Является ли наша фундаментальная реальность непрерывной или она разбита на крошечные дискретные кусочки?
Спрашивается по-другому: пространство-время гладкое или короткое? Этот вопрос затрагивает суть самых фундаментальных теорий физики, связывая воедино то, как пространство и время пересекаются с материалом нашего повседневного существования.
Однако экспериментальное тестирование природы пространства и времени было невозможно из-за экстремальных энергий, необходимых для исследования таких крошечных масштабов во Вселенной.. То есть - до сих пор. Команда астрономов предложила новый амбициозный план использования парка крошечных космических кораблей для обнаружения тонких изменений скорости света, что является отличительной чертой некоторых из самых изнурительных теорий космоса. Если пространство и время действительно будут разбиты на маленькие кусочки, исследование может проложить путь к совершенно новому пониманию реальности.
Коренастый против гладкой
Вопрос "что такое пространство и время?" насчитывает тысячи лет, и наше современное понимание основывается на двух странно несовместимых столпах: квантовой механике и теории общей теории относительности Эйнштейна.
В общей теории относительности пространство и время сплетены в единую ткань пространство-время, четырехмерная стадия, которая лежит в основе нашей вселенной. Это пространство-время непрерывно, что означает, что нет никаких разрывов нигде; это все гладкая текстура. Однако пространство-время - это не просто платформа для наших действий; это также игрок: искривление и искривление пространства-времени дают нам опыт гравитации.
В противоположном углу набор правил, называемых квантовой механикой, управляет взаимодействием очень маленьких вещей во вселенной. Квантовая механика основывается на идее, что не каждый наш повседневный опыт является гладким и непрерывным, но коротким. Другими словами, это квантуется. Энергия, импульс, вращение и многие другие свойства материи входят в отдельные дискретные пакеты.
Более того, сама квантовая механика также разделяется на два лагеря. С одной стороны, у нас есть знакомые частицы нашего повседневного существования, такие как электроны и протоны, которые взаимодействуют и делают другие интересные вещи. Они, очевидно, очень коренастые, поскольку они являются дискретными «вещами». С другой стороны, у нас есть квантовые поля. В субатомном мире каждый тип частиц имеет свое собственное поле, которое распространяется в пространстве-времени; когда мы думаем о частицах, мы думаем о небольших вибрациях в их полях, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими частицами и делают некоторые другие интересные вещи. Поля по понятным причинам очень гладкие.
Биты времени и пространства
Итак, у нас есть несколько плавных изображений нашей вселенной и несколько коротких. Когда дело доходит до самого пространства-времени, мы можем легко представить, как можно расширить концепции квантовой механики до логического завершения и решить, что пространство и время дискретны: сама ткань реальности разделена, как пиксели, на экране компьютера. и то, что мы воспринимаем как плавное, непрерывное движение, - это не что иное, как сетка дискретных пикселей в мельчайших масштабах.
Многие теории слияния воедино квантовой механики и общей теории относительности, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация, предсказывают некоторую форму дискретного пространства-времени (хотя точные предсказания, интерпретации и следствия этой краткости все еще плохо поняты). Если бы мы могли найти доказательства для дискретного пространства-времени, это не только полностью переписало бы наше понимание реальности, но и открыло бы дверь для революции в физике.
Эта дискретность может проявить себя только самым тонким образом; иначе мы бы заметили это сейчас. Различные теории предсказывали, что если бы пространство-время действительно было коренастым, то скорость света не могла бы быть полностью постоянной - она может слегка смещаться в зависимости от энергии этого света. Свет с более высокой энергией имеет более короткую длину волны, и когда длина волны становится достаточно маленькой, он может «видеть» объем пространства-времени. Представьте себе, что вы идете по тротуару: с большими ногами вы не замечаете маленьких трещин или ударов, но если у вас есть микроскопические ноги, вы бы запутались в каждом маленьком несовершенстве, замедляя вас. Но этот сдвиг невероятно мал; если пространство-время дискретно, оно в масштабе, более чем в миллиард раз меньше, чем то, что мы в настоящее время можем исследовать в наших самых мощных экспериментах.
В поисках Грааля
Войти GrailQuest: Гамма-астрономическая международная лаборатория квантового исследования пространства-времени. Группа астрономов представила предложение для этой миссии в ответ на призыв к новым идеям охоты пространства-времени от Европейского космического агентства (ESA). Их предложение подробно описано в базе данных arXiv, что означает, что оно еще не было проверено коллегами на местах.
Вот совок: чтобы увидеть, изменяется ли скорость света при разных энергиях, нам нужно собрать огромное количество света с самой высокой энергией во вселенной, и GrailQuest надеется сделать именно это.
GrailQuest состоит из парка небольших, простых космических кораблей (точное число варьируется от нескольких десятков, если спутники больше, до нескольких тысяч, если они меньше), чтобы постоянно отслеживать небо на предмет гамма-всплесков. Это одни из самых мощных взрывов во вселенной. Как следует из их названия, эти вспышки выделяют большое количество высокоэнергетических фотонов, например гамма-лучей. Эти гамма-лучи проходят миллиарды лет до того, как достигают парка космических кораблей, которые регистрируют энергию гамма-лучей и разницу во времени, когда вспышка омывает флот.
С достаточной точностью GrailQuest сможет определить, является ли пространство-время дискретным. По крайней мере, он имеет правильную настройку: он исследует свет с наивысшей энергией (на который больше всего влияют теории, которые предсказывают, что пространство-время короткое); гамма-лучи распространяются на протяжении миллиардов световых лет (что позволяет эффекту накапливаться со временем); и космический корабль достаточно прост в изготовлении в массе (чтобы весь флот мог видеть как можно больше событий по всему небу).
Как изменились бы наши представления о реальности, если бы GrailQuest должен был найти доказательства дискретности пространства-времени? Невозможно сказать - наши нынешние теории повсюду, когда дело доходит до последствий. Но несмотря ни на что, нам придется подождать. Этот раунд предложений ЕКА предназначен для запуска где-то между 2035 и 2050 годами. Пока мы ждем, мы можем обсудить, прошло ли время между настоящим моментом или нет, в корне гладко или коротко.
- 12 самых странных объектов во вселенной
- От Большого взрыва к настоящему: снимки нашей вселенной во времени
- Большие числа, которые определяют вселенную
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
