Kas meie põhiline reaalsus on pidev või on see tükeldatud pisikesteks, diskreetseteks osadeks?
Teist võimalust küsides, kas ruumi-aeg on sujuv või turske? Küsimus haarab kõige olulisemaid füüsika teooriaid, sidudes viis, kuidas ruum ja aeg ristuvad meie igapäevase eksisteerimise materjaliga.
Ruumi ja aja olemuse eksperimentaalne katsetamine on siiski olnud võimatu, kuna selliste pisikeste skaalade proovimiseks universumis on vaja äärmuslikke energiaid. See on - siiani. Astronoomide meeskond on välja pakkunud uue ambitsioonika plaani kasutada pisikeste kosmoselaevade parki, et tuvastada valguse kiiruse peensusi, mis on kosmose kõige mõistlikumate teooriate tunnus. Kui ruum ja aeg tükeldatakse tõepoolest väikesteks osadeks, võiks uurimistöö sillutada teed tegelikkuse täiesti uuele mõistmisele.
Turske vs sile
Küsimus "mis on ruum ja aeg?" ulatub tuhandete aastate taha ja meie tänapäevane arusaam toetub kahele kummaliselt kokkusobimatule sambale: kvantmehaanikale ja Einsteini üldrelatiivsusteooriale.
Üldiselt on relatiivsus, ruum ja aeg kokku kootud ruumi-aeg, neljamõõtmeline etapp, mis on meie universumi alus. See aegruum on pidev, mis tähendab, et kuskil pole lünki; see kõik on ühtlase tekstuuriga. Ruumiaeg pole siiski pelgalt platvorm, kus oma osa tegutseda; see on ka mängija: ruumi-aja painutamine ja väändumine annab meile meie kogemuse gravitatsiooni kohta.
Vastupidises nurgas kvantmehaanikaks nimetatav reeglistik reguleerib universumis väga pisikeste asjade koostoimimist. Kvantmehaanika toetub ideele, et mitte suur osa meie igapäevastest kogemustest pole sujuv ja pidev, vaid turske. Teisisõnu, see on kvantiseeritud. Energia, impulss, pöörlemine ja nii paljud muud mateeria omadused on saadaval vaid diskreetsetes väikestes pakkides.
Veelgi enam, ka kvantmehaanika jaguneb ise kaheks leeriks. Ühelt poolt on meil meie igapäevases elus tuttavad osakesed, näiteks elektronid ja prootonid, mis interakteeruvad ja teevad muid huvitavaid asju. Need on ilmselgelt väga tursked, kuna need on diskreetsed asjad. Teisest küljest on meil kvantväljad. Subatomilises maailmas on igal osakeste liikil oma väli, mis levib kogu aeg-aja jooksul; Kui mõtleme osakestele, siis mõtleme nende vibratsioonidele nende väljades, mis omakorda interakteeruvad teiste osakestega, ja teeme muid huvitavaid asju. Põllud on arusaadavalt väga siledad.
Bitti aega ja ruumi
Niisiis, meil on mõned laiad pildid meie universumist ja mõned tursked. Kui rääkida ruumi-ajast endast, siis võime hõlpsalt ette kujutada kvantmehaanika mõistete laiendamist kuni nende loogilise järelduseni ja otsustada, et ruum ja aeg on diskreetsed: reaalsuse kangas jaguneb nagu pikslid arvutiekraanil , ja see, mida me kogeme sujuva ja pideva liikumisena, pole midagi muud kui diskreetsete pikslite ruudustik väikseima skaala korral.
Paljud kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria ühendamise teooriad, nagu näiteks stringiteooria ja silmuse kvantgravitatsioon, ennustavad diskreetse ruumi-ajavormi (ehkki selle killukese täpsed ennustused, tõlgendused ja tagajärjed on endiselt halvasti mõistetavad). Kui leitaks tõendeid diskreetse ruumi-aja kohta, ei kirjutaks see mitte ainult täielikult ümber meie arusaama tegelikkusest, vaid avaks ka ukse füüsika revolutsioonile.
See diskreetsus võib ilmneda ainult kõige peenemal viisil; muidu oleksime praeguseks seda märganud. Mitmed teooriad on ennustanud, et kui ruumi-aeg oleks tõepoolest turske, siis ei pruugi valguse kiirus olla täiesti konstantne - see võib sõltuvalt selle valguse energiast kunagi nii kergelt nihkuda. Suurema energiaga valgusel on lühem lainepikkus ja kui lainepikkus muutub piisavalt väikeseks, võib see "näha" kosmoseaja paisumist. Kujutage ette kõnniteelt kõndimist: suurte jalgadega ei märka te mingeid väikesi pragusid ega konarusi, kuid kui teil oleks mikroskoopilised jalad, lööksite iga väiksema ebatäpsuse korral üle, aeglustades teid. Kuid see nihe on uskumatult väike; kui ruumi-aeg on diskreetne, on see skaalal enam kui miljard korda väiksem kui see, mida me võime praegu oma kõige võimsamates katsetes proovile panna.
Graali otsing
Sisenema GrailQuest: rahvusvaheline Gamma-ray astronoomialabor kosmose-aja kvant uurimiseks. Astronoomide meeskond esitas selle missiooni ettepaneku vastuseks Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) üleskutsele uute kosmose-aja jahipidamise ideede saamiseks. Nende ettepanek on üksikasjalikult arXiv andmebaasis, mis tähendab, et valdkonna eakaaslased pole seda veel üle vaadanud.
Siin on kühvel: selleks, et näha, kas valguse kiirus erinevate energiatega muutub, peame koguma tohutu hulga universumi kõrgeima energiaga valgust ja GrailQuest loodab seda just teha.
GrailQuest koosneb väikestest lihtsatest kosmoselaevadest (täpne arv varieerub vaid mõnekümnest, kui satelliidid on suuremad, kuni tublisti üle tuhande, kui nad on väiksemad), et jälgida pidevalt taevast gammakiirguse purunemiste suhtes. Need on universumi kõige võimsamad plahvatused. Nagu nende nimi viitab, eraldavad need pursked ohtralt energiat kõrge energiaga footoneid, gammakiiri. Need gammakiired rändavad miljardeid aastaid enne kosmoselaevade parki jõudmist, mis registreerib gammakiirte energiat ja ajalisi erinevusi, kui purunemine peseb laevastikku.
Piisava täpsusega võib GrailQuest paljastada, kas ruumi-aeg on diskreetne. Vähemalt on see õige seadistus: see uurib kõige suurema energiatarbimisega valgust (mida mõjutab kõige rohkem teooriates, mis ennustavad, et ruumi-aeg on turske); gammakiired on liikunud miljardeid valgusaastaid (võimaldades efektil aja jooksul koguneda); ja kosmoseaparaat on tootmiseks piisavalt lihtne massiliselt (nii et kogu laevastik näeb kogu taevas võimalikult palju sündmusi).
Kuidas muutuksid meie ettekujutused reaalsusest, kui GrailQuest leiaks tõendeid ruumiaja diskreetsuse kohta? Seda on võimatu öelda - meie praegused teooriad on mõjude osas kogu kaardil. Kuid ükskõik mida, peame ootama. See ESA ettepanekute voor on mõeldud käivitamiseks vahemikus 2035 kuni 2050. Ootades võime arutleda, kas praegune aeg on põhimõtteliselt sujuv või turske.
- 12 kõige kummalisemat objekti universumis
- Suurest paugust tänapäevani: meie universumi hetkepildid
- Suured numbrid, mis määratlevad universumi
Paul M. Sutter on astrofüüsik juures Ohio Riiklik Ülikool, host Küsi kosmosemehelt ja Kosmoseraadio, ja artikli autor Sinu koht universumis.
