Mūsų Visatos samprata iš esmės priklauso nuo to, kaip suvokiame erdvę ir laiką. Nuo XX a. pradžios kertiniai atradimai—Einšteino reliatyvumo teorija, kvantinė mechanika ir kiti—pakeitė šiuos konceptus iš statiškų, absoliučių sistemų į dinamiškas ir kartais net kontraintuityvias sritis, kuriose dalelės, laukai ir net pati erdvėlaikio struktūra sąveikauja stebinančiais būdais. Šie moksliniai lūžiai privertė atsisakyti tradicinių Niutono principų ir priimti Visatą, kur greičiai artimi šviesos iškraipo atstumų ir trukmės matavimus, kur gravitacija kyla iš erdvėlaikio kreivumo, o ne iš „nematomos jėgos“, ir kur kvantiniai reiškiniai leidžia dalelėms elgtis tarsi bangoms, susipinti dideliais atstumais bei egzistuoti diskrečiose energijos būsenose.
9-oji tema: erdvės ir laiko prigimtis nagrinėja šiuos esminius moderniosios fizikos persitvarkymus: nuo reliatyvios judėjimo ir priežastingumo sąsajos iki paslaptingųjų juodųjų skylių, tamsiosios materijos bei tamsiosios energijos, kurie lemia kosminę evoliuciją. Tuo metu, kai susiduriame su kvantinės mechanikos ir reliatyvumo dermės iššūkiais, išvystame galimą kelią į vieningą teoriją, galinčią sujungti didelio masto Visatos geometriją su mažiausio mastelio dalelių sąveika. Štai pagrindinės temos:
- Specialusis reliatyvumas: laiko tįsa ir ilgio susitraukimas – Einšteino atskleista tiesa, kad greitai judantys laikrodžiai „vėluoja“, o ilgiai sutrumpėja, paneigdama kasdienę logiką.
- Bendrasis reliatyvumas: gravitacija kaip išlenktas erdvėlaikis – geometrijos teorija, aiškinanti reiškinius nuo planetų orbitų iki gravitacinio lęšiavimo ir numatanti tokius egzotinius objektus kaip juodosios skylės.
- Kvantinė mechanika: bangų ir dalelių dualizmas – perėjimas nuo klasikinio determinizmo prie tikimybinės banginės funkcijos, atsiradus neapibrėžtumo principui ir diskrečiam energijos lygių egzistavimui.
- Kvantinė laukų teorija ir Standartinis modelis – dalelių fizikos kulminacija, aprašanti fermionus bei bozonus ir jų pagrindines sąveikas, tačiau paliekanti klausimų dėl gravitacijos ir už Standartinio modelio ribų slypinčios fizikos.
- Juodosios skylės ir įvykių horizontai – itin stiprūs gravitacijos šuliniai, kur net šviesa nebegali ištrūkti, pasižymintys tokiomis ypatybėmis kaip Hokingo (Hawking) spinduliuotė ir lemiantys reikšmingus galaktikų vystymosi procesus.
- Kirminų skylės ir kelionės laike – hipoteziniai Einšteino lygčių sprendiniai; nors labai spekuliatyvūs, jie meta iššūkį mūsų priežastingumo ir kosminio susietumo suvokimui.
- Tamsioji materija: „nematoma“ masė – netiesioginiai duomenys apie nematomą materiją, lemiančią galaktikų sukimosi kreives ir lęšiavimo dėsningumus; vyksta paieškos WIMP, aksonų ar kitų egzotinių dalelių.
- Tamsioji energija: spartėjantis plėtimasis – stebėjimai rodo, kad Visata plečiasi vis sparčiau, ko priežastis gali būti „atstumianti“ energija, persmelkianti erdvėlaikį.
- Gravitacinės bangos – erdvėlaikio bangos, numatytos Einšteino, jau stebėtos, kuomet susilieja juodosios skylės ar neutroninės žvaigždės, patvirtinant reliatyvumo prognozes.
- Vieningosios teorijos link – šiuo metu vystomos tokios teorijos kaip stygų teorija ar kilpinė kvantinė gravitacija (loop quantum gravity), siekiant sujungti kvantinę mechaniką su bendruoju reliatyvumu, t. y. sukurti visuotinio „Visko“ teoriją.
Kartu šios temos atskleidžia, kad erdvė ir laikas nėra vien pasyvios „scenos“, o aktyvūs, besikeičiantys Visatos dalyviai. Nuo subatominio masto iki pačios Visatos plėtimosi – mūsų pastangos suprasti juos veda į ribinę sritį, kur matematika, eksperimentai ir vaizduotė susijungia. Šios 9-os temos straipsniuose išsamiai įvertinama, kiek daug jau supratome apie pačius giliausius gamtos dėsnius – ir kokie dar klausimai laukia atsakymo, einant link visapusiškesnio realybės paveikslo.