Onko perustodellisuus jatkuvaa vai onko se pilkottu pieniksi, erillisiksi biteiksi?
Kysytään toisella tavalla: onko avaruus-aika sujuva vai paksu? Kysymys leimaa keskeisimmät fysiikan teoriat, yhdistäen tapa, jolla tila ja aika leikkaavat jokapäiväisen olemassaolomme materiaaliin.
Avaruuden ja ajan luonteen kokeellinen kokeilu on kuitenkin ollut mahdotonta, koska tarvitaan äärimmäisiä energioita, jotta koettaisiin tällaisia pieniä vaakoja universumissa.. Se on - tähän asti. Ryhmä tähtitieteilijöitä on ehdottanut kunnianhimoista uutta suunnitelmaa pienten avaruusalusten käyttämiseksi valon nopeuden hienovaraisten muutosten havaitsemiseksi, mikä on eräs kosmoksen mielenkiintoisimpia teorioita. Jos tila ja aika todellakin hajotetaan pieniksi biteiksi, tutkimus voisi tasoittaa tietä täysin uudelle todellisuuden ymmärtämiselle.
Paksu vs. sileä
Kysymys "mikä on tila ja aika?" menee tuhansien vuosien taaksepäin, ja nykypäivän ymmärryksemme perustuu kahteen omituisesti ristiriidassa olevaan pylvääseen: kvanttimekaniikkaan ja Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Yleisesti suhteellisuusteoria, tila ja aika on kudottu yhteen yhtenäiseksi kankaksi tila-aika, nelikulmainen vaihe, joka on maailmankaikkeuden perustana. Tämä avaruus-aika on jatkuva, mikä tarkoittaa, että missään ei ole aukkoja; se kaikki on sileä rakenne. Avaruus-aika ei ole kuitenkaan meille vain toimintaympäristö; se on myös pelaaja: avaruus-ajan taipuminen ja vääntyminen antaa meille kokemuksen painovoimasta.
Vastakkaisessa nurkassa joukko sääntöjä, nimeltään kvanttimekaniikka, hallitsee maailmankaikkeuden pienten asioiden vuorovaikutusta. Kvanttimekaniikka perustuu ajatukseen, ettei suuri osa jokapäiväisestä kokemuksestamme ole sujuvaa ja jatkuvaa, mutta paksu. Toisin sanoen se on kvantisoitu. Energia, vauhti, spin ja niin monet muut aineen ominaisuudet tulevat vain erillisistä pienistä paketeista.
Lisäksi kvantimekaniikka jakaa itsensä myös kahteen leiriin. Toisaalta meillä on arkipäivän olemassaolon tutut hiukkaset, kuten elektronit ja protonit, jotka ovat vuorovaikutuksessa ja tekevät muita mielenkiintoisia asioita. Nämä ovat ilmeisesti erittäin pahoja, koska ne ovat erillisiä "asioita". Toisaalta meillä on kvanttikentät. Subatomisessa maailmassa jokaisella hiukkasella on oma kenttä, joka leviää koko avaruus-ajan; kun ajattelemme hiukkasia, ajattelemme pieniä värähtelyjä niiden kentällä, jotka vuorovaikutuksessa ovat vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa, ja tekevät muita mielenkiintoisia asioita. Kentät ovat ymmärrettävästi erittäin sileitä.
Paljon aikaa ja tilaa
Joten, meillä on joitakin sujuvia kuvia universumistamme ja joitain paksuisia. Itse avaruus-ajan suhteen voimme helposti kuvitella laajentavan kvanttimekaniikan käsitteet aina niiden loogiseen päätelmään ja päättämään, että tila ja aika ovat erillisiä: todellisuuden kangas on jaettu pikseliksi tietokoneen näytöllä , ja mitä koemme tasaisena, jatkuvana liikkumisena, ei ole muuta kuin erillisten pikselien ruudukko pienimmällä asteikolla.
Monet teoriat kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuussuhteen yhdistämisestä, kuten merkkijono-teoria ja silmukkvanttigravitaatio, ennustavat jonkinlaisen erillisen avaruus-ajan muodon (vaikka kyseisen paksuuden tarkkoja ennusteita, tulkintoja ja vaikutuksia ymmärretään edelleen huonosti). Jos voisimme löytää todisteita erillisestä avaruus-ajasta, se ei vain kirjoittaisi täysin ymmärrystämme todellisuudesta, vaan myös avaa oven fysiikan vallankumoukselle.
Tämä harkitsemattomuus voi paljastaa itsensä vain hienoimmalla tavalla; muuten olisimme huomanneet sen jo. Useat teoriat ovat ennustaneet, että jos avaruus-aika olisi todella paksu, valon nopeus ei välttämättä ole täysin vakio - se voi muuttua niin vähän tämän valon energiasta riippuen. Korkeamman energian valolla on lyhyempi aallonpituus, ja kun aallonpituus pienenee, se voi "nähdä" avaruusajan paksuuden. Kuvittele liikkumista jalkakäytävällä: isoilla jaloilla et huomaa pieniä halkeamia tai kuoppia, mutta jos sinulla olisi mikroskooppisia jaloja, kompastuit jokaisen pienen epätäydellisyyden yli, hidastaen sinua. Mutta tämä muutos on uskomattoman pieni; jos avaruus-aika on diskreetti, se on mittakaavassa yli miljardi kertaa pienempi kuin mitä tällä hetkellä voimme koettaa tehokkaimmissa kokeiluissamme.
Graalin etsintä
Tulla sisään GrailQuest: Kansainvälinen gammasädeastronomian laboratorio avaruus-ajan kvantitutkimukselle. Tähtitieteilijäryhmä esitti ehdotuksen tätä tehtävää varten vastauksena Euroopan avaruusjärjestön (ESA) esittämiin uusiin avaruus-aika-metsästysideoihin. Heidän ehdotuksensa on yksityiskohtainen arXiv-tietokannassa, mikä tarkoittaa, että alan kollegat eivät ole vielä tarkistaneet sitä.
Tässä on kauha: Jotta voidaan nähdä, muuttuuko valon nopeus eri energioiden kanssa, meidän on kerättävä valtava määrä korkeimman energian valoa universumissa, ja GrailQuest toivoo voivan tehdä juuri sen.
GrailQuest koostuu pienten, yksinkertaisten avaruusalusten laivastosta (tarkka lukumäärä vaihtelee vain muutamasta kymmenestä, jos satelliitit ovat suurempia, jopa muutamiin tuhansiin, jos ne ovat pienempiä) seuraamaan taivaan jatkuvaa gammasäteilyä. Nämä ovat eräitä maailmankaikkeuden voimakkaimmista räjähdyksistä. Kuten heidän nimensä viittaa, nämä purskeet vapauttavat runsaasti suuria energian fotoneja, n. Gammasäteitä. Nämä gammasäteet kulkevat miljardeja vuosia ennen kuin ne saavuttavat avaruusaluksen laivaston, joka tallentaa gammasäteiden energian ja ajoituserot, kun purske pesee laivaston yli.
Tarpeeksi tarkkuudella GrailQuest saattaa pystyä paljastamaan, onko avaruus-aika erillinen. Ainakin sillä on oikea asennus: Se tutkii suurimman energian valoa (johon vaikuttaa eniten teorioissa, jotka ennustavat, että avaruus-aika on paksu); gammasäteet ovat kulkeneet miljardeja valovuosia (mahdollistaen vaikutuksen kehittymisen ajan myötä); ja avaruusalukset ovat riittävän yksinkertaisia tuottamaan en masse (joten koko laivasto voi nähdä niin monta tapahtumaa kuin mahdollista taivaan poikki).
Kuinka käsitys todellisuudesta muuttuisi, jos GrailQuest löytäisi todisteita avaruus-ajan diskreettisyydestä? On mahdotonta sanoa - nykyiset teoriamme ovat koko kartalla, kun kyse on vaikutuksista. Mutta ei väliä mitä, meidän on odotettava. Tämä ESA-ehdotuskierros on tarkoitettu julkaisemiseen joskus vuosina 2035 - 2050. Odottessamme voimme keskustella siitä, onko ajankohta välillä oleellisesti sujuvaa vai paksu.
- Maailmankaikkeuden 12 omituista objektia
- Big Bangista nykypäivään: Katsaukset maailmankaikkeudesta kautta ajan
- Suuret numerot, jotka määrittelevät maailmankaikkeuden
Paul M. Sutter on astrofysiikka Ohion osavaltion yliopisto, isäntä Kysy avaruusasemalta ja Avaruusradio, ja kirjoittaja Paikkasi maailmankaikkeudessa.
