Er vores grundlæggende virkelighed kontinuerlig, eller er den hugget op i små, diskrete stykker?
Spurgt om en anden måde, er rumtid glat eller tykt? Spørgsmålet skærer sig ind i hjertet af de mest grundlæggende fysiske teorier, der forbinder den måde, rum og tid skærer sammen med materialet i vores hverdagsliv.
Imidlertid har det ikke været umuligt at teste rummet og tidens art på grund af de ekstreme energier, der er nødvendige for at undersøge sådanne små vægte i universet.. Det er - indtil nu. Et team af astronomer har foreslået en ambitiøs ny plan til at bruge en flåde af lille rumfartøj til at opdage subtile ændringer i lysets hastighed, et kendetegn for nogle af de mest mind-bending teorier i kosmos. Hvis plads og tid faktisk er opdelt i små bits, kan forskningen bane vejen for en helt ny virkelighedsforståelse.
Chunky vs. glat
Spørgsmålet om "hvad er plads og tid?" går tusinder af år tilbage, og vores moderne forståelse hviler på to underligt uforenelige søjler: kvantemekanik og Einsteins teori om generel relativitet.
I den generelle relativitet er rum og tid vævet sammen til det samlede stof rumtid, den firedimensionelle scene, der understøtter vores univers. Denne rumtid er kontinuerlig, hvilket betyder, at der ikke er nogen huller overalt; det hele er en glat tekstur. Rumtid er ikke kun en platform for os til at handle vores dele; det er også en spiller: Rum-tidens bøjning og fordrejning giver os vores oplevelse af tyngdekraften.
I det modsatte hjørne styrer et sæt regler kaldet kvantemekanik samspillet mellem de meget små ting i universet. Kvantemekanik hviler på ideen om, at ikke meget af vores hverdagsoplevelse er glat og kontinuerlig, men chunky. Med andre ord, det er kvantificeret. Energi, momentum, spin og så mange andre egenskaber ved materie findes kun i diskrete små pakker.
Desuden opdeler kvantemekanikken sig også i to lejre. På den ene side har vi de velkendte partikler i vores hverdagslige eksistens, såsom elektroner og protoner, der interagerer og gør andre interessante ting. Disse er åbenlyst meget chunky, da de er diskrete "ting." På den anden side har vi kvantefelterne. I den subatomiske verden har hver slags partikel sit eget felt, der spreder sig i rummet; når vi tænker på partikler, tænker vi på små vibrationer i deres felter, som igen interagerer med andre partikler og gør nogle andre interessante ting. Felterne er forståeligt nok meget glatte.
Bit af tid og rum
Så vi har nogle glatte billeder af vores univers og nogle chunky. Når det kommer til selve rumtiden, kan vi nemt forestille os at udvide kvantemekanikens begreber helt til deres logiske konklusion og bestemme, at rum og tid er diskrete: Virkelighedens stof er opdelt som pixels på en computerskærm , og hvad vi oplever som en jævn, kontinuerlig bevægelse er intet andet end et gitter af diskrete pixels på de mindste af skalaer.
Mange teorier om sammenlægning af kvantemekanik og generel relativitet, som strengteori og løkkekvanttyngdekraft, forudsiger en form for diskret rumtid (selvom de præcise forudsigelser, fortolkninger og implikationer af denne chunkiness stadig er dårligt forståede). Hvis vi kunne finde bevis for diskret rumtid, ville det ikke kun omskrive vores forståelse af virkeligheden fuldstændigt, men også åbne døren til en revolution i fysikken.
Denne diskretitet kan kun afsløre sig selv på de mest subtile måder; ellers ville vi have set det nu. Forskellige teorier har forudsagt, at hvis rumtid faktisk var tykt, så er lysets hastighed muligvis ikke helt konstant - det kan ændre sig så lidt afhængigt af det lys i energien. Lys med højere energi har en kortere bølgelængde, og når bølgelængden bliver lille nok, kan det "se" tykkelsen i rumtiden. Forestil dig at gå ned ad fortovet: med store fødder bemærker du ikke nogen små revner eller buler, men hvis du havde mikroskopiske fødder, ville du snuble over enhver lille ufuldkommenhed og bremse dig ned. Men dette skift er utroligt lille; hvis rumtid er diskret, er den i en skala mere end en milliard gange mindre end hvad vi i øjeblikket kan undersøge i vores mest magtfulde eksperimenter.
En søgen efter gral
Gå ind GrailQuest: Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Et team af astronomer forelagde et forslag til denne mission som svar på en opfordring til nye ideer om rum-tid-jagt fra Det Europæiske Rumorganisation (ESA). Deres forslag er detaljeret i arXiv-databasen, hvilket betyder, at det endnu ikke er blevet gennemgået af peers i feltet.
Her er scoopet: For at se, om lysets hastighed ændres med forskellige energier, er vi nødt til at samle en enorm mængde af det højeste energilys i universet, og GrailQuest håber at gøre netop det.
GrailQuest består af en flåde af lille, simpelt rumfartøj (det nøjagtige antal varierer fra bare et par dusin, hvis satellitterne er større til godt over et par tusinde, hvis de er mindre) til konstant at overvåge himlen for gammastråle-bursts. Dette er nogle af de mest kraftfulde eksplosioner i universet. Som deres navn antyder frigiver disse bursts rigelige mængder høj-energi fotoner, f.eks. Gammastråler. Disse gammastråler bevæger sig over milliarder af år inden de når rumfartøjets flåde, der registrerer gamma-strålens energi og forskellene i tidspunkter, efterhånden som sprængningen vasker over flåden.
Med tilstrækkelig nøjagtighed kan GrailQuest muligvis afsløre, om plads-tid er diskret. I det mindste har den den rigtige opsætning: Det undersøger lyset med højeste energi (som er mest påvirket af teorier, der forudsiger, at rumtid er tykt); gammastrålerne har kørt i milliarder af lysår (hvilket muliggør, at effekten opbygges over tid); og rumfartøjet er enkle nok til at fremstille en masse (så hele flåden kan se så mange begivenheder som muligt over hele himlen).
Hvordan ville vores forestillinger om virkelighed ændre sig, hvis GrailQuest skulle finde bevis for diskretiteten i rum-tid? Det er umuligt at sige - vores nuværende teorier er overalt på kortet, når det kommer til implikationer. Men uanset hvad, bliver vi nødt til at vente. Denne runde med ESA-forslag er til lancering engang mellem 2035 og 2050. Mens vi venter, kan vi diskutere, om den tid, der er gået mellem nu og derefter, er grundlæggende glat eller tykt.
- De 12 mærkeligste objekter i universet
- Fra Big Bang til nutid: Snapshots af vores univers gennem tid
- De store numre, der definerer universet
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for Spørg en Spaceman og Space Radio, og forfatter af Dit sted i universet.
