ماذا لو كانت "الزمكان" مكتنزة؟ سيغير إلى الأبد طبيعة الواقع.

Send

هل واقعنا الأساسي مستمر أم أنه يتم تقطيعه إلى أجزاء صغيرة منفصلة؟

سئل بطريقة أخرى ، هل الزمكان سلس أو مكتنزة؟ يقطع السؤال إلى قلب أهم النظريات الأساسية للفيزياء ، ويربط معًا طريقة تقاطع المكان والزمان مع مادة وجودنا اليومي.

ومع ذلك ، كان اختبار طبيعة المكان والزمان تجريبياً مستحيلاً ، بسبب الطاقات القصوى اللازمة لاستكشاف مثل هذه المقاييس الدقيقة في الكون. هذا - حتى الآن. اقترح فريق من علماء الفلك خطة جديدة طموحة لاستخدام أسطول من المركبات الفضائية الصغيرة لاكتشاف التغيرات الطفيفة في سرعة الضوء ، وهي سمة مميزة لبعض النظريات الأكثر انحناءًا للكون. إذا تم تقسيم المكان والزمان بالفعل إلى أجزاء صغيرة ، فقد يمهد البحث الطريق لفهم جديد تمامًا للواقع.

مكتنزة مقابل سلس

السؤال "ما هو المكان والزمان؟" يعود إلى آلاف السنين ، ويستند فهمنا الحديث إلى ركيزتين غير متوافقتين بشكل غريب: ميكانيكا الكم ونظرية النسبية العامة لأينشتاين.

في النسبية العامة ، يتم نسج المكان والزمان معًا في النسيج الموحد لـ وقت فراغ، المرحلة الأربعة الأبعاد التي يقوم عليها كوننا. هذا الزمكان مستمر ، مما يعني أنه لا توجد فجوات في أي مكان ؛ كله نسيج ناعم. الزمكان ليس مجرد منصة لنا للقيام بأجزاء لدينا ، ولكن ؛ إنه أيضًا لاعب أيضًا: يمنحنا الانحناء والتزييف في الزمكان تجربتنا في الجاذبية.

في الزاوية المقابلة ، هناك مجموعة من القواعد تسمى ميكانيكا الكم تتحكم في تفاعلات الأشياء الدقيقة جدًا في الكون. تعتمد ميكانيكا الكم على فكرة أن ليس الكثير من تجربتنا اليومية سلسة ومستمرة ، ولكنها مكتنزة. وبعبارة أخرى ، يتم حسابها كميا. تأتي الطاقة والزخم والدوران والعديد من الخصائص الأخرى للمادة في حزم صغيرة منفصلة فقط.

ما هو أكثر من ذلك ، ميكانيكا الكم نفسها تقسم نفسها أيضًا إلى معسكرين. من ناحية ، لدينا الجسيمات المألوفة لوجودنا اليومي ، مثل الإلكترونات والبروتونات ، التي تتفاعل وتقوم بأشياء أخرى مثيرة للاهتمام. من الواضح أنها مكتنزة جدًا لأنها "أشياء" منفصلة. من ناحية أخرى ، لدينا الحقول الكمومية. في العالم دون الذري ، لكل نوع من الجسيمات مجاله الخاص الذي ينتشر خلال الزمكان. عندما نفكر في الجسيمات ، نفكر في القليل من الاهتزازات في مجالاتها ، والتي بدورها تتفاعل مع الجسيمات الأخرى ، وتقوم ببعض الأشياء الأخرى المثيرة للاهتمام. الحقول سلسة للغاية ومفهومة.

أجزاء من الزمان والمكان

لذا ، لدينا بعض الصور الملساء لكوننا وبعض الصور المكتنزة. عندما يتعلق الأمر بالزمكان نفسه ، يمكننا أن نتخيل بسهولة توسيع مفاهيم ميكانيكا الكم وصولاً إلى استنتاجها المنطقي ، وحكم أن الفضاء والزمان منفصلان: يتم تقسيم نسيج الواقع تمامًا مثل وحدات البكسل على شاشة الكمبيوتر ، وما نعتبره حركة سلسة ومستمرة ليس سوى شبكة من وحدات البكسل المنفصلة في أصغر المقاييس.

تتنبأ العديد من النظريات حول دمج ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، مثل نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية للحلقة ، بشكل ما من أشكال الزمكان المنفصل (على الرغم من أن التنبؤات الدقيقة والتفسيرات والآثار المترتبة على هذا الاكتشاف لا تزال غير مفهومة). إذا تمكنا من العثور على أدلة على الزمكان المنفصل ، فلن يعيد كتابة فهمنا للواقع بالكامل فحسب ، بل سيفتح أيضًا الباب لثورة في الفيزياء.

لا يمكن لهذا التكتم أن يكشف عن نفسه إلا بأكثر الطرق دقة. وإلا كنا قد رصدناها الآن. تنبأت نظريات مختلفة بأنه إذا كانت الزمكان مكتنزة بالفعل ، فإن سرعة الضوء قد لا تكون ثابتة تمامًا - فقد تتغير بشكل طفيف اعتمادًا على طاقة ذلك الضوء. ضوء الطاقة العالي له طول موجي أقصر ، وعندما يصبح الطول الموجي صغيرًا بما فيه الكفاية ، يمكنه "رؤية" كتلة الزمكان. تخيل أنك تسير على الرصيف: مع الأقدام الكبيرة لن تلاحظ أي تشققات أو نتوءات صغيرة ، ولكن إذا كان لديك أقدام مجهرية ، فسوف تسقط على كل عيوب صغيرة ، مما يبطئك. لكن هذا التحول صغير للغاية. إذا كان الزمكان منفصلاً ، فهو على نطاق أصغر بأكثر من مليار مرة مما يمكننا استكشافه حاليًا في أقوى تجاربنا.

البحث عن الكأس

أدخل GrailQuest: المختبر الدولي لعلم أشعة جاما للاستكشاف الكمي لزمان الفضاء. قدم فريق من علماء الفلك اقتراحًا لهذه المهمة ردًا على دعوة لأفكار جديدة لصيد الزمكان من وكالة الفضاء الأوروبية (ESA). عرضهم مفصل في قاعدة بيانات arXiv ، مما يعني أنه لم يتم مراجعته بعد من قبل النظراء في هذا المجال.

إليك السبق الصحفي: من أجل معرفة ما إذا كانت سرعة الضوء تتغير مع طاقات مختلفة ، نحتاج إلى جمع كمية كبيرة من ضوء الطاقة الأعلى في الكون ، ويأمل GrailQuest في القيام بذلك.

يتكون GrailQuest من أسطول من المركبات الفضائية الصغيرة والبسيطة (يختلف العدد الدقيق ، من بضع عشرات فقط إذا كانت الأقمار الصناعية أكبر إلى أكثر من بضعة آلاف إذا كانت أصغر) لرصد السماء باستمرار لرشقات أشعة غاما. هذه بعض أقوى الانفجارات في الكون. كما يوحي اسمها ، تطلق هذه الرشقات كميات وفيرة من الفوتونات عالية الطاقة ، وتعرف أيضًا باسم أشعة غاما. تنتقل أشعة غاما عبر مليارات السنين قبل أن تصل إلى أسطول المركبات الفضائية ، التي تسجل طاقة أشعة غاما والاختلافات في التوقيت مع انطلاق الاندفاع فوق الأسطول.

مع دقة كافية ، قد يكون GrailQuest قادرًا على الكشف عما إذا كان الزمكان منفصلًا. على الأقل ، لديها الإعداد الصحيح: إنها تفحص ضوء الطاقة الأعلى (الذي يتأثر أكثر في النظريات التي تتوقع أن الزمكان مكتنزة) ؛ كانت أشعة غاما تسافر لمليارات السنوات الضوئية (مما يسمح بتأثير التأثير بمرور الوقت) ؛ والمركبة الفضائية بسيطة بما يكفي لإنتاجها بشكل جماعي (حتى يتمكن الأسطول بأكمله من رؤية أكبر عدد ممكن من الأحداث في جميع أنحاء السماء).

كيف ستتغير مفاهيمنا للواقع إذا وجد GrailQuest دليلاً على خصوصية الزمكان؟ من المستحيل أن نقول - إن نظرياتنا الحالية موجودة في كل مكان عندما يتعلق الأمر بالآثار. ولكن بغض النظر عن ذلك ، سيتعين علينا الانتظار. هذه الجولة من مقترحات وكالة الفضاء الأوروبية مخصصة للإطلاق في وقت ما بين 2035 و 2050. وأثناء انتظارنا ، يمكننا أن نناقش ما إذا كان الوقت المنقضي بين الحين والآخر سلسًا أو مكتنزة بشكل أساسي.