Realitatea noastră fundamentală este continuă sau este tăiată în bucăți minuscule și discrete?
Întrebată o altă modalitate, este spațiul-timp lin sau greoi? Întrebarea pune în inima cele mai fundamentale teorii ale fizicii, legând împreună modul în care spațiul și timpul se intersectează cu materialul existenței noastre de zi cu zi.
Cu toate acestea, testarea experimentală a naturii spațiului și a timpului a fost imposibilă, din cauza energiilor extreme necesare pentru sondarea unor astfel de scale minuscule în univers.. Adică - până acum. O echipă de astronomi și-a propus un nou plan ambițios pentru a utiliza o flotă de nave spațiale minuscule pentru a detecta schimbări subtile ale vitezei luminii, un semn distinctiv al unora dintre cele mai teme teorii care îndreaptă mintea despre cosmos. Dacă spațiul și timpul sunt într-adevăr împărțite în bucăți mici, cercetarea ar putea deschide calea către o înțelegere complet nouă a realității.
Chunky vs. neted
Întrebarea „ce este spațiul și timpul?” se întoarce cu mii de ani și înțelegerea noastră modernă se bazează pe doi piloni ciudat de incompatibili: mecanica cuantică și teoria relativității generale a lui Einstein.
În relativitate generală, spațiul și timpul sunt țesute împreună în țesătura unificată a spațiu timp, etapa în patru dimensiuni care stă la baza universului nostru. Acest spațiu-timp este continuu, ceea ce înseamnă că nu există lipsuri nicăieri; totul este o textură netedă. Spațiul-timp nu este doar o platformă pentru a ne acționa părțile; De asemenea, este și un jucător: îndoirea și deformarea spațiului-timp ne oferă experiența noastră gravitațională.
În colțul opus, un set de reguli numite mecanica cuantică guvernează interacțiunile lucrurilor foarte minuscule din univers. Mecanica cuantică se bazează pe ideea că nu o mare parte din experiența noastră de zi cu zi este lină și continuă, ci ciudată. Cu alte cuvinte, este cuantificat. Energia, impulsul, rotirea și multe alte proprietăți ale materiei nu vin decât în pachete mici discrete.
Mai mult, mecanica cuantică în sine se împarte de asemenea în două tabere. Pe de o parte, avem particulele cunoscute ale existenței noastre de zi cu zi, cum ar fi electronii și protonii, care interacționează și fac alte lucruri interesante. Acestea sunt, evident, foarte ciudate, deoarece sunt „lucruri” discrete. Pe de altă parte, avem câmpurile cuantice. În lumea subatomică, fiecare tip de particule are propriul său câmp care se răspândește de-a lungul spațiului-timp; când ne gândim la particule, ne gândim la mici vibrații în câmpurile lor, care la rândul lor interacționează cu alte particule și fac alte lucruri interesante. Câmpurile sunt în mod clar foarte netede.
Bits de timp și spațiu
Avem, așadar, câteva imagini netede ale universului nostru și altele dificile. Când vine vorba de spațiul-timp în sine, ne putem imagina cu ușurință extinderea conceptelor de mecanică cuantică până la concluzia lor logică și declarând că spațiul și timpul sunt discrete: însăși materialul realității este împărțit ca pixeli pe ecranul unui computer și ceea ce experimentăm ca fiind o mișcare continuă, lină, nu este altceva decât o grilă de pixeli discret la cea mai mică dintre scale.
Multe teorii privind combinarea mecanicii cuantice și a relativității generale, precum teoria șirurilor și gravitația cuantică a buclelor, prevăd o formă de spațiu-timp discretă (deși predicțiile, interpretările și implicațiile precise ale acestei fragilități sunt încă slab înțelese). Dacă am putea găsi dovezi pentru spațiu-timp discret, nu numai că ar rescrie complet înțelegerea realității noastre, dar ar deschide ușa către o revoluție în fizică.
Această discretitate nu se poate revela decât în cele mai subtile moduri; altfel am fi văzut-o până acum. Diverse teorii au prezis că, dacă spațiul-timp ar fi într-adevăr scund, atunci viteza luminii ar putea să nu fie în întregime constantă - poate să se schimbe atât de ușor în funcție de energia acelei lumini. Lumina de energie mai mare are o lungime de undă mai scurtă, iar când lungimea de undă devine suficient de mică, poate „vedea” fragilitatea spațiului. Imaginați-vă că mergeți pe trotuar: cu picioarele mari, nu observați mici crăpături sau denivelări, dar dacă ați avea picioare microscopice, ați trece peste orice mică imperfecțiune, încetinindu-vă. Dar această schimbare este incredibil de mică; dacă spațiul-timp este discret, este pe o scară de peste un miliard de ori mai mic decât ceea ce putem sondă în prezent în experimentele noastre cele mai puternice.
O căutare a graalului
introduce GrailQuest: Laboratorul internațional de astronomie cu raze gamma pentru explorarea cuantică a spațiului-timp. O echipă de astronomi a înaintat o propunere pentru această misiune ca răspuns la un apel pentru noi idei de vânătoare spațiu-timp din partea Agenției Spațiale Europene (ESA). Propunerea lor este detaliată în baza de date arXiv, ceea ce înseamnă că nu a fost încă analizată de colegii din domeniu.
Iată buzunarul: Pentru a vedea dacă viteza luminii se schimbă cu diferite energii, trebuie să colectăm o cantitate imensă de lumină cu cea mai mare energie din univers, iar GrailQuest speră să facă asta.
GrailQuest constă dintr-o flotă de nave spațiale simple și simple (numărul exact variază, de la doar câteva zeci dacă sateliții sunt mai mari și cu mult peste câteva mii dacă sunt mai mici) pentru a monitoriza constant cerul pentru exploziile cu raze gamma. Acestea sunt unele dintre cele mai puternice explozii din univers. Așa cum sugerează și numele lor, aceste explozii eliberează cantități abundente de fotoni cu energie mare, de exemplu raze gamma. Aceste raze gamma se deplasează de-a lungul a miliarde de ani înainte de a ajunge la flota de nave spațiale, care înregistrează energia razelor gamma și diferențele de timp în timp ce explozia se spală peste flotă.
Cu suficientă precizie, GrailQuest ar putea să dezvăluie dacă spațiul-timp este discret. Cel puțin, are configurația corectă: examinează lumina cu cea mai mare energie (care este afectată cel mai mult în teoriile care prezic că spațiul-timp este destul de dur); razele gamma au călătorit miliarde de ani-lumină (permițând creșterea efectului în timp); iar nava spațială este suficient de simplă pentru a produce în masă (astfel întreaga flotă poate vedea cât mai multe evenimente, pe tot cerul).
Cum s-ar schimba concepțiile noastre despre realitate dacă GrailQuest ar fi găsit dovezi pentru discretitudinea spațiului-timp? Este imposibil de spus - teoriile noastre actuale sunt peste tot pe hartă când vine vorba de implicații. Dar indiferent de ce, va trebui să așteptăm. Această rundă de propuneri ESA este lansată cândva între anii 2035 și 2050. În timp ce așteptăm, putem dezbate dacă timpul a trecut între timp și atunci este fundamental neted sau dificil.
- Cele 12 cele mai ciudate obiecte din univers
- Din Big Bang până în prezent: instantanee ale Universului nostru de-a lungul timpului
- Numerele mari care definesc Universul
Paul M. Sutter este astrofizician la Universitatea de Stat din Ohio, gazda Întrebați un Spaceman și Radio spațială, și autorul Locul tău în Univers.
