Czy nasza podstawowa rzeczywistość jest ciągła, czy też jest podzielona na małe, dyskretne kawałki?
Pytanie o to, czy czasoprzestrzeń jest gładka czy masywna? Pytanie przenika do sedna najbardziej fundamentalnych teorii fizyki, łącząc sposób, w jaki przestrzeń i czas przecinają się z materiałem naszej codziennej egzystencji.
Jednak eksperymentalne testowanie natury przestrzeni i czasu było niemożliwe, ze względu na ekstremalne energie potrzebne do zbadania tak małych łusków we wszechświecie. To znaczy - do tej pory. Zespół astronomów zaproponował nowy ambitny plan wykorzystania floty małych statków kosmicznych do wykrywania subtelnych zmian prędkości światła, co jest znakiem rozpoznawczym niektórych najbardziej zadziwiających teorii kosmosu. Jeśli przestrzeń i czas rzeczywiście zostaną podzielone na małe kawałki, badania mogą utorować drogę do zupełnie nowego zrozumienia rzeczywistości.
Masywny vs. gładki
Pytanie „czym jest przestrzeń i czas?” sięga tysięcy lat wstecz, a nasze współczesne rozumienie opiera się na dwóch dziwnie niezgodnych filarach: mechanice kwantowej i ogólnej teorii względności Einsteina.
W ogólności teoria względności, przestrzeń i czas są splecione razem w jednolitą tkaninę czas, przestrzeń, czterowymiarowy etap leżący u podstaw naszego wszechświata. Ta czasoprzestrzeń jest ciągła, co oznacza, że nigdzie nie ma przerw; to wszystko gładka konsystencja. Czasoprzestrzeń nie jest jednak tylko platformą do odegrania naszej roli; to także gracz: zginanie i wypaczanie czasoprzestrzeni daje nam doświadczenie grawitacji.
W przeciwległym rogu zestaw reguł zwanych mechaniką kwantową reguluje interakcje bardzo małych rzeczy we wszechświecie. Mechanika kwantowa opiera się na idei, że niewiele z naszych codziennych doświadczeń jest płynnych i ciągłych, ale masywnych. Innymi słowy, jest skwantowane. Energia, pęd, spin i wiele innych właściwości materii występują tylko w małych, dyskretnych pakietach.
Co więcej, sama mechanika kwantowa dzieli się również na dwa obozy. Z jednej strony mamy znane cząsteczki naszej codziennej egzystencji, takie jak elektrony i protony, które oddziałują i robią inne interesujące rzeczy. Są to oczywiście bardzo masywne, ponieważ są dyskretnymi „rzeczami”. Z drugiej strony mamy pola kwantowe. W świecie subatomowym każda cząstka ma swoje własne pole, które rozprzestrzenia się w czasoprzestrzeni; kiedy myślimy o cząsteczkach, myślimy o niewielkich wibracjach w ich polach, które z kolei oddziałują z innymi cząsteczkami i robią inne interesujące rzeczy. Pola są, co zrozumiałe, bardzo gładkie.
Kawałki czasu i przestrzeni
Mamy więc gładkie zdjęcia naszego wszechświata i masywne. Jeśli chodzi o samą czasoprzestrzeń, możemy łatwo wyobrazić sobie rozszerzenie koncepcji mechaniki kwantowej aż do ich logicznej konkluzji oraz orzekanie, że przestrzeń i czas są dyskretne: sama rzeczywistość jest podzielona jak piksele na ekranie komputera , a to, co postrzegamy jako płynny, ciągły ruch, jest niczym innym jak siatką dyskretnych pikseli w najmniejszej skali.
Wiele teorii łączenia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, takich jak teoria strun i grawitacja kwantowa w pętli, przewiduje pewną formę dyskretnej czasoprzestrzeni (chociaż dokładne prognozy, interpretacje i implikacje tej bryły są nadal słabo poznane). Gdybyśmy mogli znaleźć dowody na dyskretną czasoprzestrzeń, nie tylko całkowicie przepisałyby nasze rozumienie rzeczywistości, ale także otworzyłyby drzwi do rewolucji w fizyce.
Ta dyskrecja może ujawnić się tylko w najbardziej subtelny sposób; inaczej byśmy to zauważyli. Różne teorie przewidują, że gdyby czasoprzestrzeń rzeczywiście była masywna, wówczas prędkość światła może nie być całkowicie stała - może się nieznacznie przesuwać w zależności od energii tego światła. Światło o wyższej energii ma krótszą długość fali, a gdy długość fali staje się wystarczająco mała, może „zobaczyć” bryłę czasoprzestrzeni. Wyobraź sobie, że schodzisz chodnikiem: na dużych stopach nie zauważasz żadnych małych pęknięć ani nierówności, ale jeśli miałbyś mikroskopijne stopy, potknąłbyś się o każdą małą niedoskonałość, spowalniając cię. Ale ta zmiana jest niewiarygodnie mała; jeśli czasoprzestrzeń jest dyskretna, jest w skali ponad miliard razy mniejszej niż to, co możemy obecnie sondować w naszych najpotężniejszych eksperymentach.
Poszukiwanie Graala
Wchodzić GrailQuest: Międzynarodowe Laboratorium Astronomii Gamma-ray do kwantowej eksploracji czasoprzestrzeni. Zespół astronomów przedstawił propozycję tej misji w odpowiedzi na zaproszenie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) do nowych pomysłów na polowanie w czasie i przestrzeni. Ich propozycja została szczegółowo opisana w bazie danych arXiv, co oznacza, że nie została jeszcze sprawdzona przez innych w terenie.
Oto miarka: Aby zobaczyć, czy prędkość światła zmienia się przy różnych energiach, musimy zebrać ogromną ilość światła o największej energii we wszechświecie, a GrailQuest ma nadzieję, że właśnie to zrobi.
GrailQuest składa się z floty małych, prostych statków kosmicznych (dokładna liczba jest różna, od kilkudziesięciu, jeśli satelity są większe, do ponad kilku tysięcy, jeśli są mniejsze), aby stale monitorować niebo pod kątem rozbłysków gamma. To jedne z najpotężniejszych eksplozji we wszechświecie. Jak sugeruje ich nazwa, wybuchy te uwalniają duże ilości fotonów wysokoenergetycznych, np. Promieni gamma. Promienie gamma podróżują przez miliardy lat, zanim dotarły do floty statków kosmicznych, które rejestrują energię promieni gamma i różnice w czasie, gdy rozbłysk przemija flotę.
Z wystarczającą dokładnością GrailQuest może odkryć, czy czasoprzestrzeń jest dyskretna. Przynajmniej ma odpowiednią konfigurację: bada światło o największej energii (najbardziej wpływa na to teorie przewidujące, że czasoprzestrzeń jest masywna); promienie gamma podróżują od miliardów lat świetlnych (co pozwala na narastanie efektu w czasie); a statek kosmiczny jest wystarczająco prosty do wyprodukowania masowo (aby cała flota mogła zobaczyć jak najwięcej wydarzeń na całym niebie).
Jak zmieniłyby się nasze koncepcje rzeczywistości, gdyby GrailQuest znalazł dowody na dyskrecję czasoprzestrzeni? Nie można powiedzieć - nasze obecne teorie są na całej mapie, jeśli chodzi o implikacje. Ale bez względu na wszystko będziemy musieli poczekać. Ta runda propozycji ESA ma się odbyć między 2035 a 2050 rokiem. Podczas gdy czekamy, możemy debatować, czy czas, który upłynął od teraz do czasu, jest zasadniczo gładki czy chrupki.
- 12 najdziwniejszych obiektów we wszechświecie
- Od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości: Migawki naszego wszechświata w czasie
- Duże liczby, które definiują wszechświat
Paul M. Sutter jest astrofizykiem Ohio State University, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Radio kosmicznei autor Twoje miejsce we wszechświecie.
