כי מהירות האור עשויה להיות גבול בלתי ניתן להתעלות. בערך באותה תקופה, חוקרים אחרים שקלו את האפשרות שחפצים משתנים בגודל ובמסה שלהם, תלוי במהירות שלהם.
איינשטיין קירב את כל הרעיונות הללו יחד בתורת היחסות המיוחדת שלו משנת 1905, אשר הניחה כי מהירות האור הייתה קבועה. כדי שזה יהיה נכון, היה צורך לשלב בין מרחב וזמן למסגרת יחידה שקשרו קשר בכדי לשמור על מהירות האור זהה לכל הצופים.
אדם ברקטה סופר-מהיר ימדוד את הזמן לנוע לאט יותר ואת אורכי העצמים שיהיו קצרים יותר בהשוואה לאדם הנוסע במהירות הרבה יותר איטית. הסיבה לכך היא שהמרחב והזמן הם יחסית - הם תלויים במהירות של הצופה. אבל מהירות האור היא מהותית יותר משני.
המסקנה שזמן-חלל הוא מארג בודד לא הייתה אחת שאינשטיין הגיע אליו בעצמו. רעיון זה הגיע מהמתמטיקאי הגרמני הרמן מינקובסקי, שאמר בקולוקוויום משנת 1908, "מעתה החלל בפני עצמו, והזמן בפני עצמו, נידונים להתפוגג לצללים בלבד, ורק סוג של איחוד בין השניים ישמור על מציאות עצמאית . "
זמן החלל שתיאר ידוע עדיין כמרחב חלל מינקובסקי ומשמש כרקע לחישובים הן בתורת היחסות והן בתורת השדה הקוונטי. האחרון מתאר את הדינמיקה של חלקיקים תת-אטומיים כשדות, לפי האסטרופיזיקאי וסופר המדע איתן סיגל.
איך עובד זמן-חלל
בימינו, כשאנשים מדברים על זמן-חלל, הם מתארים את זה לעתים קרובות כמו יריעת גומי. גם זה בא מאיינשטיין, שהבין כאשר פיתח את תיאוריית היחסות הכללית שלו שכוח הכובד נבע מעקומות במרקם של זמן-חלל.
חפצים מסיביים - כמו כדור הארץ, השמש או אתה - יוצרים עיוותים במרחב-זמן הגורמים לו להתכופף. עקומות אלה מצמצמות בתורן את הדרכים בהן כל מה שקורה ביקום, מכיוון שאובייקטים צריכים ללכת בנתיבים לאורך העקמומיות המעוותת הזו. תנועה בגלל כוח המשיכה היא למעשה תנועה לאורך פיתולי המרחב-זמן.
משימה של נאס"א בשם Gravity Probe B (GP-B) מדדה את צורת המערבולת החללית סביב כדור הארץ בשנת 2011 וגילתה שהיא תואמת את תחזיותיו של איינשטיין.
אך חלק גדול מכך נותר קשה לרוב האנשים לעטוף את הראש. למרות שאנו יכולים לדון במרחב-זמן כדומה לגיליון גומי, בסופו של דבר ההיקש נשבר. סדין גומי הוא דו ממדי ואילו זמן-מרחב הוא ארבעה-ממדי. זה לא רק עיוותים בחלל שהגיליון מייצג, אלא גם עיוותים בזמן. המשוואות המורכבות המשמשות כדי להסביר את כל זה מסובכות אפילו עבור פיזיקאים לעבוד איתם.
"איינשטיין עשה מכונה יפה, אבל הוא לא בדיוק השאיר לנו הוראות שימוש," כתב האסטרופיזיקאי פול סאטר לאתר אחותו של Live Science, Space.com. "רק כדי להסיע את הנקודה הביתה, תורת היחסות הכללית כל כך מורכבת שכשמישהו מגלה פיתרון למשוואות, הוא מקבל את הפיתרון שנקרא על שמם והופך למחצה אגדי בפני עצמו."
מה שמדענים עדיין לא יודעים
למרות המורכבות שלה, היחסות נותרה הדרך הטובה ביותר להסביר את התופעות הגופניות שאנו מכירים. עם זאת מדענים יודעים כי המודלים שלהם אינם שלמים מכיוון שהיחסות עדיין אינה מתיישבת במלואם עם מכניקת הקוונטים, מה שמסביר את תכונותיהם של חלקיקים תת-אטומיים בדיוק רב, אך אינו משלב את כוח הכובד.
מכניקת הקוונטים נשענת על העובדה שהקטעים הזעירים המרכיבים את היקום הם בדידים, או כמותיים. אז פוטונים, החלקיקים המרכיבים אור, הם כמו נתחי אור קטנים המגיעים במנות שונות.
יש תיאורטיקנים ששערו שאולי זמן החלל עצמו מגיע גם בתוך הנתחים הכמוסים הללו, ועוזרים לגשר על תורת היחסות ומכניקת הקוונטים. חוקרים בסוכנות החלל האירופית הציעו את המשימה המעבדה הבינלאומית לאסטרונומיה לגמא-קרן לחקר הקוונטים של זמן החלל (GrailQuest), שתטוס סביב כדור הארץ שלנו ותבצע מדידות מדויקות במיוחד של פיצוצים מרוחקים וחזקים שנקראים פרצי קרני גאמה יכול לחשוף את אופיו הצמוד של חלל-זמן.
משימה כזו לא תצא לדרך לפחות עשור וחצי, אך אם תעשה זאת, היא אולי תעזור לפתור כמה מהמסתורין הגדולים ביותר שנותרו בפיזיקה.
