Основната ни реалност е непрекъсната или е нарязана на малки, дискретни парченца?
Попитан по друг начин, дали пространството-времето е гладко или кофти? Въпросът отрязва сърцевината на най-фундаменталните теории на физиката, свързвайки заедно начина, по който пространството и времето се пресичат с материала на нашето ежедневно съществуване.
Експерименталното тестване на природата на пространството и времето обаче е невъзможно поради екстремните енергии, необходими за изследване на такива малки люспи във Вселената. Това е - досега. Екип от астрономи предложи нов амбициозен план за използване на флота от малки космически кораби за откриване на фини промени в скоростта на светлината, отличителен белег на някои от най-умопомрачителните теории на Космоса. Ако пространството и времето наистина се разделят на малки парченца, изследванията могат да проправят пътя за напълно ново разбиране на реалността.
Чуплив срещу гладък
Въпросът "какво е пространство и време?" се връща хиляди години назад, а съвременното ни разбиране опира до два странно несъвместими стълба: квантова механика и теория на Айнщайн за обща относителност.
Като цяло относителността, пространството и времето са вплетени заедно в единната тъкан на космическо време, четириизмерният етап, който е в основата на нашата вселена. Това пространство-време е непрекъснато, което означава, че няма пропуски никъде; всичко е гладка текстура. Космическото време обаче не е просто платформа за нас да действаме на нашите части; също е играч: огъването и изкривяването на пространството и времето ни дава опит на гравитацията.
В противоположния ъгъл набор от правила, наречени квантова механика, управлява взаимодействията на много мъничките неща във Вселената. Квантовата механика опира до идеята, че не голяма част от ежедневния ни опит е гладка и непрекъсната, но тромава. С други думи, тя се определя количествено. Енергия, инерция, въртене и толкова много други свойства на материята влизат само в отделни малки пакети.
Нещо повече, самата квантова механика също се разделя на два лагера. От една страна, ние имаме познатите частици от нашето ежедневие, като електрони и протони, които си взаимодействат и правят други интересни неща. Това очевидно са много тромави, тъй като са дискретни „неща“. От друга страна имаме квантовите полета. В субатомния свят всеки вид частици има свое поле, което се разпространява в пространството-времето; когато мислим за частици, мислим за малки вибрации в техните полета, които от своя страна взаимодействат с други частици и правят някои други интересни неща. Полетата са разбираемо много гладки.
Битове за време и пространство
И така, ние имаме няколко гладки снимки от нашата вселена и някои тромави. Що се отнася до самото пространство-време, можем лесно да си представим разширяването на концепциите на квантовата механика до тяхното логическо заключение и постановявайки, че пространството и времето са дискретни: самата тъкан на реалността е разделена като пиксели на компютърен екран и това, което преживяваме като плавно, непрекъснато движение, не е нищо друго, освен мрежа от дискретни пиксели в най-малките от мащабите.
Много теории за сливането на квантовата механика и общата относителност, като теория на струните и квантова гравитация на веригата, предсказват някаква форма на дискретно пространство-време (въпреки че точните прогнози, интерпретации и последици от тази къдрост все още не са добре разбрани). Ако можехме да намерим доказателства за дискретно пространство-време, това не само ще пренапише напълно нашето разбиране за реалността, но и ще отвори вратата към революция във физиката.
Тази дискретност може да се разкрие само по най-фините начини; иначе вече щяхме да го забележим. Различни теории са предвидили, че ако пространството и времето наистина са били кофти, тогава скоростта на светлината може да не е напълно постоянна - тя може да се измества толкова леко, в зависимост от енергията на тази светлина. Светлината с по-висока енергия има по-къса дължина на вълната и когато дължината на вълната стане достатъчно малка, тя може да "види" къдростта на космическото време. Представете си, че ходите по тротоара: с големи крака не забелязвате малки пукнатини или неравности, но ако сте имали микроскопични стъпала, ще преодолеете всяко малко несъвършенство, забавяйки ви. Но тази промяна е невероятно мъничка; ако пространството-времето е дискретно, то е в мащаб, който е повече от милиард пъти по-малък от това, което можем да изследваме в момента в нашите най-мощни експерименти.
Търсене на граал
Въведете GrailQuest: Международната лаборатория за квантово изследване на пространството и времето на Гама-астрономията. Екип от астрономи изпрати предложение за тази мисия в отговор на призив за нови идеи за космическо и ловно пространство от Европейската космическа агенция (ESA). Предложението им е подробно описано в базата данни на arXiv, което означава, че все още не е било прегледано от връстници в тази област.
Ето и лъжичката: За да видим дали скоростта на светлината се променя с различни енергии, трябва да съберем огромно количество светлина с най-висока енергия във Вселената и GrailQuest се надява да направи точно това.
GrailQuest се състои от флот от малки, прости космически кораби (точният брой варира от само няколко десетки, ако сателитите са по-големи до доста над няколко хиляди, ако са по-малки), за да наблюдава постоянно небето за изблици на гама-лъчи. Това са едни от най-мощните експлозии във Вселената. Както подсказва името им, тези изблици освобождават голямо количество високоенергийни фотони, a.k.a. гама-лъчи. Тези гама лъчи пътуват през милиарди години, преди да достигнат флота на космическите кораби, които записват енергията на гама лъчите и разликите във времето, докато избухването се измива над флота.
С достатъчно точност GrailQuest може да успее да разкрие дали пространството и времето са дискретни. Поне има правилна настройка: изследва светлината с най-висока енергия (което е засегнато най-много в теориите, които прогнозират, че пространството-времето е тромаво); гама-лъчите пътуват за милиарди светлинни години (позволявайки на ефекта да се натрупа с течение на времето); и космическият кораб са достатъчно прости за производство масово (така че целият флот може да види колкото е възможно повече събития от цялото небе).
Как биха се променили представите ни за реалността, ако GrailQuest открие доказателства за дискретността на пространството и времето? Невъзможно е да се каже - сегашните ни теории са навсякъде по картата, що се отнася до последиците. Но независимо от всичко, ще трябва да чакаме. Този кръг от предложения на ESA е за стартиране някъде между 2035 и 2050 г. Докато чакаме, можем да обсъждаме дали времето, изминало между сега и след това, е в основата гладко или тромаво.
- 12-те най-странни обекта във Вселената
- От Големия взрив до настоящето: Снимки на нашата Вселена през времето
- Големите числа, които определят Вселената
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Попитайте Космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената.
