Είναι η θεμελιώδης πραγματικότητα μας συνεχής ή είναι κομμένη σε μικροσκοπικά, διακριτά κομμάτια;
Ερωτημένος με άλλο τρόπο, είναι ο χώρος-χρόνος ομαλός ή ογκώδης; Το ερώτημα περνά στην καρδιά των πιο θεμελιωδών θεωριών της φυσικής, συνδέοντας μαζί τον τρόπο διασταυρώσεως του χώρου και του χρόνου με το υλικό της καθημερινής ύπαρξής μας.
Ωστόσο, η πειραματική δοκιμή της φύσης του χώρου και του χρόνου ήταν αδύνατη, λόγω των ακραίων ενεργειών που απαιτούνται για την ανίχνευση τέτοιων μικροσκοπικών ζυγών στο σύμπαν. Αυτό συμβαίνει - μέχρι τώρα. Μια ομάδα αστρονόμων πρότεινε ένα φιλόδοξο νέο σχέδιο για να χρησιμοποιήσει ένα στόλο μικροσκοπικών διαστημικών οχημάτων για να ανιχνεύσει τις λεπτές αλλαγές στην ταχύτητα του φωτός, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα ορισμένων από τις πιο μυστηριώδεις θεωρίες του Κόσμου. Εάν ο χώρος και ο χρόνος μάλιστα διαλυθούν σε μικρά κομμάτια, η έρευνα θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μια εντελώς νέα κατανόηση της πραγματικότητας.
Χοντροειδής και ομαλή
Το ζήτημα του "τι είναι ο χώρος και ο χρόνος;" επιστρέφει χιλιάδες χρόνια και η σύγχρονη αντίληψη μας βασίζεται σε δύο παράξενους ασυμβίβαστους πυλώνες: την κβαντική μηχανική και τη θεωρία γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν.
Σε γενικές γραμμές η σχετικότητα, ο χώρος και ο χρόνος υφαίνονται μαζί στο ενιαίο ύφασμα του space-time, την τετραδιάστατη σκηνή που υποτάσσει το σύμπαν μας. Αυτός ο χωροχρόνος είναι συνεχής, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχουν κενά οπουδήποτε. όλα είναι μια ομαλή υφή. Ο χώρος-χρόνος δεν είναι απλώς μια πλατφόρμα για να δράσουμε τα μέρη μας, ωστόσο. είναι επίσης ένας παίκτης: Η κάμψη και η στρέβλωση του χωροχρόνου μας δίνει την εμπειρία της βαρύτητας.
Στην αντίθετη γωνία, ένα σύνολο κανόνων που ονομάζεται κβαντομηχανική διέπει τις αλληλεπιδράσεις των πολύ μικροσκοπικών πραγμάτων στο σύμπαν. Η κβαντική μηχανική βασίζεται στην ιδέα ότι δεν είναι μεγάλο μέρος της καθημερινής μας εμπειρίας ομαλό και συνεχές, αλλά χονδροειδές. Με άλλα λόγια, είναι κβαντισμένο. Η ενέργεια, η ορμή, η περιστροφή και τόσες άλλες ιδιότητες της ύλης έρχονται μόνο σε διακριτά μικρά πακέτα.
Επιπλέον, η ίδια η κβαντική μηχανική χωρίζεται σε δύο στρατόπεδα. Από τη μία πλευρά, έχουμε τα γνωστά σωματίδια της καθημερινής ύπαρξής μας, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, που αλληλεπιδρούν και κάνουν άλλα ενδιαφέροντα πράγματα. Αυτά είναι προφανώς πολύ χοντρά, καθώς είναι διακριτά "πράγματα". Από την άλλη πλευρά, έχουμε τα κβαντικά πεδία. Στον υποατομικό κόσμο, κάθε είδος σωματιδίου έχει το δικό του πεδίο που εξαπλώνεται καθ 'όλη τη διάρκεια του χωροχρόνου. όταν σκεφτόμαστε σωματίδια, σκεφτόμαστε μικρές δόσεις στους τομείς τους, οι οποίες με τη σειρά τους αλληλεπιδρούν με άλλα σωματίδια και κάνουν κάποια άλλα ενδιαφέροντα πράγματα. Τα πεδία είναι καταφανώς πολύ ομαλά.
Μέρες χρόνου και χώρου
Έτσι, έχουμε κάποιες ομαλές εικόνες του σύμπαντος μας και κάποιες χοντροειδείς. Όταν πρόκειται για τον ίδιο τον χωροχρόνο, μπορούμε εύκολα να φανταστούμε να επεκτείνουμε τις ιδέες της κβαντικής μηχανικής μέχρι το λογικό τους συμπέρασμα και να αποφασίσουμε ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι διακριτικοί: Ο ίδιος ο ιστός της πραγματικότητας διαιρείται ως εικονοστοιχεία σε οθόνη υπολογιστή , και αυτό που βιώνουμε ως ομαλή, συνεχή κίνηση δεν είναι τίποτα άλλο από ένα πλέγμα διακριτών εικονοστοιχείων στις μικρότερες κλίμακες.
Πολλές θεωρίες της συγχώνευσης της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας, όπως η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα του βρόχου, προβλέπουν κάποια μορφή χωριστού χωροχρόνου (αν και οι ακριβείς προβλέψεις, οι ερμηνείες και οι συνέπειες αυτής της θραύσης παραμένουν ελάχιστα κατανοητές). Εάν μπορούσαμε να βρούμε στοιχεία για διακριτό χωροχρόνο, δεν θα ξαναγράψαμε ξανά πλήρως την κατανόησή μας για την πραγματικότητα, αλλά θα ανοίξουμε την πόρτα για μια επανάσταση στη φυσική.
Αυτή η διακριτικότητα μπορεί να αποκαλυφθεί μόνο με τους πιο λεπτούς τρόπους. αλλιώς θα το εντοπίσαμε μέχρι τώρα. Διάφορες θεωρίες έχουν προβλέψει ότι εάν ο χωροχρόνος ήταν πράγματι χοντροειδής, τότε η ταχύτητα του φωτός μπορεί να μην είναι απόλυτα σταθερή - μπορεί να μετατοπιστεί ελαφρά ανάλογα με την ενέργεια του φωτός. Το υψηλότερο ενεργειακό φως έχει μικρότερο μήκος κύματος και όταν το μήκος κύματος γίνει αρκετά μικρό, μπορεί να «δει» τη χονδρόκομψη του χωροχρόνου. Φανταστείτε να περπατάτε κάτω από το πεζοδρόμιο: με μεγάλα πόδια δεν παρατηρείτε μικρές ρωγμές ή χτυπήματα, αλλά αν είχατε μικροσκοπικά πόδια, θα πετούσατε πάνω σε κάθε μικρή ατέλεια, επιβραδύνοντάς σας. Αλλά αυτή η αλλαγή είναι απίστευτα μικροσκοπική. αν ο χωροχρόνος είναι διακριτός, είναι σε κλίμακα πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερη από ό, τι μπορούμε να διερευνήσουμε σήμερα στα πιο δυνατά μας πειράματα.
Μια αναζήτηση για το χάραγμα
Εισαγω GrailQuest: το Διεθνές Εργαστήριο Αστρονομίας Γασμικής Ακτίνων για την Κβαντική Εξερεύνηση του Διαστημικού Χρόνου. Μια ομάδα αστρονόμων υπέβαλε πρόταση για αυτή την αποστολή ανταποκρινόμενη σε μια πρόσκληση για νέες ιδέες για το κυνήγι διαστημικού χρόνου από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (ESA). Η πρότασή τους αναλύεται λεπτομερώς στη βάση δεδομένων arXiv, πράγμα που σημαίνει ότι δεν έχει ακόμη εξεταστεί από τους συνομηλίκους του τομέα.
Εδώ είναι η σέσουλα: Για να δούμε αν η ταχύτητα του φωτός αλλάζει με διαφορετικές ενέργειες, πρέπει να συλλέξουμε ένα τεράστιο ποσό από το φως της υψηλότερης ενέργειας στο σύμπαν και το GrailQuest ελπίζει να το κάνει ακριβώς αυτό.
Το GrailQuest αποτελείται από ένα στόλο μικρών και απλών διαστημικών σκαφών (ο ακριβής αριθμός ποικίλλει, από λίγες μόνο δεκάδες αν οι δορυφόροι είναι μεγαλύτεροι σε αρκετά πάνω από μερικές χιλιάδες εάν είναι μικρότεροι) για να παρακολουθεί συνεχώς τον ουρανό για εκρήξεις ακτίνων γάμμα. Αυτές είναι μερικές από τις πιο ισχυρές εκρήξεις στο σύμπαν. Όπως υποδηλώνει και το όνομά τους, αυτές οι εκρήξεις απελευθερώνουν άφθονες ποσότητες φωτονίων υψηλής ενέργειας, π.χ. ακτίνες γάμμα. Αυτές οι ακτίνες γάμμα ταξιδεύουν πέρα από δισεκατομμύρια χρόνια πριν φτάσουν στο στόλο των διαστημοπλοίων, τα οποία καταγράφουν την ενέργεια των ακτίνων γάμμα και τις διαφορές στο χρονοδιάγραμμα καθώς η έκρηξη πλένει πάνω από το στόλο.
Με αρκετή ακρίβεια, το GrailQuest μπορεί να αποκαλύψει εάν ο χώρος-χρόνος είναι διακριτός. Τουλάχιστον, έχει τη σωστή ρύθμιση: Εξετάζει το φως της υψηλότερης ενέργειας (το οποίο επηρεάζεται περισσότερο από τις θεωρίες που προβλέπουν ότι ο χώρος-χρόνος είναι χοντροειδής). οι ακτίνες γάμμα έχουν ταξιδεύσει για δισεκατομμύρια έτη φωτός (επιτρέποντας το αποτέλεσμα να αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου)? και το διαστημικό σκάφος είναι αρκετά απλό για να παράγει en masse (ώστε ολόκληρος ο στόλος να μπορεί να δει όσο το δυνατόν περισσότερα γεγονότα, σε όλο τον ουρανό).
Πώς θα άλλαζαν οι αντιλήψεις μας για την πραγματικότητα αν η GrailQuest βρει στοιχεία για τη διακριτικότητα του χωροχρόνου; Είναι αδύνατο να πούμε - οι σημερινές μας θεωρίες βρίσκονται σε όλο τον χάρτη όταν πρόκειται για επιπτώσεις. Αλλά δεν έχει σημασία τι, θα πρέπει να περιμένουμε. Αυτός ο κύκλος προτάσεων της ESA είναι για εκτόξευσεις κάπου μεταξύ 2035 και 2050. Ενώ περιμένουμε, μπορούμε να συζητήσουμε εάν ο χρόνος που έχει παρέλθει είναι μέχρι στιγμής ομαλός ή χονδροειδής.
- Τα 12 πιο παράξενα αντικείμενα στο σύμπαν
- Από το Big Bang μέχρι το παρόν: Στιγμιότυπα του σύμπαντος μας μέσα από το χρόνο
- Οι μεγάλοι αριθμοί που καθορίζουν το σύμπαν
Paul M. Sutter είναι ένας αστροφυσικός στο Το κρατικό πανεπιστήμιο του Οχάιο, υποδοχής του Ρωτήστε έναν διαστημόπλοιο και Διαστημικό ραδιόφωνο, και συγγραφέας του Η Θέση σας στο Σύμπαν.
