Co by było, gdyby czasoprzestrzeń była „gruba”? Na zawsze zmieniłoby to naturę rzeczywistości.

  • Yurii Mongol
  • 0
  • 1694
  • 161

Czy nasza podstawowa rzeczywistość jest ciągła, czy też jest podzielona na małe, dyskretne fragmenty?

Zapytany w inny sposób, czy czasoprzestrzeń jest gładka czy masywna? Pytanie trafia do sedna najbardziej fundamentalnych teorii fizyki, łącząc sposób, w jaki przestrzeń i czas przecinają się z materiałem naszej codziennej egzystencji. 

Jednak eksperymentalne przetestowanie natury przestrzeni i czasu było niemożliwe z powodu ekstremalnych energii potrzebnych do zbadania tak małych skal we wszechświecie. To znaczy - do teraz. Zespół astronomów zaproponował ambitny nowy plan wykorzystania floty niewielkich statków kosmicznych do wykrywania subtelnych zmian prędkości światła, co jest znakiem rozpoznawczym niektórych z najbardziej zagmatwanych teorii kosmosu. Jeśli przestrzeń i czas rzeczywiście zostaną podzielone na małe części, badania mogą utorować drogę do zupełnie nowego rozumienia rzeczywistości.

Związane z: 18 największych nierozwiązanych tajemnic fizyki

Chunky vs. smooth

Pytanie „co to jest przestrzeń i czas?” sięga tysięcy lat wstecz, a nasze współczesne rozumienie opiera się na dwóch dziwnie niekompatybilnych filarach: mechanice kwantowej i ogólnej teorii względności Einsteina.

W ogólnej teorii względności przestrzeń i czas są wplecione razem w jednolitą tkankę czas, przestrzeń, czterowymiarowa scena, na której opiera się nasz wszechświat. Ta czasoprzestrzeń jest ciągła, co oznacza, że ​​nigdzie nie ma przerw; to wszystko ma gładką konsystencję. Jednak czasoprzestrzeń nie jest tylko platformą, na której możemy działać; to także gracz: zakrzywienie i wypaczenie czasoprzestrzeni daje nam doświadczenie grawitacji.

Związane z: 8 sposobów, w jakie można spojrzeć na teorię względności Einsteina w prawdziwym życiu

W przeciwległym rogu zestaw reguł zwanych mechaniką kwantową rządzi interakcjami bardzo małych rzeczy we wszechświecie. Mechanika kwantowa opiera się na założeniu, że niewiele z naszego codziennego doświadczenia jest płynne i ciągłe, ale grube. Innymi słowy, jest skwantyzowany. Energia, pęd, spin i wiele innych właściwości materii są zawarte w oddzielnych, małych pakietach.

Co więcej, sama mechanika kwantowa również dzieli się na dwa obozy. Z jednej strony mamy znajome cząsteczki naszego codziennego życia, takie jak elektrony i protony, które oddziałują ze sobą i robią inne interesujące rzeczy. Są one oczywiście bardzo masywne, ponieważ są dyskretnymi „rzeczami”. Z drugiej strony mamy pola kwantowe. W świecie subatomowym każdy rodzaj cząstki ma swoje własne pole, które rozprzestrzenia się w czasoprzestrzeni; kiedy myślimy o cząstkach, myślimy o małych wibracjach w ich polach, które z kolei oddziałują z innymi cząstkami i robią inne interesujące rzeczy. Pola są, co zrozumiałe, bardzo gładkie.

Kawałki czasu i przestrzeni

Mamy więc kilka gładkich zdjęć naszego wszechświata i kilka grubych. Jeśli chodzi o samą czasoprzestrzeń, możemy łatwo wyobrazić sobie rozszerzenie pojęć mechaniki kwantowej aż do ich logicznego zakończenia i orzekanie, że przestrzeń i czas są dyskretne: sama struktura rzeczywistości jest podzielona jak piksele na ekranie komputera a to, co doświadczamy jako płynnego, ciągłego ruchu, jest niczym innym jak siatką dyskretnych pikseli w najmniejszej skali.

Związane z: Iluzja czasu: co jest prawdziwe?

Wiele teorii łączenia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, takich jak teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa, przewiduje pewną formę dyskretnej czasoprzestrzeni (chociaż dokładne przewidywania, interpretacje i implikacje tej bryłowości są nadal słabo poznane). Gdybyśmy mogli znaleźć dowody na dyskretną czasoprzestrzeń, nie tylko całkowicie zmieniłoby to nasze rozumienie rzeczywistości, ale także otworzyłoby drzwi do rewolucji w fizyce..

Ta dyskretność może objawiać się tylko w najbardziej subtelny sposób; w przeciwnym razie już byśmy to zauważyli. Różne teorie przewidywały, że jeśli czasoprzestrzeń rzeczywiście byłaby masywna, to prędkość światła może nie być całkowicie stała - może się nawet nieznacznie zmienić w zależności od energii tego światła. Światło o wyższej energii ma krótszą długość fali, a kiedy długość fali staje się dostatecznie mała, może „zobaczyć” bryłowość czasoprzestrzeni. Wyobraź sobie, że chodzisz po chodniku: z dużymi stopami nie widać żadnych małych pęknięć ani nierówności, ale gdybyś miał mikroskopijne stopy, potknąłbyś się o każdą najmniejszą niedoskonałość, spowalniając cię. Ale ta zmiana jest niewiarygodnie mała; jeśli czasoprzestrzeń jest dyskretna, to w skali ponad miliard razy mniejszej niż to, co możemy obecnie zbadać w naszych najpotężniejszych eksperymentach.

Poszukiwanie Graala

Wchodzić GrailQuest: Międzynarodowe Laboratorium Astronomii promieniowania gamma do kwantowej eksploracji czasoprzestrzeni. Zespół astronomów przedstawił propozycję tej misji w odpowiedzi na wezwanie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA) do nowych pomysłów na poszukiwanie czasoprzestrzeni. Ich propozycja jest szczegółowo opisana w bazie danych arXiv, co oznacza, że ​​nie została jeszcze sprawdzona przez innych użytkowników w tej dziedzinie.

Oto podsumowanie: aby zobaczyć, czy prędkość światła zmienia się z różnymi energiami, musimy zebrać ogromną ilość światła o najwyższej energii we wszechświecie, a GrailQuest ma nadzieję, że właśnie to zrobi.

GrailQuest składa się z floty małych, prostych statków kosmicznych (dokładna liczba jest różna, od kilkudziesięciu, jeśli satelity są większe, do znacznie ponad kilku tysięcy, jeśli są mniejsze), które stale monitorują niebo pod kątem rozbłysków gamma. To jedne z najpotężniejszych eksplozji we wszechświecie. Jak sugeruje ich nazwa, te rozbłyski uwalniają obfite ilości wysokoenergetycznych fotonów, czyli promieni gamma. Te promienie gamma podróżują przez miliardy lat, zanim dotrą do floty statków kosmicznych, które rejestrują energię promieni gamma i różnice w czasie, gdy rozbłysk przepływa przez flotę.

Z wystarczającą dokładnością GrailQuest może być w stanie ujawnić, czy czasoprzestrzeń jest dyskretna. Przynajmniej ma odpowiednią konfigurację: bada światło o najwyższej energii (na które najbardziej wpływa teorie, które przewidują, że czasoprzestrzeń jest masywna); promienie gamma podróżują od miliardów lat świetlnych (pozwalając na narastanie efektu w czasie); a statek kosmiczny jest wystarczająco prosty w produkcji en masse (aby cała flota mogła zobaczyć jak najwięcej wydarzeń na całym niebie).

Jak zmieniłyby się nasze koncepcje rzeczywistości, gdyby GrailQuest znalazł dowód na dyskretność czasoprzestrzeni? Nie można powiedzieć - nasze obecne teorie są szeroko rozpowszechnione, jeśli chodzi o implikacje. Ale bez względu na wszystko, będziemy musieli poczekać. Ta runda propozycji ESA ma zostać uruchomiona między 2035 a 2050 rokiem. Czekając, możemy debatować, czy czas, który upłynął od teraz do tego czasu, jest zasadniczo płynny, czy gruby.

  • 12 najdziwniejszych obiektów we Wszechświecie
  • Od Wielkiego Wybuchu do teraźniejszości: migawki naszego wszechświata w czasie
  • Wielkie liczby definiujące wszechświat

Paul M. Sutter jest astrofizykiem w Uniwersytet Stanowy Ohio, gospodarzem Zapytaj kosmonautę i Space Radio, i autor Twoje miejsce we Wszechświecie.

Pierwotnie opublikowano w dniu . 

Potrzebuje więcej miejsca? Zapisz się do naszego siostrzanego magazynu „All About Space” aby uzyskać najnowsze, niesamowite wiadomości z ostatniej granicy! (Zdjęcie: All About Space)



Jeszcze bez komentarzy

Najciekawsze artykuły o tajemnicach i odkryciach. Wiele przydatnych informacji o wszystkim
Artykuły o nauce, kosmosie, technologii, zdrowiu, środowisku, kulturze i historii. Wyjaśniasz tysiące tematów, abyś wiedział, jak wszystko działa