Чи є наша основна реальність безперервною чи вона подрібнена на крихітні, дискретні шматочки?
Запитували іншим способом, чи просторово-просторовий чи просторий? Питання лежить в основі найбільш фундаментальних теорій фізики, пов'язуючи спосіб перетину простору і часу з матеріалом нашого повсякденного існування.
Однак експериментально перевірити природу простору та часу було неможливо через надзвичайні енергії, необхідні для дослідження таких крихітних масштабів у Всесвіті. Тобто - досі. Команда астрономів запропонувала новий грандіозний новий план використання флоту крихітних космічних кораблів для виявлення тонких змін швидкості світла, що є відмітною ознакою однієї з найбільш загальнозміцнюючих теорій космосу. Якщо простір і час справді розбиваються на невеликі шматочки, дослідження можуть прокласти шлях до абсолютно нового розуміння реальності.
Чубатий проти гладкого
Питання "що таке простір і час?" тягнеться тисячі років, і наше сучасне розуміння спирається на два дивно несумісні стовпи: квантову механіку та теорію загальної відносності Ейнштейна.
В цілому відносність, простір і час вплітаються в єдину тканину Росії простір-час, чотиривимірний етап, який лежить в основі нашого Всесвіту. Цей простір-час є безперервним, а це означає, що ніде немає прогалин; це все гладка текстура. Однак простір-час - це не просто платформа для нас, щоб діяти нашої частини; це також гравець: Згинання та викривлення простору-часу дає нам наш досвід тяжіння.
У протилежному куті набір правил, званий квантовою механікою, керує взаємодією дуже крихітних речей у Всесвіті. Квантова механіка спирається на думку про те, що не багато в нашому повсякденному досвіді є плавним і безперервним, але здоровим. Іншими словами, вона квантована. Енергія, імпульс, віджимання та багато інших властивостей речовини надходять лише у маленькі маленькі пакети.
Більше того, сама квантова механіка також розпадається на два табори. З одного боку, у нас є звичні частинки нашого повсякденного існування, такі як електрони та протони, які взаємодіють та роблять інші цікаві речі. Це, очевидно, дуже вибагливі, оскільки вони дискретні "речі". З іншого боку, у нас є квантові поля. У субатомному світі кожен вид частинок має власне поле, яке поширюється у просторі-часі; коли ми думаємо про частинки, ми думаємо про невеликі коливання в їхніх полях, які в свою чергу взаємодіють з іншими частинками, і роблять якісь інші цікаві речі. Поля, зрозуміло, дуже гладка.
Шматочки часу та простору
Отже, у нас є кілька гладких зображень нашого Всесвіту та деякі кучеряві. Що стосується самого простору-часу, ми можемо легко уявити собі розширення понять квантової механіки аж до їх логічного завершення, і постановляючи, що простір і час дискретні: сама тканина реальності розділена подібно до пікселів на екрані комп'ютера , і те, що ми відчуваємо як плавний, безперервний рух, - це не що інше, як сітка дискретних пікселів у найменших масштабах.
Багато теорій об'єднання квантової механіки та загальної відносності, як теорія струн і квантова гравітація циклу, передбачають певну форму дискретного простору-часу (хоча точні прогнози, інтерпретації та наслідки цієї незграбності ще недостатньо вивчені). Якби ми могли знайти докази для дискретного простору-часу, це не тільки повністю переробить наше розуміння реальності, але й відкриє двері до революції у фізиці.
Ця дискретність може виявити себе лише найтоншими способами; інакше ми б це помітили вже зараз. Різні теорії передбачають, що якби простор-час був справді незграбним, то швидкість світла може бути не зовсім постійною - вона може злегка змінюватися залежно від енергії цього світла. Світло вищої енергії має більш коротку довжину хвилі, і коли довжина хвилі стане достатньо малою, вона може «побачити» корінність простору часу. Уявіть, що ви йдете тротуаром: при великих ступнях ви не помічаєте жодних дрібних тріщин чи ударів, але якби у вас були мікроскопічні ступні, ви б подолали кожну маленьку недосконалість, сповільнюючи вас. Але цей зсув неймовірно крихітний; якщо простір і час дискретні, це в масштабі більш ніж в мільярд разів менше, ніж ми можемо дослідити в наших найпотужніших експериментах.
Квест на грааль
Введіть GrailQuest: Міжнародна лабораторія квантового дослідження космічного часу Гамма-астрономії. Команда астрономів подала пропозицію щодо цієї місії у відповідь на заклик до нових космічних і часових ідей від Європейського космічного агентства (ESA). Їх пропозиція детально описана в базі даних arXiv, тобто це ще не було розглянуто однолітками в цій галузі.
Ось совок: для того, щоб побачити, чи змінюється швидкість світла з різною енергією, нам потрібно зібрати величезну кількість світла з найвищою енергією у Всесвіті, і GrailQuest сподівається зробити саме це.
GrailQuest складається з флоту невеликих, простих космічних кораблів (точна кількість коливається від декількох десятків, якщо супутники будуть більшими до декількох тисяч, якщо вони менші), щоб постійно стежити за небом за вибухами гамма-променів. Це одні з найпотужніших вибухів у Всесвіті. Як випливає з назви, ці вибухи виділяють велику кількість високоенергетичних фотонів, а.к.а. гамма-променів. Ці гамма-промені подорожують мільярди років, перш ніж досягти флоту космічних кораблів, які фіксують енергію гамма-променів та різницю в термінах, коли вибух промиває флот.
З достатньою точністю GrailQuest може виявити, чи простор-час дискретний. Принаймні, він має правильну настройку: він вивчає світло з найвищою енергією (на що впливає найбільше в теоріях, які передбачають, що простір-час є приємним); гамма-промені подорожують мільярди світлових років (дозволяючи ефекту наростати з часом); і космічний корабель досить простий у виробництві масово (тому весь флот може побачити якомога більше подій у всьому небі).
Як би змінилися наші уявлення про реальність, якби GrailQuest знаходив докази дискретності простору-часу? Неможливо сказати - наші нинішні теорії повсюдно на карті, що стосується наслідків. Але незалежно від того, нам доведеться чекати. Цей раунд пропозицій ESA призначений для запуску десь між 2035 та 2050 роками. Поки ми чекаємо, ми можемо обговорити, чи пройде час між часом і по суті, є коректним чи чітким.
- 12 найстрашніших об’єктів у Всесвіті
- Від Великого вибуху до сьогодення: знімки нашого Всесвіту через час
- Великі числа, що визначають Всесвіт
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
