Je li naša temeljna stvarnost kontinuirana ili je sjeckana na sitne, diskretne dijelove?
Na drugi način je pitanje je li prostor-vrijeme glatka ili glomazan? Pitanje seže u srce najosnovnijih teorija fizike, povezujući način na koji se prostor i vrijeme presijecaju s materijalom našeg svakodnevnog postojanja.
Međutim, eksperimentalno testiranje prirode prostora i vremena bilo je nemoguće, zbog ekstremnih energija potrebnih za ispitivanje tako sitnih vaga u svemiru. To je - do sada. Tim astronoma predložio je novi ambiciozni plan korištenja flote sićušnih svemirskih letjelica za otkrivanje suptilnih promjena u brzini svjetlosti, što je znak nekih od najvažnijih teorija kosmosa. Ako se prostor i vrijeme doista podijele na male djeliće, istraživanje bi moglo otvoriti put za potpuno novo razumijevanje stvarnosti.
Chunky vs. glatka
Pitanje "što je prostor i vrijeme?" seže tisućama godina unatrag, a naše suvremeno razumijevanje počiva na dva čudno nespojiva stupa: kvantnoj mehanici i Einsteinovoj teoriji opće relativnosti.
Općenito relativnost, prostor i vrijeme su isprepleteni u jedinstvenu tkaninu prostor-vrijeme, četverodimenzionalna faza koja podupire naš svemir. Ovaj prostor-vrijeme je kontinuiran, što znači da nigdje nema praznina; sve je glatka tekstura. Međutim, svemir-vrijeme nije samo platforma za djelovanje naših dijelova; također je igrač: Savijanje i izvijanje prostora i vremena pruža nam iskustvo gravitacije.
U suprotnom kutu, skup pravila zvanih kvantna mehanika upravlja interakcijama vrlo sitnih stvari u svemiru. Kvantna mehanika počiva na ideji da nije mnogo našeg svakodnevnog iskustva glatko i neprekidno, ali glatko. Drugim riječima, kvantizirano je. Energija, zamah, centrifuga i mnoga druga svojstva materije dolaze samo u malim malim paketima.
Uz to, i sama se kvantna mehanika podijelila u dva tabora. S jedne strane imamo poznate čestice našeg svakodnevnog postojanja, poput elektrona i protona, koje međusobno djeluju i čine druge zanimljive stvari. To su očito vrlo lukavi, jer su diskretne "stvari". S druge strane, imamo kvantna polja. U subatomskom svijetu svaka vrsta čestica ima svoje polje koje se širi kroz prostor-vrijeme; kad mislimo na čestice, mislimo na male vibracije u njihovim poljima, koje zauzvrat djeluju s drugim česticama i radimo neke druge zanimljive stvari. Polja su razumljivo vrlo glatka.
Bitovi vremena i prostora
Dakle, imamo nekoliko glatkih slika našeg svemira i neke sitne. Kada je riječ o samom prostoru-vremenu, lako možemo zamisliti proširiti koncepte kvantne mehanike sve do njihovog logičnog zaključka i presuditi da su prostor i vrijeme diskretni: Sama tkanina stvarnosti podijeljena je poput piksela na računalnom ekranu , a ono što doživljavamo kao glatko, neprekidno kretanje nije ništa drugo do mreža diskretnih piksela na najmanjim mjerilima.
Mnoge teorije spajanja kvantne mehanike i opće relativnosti, poput teorije struna i kvantne gravitacije petlje, predviđaju neki oblik diskretnog prostora-vremena (premda su precizna predviđanja, interpretacije i implikacije te ćudljivosti još uvijek slabo razumljive). Kad bismo mogli pronaći dokaze za diskretni prostor-vrijeme, to bi ne samo u potpunosti prepisalo naše razumijevanje stvarnosti, nego i otvorilo vrata revoluciji u fizici.
Ta se diskretnost može otkriti samo na najsuptilnije načine; inače bismo ga već vidjeli. Razne teorije su predviđale da ako su prostor i vrijeme doista neugodne, brzina svjetlosti možda neće biti posve konstantna - može se pomalo mijenjati, ovisno o energiji te svjetlosti. Svjetlo više energije ima kraću valnu duljinu, a kada valna duljina postane dovoljno mala, može "vidjeti" komad prostora prostora. Zamislite da hodate pločnikom: s velikim nogama ne primjećujete male pukotine ili izbočine, ali kad biste imali mikroskopska stopala, naletjeli biste na svaku malu nesavršenost, usporavajući vas. Ali taj je pomak nevjerojatno malen; ako su prostor-vrijeme diskretni, to je na ljestvici koja je više od milijardu puta manja od one koju trenutno možemo ispitati u našim najmoćnijim eksperimentima.
Potraga za gralom
Unesi GrailQuest: Međunarodni laboratorij za kvantno istraživanje svemira i vremena - Gamma-Astronomy-ov laboratorij. Tim astronoma dao je prijedlog za ovu misiju kao odgovor na poziv za Europskom svemirskom agencijom (ESA) za nove ideje o lovu na prostor i vrijeme. Njihov prijedlog je detaljan u arXiv bazi podataka, što znači da ga još nisu pregledali vršnjaci na terenu.
Evo merke: Da bismo vidjeli da li se brzina svjetlosti mijenja s različitim energijama, moramo prikupiti ogromnu količinu svjetla najviše energije u svemiru, a GrailQuest se nada da će učiniti upravo to.
GrailQuest se sastoji od flote malih, jednostavnih svemirskih letjelica (točan broj varira, od samo nekoliko desetaka ako su sateliti veći i do nekoliko tisuća ako su manji) kako bi stalno nadzirao nebo zbog gama-rafala. Ovo su neke od najmoćnijih eksplozija u svemiru. Kao što im ime govori, ove rafale oslobađaju ogromne količine visokoenergetskih fotona, a.k.a. gama zraka. Te gama zrake putuju milijarde godina prije nego što su dostigle flotu svemirskih letjelica, koje bilježe energiju gama zraka i razlike u vremenskim razmacima dok praska pere flotu.
GrailQuest će s dovoljno točnosti moći otkriti je li prostor-vrijeme diskretno. Barem ima ispravno postavljanje: Ispituje svjetlo najviše energije (na što najviše utječu teorije koje predviđaju da je prostor-vrijeme glomazan); gama zrake putuju milijarde svjetlosnih godina (omogućujući tako da se efekt vremenom nagomila); a svemirske letjelice su dovoljno jednostavne za proizvodnju masovno (tako da cijela flota može vidjeti što je moguće više događaja po cijelom nebu).
Kako bi se naša predodžba o stvarnosti promijenila ako bi GrailQuest pronašao dokaze za diskretnost prostora i vremena? Nemoguće je reći - kad su u pitanju implikacije, naše su teorije presvučene na karti. Ali bez obzira na sve, morat ćemo pričekati. Ovaj krug ESA prijedloga je za pokretanje negdje između 2035. i 2050. godine. Dok čekamo, možemo raspravljati je li vrijeme proteklo od tada do danas u osnovi glatko ili tijesno.
- 12 najčudnijih objekata u svemiru
- Od velikog praska do danas: snimke našeg svemira kroz vrijeme
- Veliki brojevi koji definiraju svemir
Paul M. Sutter je astrofizičar na Državno sveučilište Ohio, domaćin Pitajte svemira i Svemirski radio, i autor Vaše mjesto u svemiru.
