Je naša základná realita nepretržitá alebo je nasekaná na malé, diskrétne kúsky?
Inak povedané, je časopriestor hladký alebo robustný? Táto otázka sa týka srdca najzákladnejších teórií fyziky a spája spôsob, akým sa priestor a čas pretína s materiálom našej každodennej existencie.
Experimentálne testovanie povahy priestoru a času však nebolo možné, pretože na to sú potrebné extrémne energie potrebné na testovanie takýchto malých mierok vo vesmíre.. To je - doteraz. Tím astronómov navrhol ambiciózny nový plán na použitie flotily malých kozmických lodí na detekciu jemných zmien v rýchlosti svetla, ktoré sú charakteristickým znakom niektorých z najviac ohromujúcich teórií vesmíru. Ak sa priestor a čas skutočne rozdelia na malé kúsky, výskum by mohol vydláždiť cestu úplne novému pochopeniu reality.
Robustný vs. hladký
Otázka „čo je priestor a čas?“ siaha tisíce rokov a naše moderné porozumenie spočíva na dvoch podivne nekompatibilných pilieroch: kvantovej mechanike a Einsteinovej teórii všeobecnej relativity.
Vo všeobecnosti sa relativita, priestor a čas spájajú do zjednotenej štruktúry vesmírny čas, štvorrozmerné štádium, ktoré je základom nášho vesmíru. Tento časopriestor je nepretržitý, čo znamená, že nikde nie sú medzery; je to všetko hladká textúra. Vesmírny čas pre nás však nie je len platformou na konanie svojich častí; je to tiež hráč: Ohýbanie a deformovanie časopriestoru nám poskytuje našu gravitačnú skúsenosť.
V opačnom rohu interakcie veľmi malých vecí vo vesmíre riadi skupina pravidiel nazývaná kvantová mechanika. Kvantová mechanika spočíva na myšlienke, že veľa našich každodenných skúseností nie je plynulých a nepretržitých, ale robustných. Inými slovami, je to kvantované. Energia, hybnosť, rotácia a mnoho ďalších vlastností hmoty prichádza iba do diskrétnych malých balíkov.
Navyše sa samotná kvantová mechanika rozdelí na dva tábory. Na jednej strane máme známe častice našej každodennej existencie, ako sú elektróny a protóny, ktoré interagujú a robia ďalšie zaujímavé veci. Toto sú samozrejme veľmi robustné veci, pretože sú diskrétnymi „vecami“. Na druhej strane máme kvantové polia. V subatomickom svete má každý druh častice svoje vlastné pole, ktoré sa šíri po celom časovom priestore; keď myslíme na častice, myslíme na malé vibrácie v ich poliach, ktoré zase interagujú s inými časticami a robia niektoré ďalšie zaujímavé veci. Polia sú pochopiteľne veľmi plynulé.
Kúsky času a priestoru
Takže máme nejaké hladké obrázky nášho vesmíru a niektoré robustné. Pokiaľ ide o samotný časopriestor, dokážeme si ľahko predstaviť rozšírenie pojmov kvantovej mechaniky až k ich logickému záveru a konštatovanie, že priestor a čas sú diskrétne: Samotná štruktúra reality je na obrazovke počítača rozdelená ako pixely. a to, čo vnímame ako plynulý a plynulý pohyb, nie je nič iné ako mriežka diskrétnych pixelov na najmenších mierkach.
Mnoho teórií spájania dohromady kvantovej mechaniky a všeobecnej relativity, ako je teória strún a kvantová gravitácia slučky, predpovedajú určitú formu diskrétneho času a času (aj keď presné predpovede, interpretácie a implikácie tejto chunkiness sú stále zle pochopené). Keby sme mohli nájsť dôkazy pre diskrétny časopriestor, nielen by to úplne prepísalo naše chápanie reality, ale tiež by otvorilo dvere k revolúcii vo fyzike.
Táto diskrétnosť sa môže prejaviť iba najjemnejším spôsobom; inak by sme to už videli. Rôzne teórie predpovedali, že ak by časopriestor bol skutočne robustný, rýchlosť svetla nemusí byť úplne konštantná - v závislosti od energie toho svetla sa môže mierne posunúť. Svetlo s vyššou energiou má kratšiu vlnovú dĺžku a keď je vlnová dĺžka dostatočne malá, môže „vidieť“ chundy časopriestoru. Predstavte si, že idete po chodníku: s veľkými nohami si nevšimnete žiadne malé praskliny alebo hrbole, ale ak by ste mali mikroskopické chodidlá, zakopli by ste o každú malú nedokonalosť, čím by ste spomalili. Tento posun je však neuveriteľne malý; Ak je časopriestor diskrétny, je v mierke viac ako miliónkrát menšia, než je tá, ktorú v súčasnosti môžeme vyskúšať v našich najsilnejších experimentoch.
Hľadanie grálu
vstúpiť GrailQuest: Medzinárodné laboratórium pre gama lúče pre kvantové skúmanie vesmírneho času. Tím astronómov predložil návrh na túto misiu v reakcii na výzvu Európskej vesmírnej agentúry (ESA) na nové nápady týkajúce sa lovu času a času. Ich návrh je podrobne opísaný v databáze arXiv, čo znamená, že ešte neboli recenzované rovesníkmi v teréne.
Tu je prehľad: Aby sme zistili, či sa rýchlosť svetla mení s rôznymi energiami, musíme zhromaždiť obrovské množstvo svetla s najvyššou energiou vo vesmíre a GrailQuest dúfa, že to urobí.
GrailQuest pozostáva z flotily malých jednoduchých kozmických lodí (presný počet sa líši, od niekoľkých desiatok, ak sú satelity väčšie až po niekoľko tisíc, ak sú menšie), aby neustále monitoroval oblohu z hľadiska výbuchov gama lúčov. Toto sú niektoré z najmocnejších výbuchov vo vesmíre. Ako naznačuje ich názov, tieto zhluky uvoľňujú veľké množstvo vysokoenergetických fotónov, a.k.a. lúčov gama. Tieto gama lúče prechádzajú miliardami rokov pred dosiahnutím flotily kozmických lodí, ktoré zaznamenávajú energiu gama lúčov a rozdiely v načasovaní, keď sa výbuch preplaví cez flotilu.
S dostatočnou presnosťou by GrailQuest mohol odhaliť, či je priestorový čas diskrétny. Prinajmenšom má správne nastavenie: Skúma svetlo s najvyššou energiou (čo je najviac ovplyvnené teóriami, ktoré predpovedajú, že časopriestor je robustný); lúče gama sa pohybujú miliardy svetelných rokov (čo umožňuje, aby sa účinok časom hromadil); a kozmická loď je dosť jednoduchá na výrobu en masse (aby celá flotila mohla vidieť čo najviac udalostí na celej oblohe).
Ako by sa zmenili naše predstavy o realite, ak by spoločnosť GrailQuest mala nájsť dôkazy o diskrétnosti časopriestoru? Je nemožné povedať - naše súčasné teórie sú všade na mape, pokiaľ ide o dôsledky. Ale bez ohľadu na to, budeme musieť počkať. Toto kolo návrhov ESA sa má začať niekedy medzi rokmi 2035 a 2050. Zatiaľ čo čakáme, môžeme diskutovať o tom, či čas, ktorý uplynie odteraz, je v zásade plynulý alebo robustný.
- 12 najpodivnejších objektov vo vesmíre
- Od Veľkého tresku po súčasnosť: Snímky nášho vesmíru v priebehu času
- Veľké čísla, ktoré definujú vesmír
Paul M. Sutter je astrofyzik na Štátna univerzita v Ohiu, hostiteľ Spýtajte sa Spaceman a Vesmírne rádioa autor knihy Vaše miesto vo vesmíre.
