Er vår grunnleggende virkelighet kontinuerlig, eller blir den hakket opp i bittesmå, diskrete biter?
Spurt på en annen måte, er rom-tid glatt eller tykk? Spørsmålet kutter til hjertet av de mest grunnleggende teoriene om fysikk, og kobler sammen rom og tid sammen med materialet i vår daglige eksistens.
Imidlertid har det vært umulig å teste rom og tids natur å ha testet arten på grunn av de ekstreme energiene som trengs for å undersøke slike små skalaer i universet.. Det er - til nå. Et team av astronomer har foreslått en ambisiøs ny plan for å bruke en flåte av bittesmå romfartøyer for å oppdage subtile endringer i lysets hastighet, et kjennetegn for noen av de mest tankelevende teoriene i kosmos. Hvis rom og tid faktisk blir delt opp i små biter, kan forskningen bane vei for en helt ny virkelighetsforståelse.
Chunky vs. glatt
Spørsmålet om "hva er tid og tid?" går tusenvis av år tilbake, og vår moderne forståelse hviler på to merkelig inkompatible søyler: kvantemekanikk og Einsteins teori om generell relativitet.
I generell relativitet er rom og tid vevd sammen til det enhetlige stoffet av romtid, den firedimensjonale scenen som understøtter universet vårt. Denne romtiden er kontinuerlig, noe som betyr at det ikke er noen hull noen steder; det hele er en jevn tekstur. Plass-tid er ikke bare en plattform for oss til å utføre våre deler; det er også en spiller: rom-tidens bøyning og forvrengning gir oss vår opplevelse av tyngdekraften.
I motsatt hjørne styrer et sett regler som kalles kvantemekanikk samspillet mellom de veldig små tingene i universet. Kvantemekanikk hviler på ideen om at ikke mye av vår hverdagslige opplevelse er jevn og kontinuerlig, men tykk. Med andre ord, det er kvantifisert. Energi, momentum, spinn og så mange andre egenskaper ved materie kommer bare i diskrete små pakker.
Dessuten deler kvantemekanikken seg også i to leire. På den ene siden har vi de kjente partiklene i vår hverdagslige eksistens, for eksempel elektroner og protoner, som samvirker og gjør andre interessante ting. Dette er tydeligvis veldig tykke, fordi det er diskrete "ting." På den annen side har vi kvantefeltene. I den subatomiske verdenen har hver type partikkel sitt eget felt som sprer seg gjennom rom-tid; når vi tenker på partikler, tenker vi på små vibrasjoner i feltene deres, som igjen samhandler med andre partikler, og gjør noen andre interessante ting. Feltene er forståelig nok veldig glatte.
Biter av tid og rom
Så, vi har noen glatte bilder av universet vårt og noen tykke bilder. Når det gjelder selve romtiden, kan vi lett forestille oss å utvide kvantemekanikkens begreper helt til deres logiske konklusjon, og bestemme at rom og tid er diskrete: Selve stoffets virkelighet er delt opp som piksler på en dataskjerm , og det vi opplever som jevn, kontinuerlig bevegelse er ikke annet enn et rutenett med diskrete piksler på de minste skalaene.
Mange teorier om sammenslåing av kvantemekanikk og generell relativitet, som strengteori og løkkekvanttyngdekraft, forutsier en form for diskret romtid (selv om de nøyaktige forutsigelsene, tolkningene og implikasjonene av den chunkiness fortsatt er dårlig forstått). Hvis vi kunne finne bevis for diskret romtid, ville det ikke bare omskrevet vår virkelighetsforståelse fullstendig, men også åpne døren for en revolusjon i fysikken.
Denne diskretiteten kan bare avsløre seg på de mest subtile måter; Ellers hadde vi sett det nå. Ulike teorier har spådd at hvis romtid faktisk var tykk, kan det hende at lysets hastighet ikke er helt konstant - den kan skifte noen gang så litt avhengig av lysets energi. Lys med høyere energi har en kortere bølgelengde, og når bølgelengden blir liten nok, kan den "se" tykkelsen i romtiden. Se for deg å gå ned på fortauet: med store føtter merker du ikke noen små sprekker eller ujevnheter, men hvis du hadde mikroskopiske føtter, ville du snuble over hver lille ufullkommenhet og bremse deg ned. Men dette skiftet er utrolig lite; Hvis romtid er diskret, er den i en skala som er mer enn en milliard ganger mindre enn det vi i dag kan undersøke i våre kraftigste eksperimenter.
En søken etter gral
Tast inn GrailQuest: Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Et team av astronomer sendte inn et forslag til dette oppdraget som svar på en oppfordring om nye ideer om rom-tid-jakt fra European Space Agency (ESA). Forslaget deres er detaljert i arXiv-databasen, noe som betyr at det ennå ikke er vurdert av fagfeller.
Her er scoopen: For å se om lysets hastighet endres med forskjellige energier, må vi samle en enorm mengde av det høyeste energilyset i universet, og GrailQuest håper å gjøre nettopp det.
GrailQuest består av en flåte av lite, enkelt romskip (det nøyaktige antallet varierer, fra bare noen få dusin hvis satellittene er større til godt over noen tusen hvis de er mindre) for å hele tiden overvåke himmelen for gammastråle-utbrudd. Dette er noen av de kraftigste eksplosjonene i universet. Som navnet antyder slipper disse utbruddene store mengder høyenergi-fotoner, a.m. gammastråler. Disse gammastrålene reiser over milliarder av år før de når romflåten, som registrerer energien fra gammastrålene og forskjellene i tidspunkter når sprengningen vasker over flåten.
Med nok nøyaktighet kan GrailQuest kanskje avsløre om romtid er diskret. I det minste har den riktig oppsett: Det undersøker lyset med høy energi (som påvirkes mest i teorier som forutsier at rom-tid er tykk); gammastrålene har vært på reise i milliarder lysår (slik at effekten kan bygges opp over tid); og romskipet er enkle å produsere en masse (slik at hele flåten kan se så mange hendelser som mulig over hele himmelen).
Hvordan ville våre forestillinger om virkelighet endret seg hvis GrailQuest skulle finne bevis for diskretiteten i romtid? Det er umulig å si - våre nåværende teorier er over hele kartet når det gjelder implikasjoner. Men uansett hva, vi må vente. Denne runden med ESA-forslag er for lanseringer en gang mellom 2035 og 2050. Mens vi venter, kan vi diskutere om tiden som går mellom nå og da er grunnleggende glatt eller tykk.
- De 12 merkeligste objektene i universet
- Fra Big Bang til nåtid: Øyeblikksbilder av vårt univers gjennom tid
- De store tallene som definerer universet
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Din plass i universet.
