Astronomie

Qu'est-ce que le tissu espace-temps exactement ?

Qu'est-ce que le tissu espace-temps exactement ?

J'ai entendu parler du tissu espace-temps mais je n'arrive pas à comprendre sa définition. Le tissu espace-temps est-il une chose physique ou Einstein l'a-t-il imaginé pour l'aider avec la relativité générale ?


« espace-temps » est réel, mais le mot « tissu » est fait pour que tout le monde puisse « visualiser » le sens de l'espace-temps

Vous ne pouvez pas toucher ou sentir le tissu, mais vous pouvez le percevoir à travers la courbure de la lumière dessus. Quand quelqu'un dit que l'espace-temps est courbé autour d'une planète, la déclaration suivante est vraie :

  1. le temps est plus lent près de la surface de la planète par rapport à loin de la planète

  2. l'espace est "courbé" vers la planète, donc si vous envoyez un vaisseau spatial sur la planète, le vaisseau se courbera vers la planète, même s'il se déplace sur un chemin rectiligne. Donc le chemin rectiligne n'est pas très droit pour un observateur extérieur même s'il est droit pour un observateur qui parcourt le chemin

Le mot « tissu » est utilisé pour que tout le monde puisse facilement « visualiser » l'espace-temps

Notre Univers a un grand tissu d'espace-temps, avec plusieurs objets lourds le pliant et le courbant ici et là.

Le mot « espace-temps » a également une signification non liée à la gravité. Einstein a déclaré que lorsque la vitesse d'un objet augmente dans l'espace, le temps qu'il subit diminue

cela signifie que si un objet voyage à la vitesse de la lumière dans l'espace, il ne voyagera pas du tout dans le temps. Et si an est stationnaire dans l'espace, il voyagera le plus rapidement dans le temps


Tissu Espace Temps

J'ai lu récemment que l'espace-temps est courbé par un objet avec une masse. L'exemple donné était celui d'un trampoline avec une boule de bowling et des boules de billard se déplaçant sur la surface. Je peux comprendre ou au moins visualiser cela facilement.

Cependant, étant donné que tous les objets n'existent pas sur le même plan ou n'existent-ils pas, je pense qu'il existe de nombreuses surfaces. Donc, ce que j'imagine, c'est une couche sur une couche d'espace-temps allant de sous l'objet en utilisant la même visualisation de boule de bowling, vers le haut en couches jusqu'à ce qu'une couche soit au-dessus de la boule et que chaque couche passe à travers la boule.

Cela a soulevé quelques questions sur cette visualisation. Ma première question est basée uniquement sur la toute première image de la balle sur un trampoline. Lorsque la balle déforme le tissu, la surface du trampoline augmente à mesure que le matériau s'étire. Alternativement, si le matériau ne peut pas s'étirer, il doit rentrer par les côtés et la surface est déformée mais reste constante. Alors, comment l'espace-temps se déforme-t-il ? S'il s'étire, cela me dit que la surface s'étend et que le tissu à cet endroit est plus fin qu'il ne le serait plus loin de l'étirement. Si cela se déforme simplement, tout le tissu serait obligé de se déplacer. D'où passerait-il ? Dans l'un des exemples, il est dit que le tissu temporel s'enroule autour d'une grosse boule donc c'est fini mais semble être infini. Si tel est le cas, cela ne signifierait-il pas que la surface de cette balle a augmenté ?

Si le tissu est multicouche et en disant cela je lèverais peut-être tout doute sur mon manque de connaissances en la matière. Mais je continuerai sur le concept que la seule question stupide est celle qui n'est pas posée et non la position opposée de mieux être tranquille et considérée comme un imbécile que d'ouvrir la bouche et de lever tout doute.

OK multicouches, chacune se pliant par la force de la balle. Ma première pensée est que chaque couche qui se plie doit également plier la couche à côté ou dire plus bas. S'il n'y a pas de compression du tissu, je dois penser que cette courbure se poursuivrait à travers chaque couche exactement au même montant. Je sais que ce n'est pas le cas, cela signifie donc qu'il y a aussi une certaine compression dans chaque couche ainsi qu'un étirement. Je sais que j'utilise la mauvaise langue, mais j'espère que vous comprendrez, donc dans mon esprit, cela se traduirait par un tissu de l'espace-temps plus fin par endroits, plus compressé à d'autres endroits. Cela a-t-il un impact sur la densité du tissu ? Et s'il fait ce qui explique pourquoi il n'a aucun impact.

J'avais aussi quelques questions sur chaque couche lorsque vous vous déplacez dans la boule de bowling, mais en y réfléchissant, ma question sur la couche qui passait par le milieu ou de chaque côté du milieu est résolue au moins dans ma tête par les forces de masse de chaque côté.

Je vous remercie d'avance pour votre patience et vous demande pardon pour l'utilisation d'un langage qui doit être traduit dans la terminologie scientifique correcte.


Qu'est-ce que le temps?

Il est facile de considérer le temps comme faisant partie d'un tissu espace-temps.

Maintenant le plus dur :
Si l'univers n'est qu'un grand espace-temps de tissu déformé, alors le temps ne fait qu'avancer et reculer.

Donc, si le temps n'avance ou ne recule que dans une dimension, alors comment les gens peuvent-ils prendre des décisions si l'avenir est prédéterminé ?

Je ne cherche pas une réponse philosophique très complexe. Je demande simplement comment le futur temps inconnu s'intègre dans les théories actuelles bien comprises.

#2 jfosc

Bien que les théories classiques et relativistes impliquant le temps/l'espace-temps soient symétriques en termes de recul ou d'avance du temps, la flèche du temps pointe dans une direction, liée à la 2e loi de la thermodynamique et de l'entropie et les choses ont tendance à passer d'un état d'ordre à désordre. Pour citer Hawking (et d'autres, j'en suis sûr), c'est pourquoi vous ne voyez pas la tasse de thé cassée retomber sur la table depuis le sol et le liquide renversé y refluer. Nous expérimentons et percevons le temps dans une direction.

Vous ne cherchez pas une réponse philosophique mais vous posez une question philosophique.

Si vous considérez certaines des théories des univers parallèles, chaque événement possible qui peut arriver se produira quelque part dans un univers parallèle. Il existe un univers où Elvis mange de la crème glacée dans un Dairy Queen quelque part en Antarctique.

#3 Éric

J'ai essayé de ne pas poser de question philosophique.
Donc, si je m'en tiens aux théories classiques et relativistes et que je ne considère pas les univers parallèles, alors les gens ne décident de rien et tout est prédéterminé ?

Ou les univers parallèles sont-ils des théories actuelles très valables ?

merci, j'essaie juste de comprendre.

#4 Joad

Certains théoriciens très intelligents jouent avec la notion d'univers parallèles, mais il n'y a aucun moyen de tester l'hypothèse à l'heure actuelle, ce qui rend de telles hypothèses métaphysiques, au sens de Karl Popper du terme, et, par conséquent, philosophiques plutôt que scientifiques.

Mon impression est qu'Einstein, quand il ne remettait pas en question l'existence du temps en soi, était quelque chose d'un déterministe à l'ancienne.

Toute la question du déterminisme, par rapport au temps et à l'éternité, est très ancienne - souvent religieuse, surtout à l'époque médiévale - et à peu près insoluble.

#5 David Knisely

#6 d1anderson

#7 Andy Taylor

Tordu, mais dans le bon sens

Juste une pensée, peut-être que le temps est une construction humaine et n'a vraiment aucun sens en dehors de notre perspective.

Non, ça fait partie du tissu.

Si quelque chose change (c'est-à-dire bouge), alors le temps doit faire partie de l'équation.

Je suis d'accord que l'esprit filtrera la réalité afin que nous puissions fonctionner comme nous le faisons.

#8 astrotrf

Le temps a été créé pour éviter que tout se passe en même temps.

#9 Shadowalker

Force, énergie, accélération, vitesse, quantité de mouvement. Tous les paramètres physiques fondamentaux ont du temps dans l'équation. Comme le souligne Andy Taylor, chaque fois que quelque chose change, il est implicite que le temps a également changé. Sinon, deux choses différentes occuperaient le même espace.

Quant à savoir si nous vivons dans un univers prédéterminé ou non, eh bien, dans une large mesure, c'est *une* question philosophique. David Hume a souligné que les actions sont soit *causées*, soit se produisent *au hasard*. Les deux conduisent à des questions philosophiques épineuses concernant le *libre arbitre*. C'est probablement une discussion pour l'Observatoire hors sujet.

#10 Monsieur T

Pour ma part, je pense que le temps est le temps et l'espace est l'espace.

le temps passe toujours et au même rythme.

et il n'y a pas d'"effets du temps"

les processus physiques se déroulent et vous pouvez mesurer les changements en fonction du temps, mais, par exemple, s'approcher de la vitesse de la lumière ne modifie pas la vitesse du temps qui passe, cela ralentit simplement les processus en fonction du temps.

la physique de ceci est encore à découvrir.

et l'espace ne change pas et a toujours été là, les choses changent simplement par rapport aux autres choses dans l'espace.

et encore une fois la physique n'est pas encore là.

simplement parce que nous ne pouvons pas expliquer les mathématiques sans dire que le temps ralentit ou que l'espace s'étend, cela signifie simplement que nous n'avons pas encore toutes les données et équations.

#11 cpsTN

Il est facile de penser au temps comme faisant partie d'un tissu espace-temps

#12 EncreSombre

Le temps est si étroitement lié à l'espace que si vous pouviez ramener le temps, vous réduiriez également l'espace à un Univers "plus petit". Ce n'est que mon point de vue.

BTW, je ne pense pas que le temps devrait être considéré comme une rivière qui coule. Peut-être que le temps n'est nécessaire que pour permettre des sauts quantiques ?

Le temps est le sujet le plus intéressant. Cela semble si intuitif, mais nous n'avons aucune idée de ce que c'est.

#13 EncreSombre

Pour ma part, je pense que le temps est le temps et l'espace est l'espace.

le temps passe toujours et au même rythme.

et il n'y a pas d'"effets du temps"

« Mettez votre main sur un poêle chaud pendant une minute, et cela semble être une heure. Asseyez-vous avec une jolie fille pendant une heure, et cela semble être une minute. C'est la relativité.

#14 Rick Woods

#15 Boson de Higgs

Il est facile de considérer le temps comme faisant partie d'un tissu espace-temps.

#16 Boson de Higgs

Pour ma part, je pense que le temps est le temps et l'espace est l'espace.

le temps passe toujours et au même rythme.

et il n'y a pas d'"effets du temps"

la physique de ceci est encore à découvrir.

et l'espace ne change pas et a toujours été là, les choses changent simplement par rapport aux autres choses dans l'espace.

et encore une fois la physique n'est pas encore là.

simplement parce que nous ne pouvons pas expliquer les mathématiques sans dire que le temps ralentit ou que l'espace s'étend, cela signifie simplement que nous n'avons pas encore toutes les données et équations.

Votre position semble être un rejet de la Relativité.

Avez-vous l'impression que les photons voyagent en ligne droite ?

#17 Boson de Higgs

Il est facile de penser au temps comme faisant partie d'un tissu espace-temps


Soyez conscient que ceux-ci sont contraires à notre intuition car ils ne sont pas vus dans l'expérience commune. J'ai un diplôme de physique et je ne trouve pas facile de penser à l'espace-temps. Je ne trouve pas facile de penser aux électrons et aux photons sur la base des modèles dont nous disposons. Ils ne sont pas intuitifs.

La question débattue ici est celle du déterminisme contre l'instrumentalisme. La position déterministe affirme que les modèles que nous avons, la relativité, la QED, etc., représentent la façon dont le monde est. Ils sont vrais. La position de l'instrumentiste est que les modèles ne sont que des descriptions utiles. La relativité est simplement une meilleure description que Newton. Un jour, nous aurons peut-être une meilleure description.

Le scientifique peut travailler avec succès à partir de l'une ou l'autre position. Einstein, déterministe dans l'âme, a pris une position d'instrumentiste sur la mécanique quantique. Il a convenu qu'il était utile pour prédire le résultat des expériences. Il voulait une description en laquelle il pouvait croire que c'était vrai. En ce qui concerne la Relativité, c'est ce qu'il croyait avoir trouvé.

#18 Andy Taylor

Tordu, mais dans le bon sens

Il est facile de considérer le temps comme faisant partie d'un tissu espace-temps.

Rien ne peut bouger dans l'espace sans bouger dans le temps. Il faut du temps pour aller de A à B, donc le temps doit être une autre dimension.

Il y a des années, un documentaire à la télévision britannique montrait une image d'une "hypersphère" ou d'un "hypercube" (je ne m'en souviens pas exactement) que l'on croyait être une "ombre" d'un objet en 4 dimensions tel qu'on le voit dans l'ombre d'un cube peut être vue et comprise en deux dimensions) . peut-être que le temps pourrait être une dimension beaucoup plus élevée que nous le pensons.

#19 Boson de Higgs

Rien ne peut bouger dans l'espace sans bouger dans le temps. Il faut du temps pour aller de A à B, donc le temps doit être une autre dimension.

Il y a quelques années, un documentaire à la télévision britannique montrait une image d'une "hypersphère" ou d'un "hypercube" (je ne m'en souviens pas exactement) que l'on croyait être une "ombre" d'un objet en 4 dimensions tel qu'on le voit dans l'espace 3D (comme l'ombre d'un cube peut être vue et comprise en deux dimensions) . peut-être que le temps pourrait être une dimension beaucoup plus élevée que nous le pensons.

Je ne peux pas imaginer en 4 dimensions et j'ai du mal à imaginer intuitivement le tissu de l'espace. Oui, je peux faire des calculs en 4 dimensions ou plus mais je ne trouve pas facile d'intérioriser la notion d'un espace-temps en 4 dimensions qui peut se tordre et s'étirer.

L'expérience de 1919 montrant que la lumière ne voyage pas en ligne droite me convainc que l'espace n'est pas la simple entité que j'imagine.

En fait, les choses bougent dans le temps sans bouger dans l'espace. De plus, le mouvement est l'espace est relatif. Il ne peut pas être défini de manière unique. Einstein a découvert que la seule constante dans ces domaines est l'intervalle dans l'espace-temps à 4 dimensions.

#20 llanité

Il me semble que le temps « tel que nous le connaissons » est un artefact de l'expansion de l'univers. Au fur et à mesure que l'espace s'étend, le temps nécessaire pour le traverser augmente également. Et c'est un artefact de la longueur de Planck étant une constante, quel que soit le nombre d'entre eux qu'il faut pour traverser un univers fini.

Ceci, et certaines hypothèses multivers, par exemple, l'idée des « univers à bulles », semblent également impliquer une sorte de « méta-temps », dans lequel notre propre temps relativiste est intégré. Après tout, au fur et à mesure que l'univers s'étendait, il fut un "temps" où il était beaucoup plus petit, même si un photon ne le reconnaîtrait pas. Ainsi, non seulement y a-t-il un temps relatif défini par le mouvement à travers l'espace dans l'univers, il y a un autre temps défini par l'expansion de l'espace à travers lui. Sont-ils vraiment les mêmes dessous ?

#21 Andy Taylor

Tordu, mais dans le bon sens

Je ne peux pas imaginer en 4 dimensions et j'ai du mal à imaginer intuitivement le tissu de l'espace.

Mais pour moi (!) tu l'es déjà. longueur, largeur, hauteur et position dans le temps/espace. Vous ne pouvez pas (à mon avis) être ailleurs que.

Nous sommes "conçus" et "câblés" pour voir l'univers comme nous le faisons. L'animal Hawkings 2D ne peut pas exister car nous avons un tractus intestinal ouvert qui, en deux dimensions, nous séparerait en deux moitiés.

Sommes-nous soumis au « strict minimum » de dimensions.

(d'autres dimensions sont disponibles)

#22 LesB

#23 FirstSight

#24 EncreSombre

#25 Boson de Higgs

Je ne peux pas imaginer en 4 dimensions et j'ai du mal à imaginer intuitivement le tissu de l'espace.


Quand j'ai commencé en astronomie, j'ai réalisé que je ne savais pas comment fonctionnait un télescope. Compte tenu d'un diplôme de physique et de 40 ans de photographie, j'étais gêné par cela. J'ai décidé de construire plutôt que d'acheter un télescope. Je l'ai fait parce que j'ai besoin de la validation d'un télescope fonctionnel pour m'assurer que je suis sur la bonne voie.

Maintenant, je peux lire sur les problèmes concernant les télescopes et avoir un contexte intuitif fort à partir duquel je peux évaluer les nouvelles idées. Bien que je ne sois pas un expert en télescopes, il existe un domaine limité dans lequel j'ai confiance, basé sur mon expérience de validation. Cette portée est l'un des nombreux projets de ma vie. (J'ai réalisé des projets similaires avec des voiliers, des hélicoptères et des logiciels).

J'ai un modèle solide pour le vide classique. Je n'ai pas de modèle équivalent pour le vide relativiste. Contrairement à mon modèle classique qui est fondamentalement vide, mon modèle relativiste doit avoir une substance et une géométrie. Mon modèle relativiste doit également satisfaire la propriété selon laquelle les intervalles d'espace-temps doivent rester constants à travers de nombreuses opérations, y compris le mouvement constant des objets. C'est cette exigence qui donne lieu aux distorsions temporelles de la relativité. C'est cet espace-temps gluant et extensible que je ne peux pas imaginer au même degré que je peux imaginer le comportement de mon télescope newtonien ou le comportement d'un hélicoptère*.

Ce que je recherche, c'est un modèle qui me permette de répondre aux questions de ce forum sans avoir à revoir les équations et à me fier à leurs prédictions. Quelqu'un a posé une question ici sur l'électron qui m'a obligé à déterrer des manuels de collage et à dériver les états énergétiques de l'atome d'hydrogène de l'équation de Schrödinger. Cela m'a pris plusieurs heures mais cela m'a fait comprendre que le modèle dans ma tête était insuffisant pour répondre à la question. Soit dit en passant, je me suis souvenu de la réponse, mais je n'ai pas pu commencer à l'expliquer avant d'avoir pris le temps d'examiner le problème.

* Le voilier est un cas intéressant. J'ai pris des cours de voile pendant 2 ans et j'ai finalement navigué sur un bateau vers l'une des îles anglo-normandes au large de la Californie. C'est intéressant car mon modèle de fonctionnement d'un voilier n'est pas empirique. Je n'ai aucune équation du tout. Je peux regarder une voile et dire à quel point elle fonctionne bien. Je peux dire à quelle distance je peux naviguer dans le vent avant de perdre de la poussée. Mon image mentale est entièrement qualitative. Pourtant, cela est validé par ma capacité à amener les bateaux à ma destination prévue de manière cohérente.


Qu'est-ce que l'espace-temps ?

À propos du commentaire de SJB, si la formation de l'espace-temps était une conséquence du soi-disant événement BB - comme le considèrent de nombreux scientifiques -, alors le "tissu préexistant" dans lequel il s'est produit ne pourrait pas avoir de nature spatiale ni temporelle. Ce serait plutôt un "réseau négatif" - pour ainsi dire - sans existence spatio-temporelle où l'apparition d'une singularité initiale zéro D (un point avec une existence spatiale naissante) aurait finalement surgi (en raison peut-être de ces "fluctuations de densité" de la grille primordiale suggéré par Jimdodds).

Le "déploiement" ultérieur de la singularité 0D initiale en une réalité 1D (linéaire) puis en une réalité 2D (plane) et un univers 3D (volumétrique) impliquerait la présence imbriquée du facteur temps à chaque étape pour produire une nouvelle dimension suivante, "time" étant toujours la dimension non spatiale suivante.

Dans notre réalité spatiale 3D familière, le temps est alors la 4ème dimension - comme on le considère habituellement - le long de laquelle la "réalité" se déploie.

Tensologue

Ainsi, les objets physiques étant étendus spatialement en 4D, comme le dit @jimdodds, les « fluctuations de densité » reflètent le fait que ce que les expériences de physique des hautes énergies du CERN LHC mesurent en réalité, ce sont les concentrations de pression de densité d'énergie électromagnétique 4D. Tout comme La reconnaissance des formes par l'IA a aidé à la découverte du boson de Higgs en reconnaissant les densités d'énergie des modèles de collision.

je suggère le « Crise quantique » L'expérimentatrice du CERN LHC Maria Spiropulu a rendu compte en 2014 (voir à 20:32) découle du fait que le modèle standard de la physique (SM) modélise les concentrations de densité d'énergie du modèle de collision en tant que particules ponctuelles mathématiques de dimension zéro (0D) - qui ne fournissent aucun contenu d'information vers la réplication de l'univers espace-temps 4D. La crise quantique étant alors les propriétés physiques 4D observées, on suppose qu'il s'agit de propriétés de mécanisme de membrane ou de chaîne de matériau inconnue dimensionnelle cachée - qui restent non détectées aux niveaux d'énergie du LHC.

Qu'est-ce que l'espace-temps ? Eh bien, nous ne pouvons mesurer l'espace-temps 4D que par rapport aux concentrations de densité d'énergie (densité de masse). ces concentrations sont elles-mêmes des intégrations de densité d'énergie et de densité de masse spatialement étendues 4D. Donc une nouvelle 4D spatialement étendue modèle non standard de des intégrations de densité d'énergie et de densité de masse seront nécessaires pour résoudre la crise quantique, car comme l'ont découvert Alessandro Fedrizzi et Massimiliano Proietti La réalité objective n'existe pas, montre des expériences quantiques.

Tout comme Paul Sutter l'a souligné dans
Où sont toutes les « particules » qui pourraient expliquer ce qui ne va pas avec l'univers ?:"Ou, plus déprimant, ils n'existent pas. Et cela signifierait que ces créatures - avec leurs partenaires supersymétriques - ne sont en réalité que des fantômes imaginés par des physiciens fébriles, et ce dont nous avons réellement besoin, c'est d'un tout nouveau cadre pour résoudre certains des problèmes en suspens de la physique moderne. »

"Une personne dans une fusée ultrarapide mesurera le temps nécessaire pour se déplacer plus lentement et la longueur des objets sera plus courte par rapport à une personne voyageant à une vitesse beaucoup plus lente. "

Euh, c'est tout simplement faux (ou peut-être juste mal exprimé). Ces deux personnes mesureraient leur propre flux de temps et la longueur des objets autour d'elles de manière tout à fait normale pour chacune d'elles. Cependant, lorsqu'ils s'observaient, chaque observateur mesurait le temps de l'autre pour passer à un rythme plus lent, et les longueurs sur les navires de l'autre à comprimer dans la direction du mouvement, par rapport à eux-mêmes. Plus le mouvement relatif est important, plus l'effet observé est important.

NouveauPhysique

L'Espace-Temps a été décrit dans la Théorie Po potheory.com

La théorie Po est une nouvelle théorie de la physique présentant des problèmes fondamentaux, entre autres la construction de l'espace-temps et décrit les propriétés de l'espace-temps, par ex. sa décroissance (expansion) entraînant la génération du temps. Dans la théorie du Po, il existe de nombreux modèles décrivant la structure de la matière, par ex. modèle de génération de particules, modèle de génération de masse (énergie) de particules, modèle de structure de préons, etc. Tous ces modèles sont soutenus par des équations mathématiques décrivant les propriétés des particules telles que le rayon de la particule, sa masse, le temps caractéristique associé à la particule, la durée de vie, la portée d'interaction. La théorie Po donne, par exemple, une formule pour calculer le rayon d'un électron, sa masse ou sa charge électrique.

La théorie Po décrit les ensembles connus et encore inconnus de particules élémentaires et fondamentales, objets qui sont des trous noirs - collapsars, y compris les collapsars Univers et Bi Universe. Décrit les interactions - les forces qui régissent ces particules et objets. Il montre les corrélations entre les paramètres de ces particules et les constantes physiques, les symétries entre les interactions, et surtout détermine la particule de base - le collapsar Po. La particule qui est le plus petit collapsar et la particule de base avec la masse la plus élevée parmi les particules élémentaires, qui fait partie à la fois du planckon et des particules fondamentales et élémentaires, qui est le "bloc de construction" de la matière.

La théorie Po a été présentée dans le livre : "Po Theory. De la plus petite particule au BiUnivers", www.potheory.com ou www.teoriapo.pl

Raymitchell

Dame timide

Je ne suis pas vraiment un gourou des maths. J'ai reçu un texto quotidien de deepak Chopra l'autre jour où il disait :

À l'horizon cosmique à 42 milliards d'années-lumière, l'espace s'étend plus vite que la vitesse de la lumière et les galaxies disparaissent. - Deepak❤

Donc je pensais que ce serait là où la vie éternelle pourrait résider depuis son temps passé. À quoi ressemblerait la vie à une vitesse plus rapide que la lumière ? Comme une divinité, voilà quoi.

SJBauer

Pittsburghjoe

Péquenaud

Sarajo

Tensologue

Hartmann352

Ah, l'espace-temps cette zone crépusculaire où Einstein règne en maître à la macro-échelle où nous résidons.

Einstein explique que l'espace-temps est essentiellement une construction géométrique "courbe" qui permet la relativité de la simultanéité. En d'autres termes, si un observateur conclut correctement que deux événements se produisent simultanément, les mêmes événements sembleraient se produire à des moments différents pour un observateur qui était en mouvement par rapport au premier observateur. L'observateur qui mesure que les deux événements se déroulent simultanément et l'observateur qui mesure que les événements se déroulent à des moments différents ont raison ! Notre exemple ci-dessus est correct, un observateur verra un pétard qu'il allumera et un deuxième pétard qu'un ami allumera exploser exactement au même moment, tandis qu'un troisième observateur se déplaçant par rapport aux deux autres verra un pétard exploser avant l'autre pétard. La relativité nous dit que les deux ont raison !

Le temps et l'espace sont tous deux relatifs, et sont "différents" pour les observateurs en mouvement relatif les uns par rapport aux autres. Pour un observateur, les deux pétards ont en fait explosé exactement au même moment, tandis que pour l'autre observateur, un pétard a explosé quelques secondes avant l'autre. Le temps et la distance mesurés par chaque observateur sont différents, les deux ont raison, ni l'un ni l'autre n'est faux.

L'espace-temps d'Einstein-Minkowski est composé de trois dimensions spatiales x, y et z, et d'une dimension temporelle t. L'espace-temps est généralement considéré comme l'histoire de l'univers entier, contenant chaque "événement" qui se produit. Une "world-line" est l'histoire d'un objet dans "space-time".

La relativité restreinte nous permet de définir une distance de l'origine pour tous les points sur une ligne d'univers, permettant à la ligne d'univers d'être un ensemble de points qui ont des propriétés physiquement distinguables (voir l'illustration ci-dessous). Par conséquent, nous pouvons identifier chacun des événements sur une ligne du monde comme des points distincts dans l'espace-temps. Chaque point sur la ligne du monde est un événement particulier qui se produit à un endroit dans l'espace (représenté par les valeurs des coordonnées x, y, z) à un moment particulier (représenté par la valeur de la coordonnée t) - c'est-à-dire un endroit dans l'espace-temps. Chaque point sur la ligne du monde d'un être humain est généralement considéré comme un événement physique réel qui représente un moment séquentiel unique dans la vie de cet individu, de la naissance à la mort.

Chacun de nous se déplace à travers l'univers physique sur sa propre ligne du monde unique qui est parsemée de nos expériences.


Demandez à Ethan : L'espace-temps est-il réel ?

Une illustration d'un espace-temps fortement courbé, en dehors de l'horizon des événements d'un trou noir. Comme vous obtenez. [+] de plus en plus près de l'emplacement de la masse, l'espace devient plus incurvé, menant finalement à un emplacement à partir duquel même la lumière ne peut s'échapper : l'horizon des événements.

JOHNSONMARTIN, UTILISATEUR DE PIXABAY

Lorsque la plupart d'entre nous pensent à l'Univers, nous pensons aux objets matériels qui se trouvent à travers les grandes distances cosmiques. La matière s'effondre sous sa propre gravité pour former des structures cosmiques comme les galaxies, les nuages ​​de gaz se contractent pour former des étoiles et les planètes les étoiles émettent de la lumière en brûlant leur carburant par fusion nucléaire que la lumière voyage à travers l'Univers, illuminant tout ce avec quoi elle entre en contact. Mais l'Univers ne se résume pas aux objets qu'il contient. Il y a aussi le tissu de l'espace-temps, qui a son propre ensemble de règles par lesquelles il joue : la relativité générale. Le tissu de l'espace-temps est incurvé par la présence de matière et d'énergie, et l'espace-temps incurvé lui-même indique à la matière et à l'énergie comment se déplacer à travers lui. Mais qu'est-ce que l'espace-temps exactement, et est-ce une chose « réelle », ou juste un outil de calcul ? C'est l'enquête de Dave Drews, qui veut savoir :

« Qu'est-ce que l'espace-temps exactement ? Est-ce une chose réelle comme un atome, ou juste une construction mathématique qui est utilisée pour décrire comment la masse « génère » la gravité ? »

C'est une excellente question, et difficile à comprendre. De plus, avant l'arrivée d'Einstein, notre conception de l'Univers était très différente de celle que nous avons aujourd'hui. Revenons bien à l'Univers avant même d'avoir le concept d'espace-temps, puis avançons là où nous en sommes aujourd'hui.

Des échelles macroscopiques aux échelles subatomiques, les tailles des particules fondamentales ne jouent qu'un . [+] petit rôle dans la détermination des dimensions des structures composites. On ne sait toujours pas si les blocs de construction sont vraiment des particules fondamentales et/ou ponctuelles, mais nous comprenons l'Univers depuis les grandes échelles cosmiques jusqu'aux petites échelles subatomiques. Il y a près de 10^28 atomes qui composent chaque corps humain, au total.

ÉQUIPE MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE

À un niveau fondamental, nous avons longtemps supposé que si vous preniez tout ce qui était dans l'Univers et que vous le découpiez en constituants de plus en plus petits, vous finiriez par atteindre quelque chose d'indivisible. Littéralement, c'est ce que signifie le mot « atome » : du grec ἄτομος : impossible à couper. Le premier enregistrement que nous ayons de cette idée remonte à environ 2400 ans à Démocrite d'Abdera, mais il est plausible qu'il puisse remonter encore plus loin. Ces entités « incoupables » existent, chacune est connue sous le nom de particule quantique. Malgré le fait que nous ayons pris le nom « atome » pour les éléments du tableau périodique, ce sont en fait des particules subatomiques comme les quarks, les gluons et les électrons (ainsi que des particules qui ne se trouvent pas du tout dans les atomes) qui sont vraiment indivisibles.

Ces quanta se lient pour construire toutes les structures complexes que nous connaissons dans l'Univers, des protons aux atomes en passant par les molécules et les êtres humains. Et pourtant, quels que soient les types de quanta auxquels nous avons affaire – matière ou antimatière, massive ou sans masse, structures fondamentales ou composites, à l'échelle subatomique ou cosmique – ces quanta n'existent que dans le même Univers que nous.

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Si vous connaissez toutes les règles régissant la façon dont un objet se déplacera dans l'espace-temps ainsi que l'initiale . [+] conditions et l'exercice de forces entre l'objet et le reste de votre système, vous devriez être en mesure de prédire comment cet objet se déplacera dans l'espace et dans le temps. Vous ne pouvez pas décrire la position d'un objet avec précision sans inclure une coordonnée temporelle en plus des coordonnées spatiales.

Tristan Fewings/Getty Images

C'est important, car si vous voulez que les « trucs » de votre univers se fassent des choses — interagissent, se lient, forment des structures, transfèrent de l'énergie, etc. — il doit y avoir un moyen pour les différentes choses qui existent dans le Univers à s'affecter les uns les autres. C'est comme avoir une pièce où vous avez tous les personnages étoffés, tous les acteurs prêts à les jouer, tous les costumes prêts à être portés et toutes les lignes écrites et mémorisées. La seule chose qui manque, et pourtant très nécessaire pour que la pièce se produise, est une scène.

Quelle est donc cette étape en physique ?

Avant l'arrivée d'Einstein, le décor était planté par Newton. Tous les « acteurs » de l'Univers pourraient être décrits par un ensemble de coordonnées : une localisation dans l'espace tridimensionnel (une position) ainsi qu'un moment dans le temps (un instant). Vous pouvez l'imaginer comme une grille cartésienne : une structure tridimensionnelle avec un X, oui et z axe, où chaque quantum peut également avoir une quantité de mouvement, décrivant son mouvement dans l'espace en fonction du temps. Le temps lui-même était supposé linéaire, passant toujours à la même vitesse. Dans le tableau de Newton, l'espace et le temps étaient absolus.

Nous visualisons souvent l'espace comme une grille 3D, même s'il s'agit d'une simplification excessive dépendant du cadre lorsque . [+] nous considérons le concept d'espace-temps. En réalité, l'espace-temps est courbé par la présence de matière et d'énergie, et les distances ne sont pas fixes mais peuvent évoluer au fur et à mesure que l'Univers s'étend ou se contracte.

Cependant, la découverte de la radioactivité à la fin du 19ème siècle a commencé à jeter le doute sur l'image de Newton. Le fait que les atomes puissent émettre des particules subatomiques se déplaçant près de la vitesse de la lumière nous a appris quelque chose d'excitant : lorsqu'une particule se déplaçait près de la vitesse de la lumière, elle vivait l'espace et le temps très différemment de quelque chose qui se mouvait lentement ou au repos.

Les particules instables qui se désintègrent très rapidement au repos vivent plus longtemps à mesure qu'elles se rapprochent de la vitesse de la lumière. Ces mêmes particules ont parcouru de plus grandes distances que ne l'indiqueraient leur vitesse et leur durée de vie avant de se désintégrer. Et si vous essayiez de calculer l'énergie ou la quantité de mouvement d'une particule en mouvement, différents observateurs (c'est-à-dire des personnes observant la particule et se déplaçant à des vitesses différentes par rapport à celle-ci) calculeraient des valeurs incompatibles les unes avec les autres.

Quelque chose doit être défectueux avec la conception de Newton de l'espace et du temps. At speeds close to the speed of light, time dilates, lengths contract, and energy and momentum really are frame-dependent. In short, the way you experience the Universe depends on your motion through it.

A light-clock, formed by a photon bouncing between two mirrors, will define time for any observer. . [+] Although the two observers may not agree with one another on how much time is passing, they will agree on the laws of physics and on the constants of the Universe, such as the speed of light. A stationary observer will see time pass normally, but an observer moving rapidly through space will have their clock run slower relative to the stationary observer.

Einstein was responsible for the remarkable breakthrough of the concept of relativity, which identified which quantities were invariant, and didn’t change with the observer’s motion, and which ones were frame-dependent. The speed of light, for example, is the same for all observers, as is the rest mass of any quantum of matter. But the spatial distance you’d perceive between two points depended very strongly on your motion along the direction connecting those points. Similarly, the rate at which your clock ran as you journeyed from one point to another also depended on your motion.

Space and time weren’t absolute, as Newton intuited, but were experienced differently by different observers: they were relatif, which is where the name “relativity” comes from. Moreover, there was a specific relationship between how any particular observer experienced space and how they experienced time: something that was put together a couple of years after Einstein put forth his special theory of relativity by his former professor, Hermann Minkowski, who laid out a unified mathematical structure encompassing space and time together: spacetime. As Minkowski himself put it,

“Henceforth space by itself, and time by itself, are doomed to fade away into mere shadows, and only a kind of union of the two will preserve an independent reality.”

Today, this spacetime is still commonly as our stage used whenever we neglect gravity: Minkowski space.

An example of a light cone, the three-dimensional surface of all possible light rays arriving at and . [+] departing from a point in spacetime. The more you move through space, the less you move through time, and vice versa. Only things contained within your past light-cone can affect you today only things contained within your future light-cone can be perceived by you in the future. This illustrates flat Minkowski space, not the curved space of General Relativity.

Wikimedia Commons user MissMJ

But in our real Universe, we do have gravitation. Gravity isn’t a force that acts instantly across the far reaches of space, but rather only propagates at the same speed all massless quanta move at: the speed of light. (Yes, the speed of gravity equals the speed of light.) All the rules that were formulated in special relativity still apply to the Universe, but to bring gravity into the fold, something extra was required: the notion that spacetime itself had an intrinsic curvature to it that depended on the presence of matter and energy within it.

It’s simple, in a sense: when you put a set of actors on a stage, that stage needs to bear the weight of the actors themselves. If the actors are massive enough and the stage isn’t perfectly rigid, the stage itself will deform owing to the presence of the actors.

The same phenomenon is at play with spacetime: the presence of matter and energy curves it, and that curvature affects both distances (space) and the rate at which clocks run (time). Moreover, it affects the two of them in an intricate way, where if you calculate the effects that matter and energy have on spacetime, the “spatial” effect and the “temporal” effects are related. Instead of the three-dimensional grid lines we envisioned in special relativity, those grid lines are now curved in General Relativity.

Instead of an empty, blank, 3D grid, putting a mass down causes what would have been 'straight' . [+] lines to instead become curved by a specific amount. Note that they appear to drag towards, rather than away from, the mass in question.

CHRISTOPHER VITALE OF NETWORKOLOGIES AND THE PRATT INSTITUTE

You can, if you like, conceptualize spacetime as a purely calculational tool and never go any deeper than that. Mathematically, every spacetime can be described by a metric tensor: a formalism that allows you to calculate how any field, line, arc, distance, etc., can exist in a well-defined way. The space can be flat or curved in an arbitrary way the space can be finite or infinite the space can be open or closed the space can contain any number of dimensions. In General Relativity, the metric tensor is four dimensional (with three space dimensions and one time dimension), and the thing that determines the curvature of spacetime is the matter, energy, and stresses present within it.

In plain English, the contents of your Universe determine how spacetime is curved. You can then take the spacetime curvature and use it to predict how every quanta of matter and energy will move through and evolve in your Universe. The rules of General Relativity enable us to predict how matter, light, antimatter, neutrinos, and even gravitational waves will move through the Universe, and those predictions line up exquisitely with what we observe and measure.

The signal from the gravitational wave event GW190521, as seen in all three detectors. The entire . [+] signal duration lasted just

13 milliseconds, but represents the energy equivalent of 8 solar masses converted to pure energy via Einstein's E = mc^2.

R. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Phys. Rév. Lett. 125, 101102

What we don’t measure, though, is spacetime itself. We can measure distances and we can measure time intervals, but those are only indirect probes of the underlying spacetime. We can measure anything that interacts with us — our bodies, our instruments, our detectors, etc. — but an interaction only occurs when two quanta occupy the same point in spacetime: when they meet at an “event.”

We can measure every one of the effects that curved spacetime has on the matter and energy in the Universe, including:

  • the redshifting of radiation due to the Universe’s expansion,
  • the bending of light due to the presence of foreground masses,
  • the effects of frame-dragging on a rotating body,
  • the additional precession of orbits due to gravitational effects that go beyond what Newton predicted,
  • how light gains energy when it falls deeper into a gravitational field and loses energy when it climbs out of it,

and many, many others. But the fact that we can only measure the effects of spacetime on the matter and energy in the Universe, and not the spacetime itself, tells us that spacetime behaves indistinguishably from a purely calculational tool.

Quantum gravity tries to combine Einstein’s General theory of Relativity with quantum mechanics. . [+] Quantum corrections to classical gravity are visualized as loop diagrams, as the one shown here in white. If you extend the Standard Model to include gravity, the symmetry that describes CPT (the Lorentz symmetry) may become only an approximate symmetry, allowing for violations. Thus far, however, no such experimental violations have been observed.

SLAC National Accelerator Laboratory

But that doesn’t mean that spacetime itself isn’t a physically real entity. If you have actors acting out a play, you’d justifiably call the location where the play took place “their stage,” even if it was simply a field, a platform, bare ground, etc. Even if the play took place in the weightlessness of space, you’d simply note that they were using their freely-falling reference frame as a stage.

In the physical Universe, at least as we understand it, you cannot have quanta or interactions between them without the spacetime for them to exist in. Wherever spacetime exists, so do the laws of physics, and so do the fundamental quantum fields that underpin all of nature. In a sense, “nothingness” is the vacuum of empty spacetime, and talking about what occurs in the absence of spacetime is as nonsensical — at least from a physics perspective — as talking about a “where” that’s outside of the boundaries of space or a “when” that’s outside of the boundaries of time. Such a thing may exist, but we have no physical conception of it.

An animated look at how spacetime responds as a mass moves through it helps showcase exactly how, . [+] qualitatively, it isn't merely a sheet of fabric. Instead all of 3D space itself gets curved by the presence and properties of the matter and energy within the Universe. Multiple masses in orbit around one another will cause the emission of gravitational waves.

Perhaps most interestingly, when it comes to the nature of spacetime, there are so many questions that remain unanswered. Are space and time inherently quantum and discrete, where they themselves are divided up into indivisible “chunks,” or are they continuous? Is gravity inherently quantum in nature like the other known forces, or is it somehow non-quantum: a classical and continuous fabric all the way down to the Planck scale? And if spacetime is anything other than what General Relativity dictates it ought to be, how is it different, and in what way(s) will we be able to detect that?

But despite all the things that spacetime enables us to predict and know, it isn’t real in the same way that an atom is real. There’s nothing you can do to “detect” spacetime directly you can only detect the individual quanta of matter and energy that exist within your spacetime. We’ve found a description of spacetime in the form of Einstein’s General Relativity that can successfully predict and explain every physical phenomenon we’ve ever observed or measured, but as far as exactly what it is — and whether it’s “real” or not — that’s not a question that science has yet discovered the answer to.


Geometry is destiny

The absolute core of general relativity, and a perfectly acceptable alternative name for it, is geometrodynamics. Go ahead, say it out loud — it's fun. The way that general relativity models gravity is through the dynamic machinations of space-time itself. According to the theory, the presence of matter and energy alters the fundamental space-time geometry surrounding those substances, and that altered geometry influences motion.

This relationship comes about from the most important, fundamental, can't-ignore-this concept underlying the entire theory of general relativity: the equivalence principle (E.P.). This principle is the assumption that inertial mass (how much oomph it takes to move an object) is the same property as gravitational mass (how much an object responds to gravity). And this is the key that unlocks the whole gravitational shebang.

Using that equivalence, we can imagine a scenario to help visualize the connection between geometry and gravity. Pretend you're orbiting high above the Earth, serenely watching the continents and oceans roll under your vantage point.

As the bits of debris float away from you, you ponder the ramifications of what you just did. Sure, you've now created a cloud of potentially hazardous debris that poses a major risk to satellites and future missions. But upon further reflection, your mind eases. You're doing a science experiment, and the equivalence principle guarantees that all these bits of debris, no matter their shape or mass, will perfectly trace the effects of the Earth's gravity, without the need for any other calculations. That's something unique to the force of gravity, thanks to the E.P. [Why Relativity's True: The Evidence for Einstein's Theory]


Ask Ethan: What Is Spacetime?

The fabric of the Universe, spacetime, is a tricky concept to understand. But we're up to the . [+] challenge. Image credit: Pixabay user JohnsonMartin.

When it comes to understanding the Universe, there are a few things everyone's heard of: Schrödinger's cat, the Twin Paradox and E = mc^2. But despite being around for over 100 years now, General Relativity -- Einstein's greatest achievement -- is largely mysterious to everyone from the general public to undergraduate and graduate students in physics. For this week's Ask Ethan, Katia Moskovitch wants that cleared up:

Could you one day write a story explaining to a lay person what the metric is in GR?

Before we get to "the metric," let's start at the beginning, and talk about how we conceptualize the Universe in the first place.

Quanta, whether waves, particles or anything in between, have properties that define what they are. . [+] But they require a stage on which to interact and play out the Universe's story. Image credit: Wikimedia Commons user Maschen.

At a fundamental level, the Universe is made up of quanta -- entities with physical properties like mass, charge, momentum, etc. -- that can interact with each other. A quantum can be a particle, a wave, or anything in some weird in-between state, depending on how you look at it. Two or more quanta can bind together, building up complex structures like protons, atoms, molecules or human beings, and all of that is fine. Quantum physics might be relatively new, having been founded in mostly the 20th century, but the idea that the Universe was made of indivisible entities that interacted with each other goes back more than 2000 years, to at least Democritus of Abdera.

But no matter what the Universe is made of, the things it's composed of need a stage to move on if they're going to interact.

Newton's law of Universal Gravitation has been superseded by Einstein's general relativity, but . [+] relied on the concept of an instantaneous action (force) at a distance. Image credit: Wikimedia commons user Dennis Nilsson.

In Newton's Universe, that stage was flat, empty, absolute space. Space itself was a fixed entity, sort of like a Cartesian grid: a 3D structure with an X, oui et z axe. Time always passed at the same rate, and was absolute as well. To any observer, particle, wave or quantum anywhere, they should experience space and time exactly the same as one another. But by the end of the 19th century, it was clear that Newton's conception was flawed. Particles that moved close to the speed of light experienced time differently (it dilates) and space differently (it contracts) compared to a particle that was either slow-moving or at rest. A particle's energy or momentum was suddenly frame-dependent, meaning that space and time weren't absolute quantities the way you experienced the Universe was dependent on your motion through it.

A "light clock" will appear to run different for observers moving at different relative speeds, but . [+] this is due to the constancy of the speed of light. Einstein's law of special relativity governs how these time and distance transformations take place. Image credit: John D. Norton, via http://www.pitt.edu/

That was where the notion of Einstein's theory of special relativity came from: some things were invariant, like a particle's rest mass or the speed of light, but others transformed depending on how you moved through space and time. In 1907, Einstein's former professor, Hermann Minkowski, made a brilliant breakthrough: he showed that you could conceive of space and time in a single formulation. In one fell swoop, he had developed the formalism of spacetime. This provided a stage for particles to move through the Universe (relative to one another) and interact with one another, but it didn't include gravity. The spacetime he had developed -- still today known as Minkowski space -- describes all of special relativity, and also provides the backdrop for the vast majority of the quantum field theory calculations we do.

Quantum field theory calculations are normally done in flat space, but general relativity goes . [+] beyond that to include curved space. QFT calculations are far more complex there. Crédit image : Laboratoire national des accélérateurs SLAC.

If there were no such thing as the gravitational force, Minkowski spacetime would do everything we needed. Spacetime would be simple, uncurved, and would simply provide a stage for matter to move through and interact. The only way you'd ever accelerate would be through an interaction with another particle. But in our Universe, we do have the gravitational force, and it was Einstein's principle of equivalence that told us that so long as you can't see what's accelerating you, gravitation treats you the same as any other acceleration.

The identical behavior of a ball falling to the floor in an accelerated rocket (left) and on Earth . [+] (right) is a demonstration of Einstein's equivalence principle. Image credit: Wikimedia Commons user Markus Poessel, retouched by Pbroks13.

It was this revelation, and the development to link this, mathematically, to the Minkowski-an concept of spacetime, that led to general relativity. The major difference between special relativity's Minkowski space and the curved space that appears in general relativity is the mathematical formalism known as the Metric Tensor, sometimes called Einstein's Metric Tensor or the Riemann Metric. Riemann was a pure mathematician in the 19th century (and a former student of Gauss, perhaps the greatest mathematician of them all), and he gave a formalism for how any fields, lines, arcs, distances, etc., can exist and be well-defined in an arbitrarily curved space of any number of dimensions. It took Einstein (and a number of collaborators) nearly a decade to cope with the complexities of the math, but all was said and done, we had general relativity: a theory that described our three-space-and-one-time dimensional Universe, where gravitation existed.

The warping of spacetime by gravitational masses, as illustrated to represent General Relativity. . [+] Image credit: LIGO/T. Pyle.

Conceptually, the metric tensor defines how spacetime itself is curved. Its curvature is dependent on the matter, energy and stresses present within it the contents of your Universe define its spacetime curvature. By the same token, how your Universe is curved tells you how the matter and energy is going to move through it. We like to think that an object in motion will continue in motion: Newton's first law. We conceptualize that as a straight line, but what curved space tells us is that instead an object in motion continuing in motion follows a geodesic, which is a particularly-curved line that corresponds to unaccelerated motion. Ironically, it's a geodesic, not necessarily a straight line, that is the shortest distance between two points. This shows up even on cosmic scales, where the curved spacetime due to the presence of extraordinary masses can curve the background light from behind it, sometimes into multiple images.

An example/illustration of gravitational lensing, and the bending of starlight due to mass. Image . [+] credit: NASA / STScI, via http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2000/07/image/c/.

Physically, there are a number of different pieces that contribute to the Metric Tensor in general relativity. We think of gravity as due to masses: the locations and magnitudes of different masses determine the gravitational force. In general relativity, this corresponds to the mass density and does contribute, but it's one of only 16 components of the Metric Tensor! There are also pressure components (such as radiation pressure, vacuum pressure or pressures created by fast-moving particles) that contribute, which are three additional contributors (one for each of the three spatial directions) to the Metric Tensor. And finally, there are six other components that tell us how volumes change and deform in the presence of masses and tidal forces, along with how the shape of a moving body is distorted by those forces. This applies to everything from a planet like Earth to a neutron star to a massless wave moving through space: gravitational radiation.

As masses move through spacetime relative to one another, they cause the emission of gravitational . [+] waves: ripples through the fabric of space itself. These ripples are mathematically encoded in the Metric Tensor. Image credit: ESO/L. Calçada.

You might have noticed that 1 + 3 + 6 ≠ 16, but 10, and if you did, good eye! The Metric Tensor may be a 4 × 4 entity, but it's symmetric, meaning that there are four "diagonal" components (the density and the pressure components), and six off-diagonal components (the volume/deformation components) that are independent the other six off-diagonal components are then uniquely determined by symmetry. The metric tells us the relationship between all the matter/energy in the Universe and the curvature of spacetime itself. In fact, the unique power of general relativity tells us that if you knew where all the matter/energy in the Universe was and what it was doing at any instant, you could determine the entire evolutionary history of the Universe -- past, present and future -- for all eternity.

The four possible fates of the Universe, with the bottom example fitting the data best: a Universe . [+] with dark energy. Image credit: E. Siegel.

This is how my sub-field of theoretical physics, cosmology, got its start! The discovery of the expanding Universe, its emergence from the Big Bang and the dark energy-domination that will lead to a cold, empty fate are all only understandable in the context of general relativity, and that means understanding this key relationship: between matter/energy and spacetime. The Universe is a play, unfolding every time a particle interacts with another, and spacetime is the stage on which it all takes place. The one key counterintuitive thing you've got to keep in mind? The stage isn't a constant backdrop for everyone, but it, too, evolves along with the Universe itself.

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Faraday, Maxwell and Thomson believed that the space fabric consists of something, force or energy, under pressure which had a type of fluidic response to deformation. De Broglie, Dirac, Bohm, Casimir and Puthoff among others have all drawn some particular aspect of that primitive conception into more refined but also more abstract terms.

Would it be fair to say that Einstein reduced that away? In doing so did he remove the pieces of the model that are actually useful to understanding why it works the way it works?

No one knows exactly what constitutes space. nor time, for example.

just doesn't seem complete to me . after all, quantum theory correctly predicts the random emergence of particles and antiparticles from "nothing" (space) which to me suggests it is "something" . and we know quantum fluctucations, and dark energy, reside there in the form of the cosmological constant.

One way to imagine space is as Penrose Spin networks. which can be drawn out from string theory. theoretical, of course, but a geodesic type construct with volumes and areas integers of Planck length represented via edges and nodes of the geodesic. (just think of a dome shaped roof with flexible edges and nodes. ) . Or maybe space are multidemensional strings. membranes in other words.

Another clue for me is that space and time are inextricably linked in relativity. and both are "flexible", that is undergo length contraction and time dilation at relativistic speeds..again hard for me to agree are "nothing" when they vary with speed. What further solidifies the idea that space IS something is that spacetime curves, its the geometric foundation for gravitational (force) via general relativity. gravitational potential molds spacetime. it curves light..odd were it " nothing".

Newton talked of absolute space, Einstein improved that via concepts of absolute spacetime. in his theory of special relativity.

You may as well ask, what is temps fait de?

Temps n'est pas made of anything, but we can still measure it. :tongue2:

Why shouldn't space be exactly the same?

It depends on what you call a spacetime.
Spacetime in our universe can be affected by matter - but it is a brane and it is made of energy

In my first reply I meant an 'absolute' space(time?) of the Bulk (landscape)

What is space itself made of? i.e. if you take both your hands and put them in front of you--parallel to your shoulders, what is the empty space between your hands made of.

Is this space just a void? Did this area of space between your hands exist before the big bang. And if it didn't, didn't this space need to be created?

Convenu. It may very well be energy. But it isn't "nothing" - as in an absolute vacuum or some abstract notion of space and time - it must be comprised of something or be represented by something.

But go talk to engineering and physics students at any level and I will bet you that they do not connect the idea of sapce-time with anything of "tangibility" (not that it must be something that we hold in our hands).

par exemple. - I had a discussion with one of my physics TAs and he has taken relativity or at least an introductory course and electrodynamics, etc. In this case we were talking about the EM field, I asked him: "A field in what?(referring to the EM field)" His answer: "a field in space". Asking for more clarification I think he said something like the fabric of space-time. But essentially a circular answer and would not dare say that space-time was actually comprised of something (not energy, not ether, non alia).

But our problem, as the quote in my previous post states, is that we have churned out generations of physicists who have blocked out the very direction of thinking which will get us the answer. TV shows draw up that table-cloth image of space-time fabric and show how a piece of mass "warps" it. So everyone goes around thinking that there is an abstract 2D sheet of spandex that curls and twists in hyper-dimensional knots to create "space-time" which creates gravity and maybe other things.

I agree with you that OUR spacetime is made of something (it is a brane)

But I insist that the fundamental (bulk) spacetime is not made of 'something'. You say

and this is wrong because it creates an unlimited sequence of elephants/turtles staying on top of each. You claim that spacetime is made of something 'X', and that 'X' - what is made it of?

Look at mathematic systems. Peano arithmetics, for example. What is more fundamental - number 1 or + ?

Convenu. It may very well be energy. But it isn't "nothing" - as in an absolute vacuum or some abstract notion of space and time - it must be comprised of something or be represented by something.

But go talk to engineering and physics students at any level and I will bet you that they do not connect the idea of sapce-time with anything of "tangibility" (not that it must be something that we hold in our hands).
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That's because when they use the word "space", they are not referring to the contents of the space, whatever they may be. They are just referring to the three dimensions (4 with space-time). The fact that the word space is not being used to refer to its contents doesn't imply that there are no contents.


What is the Universe Made of?

The universe that we call home is pretty amazing. It’s filled with incredible celestial objects and mind-blowing physics phenomenon. We tiny humans on our tiny rock floating through this vast emptiness make up a fraction of a fraction of a miniscule amount of all that’s out there. But what exactly is all that’s out there. What makes up our universe? Nous allons jeter un coup d'oeil.

1. The periodic table can give you a basic idea.
The universe contains elements. Which elements, you might ask? Well, none other than the ones on the standard periodic table of elements. Granted, only a few of those elements make up the vast majority of what you can find out there (namely hydrogen and helium). And if you want to get down to the nitty gritty, elements aren’t exactly the basis of the universe. Elements are made up of atoms, and those atoms contain subatomic particles.

2. Subatomic particles reign supreme.
For some time, scientists thought atoms represented the smallest matter in the universe. That was before we discovered subatomic particles, which make up those atoms. The subatomic particles you’re probably most familiar with are protons, neutrons, and electrons. However, we can break those down even further into quarks. There are so many other particles and categories of particles, but we’ll keep it simple and stick to these.

3. The fabric of space-time underlies it all.
While all the matter in the universe is made up of elements, and those elements are made up of subatomic particles, there’s one other thing permeating the universe, and that is the universe itself. The concept of space-time can be a little tricky to comprehend. In essence, it’s the four dimensions containing our universe as we know it (three standard dimensions and the fourth is time). While space-time is considered a mathematical model, it was developed to explain real phenomena. It might not be a physical material, but it’s an integral part of the universe (as we understand it currently, at least).


There is no 'fabric' in any modern physical theory, so there is no 'fabric' to be ripped.

Phrases like "ripping a hole in the space-time continuum" are abuses of notation typically used in science fiction.

Einsteins general relativity describes a fourth dimension regarding up down, left right, back and forth, the fourth is space time, aka a "fabric of space".
Check it out genius: http://en.wikipedia.org/wiki/Spacetime

Excuse me? You've only been here for a half hour, and you're already insulting one of the site administrators?

Your link does not include the word 'fabric,' by the way. Think hard.

No one really knows the answer to your question. we can't even find it nor "sew" it. we have only incomplete hints. I think this is likely because we do not know what space nor time are. nor mass,energy,either for example. And we have no theory (quantum nor relativistic nor informational nor string ) that works at singularities. (big bang, black holes) where ripping seems mostly likely. it could be the "quantum foam" (high energy oscillations) at Planck scale activity "ruins" spacetime and makes distinction between say, space and mass impossible. String theory also hints at this possibility.

This is an exaggeration. I think, but not incorrect. had it said "none proven in classical relativity" I'd say "ok" that might be about right. we don't have an agreed upon definiton of "fabric" for one thing.

but these are hypothetical, not experimentally proven.

We have had long discussions in the forums about "what is space-time" and of course no one really knows. but quantum mechanics, and quantum field theory in particular, I believe, posits space time is discrete rather than continuous as in classical relativity. That suggests it to possibly be something. but there is no agreement here either: continuous or discrete?.

You can also look up causal dynamic triangulation as to how spacetime might form, and spin foam is another variety. A recent discussion on the forums from a paper by Verlinde hypothesisizes that space time forms from entropy and while unproven offers I think fascinating possibilities. And of course one can utilize incomplete theories about the universe being formed of information, a relative of entropy.

And a case can be made that the holographic principle offers yet another insight into spacetime, and everything else that we perceive as being three dimensionally space enclosed. maybe everything we know is really area rather than volume based. information content and flow sure seems to be that way.

Another hint at an answer, might be contained in the big bang versus black hole singularities. Apparently Weyl curvature in the former approach zero, or is at least finite, while Weyl Curvature in the latter diverges. so the low entropy of the big bang might be markedly different than the exceedingly high entropy (information) of the latter.
I posted asking about the implications some time ago and never got an answer.

Roger Penrose discusses naked singularities in THE ROAD TO REALITY SECTION 28.8 AND YOU MIGHT GET FURTHER HINTS FROM THE Hawking-Hartle no boundary proposal which Penrose discussesd in 28.9.
however, all the above simply offer tangential insights..not answers because no one has the real solution. encore.