Ali je naša temeljna resničnost nepretrgana ali jo sesekljamo na drobne, diskretne koščke?
Na drugo vprašanje, ali je prostor-čas gladek ali koren? Vprašanje je v središču najosnovnejših teorij fizike, ki povezuje način, kako se prostor in čas sekata z materialom našega vsakdanjega obstoja.
Vendar pa eksperimentalno testiranje narave prostora in časa ni bilo mogoče zaradi izjemnih energij, potrebnih za sondiranje tako majhnih lestvic v vesolju. To je - do zdaj. Skupina astronomov je predlagala ambiciozen nov načrt uporabe flote drobnih vesoljskih plovil za odkrivanje subtilnih sprememb hitrosti svetlobe, kar je znak nekaterih najbolj teorij kozmosa, ki upogibajo um. Če se prostor in čas res razdelita na majhne koščke, bi raziskave lahko utirale pot povsem novemu razumevanju resničnosti.
Chunky vs. gladko
Vprašanje "kaj sta prostor in čas?" sega tisočletja nazaj, naše sodobno razumevanje pa temelji na dveh nenavadno nezdružljivih stebrih: kvantni mehaniki in Einsteinovi teoriji splošne relativnosti.
V splošni relativnosti sta prostor in čas vpletena v enotno tkanino prostor-čas, štiridimenzionalna stopnja, ki temelji na našem vesolju. Ta prostor-čas je neprekinjen, kar pomeni, da nikjer ni vrzeli; vse je gladke teksture. Vendar prostor-čas ni samo platforma, da lahko delujemo po svojih delih; je tudi igralec: upogibanje in upogibanje prostora in časa nam daje izkušnjo težnosti.
V nasprotnem kotu niz pravil, ki se imenujejo kvantna mehanika, ureja interakcije zelo drobnih stvari v vesolju. Kvantna mehanika temelji na ideji, da ni veliko naše vsakdanje izkušnje gladko in neprekinjeno, ampak prijetno. Z drugimi besedami, kvantizirano je. Energija, zagon, vrtenje in toliko drugih lastnosti materije so samo v majhnih majhnih zavojčkih.
Še več, sama kvantna mehanika se razdeli na dva tabora. Na eni strani imamo znane delce našega vsakdanjega obstoja, na primer elektrone in protone, ki medsebojno delujejo in počnejo druge zanimive stvari. To so očitno zelo močne, saj gre za diskretne "stvari". Po drugi strani imamo kvantna polja. V subatomskem svetu ima vsaka vrsta delcev svoje polje, ki se širi po vesolju in času; ko pomislimo na delce, pomislimo na majhne vibracije na njihovih poljih, ki posledično vplivajo na druge delce in počnemo še nekaj zanimivih stvari. Polja so razumljivo zelo gladka.
Koščki časa in prostora
Tako imamo nekaj gladkih slik našega vesolja in nekaj okornih. Kar zadeva sam prostor-čas, si zlahka predstavljamo, da bi koncepte kvantne mehanike razširili do njihovega logičnega zaključka in odločili, da sta prostor in čas diskretna: Sama tkanina resničnosti je razdeljena kot slikovne pike na računalniškem zaslonu , in to, kar doživljamo kot nemoteno, neprekinjeno gibanje, ni nič drugega kot mreža diskretnih pik na najmanjši lestvici.
Številne teorije o združevanju kvantne mehanike in splošne relativnosti, kot sta teorija strun in kvantna gravitacija zanke, napovedujejo neko obliko diskretnega vesolja-časa (čeprav natančne napovedi, razlage in posledice te črepljivosti še vedno niso dobro razumljene). Če bi lahko našli dokaze za diskretne vesolje-čas, ne bi samo v celoti prepustili našega razumevanja resničnosti, ampak tudi odprli vrata za revolucijo v fiziki.
Ta diskretnost se lahko razkrije le na najbolj subtilne načine; sicer bi ga do zdaj že opazili. Različne teorije so napovedovale, da če bi bil prostor-čas res močan, hitrost svetlobe morda ne bo povsem konstantna - lahko se premakne še tako malo, odvisno od energije te svetlobe. Svetloba z višjo energijo ima krajšo valovno dolžino, in ko postane valovna dolžina dovolj majhna, lahko "vidi" čutnost vesolja. Predstavljajte si, da hodite po pločniku: z velikimi nogami ne opazite majhnih razpok ali izboklin, če pa bi imeli mikroskopska stopala, bi potovali po vsaki majhni nepopolnosti, ki bi vas upočasnila. Toda ta premik je neverjetno majhen; če je prostor-čas diskreten, je v merilu več kot milijardo krat manjši od tistega, kar lahko trenutno preizkusimo v naših najmočnejših poskusih.
Iskanje gral
Vnesite GrailQuest: mednarodni laboratorij za kvantno raziskovanje vesolja in časa v Gamma-Astronomy. Skupina astronomov je podala predlog za to misijo kot odgovor na razpis Evropske vesoljske agencije (ESA) za nove ideje o lovu v vesolju in času. Njihov predlog je podrobno opisan v zbirki arXiv, kar pomeni, da ga kolegi na terenu še niso pregledali.
Tukaj je zajemalka: Da bi videli, ali se hitrost svetlobe spreminja z različnimi energijami, moramo zbrati ogromno količino svetlobe z najvišjo energijo v vesolju, in GrailQuest upa, da bo to storil prav to.
GrailQuest je sestavljen iz flote majhnih, preprostih vesoljskih plovil (natančno število se spreminja, od nekaj deset, če so sateliti večji do nekaj več kot nekaj tisoč, če so manjši), da nenehno spremljajo nebo zaradi razpokov gama-žarkov. To je nekaj najmočnejših eksplozij v vesolju. Kot pove že njihovo ime, tudi ti razpoki sproščajo veliko količin visokoenergijskih fotonov, a.k.a. gama žarkov. Ti gama žarki potujejo več milijard let, preden dosežejo floto vesoljskih plovil, ki beležijo energijo gama žarkov in razlike v časih, ko se praska nad floto.
Z dovolj natančnosti bi lahko GrailQuest razkril, ali je prostor-čas ločen. Vsaj ima pravilno nastavitev: preučuje svetlobo z najvišjo energijo (na katero najbolj vplivajo teorije, ki predvidevajo, da je prostor-čas koren); gama žarki potujejo milijarde svetlobnih let (kar omogoča, da se učinek sčasoma nabere); in vesoljska plovila so dovolj preprosta za izdelavo množično (tako lahko celotna flota vidi čim več dogodkov po vsem nebu).
Kako bi se naše predstave o resničnosti spremenile, če bi GrailQuest našel dokaze za diskretnost vesolja in časa? Nemogoče je reči - naše trenutne teorije so vse na zemljevidu, ko gre za posledice. Toda ne glede na vse, bomo morali počakati. Ta krog predlogov ESA je namenjen predstavitvam med letoma 2035 in 2050. Medtem ko čakamo, lahko razpravljamo, ali je čas, ki je pretekel med tem časom, v glavnem nemoten ali močan.
- 12 najbolj čudnih predmetov v vesolju
- Od velikega poka do sedanjosti: posnetki našega vesolja skozi čas
- Velike številke, ki definirajo vesolje
Paul M. Sutter je astrofizik pri Državna univerza Ohio, gostitelj Vprašajte vesoljca in Vesoljski radioin avtorja Vaše mesto v vesolju.
