Дискретно ли е пространство-времето?

[asthfghl]

Непрекъсната ли е реалността, или се състои от миниатюрни малки парченца? Или ако трябва да зададем въпроса другояче, дали пространство-времето е непрекъснато или накъсано? Този въпрос засяга същността на най-фундаменталните теории на физиката, свързвайки в едно начина, по който са устроени пространството и времето, с нашето ежедневие.

Само че експерименталното тестване на същността на пространството и времето доскоро не беше възможно поради екстремните енергии, необходими за изучаване на такива миниатюрни мащаби от Вселената. Но сега това е на път да се промени.

Наскоро екип от астрономи предложи нов амбициозен план за използване на флотилия от мънички космически апарати за откриване на най-дребните и фини изменения в скоростта на светлината, което е отличителен белег на някои от най-модерните теории във физиката. Ако пространството и времето наистина могат да бъдат раздробени на малки парченца, подобно изследване би могло да проправи пътя за изцяло ново разбиране на реалността.

Въпросът "какво е пространството и времето" съществува от хиляди години и сегашното ни разбиране се основава на две странно несъвместими физически теории: квантовата механика и Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн.

Съгласно Общата теория на относителността, пространството и времето са вплетени в единна тъкан от пространство-време, която е в основата на нашата Вселена. Това пространство-време е непрекъснато, което означава, че никъде няма празнини, а всичко представлява гладка текстура. Пространство-времето обаче не е просто поле за нашите действия; то все пак може да се деформира от гравитацията.

В отсрещния ъгъл на ринга обаче имаме набор от правила, наречени квантова механика, които управляват взаимодействието на много малки съставни частици на Вселената. Квантовата механика се основава на идеята, че не всичко на света е гладко и непрекъснато, а е дискретно - с други думи, квантово. Енергия, импулс, спин и много други свойства на материята - всичко това е включено в тази теория и то винаги се разглежда като разчленено на отделни малки пакети.

Освен това, самата квантова механика също е разделена на две части. От една страна имаме познатите частици като електрони, протони и т.н., а от друга - квантови полета. В субатомния свят всеки тип частици има свое собствено поле, което се разпространява в пространство-времето; когато говорим за частици, имаме предвид малки вибрации в техните съответни полета, които от своя страна взаимодействат с други частици и така се получават редица интересни феномени.

Когато става въпрос за самото пространство-време, можем лесно да си представим как е възможно да се разширят концепциите на квантовата механика до нейното логично заключение и да решим, че пространството и времето също са дискретни: самата тъкан на реалността е разделена, подобно на пиксели върху компютърен екран. И че всичко, възприемано като плавно, непрекъснато движение, не е нищо повече от решетка от дискретни пиксели, когато стигнем до най-малкия мащаб на реалността.

Много съвременни теории са синтез на квантовата механика с Общата относителност, като например теорията на струните и квантовата гравитация, неизменно предполагат някаква форма на дискретно пространство-време.

Ако можехме да намерим доказателства за дискретно пространство-време, това не само ще пренапише напълно нашето разбиране за реалността, но и ще отвори вратата за нова революция във физиката.

Тази дискретност може да се прояви само по най-фини начини; в противен случай щяхме вече да сме я забелязали. Различни теории прогнозират, че ако пространството и времето са наистина дискретни, тогава скоростта на светлината невинаги е постоянна - тя може много леко да варира в зависимост от енергията на тази светлина.

Светлината с по-висока енергия по принцип има по-къса дължина на вълната и когато дължината на вълната стане достатъчно малка, тя може да "види" дискретната решетка на най-фундаментално ниво на пространство-времето. Представете си, че вървите по тротоара: обикновено не забелязвате множеството малки пукнатини и дупки по повърхността, но ако изведнъж значително намалите размера си до мащаба на мравка, ще се наложи да преодолявате всяко мъничко препятствие по пътя си, което разбира се ще ви забави.

Но тези промени са невероятно малки; ако космическото време е дискретно, то е дискретно в мащаб, повече от милиард пъти по-малък от този, който в момента можем да изучаваме в нашите най-мощни експерименти.

И сега група астрономи, в отговор на искане на Европейската космическа агенция, представи предложение за нова мисия на име GrailQuest с цел тестване дискретността на пространство-времето.

За да видят дали скоростта на светлината се променя според различните нива на енергия, учените трябва да съберат огромно количество светлина с най-високата възможна енергия във Вселената и проектът GrailQuest се надява да направи точно това.

GrailQuest се състои от флот от малки, прости космически кораби (точният брой варира от няколко десетки, ако сателитите са големи, до няколко хиляди, ако са малки) за постоянно наблюдение на пространството за изблици на гама-лъчи.

Това са едни от най-мощните експлозии във Вселената. Както подсказва името им, тези изблици излъчват голям брой високоенергийни фотони, като гама лъчи. Тези гама лъчи пътуват милиарди години, преди да достигнат флота от космически кораби, които ще записват тяхната енергия, както и евентуалните разминавания във времето спрямо момента на експлозията.

С достатъчна точност проектът GrailQuest ще може да определи дали пространството и времето са дискретни. Стига да има правилните настройки, той ще е в състояние да изучава светлината с най-висока енергия (което е от особена важност за тестването на онези теории, които прогнозират, че пространство-времето е дискретно); тъй като гама лъчите се разпространяват през милиарди светлинни години, това позволява ефектът да се натрупва с течение на времето; а всеки от тези апарати ще е достатъчно прост, за да бъде подложен на масово производство (следователно целият флот ще може да регистрира колкото е възможно повече събития през целия хоризонт на изследване).

Как биха се променили представите ни за реалността, ако проектът GrailQuest намери доказателства за дискретността на пространството и времето? Засега е невъзможно да се каже със сигурност. Във всеки случай ще трябва да изчакаме. Една възможна мисия на ESA би стартирала някъде между 2035 и 2050 г.