מה אם החלל היה 'שמנמן'? זה ישנה לנצח את טבע המציאות.

Send

האם המציאות הבסיסית שלנו מתמשכת או שהיא קצוצה לחתיכות קטנות ודיסקרטיות?

האם נשאל דרך אחרת, האם המרחב-זמן חלק או שמנמן? השאלה חותכת ללב התיאוריות הבסיסיות ביותר של הפיזיקה, המקשרת בין האופן שבו המרחב והזמן מצטלבים עם חומר הקיום היומיומי שלנו.

עם זאת, ניסוי אופי של מרחב וזמן לא היה אפשרי, בגלל האנרגיות הקיצוניות הנדרשות לבחון מאזניים זעירים כאלה ביקום.. כלומר - עד עכשיו. צוות אסטרונומים הציע תוכנית חדשה ושאפתנית שתשתמש בצי של חלליות זעירות כדי לאתר שינויים עדינים במהירות האור, סימן היכר של כמה מהתיאוריות המכופפות ביותר של הקוסמוס. אם המרחב והזמן אכן מחולקים לחלקים קטנים, המחקר עשוי לסלול את הדרך להבנה חדשה לחלוטין של המציאות.

שמנמן לעומת חלק

השאלה "מה זה מרחב וזמן?" חזר אלפי שנים אחורה, וההבנה המודרנית שלנו נשענת על שני עמודי תווך בלתי תואמים: מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית של איינשטיין.

בתורת היחסות הכללית, המרחב והזמן שזורים יחד למארג האחיד של זמן חופשי, השלב הארבע ממדי העומד בבסיס היקום שלנו. זמן-חלל זה הוא רציף, מה שאומר שאין פערים בשום מקום; הכל מרקם חלק. זמן-חלל אינו אלא פלטפורמה עבורנו לפעול בחלקים שלנו; זה גם שחקן: הכיפוף והעיוות של המרחב-זמן מעניק לנו את חווית הכובד שלנו.

בפינה הנגדית, מערך כללים המכונה מכניקת הקוונטים מסדיר את האינטראקציות של הדברים הקטנטנים ביקום. מכניקת הקוונטים נשענת על הרעיון שלא הרבה מהניסיון היומיומי שלנו הוא חלק ורציף, אבל שמנמן. במילים אחרות, זה מכמת. אנרגיה, תנופה, ספין וכל כך הרבה תכונות אחרות של חומר מגיעים רק במנות קטנות נפרדות.

מה שכן, מכניקת הקוונטים עצמה גם מפצלת את עצמה לשני מחנות. מצד אחד, יש לנו את החלקיקים המוכרים של קיומנו היומיומי, כמו אלקטרונים ופרוטונים, שמשתמשים זה בזה ועושים דברים מעניינים אחרים. אלה כמובן מאוד שמנמנים, מכיוון שהם "דברים" נפרדים. מצד שני, יש לנו את שדות הקוונטים. בעולם התת אטומי, לכל סוג של חלקיק יש שדה משלו שמתפשט לאורך מרחב-זמן; כאשר אנו חושבים על חלקיקים אנו חושבים על רעידות קטנות בשדותיהם, אשר בתורם מתקשרים עם חלקיקים אחרים ועושים כמה דברים מעניינים אחרים. מובן שהשדות חלקים מאוד.

פיסות זמן ומרחב

אז יש לנו כמה תמונות חלקות מהיקום שלנו וכמה תמונות שמנמנות. כשמדובר בזמן המרחב עצמו, אנו יכולים לדמיין בקלות להרחיב את מושגי מכניקת הקוונטים עד הסוף ההגיוני שלהם, ולפסוק כי המרחב והזמן הם בדידים: עצם מארג המציאות מחולק כמו פיקסלים על גבי מסך מחשב. , ומה שאנו חווים כתנועה חלקה ורציפה אינו אלא רשת של פיקסלים נפרדים בקנה מידה זעיר ביותר.

תיאוריות רבות של מיזוג מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, כמו תורת המיתרים וכבידה קוונטית של הלולאה, מנבאות צורה כלשהי של זמן מרחב-דיסקרטי (למרות שהתחזיות, הפירושים וההשלכות המדויקות של אותה נתח עדיין מובנות בצורה לא טובה). אם היינו יכולים למצוא הוכחות לזמן מרחב-דיסקרטי, זה לא רק היה משכתב לחלוטין את הבנתנו את המציאות, אלא גם פותח דלת למהפכה בפיזיקה.

דיסקרטיות זו יכולה לחשוף את עצמה רק בדרכים העדינות ביותר; אחרת היינו מזהים את זה כבר עכשיו. תיאוריות שונות חזו שאם מרחב-זמן אכן היה שמנמן, ייתכן כי מהירות האור לא תהיה קבועה לחלוטין - היא עשויה להשתנות מעט כל כך תלוי באנרגיה של אותו האור. לאור אנרגיה גבוהה יותר יש אורך גל קצר יותר, וכאשר אורך הגל הופך להיות קטן מספיק, הוא יכול "לראות" את העומק של זמן החלל. דמיין לעצמך ללכת במדרכה: עם רגליים גדולות אתה לא שם לב לסדקים או בליטות קטנות, אבל אם היו לך רגליים מיקרוסקופיות היית עובר על כל פגם קטן, מאט אותך. אבל המשמרת הזו היא זעירה להפליא; אם זמן המרחב הוא דיסקרטי, זה בסדר גודל של יותר ממיליארד פעמים ממה שאנחנו יכולים לחקור כעת בניסויים החזקים ביותר שלנו.

מסע אחר הגביע

להיכנס GrailQuestהמעבדה הבינלאומית לאסטרונומיה בגמא-קרן לחקר קוונטים של זמן-חלל. צוות אסטרונומים הגיש הצעה למשימה זו בתגובה לקריאה לרעיונות ציד-חלל חדשים של סוכנות החלל האירופית (ESA). ההצעה שלהם מפורטת במסד הנתונים arXiv, כלומר היא טרם נבדקה על ידי עמיתים בתחום.

להלן הסקופ: על מנת לראות אם מהירות האור משתנה באנרגיות שונות, עלינו לאסוף כמות אדירה של האור האנרגטי הגבוה ביותר ביקום, ו- GrailQuest מקווה לעשות זאת.

GrailQuest מורכב מצי של חלליות קטנות ופשוטות (המספר המדויק משתנה, בין כמה עשרות בודדות אם הלוויינים גדולים יותר למעל כמה אלפים אם הם קטנים יותר) כדי לפקח כל הזמן על השמים להתפרצויות קרני גאמא. אלה הם כמה מהפיצוצים החזקים ביותר ביקום. כמו ששמם מרמז, התפרצויות אלה משחררות כמויות גדולות של פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה, למשל קרני גמא. קרני הגמא הללו נעות על פני מיליארדי שנים לפני שהן מגיעות לצי החללית, המתעדות את האנרגיה של קרני הגמא ואת ההבדלים בתזמונים ככל שהפרץ שוטף מעל הצי.

עם דיוק מספיק, GrailQuest עשוי להיות מסוגל לגלות אם זמן המרחב נפרד. לפחות יש לו את ההגדרה הנכונה: היא בוחנת את האור האנרגטי הגבוה ביותר (המושפע ביותר בתאוריות שמנבאות שמרחב-זמן הוא שמנמן); קרני הגמא נעות במשך מיליארדי שנות אור (מה שמאפשר לאפקט להצטבר לאורך זמן); והחללית די פשוטה לייצור בהמוניהם (כך שהצי כולו יכול לראות כמה שיותר אירועים, בכל רחבי השמיים).

כיצד היו משתנים תפיסותינו לגבי המציאות אם GrailQuest היה מוצא ראיות לדיסקרטיות של מרחב-זמן? אי אפשר לומר - התיאוריות הנוכחיות שלנו מסתובבות בכל המפה בכל הקשור להשלכות. אבל לא משנה מה, אנו נצטרך לחכות. סבב ההצעות של ESA מיועד להשקה מתישהו בין 2035 ל 2050. בזמן שאנחנו מחכים, נוכל להתווכח אם הזמן שחלף מעת לעת הוא חלק או שמנמן ביסודו.