Là thực tế cơ bản của chúng ta liên tục hay nó bị cắt nhỏ thành các bit nhỏ, rời rạc?
Hỏi một cách khác, là không gian thời gian trơn tru hay chunky? Câu hỏi cắt vào trung tâm của các lý thuyết cơ bản nhất của vật lý, liên kết với nhau cách thức không gian và thời gian giao nhau với vật chất của sự tồn tại hàng ngày của chúng ta.
Tuy nhiên, thử nghiệm thực tế bản chất của không gian và thời gian là không thể, bởi vì những năng lượng cực đoan cần thiết để thăm dò những vảy nhỏ như vậy trong vũ trụ. Đó là - cho đến bây giờ. Một nhóm các nhà thiên văn học đã đề xuất một kế hoạch mới đầy tham vọng là sử dụng một đội tàu vũ trụ nhỏ để phát hiện những thay đổi tinh tế về tốc độ ánh sáng, một dấu hiệu của một số lý thuyết uốn cong nhất trong vũ trụ. Nếu không gian và thời gian thực sự bị chia nhỏ thành từng mảnh nhỏ, nghiên cứu có thể mở đường cho một sự hiểu biết hoàn toàn mới về thực tế.
Chunky so với mịn
Câu hỏi "không gian và thời gian là gì?" quay trở lại hàng ngàn năm và sự hiểu biết hiện đại của chúng ta dựa trên hai trụ cột không tương thích kỳ lạ: cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng của Einstein.
Trong thuyết tương đối rộng, không gian và thời gian được đan kết với nhau thành kết cấu thống nhất của không-thời gian, giai đoạn bốn chiều làm nền tảng cho vũ trụ của chúng ta. Không-thời gian này là liên tục, có nghĩa là không có khoảng trống ở bất cứ đâu; tất cả là một kết cấu mịn. Tuy nhiên, không-thời gian không chỉ là một nền tảng để chúng ta hành động các bộ phận của mình; đó cũng là một người chơi nữa: Sự bẻ cong và cong vênh của không-thời gian cho chúng ta trải nghiệm về lực hấp dẫn.
Ở góc đối diện, một bộ quy tắc gọi là cơ học lượng tử chi phối sự tương tác của những thứ rất nhỏ trong vũ trụ. Cơ học lượng tử dựa trên ý tưởng rằng không có nhiều kinh nghiệm hàng ngày của chúng ta là trơn tru và liên tục, nhưng chunky. Nói cách khác, nó đã được lượng tử hóa. Năng lượng, động lượng, spin và rất nhiều tính chất khác của vật chất chỉ có trong các gói nhỏ rời rạc.
Hơn nữa, cơ học lượng tử cũng tự chia thành hai phe. Một mặt, chúng ta có các hạt quen thuộc của sự tồn tại hàng ngày của chúng ta, chẳng hạn như electron và proton, tương tác và làm những điều thú vị khác. Đây rõ ràng là rất chunky, vì chúng là "những thứ" rời rạc. Mặt khác, chúng ta có các trường lượng tử. Trong thế giới hạ nguyên tử, mỗi loại hạt có trường riêng của nó trải đều trong không-thời gian; Khi chúng ta nghĩ về các hạt, chúng ta nghĩ về những rung động nhỏ trong trường của chúng, lần lượt tương tác với các hạt khác và làm một số điều thú vị khác. Các lĩnh vực là rất dễ hiểu.
Một chút thời gian và không gian
Vì vậy, chúng ta có một số hình ảnh mượt mà của vũ trụ của chúng ta và một số hình ảnh chunky. Khi nói về chính không-thời gian, chúng ta có thể dễ dàng tưởng tượng việc mở rộng các khái niệm cơ học lượng tử cho đến kết luận logic của họ, và phán quyết rằng không gian và thời gian là rời rạc: Kết cấu thực tế được phân chia như các pixel trên màn hình máy tính và những gì chúng ta trải nghiệm khi chuyển động trơn tru, liên tục không gì khác ngoài một lưới các pixel rời rạc ở quy mô nhỏ nhất.
Nhiều lý thuyết về việc hợp nhất cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, như lý thuyết dây và lực hấp dẫn lượng tử vòng, dự đoán một số dạng không-thời gian rời rạc (mặc dù những dự đoán, giải thích và hàm ý chính xác của sự hỗn loạn đó vẫn chưa được hiểu rõ). Nếu chúng ta có thể tìm thấy bằng chứng cho không-thời gian rời rạc, nó sẽ không chỉ viết lại hoàn toàn sự hiểu biết của chúng ta về thực tại, mà còn mở ra cánh cửa cho một cuộc cách mạng trong vật lý.
Sự bất mãn này chỉ có thể tiết lộ theo những cách tinh tế nhất; nếu không thì bây giờ chúng ta đã phát hiện ra nó rồi. Nhiều lý thuyết đã dự đoán rằng nếu thời gian không gian thực sự chunky, thì tốc độ ánh sáng có thể không hoàn toàn không đổi - nó có thể thay đổi rất ít tùy thuộc vào năng lượng của ánh sáng đó. Ánh sáng năng lượng cao hơn có bước sóng ngắn hơn và khi bước sóng trở nên đủ nhỏ, nó có thể "nhìn thấy" độ chói của không thời gian. Hãy tưởng tượng bạn đang đi bộ xuống vỉa hè: với bàn chân lớn bạn sẽ không nhận thấy bất kỳ vết nứt hoặc vết sưng nhỏ nào, nhưng nếu bạn có bàn chân siêu nhỏ, bạn sẽ vấp phải mọi khiếm khuyết nhỏ, làm bạn chậm lại. Nhưng sự thay đổi này là vô cùng nhỏ bé; nếu không-thời gian rời rạc, nó ở quy mô nhỏ hơn một tỷ lần so với những gì chúng ta hiện có thể thăm dò trong các thí nghiệm mạnh nhất của chúng ta.
Một nhiệm vụ cho chén thánh
Đi vào GrailQuest: Phòng thí nghiệm thiên văn học tia gamma cho khám phá lượng tử thời gian. Một nhóm các nhà thiên văn học đã đệ trình một đề xuất cho sứ mệnh này để đáp lại lời kêu gọi những ý tưởng săn tìm không gian mới từ Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Đề xuất của họ được trình bày chi tiết trong cơ sở dữ liệu arXiv, có nghĩa là nó chưa được xem xét bởi các đồng nghiệp trong lĩnh vực này.
Đây là tin sốt dẻo: Để xem tốc độ ánh sáng thay đổi với các năng lượng khác nhau, chúng ta cần thu thập một lượng lớn ánh sáng năng lượng cao nhất trong vũ trụ, và GrailQuest hy vọng sẽ làm được điều đó.
GrailQuest bao gồm một đội tàu vũ trụ nhỏ, đơn giản (số lượng chính xác thay đổi, chỉ từ vài chục nếu các vệ tinh lớn hơn đến vài nghìn nếu chúng nhỏ hơn) để liên tục theo dõi bầu trời về các vụ nổ tia gamma. Đây là một số vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ. Giống như tên gọi của chúng, những vụ nổ này giải phóng một lượng lớn các photon năng lượng cao, a.k.a. gamma. Những tia gamma này truyền qua hàng tỷ năm trước khi đến hạm đội tàu vũ trụ, ghi lại năng lượng của tia gamma và sự khác biệt về thời gian khi vụ nổ trên hạm đội.
Với đủ độ chính xác, GrailQuest có thể tiết lộ nếu không-thời gian rời rạc. Ít nhất, nó có thiết lập đúng: Đó là kiểm tra ánh sáng năng lượng cao nhất (bị ảnh hưởng nhiều nhất trong các lý thuyết dự đoán rằng không-thời gian là chunky); các tia gamma đã truyền đi hàng tỷ năm ánh sáng (cho phép hiệu ứng tích tụ theo thời gian); và tàu vũ trụ đủ đơn giản để sản xuất en masse (vì vậy toàn bộ hạm đội có thể thấy càng nhiều sự kiện càng tốt, tất cả trên bầu trời).
Quan niệm của chúng ta về thực tế sẽ thay đổi như thế nào nếu GrailQuest tìm thấy bằng chứng cho sự không thống nhất của không-thời gian? Không thể nói - các lý thuyết hiện tại của chúng tôi có trên khắp bản đồ khi nói đến hàm ý. Nhưng dù thế nào, chúng ta sẽ phải chờ. Vòng đề xuất ESA này là để ra mắt vào khoảng giữa năm 2035 và 2050. Trong khi chúng tôi chờ đợi, chúng tôi có thể tranh luận nếu thời gian trôi qua giữa bây giờ và sau đó về cơ bản là trơn tru hoặc chunky.
- 12 vật thể lạ nhất trong vũ trụ
- Từ Big Bang đến nay: Ảnh chụp vũ trụ của chúng ta xuyên thời gian
- Những con số lớn xác định vũ trụ
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của Hỏi một người không gian và Đài phát thanh không gianvà tác giả của Vị trí của bạn trong vũ trụ.
