Het concept van spacetime is een conceptueel model dat de drie dimensies van ruimte combineert met de vierde dimensie van tijd. Het idee van ruimte-tijd verklaart de ongebruikelijke relativistische effecten die ontstaan door het reizen met de snelheid van het licht en de beweging van massieve objecten in het universum.
Aan de wieg van het concept, staat de beroemde natuurkundige Albert Einstein. Hij hielp het idee van spacetime te ontwikkelen als onderdeel van zijn relativiteitstheorie. Voorafgaand aan zijn pionierswerk hadden wetenschappers twee afzonderlijke theorieën om fysieke verschijnselen te verklaren:
1. Isaac Newton’s natuurwetten beschreven de beweging van massieve objecten
2. De elektromagnetische modellen van James Clerk Maxwell verklaarden de eigenschappen van licht.
Wat is spacetime?
In de natuurkunde is spacetime een wiskundig model dat de drie dimensies van ruimte en de ene dimensie van tijd samensmelt tot een enkele vier-dimensionale manifold. Diagrammen van spacetime kunnen worden gebruikt om relativistische effecten te visualiseren, zoals waarom verschillende waarnemers verschillend waarnemen waar en wanneer gebeurtenissen plaatsvinden.
De snelheid van het licht
Toen wetenschappers eind negentiende eeuw experimenteerden met licht, kwamen zij erachter dat er iets bijzonders aan de hand was. Metingen toonden namelijk aan dat licht altijd met dezelfde snelheid reist (186,000 mi/s of 299,792,458 m/s), ongeacht de omstandigheden.
In 1898 speculeerde de Franse natuurkundige en wiskundige Henri Poincaré dat de snelheid van het licht niet te overtreffen was. Rond diezelfde tijd overwogen andere onderzoekers de mogelijkheid dat objecten in grootte en massa veranderden, afhankelijk van hun snelheid. Deze verschillende facetten komen samen in het concept van spacetime.
Wie was de uitvinder van spacetime?
Het concept van spacetime maakt deel uit van Einstein’s relativiteitstheorie en verklaart de ongebruikelijke effecten die ontstaan door het reizen met de snelheid van het licht, zoals waarom verschillende waarnemers verschillend waarnemen waar en wanneer gebeurtenissen plaatsvinden (denk aan het double-slit experiment). Ook de beweging van massieve objecten in het universum maakt deel uit van de theorie.
Einstein bracht verschillende theorieën en bevindingen van onder andere Isaac Newton en Henri Poincaré bij elkaar in de relativiteitstheorie uit 1905, die stelde dat de lichtsnelheid een constante was.
Minkowski space
De Duitse wiskundige Hermann Minkowski ontwikkelde een theorie die nauw is verbonden met Einsteins theorieën van speciale relativiteit en algemene relativiteit en is de meest gebruikte wiskundige structuur waarop de speciale relativiteit is geformuleerd.
Terwijl de afzonderlijke componenten in de Euclidische ruimte en tijd kunnen verschillen door lengtecontractie en tijddilatatie, zullen in de Minkowski-ruimtetijd alle referentiekaders het eens zijn over de totale afstand in de ruimtetijd tussen gebeurtenissen.
In de huidige spacetime theorieën staat de Minkowski-ruimtetijd nog steeds als basis en dient als achtergrond voor berekeningen in zowel de relativiteitstheorie als de kwantumveldentheorie. De laatste beschrijft de dynamiek van subatomaire deeltjes als velden, volgens astrofysicus en wetenschapsschrijver Ethan Siegel.
Spacetime: flexibel als rubber
Einstein realiseerde zich bij het ontwikkelen van zijn algemene relativiteitstheorie, dat de zwaartekracht het gevolg was van krommen in het weefsel van spacetime. Zijn stelling dat ruimtetijd kan worden gezien als een stuk rubber is algemeen overgenomen.
Massieve objecten – zoals hemellichamen – creëren vervormingen in spacetime waardoor deze buigt. Deze krommen vernauwen op hun beurt de manier waarop alles in het universum beweegt, omdat objecten paden moeten volgen langs deze kromming. Beweging als gevolg van zwaartekracht is in feite beweging langs de kronkels en bochten van de spacetime. Deze beweging wordt in deze video uitgelegd.
