Дали основната реалност е непрекъсната или е „нарязана“ на малки, дискретни парченца?
Поставен въпросът по друг начин: дали пространство – времето е гладко или грапаво? Въпросът отрязва сърцевината на най-фундаменталните теории на физиката, свързвайки начина, по който пространство времето се пресича с материала на нашето ежедневно съществуване.
Експерименталното тестване на природата на пространство – времето обаче досега се считаше за невъзможно, поради екстремните енергии, необходими за изследване на такива малки мащаби във Вселената. Нещата вероятно вече се променят.
Екип от астрономи предложи нов амбициозен план за използване на флота от малки космически кораби за откриване на фини промени в скоростта на светлината, отличителен белег на някои от най-умопомрачителните теории за Космоса. Ако пространство – времето наистина се раздели на много малки парченца, изследванията могат да проправят път за напълно ново разбиране на реалността.
Въпросът „какво е пространство – време?“ ни връща хиляди години назад, а съвременното ни разбиране за него опира до два странно несъвместими стълба: квантова механика и теорията на Айнщайн за общата относителност.
Като цяло относителността, пространството и времето са вплетени заедно в единната тъкан на пространство – време, която е в основата на нашата вселена. Това пространство – време е непрекъснато, което означава, че никъде няма накъсвания; всичко е гладка текстура. Пространство – времето обаче, не е просто платформа на която да действаме, но също е играч: огъването и изкривяването на пространство – времето ни дава опита на гравитацията.
В противоположния ъгъл набор от правила, наречени квантова механика, управляват взаимодействията на много мъничките неща във Вселената. Квантовата механика опира до идеята, че голяма част от ежедневния ни опит не е гладък и непрекъснат, а е по-скоро грапав и разделен на малки части. С други думи е квантифициран или се определя количествено. Енергия, инерция, въртене и толкова много други свойства на материята се получават само в отделни малки пакети.
Нещо повече, самата квантова механика също е разделена на два лагера. От една страна, имаме познатите частици от нашето ежедневие, като електрони и протони, които си взаимодействат и правят други интересни неща. От друга страна имаме квантовите полета. В субатомния свят всеки вид частици има свое поле, което се разпространява в пространство – времето. Когато мислим за частици, ние мислим за малки вибрации в техните полета, които от своя страна взаимодействат с други частици и също правят някои други интересни неща. Полетата са разбираемо много гладки.
И така, имаме няколко гладки снимки от нашата вселена и няколко „грапави“. Що се отнася до самото пространство – време, можем лесно да си представим разширяването на концепциите на квантовата механика до тяхното логическо заключение и постановявайки, че пространството и времето са дискретни: Самата тъкан на реалността е разделена като пиксели на компютърен екран и това, което преживяваме като плавно, непрекъснато движение, не е нищо друго, освен мрежа от дискретни пиксели в най-малкия от мащабите.
Различни теории за сливането на квантовата механика и общата относителност, като теория на струните и квантова гравитация на веригата, предсказват някаква форма на дискретно пространство – време (въпреки че точните прогнози, интерпретации и последици от тази „грапавост“ все още не са добре разбрани). Ако можехме да намерим доказателства за дискретно пространство – време, това не само ще пренапише напълно разбирането ни за реалността, но и ще отвори вратата към революция във физиката.
Тази дискретност може да се разкрие само по най-фините начини; иначе вече щяхме да я забележим. Различни теории са предвидили, че ако пространството и времето наистина са били начупени, тогава скоростта на светлината може да не е напълно постоянна – тя може да се променя леко, в зависимост от енергията на тази светлина. Светлината с по-висока енергия има по-къса дължина на вълната и когато дължината на вълната стане достатъчно малка, тя може да „види“ грапавостта на пространство- времето. Представете си, че ходите по тротоара: с големи крачки и не забелязвате малки пукнатини или неравности, но ако се движите с микроскопични крачки, ще преодолявате всяко малко несъвършенство, което ще ви забавя. Но тази промяна е невероятно мъничка; ако пространство-времето е дискретно, то е в мащаб, който е повече от милиард пъти по-малък от това, което можем да изследваме в момента в нашите най-мощни експерименти.
Да се въведе GrailQuest на Международната лаборатория за квантово изследване на пространство – времето в Гама-астрономията. Екип от астрономи изпрати предложение за тази мисия в отговор на призив за нови идеи за лов на пространство – времето от Европейската космическа агенция (ESA). Предложението им е подробно описано в базата данни на изданието arXiv. За да се види дали скоростта на светлината се променя с различните енергии, трябва да се събере огромно количество светлина с най-висока енергия във Вселената и GrailQuest се опитва да направи точно това.
GrailQuest се състои от флота от малки космически кораби (точният брой варира – от няколко десетки, ако сателитите са по-големи до повече от няколко хиляди, ако са по-малки), за да наблюдава постоянно небето за изблици на гама-лъчи. Това са едни от най-мощните експлозии във Вселената. Както подсказва името им, тези изблици освобождават голямо количество високоенергийни фотони или гама-лъчи. Тези гама-лъчи пътуват милиарди светлинни години, преди да достигнат флотилията на космическите кораби, които записват енергията им и разликите във времето, за което достигат до флота.
С достатъчна точност GrailQuest може да успее да разкрие дали пространство времето е дискретно. Изследва светлината с най-висока енергия (което е засегнато най-много в теориите, които прогнозират, че пространство – времето е грапаво); гама-лъчите пътуват за милиарди години (позволявайки на ефекта да се натрупа с течение на времето); а целият флот на космическите кораби може да види колкото е възможно повече събития, навсякъде в небето.
Как би се променила представата ни за реалността, ако GrailQuest открие доказателства за дискретност на пространство – времето? Невъзможно е да се каже, особено що се отнася до последиците – сегашните теории са навсякъде около нас. Но независимо от всичко, ще трябва да изчакаме. Този кръг от експерименти на ESA ще стартира някъде между 2035 и 2050 г. Докато чакаме, можем да обсъждаме дали времето, изминало от днес до тогава, е в основата си гладко или грапаво.
