Är vår grundläggande verklighet kontinuerlig eller hackas den upp i små, diskreta bitar?
Frågas om ett annat sätt, är rymdtid smidig eller chunky? Frågan skar i hjärtat av de mest grundläggande teorierna om fysik och kopplar samman hur rum och tid skär varandra i materialet i vår vardag.
Att testa rymdets och tidens natur har emellertid varit omöjligt på grund av de extrema energier som behövs för att undersöka sådana små vågar i universum. Det är - tills nu. Ett team av astronomer har föreslagit en ambitiös ny plan för att använda en flotta av små rymdfarkoster för att upptäcka subtila förändringar i ljusets hastighet, ett kännetecken för några av de mest sinnesriktade teorierna i kosmos. Om utrymme och tid verkligen delas upp i små bitar, kan forskningen bana väg för en helt ny verklighet.
Chunky kontra slät
Frågan om "vad är rum och tid?" går tusentals år tillbaka, och vår moderna förståelse vilar på två konstigt oförenliga pelare: kvantmekanik och Einsteins teori om allmän relativitet.
I allmänhet är relativitet, rymd och tid vävda ihop till en enhetlig struktur rumtid, det fyrdimensionella scenen som ligger till grund för vårt universum. Denna rymdtid är kontinuerlig, vilket innebär att det inte finns några luckor någonstans; allt är en smidig konsistens. Rymdtid är inte bara en plattform för oss att agera våra delar; det är också en spelare: Rymdtidens böjning och vridning ger oss vår upplevelse av allvar.
I motsatt hörn styr en uppsättning regler som kallas kvantmekanik interaktioner mellan de mycket små sakerna i universum. Kvantmekanik bygger på idén att inte mycket av vår vardagliga upplevelse är smidig och kontinuerlig, men chunky. Med andra ord, det är kvantiserat. Energi, fart, spinn och så många andra egenskaper hos materien finns endast i diskreta små paket.
Dessutom delar sig själva kvantmekaniken i två läger. Å ena sidan har vi de bekanta partiklarna i vår vardagliga existens, till exempel elektroner och protoner, som interagerar och gör andra intressanta saker. Dessa är uppenbarligen mycket chunky, eftersom de är diskreta "saker." Å andra sidan har vi kvantfält. I den subatomära världen har varje typ av partikel sitt eget fält som sprids över rymden; när vi tänker på partiklar, tänker vi på små vibrationer i deras fält, som i sin tur interagerar med andra partiklar, och gör några andra intressanta saker. Fälten är förståeligt mycket jämn.
Bitar av tid och rum
Så vi har några smidiga bilder av vårt universum och några chunky. När det gäller själva rymdtiden kan vi lätt föreställa oss att utöka kvantmekanikens begrepp hela vägen till deras logiska slutsats och avgöra att rymden och tiden är diskret: Verklighetens väv är uppdelat som pixlar på en datorskärm , och vad vi upplever som smidig, kontinuerlig rörelse är inget annat än ett rutnät med diskreta pixlar på de minsta skalorna.
Många teorier om sammanfogning av kvantmekanik och allmän relativitet, som strängteori och slingkvanttyngd, förutspår någon form av diskret rymdtid (även om de exakta förutsägelserna, tolkningarna och implikationerna av denna chunkiness fortfarande är dåligt förstått). Om vi kunde hitta bevis för diskret rymdtid, skulle det inte bara helt skriva om vår förståelse av verkligheten utan också öppna dörren till en revolution i fysiken.
Denna diskretitet kan avslöja sig endast på de mest subtila sätten; annars skulle vi ha sett det nu. Olika teorier har förutspått att om rymdtiden verkligen var tjock, kanske inte ljusets hastighet är helt konstant - den kan ändras så lätt beroende på ljusets energi. Ljus med högre energi har en kortare våglängd, och när våglängden blir tillräckligt liten kan den "se" storleken på rymdtiden. Föreställ dig att gå ner på trottoaren: med stora fötter märker du inte några små sprickor eller stötar, men om du hade mikroskopiska fötter skulle du snubbla över varje liten brist och bromsa ner dig. Men denna växling är oerhört liten; Om rymdtiden är diskret är den i en skala som är mer än en miljard gånger mindre än vad vi för närvarande kan undersöka i våra mest kraftfulla experiment.
En strävan efter gralen
Stiga på GrailQuest: Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Ett team av astronomer lade fram ett förslag till detta uppdrag som svar på en begäran om nya ideer för rymdtid-jakt från Europeiska rymdorganisationen (ESA). Deras förslag är detaljerat i arXiv-databasen, vilket innebär att det ännu inte har granskats av kamrater i fältet.
Här är skopan: För att se om ljusets hastighet förändras med olika energier måste vi samla in en enorm mängd av det högsta energiljuset i universum, och GrailQuest hoppas göra just det.
GrailQuest består av en flotta av små, enkla rymdfarkoster (det exakta antalet varierar, från bara några dussin om satelliterna är större till långt över några tusen om de är mindre) för att ständigt övervaka himlen för gammastrålning. Dessa är några av de mest kraftfulla explosionerna i universum. Som deras namn antyder släpper dessa skurar stora mängder högenergi-fotoner, t.ex. gammastrålar. Dessa gammastrålar sträcker sig över miljarder år innan de når rymdfarkostens flotta, som registrerar gamma-strålarnas energi och skillnaderna i tidpunkter när bristen tvättar över flottan.
Med tillräcklig noggrannhet kan GrailQuest kunna avslöja om utrymmet är diskret. Åtminstone har den rätt inställning: Den undersöker ljuset med hög energi (som påverkas mest i teorier som förutspår att rymdtid är chunky); gammastrålarna har färdats i miljarder ljusår (vilket gör att effekten kan byggas upp över tid); och rymdskeppet är enkla att producera en massa (så hela flottan kan se så många händelser som möjligt över hela himlen).
Hur skulle våra uppfattningar om verkligheten förändras om GrailQuest skulle hitta bevis för diskretiteten i rymdtid? Det är omöjligt att säga - våra nuvarande teorier finns över hela kartan när det gäller implikationer. Men oavsett vad, vi måste vänta. Den här omgången av ESA-förslag kommer att lanseras någon gång mellan 2035 och 2050. Medan vi väntar kan vi diskutera om tiden som gått mellan nu och då är grundläggande smidig eller chunky.
- De 12 konstigaste föremålen i universum
- Från Big Bang till nutid: Snapshots av vårt universum genom tiden
- De stora siffrorna som definierar universum
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Space Radio, och författare till Din plats i universum.
