Wat als de ruimte-tijd 'dik' was? Het zou de aard van de werkelijkheid voor altijd veranderen.

  • Cameron Merritt
  • 0
  • 3068
  • 8

Is onze fundamentele realiteit continu of wordt ze in kleine, discrete stukjes gehakt?

Op een andere manier gevraagd: is de ruimte-tijd glad of dik? De vraag raakt de kern van de meest fundamentele theorieën van de fysica en verbindt de manier waarop ruimte en tijd elkaar kruisen met het materiaal van ons alledaagse bestaan.. 

Experimenteel testen van de aard van ruimte en tijd was echter onmogelijk, vanwege de extreme energieën die nodig zijn om zulke kleine schalen in het universum te onderzoeken.. Dat is - tot nu toe. Een team van astronomen heeft een ambitieus nieuw plan voorgesteld om een ​​vloot van kleine ruimtevaartuigen te gebruiken om subtiele veranderingen in de lichtsnelheid te detecteren, een kenmerk van enkele van de meest geestverruimende theorieën van de kosmos. Als ruimte en tijd inderdaad in kleine stukjes worden opgesplitst, zou het onderzoek de weg kunnen banen voor een geheel nieuw begrip van de werkelijkheid.

Verwant: De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde

Dik versus glad

De vraag "wat is ruimte en tijd?" gaat duizenden jaren terug, en ons moderne begrip berust op twee vreemd onverenigbare pijlers: kwantummechanica en Einsteins algemene relativiteitstheorie.

In de algemene relativiteitstheorie zijn ruimte en tijd met elkaar verweven in het verenigde weefsel van ruimte tijd, het vierdimensionale stadium dat ten grondslag ligt aan ons universum. Deze ruimte-tijd is continu, wat betekent dat er nergens hiaten zijn; het is allemaal een gladde textuur. Ruimte-tijd is echter niet alleen een platform voor ons om onze rol te spelen; het is ook een speler: het buigen en kromtrekken van ruimte-tijd geeft ons onze ervaring van zwaartekracht.

Verwant: 8 manieren waarop u de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien

In de tegenoverliggende hoek regelt een reeks regels, kwantummechanica genaamd, de interacties van de zeer kleine dingen in het universum. De kwantummechanica berust op het idee dat niet veel van onze dagelijkse ervaring soepel en continu is, maar wel stevig. Met andere woorden, het is gekwantificeerd. Energie, momentum, spin en zoveel andere eigenschappen van materie komen slechts in kleine kleine pakketjes voor.

Bovendien splitst de kwantummechanica zichzelf ook op in twee kampen. Enerzijds hebben we de vertrouwde deeltjes van ons alledaagse bestaan, zoals elektronen en protonen, die op elkaar inwerken en andere interessante dingen doen. Deze zijn duidelijk erg dik, aangezien het discrete "dingen" zijn. Aan de andere kant hebben we de kwantumvelden. In de subatomaire wereld heeft elk soort deeltje zijn eigen veld dat zich door ruimte-tijd verspreidt; als we aan deeltjes denken, denken we aan kleine trillingen in hun velden, die op hun beurt in wisselwerking staan ​​met andere deeltjes, en andere interessante dingen doen. De velden zijn begrijpelijkerwijs erg glad.

Stukjes tijd en ruimte

Dus we hebben een aantal vlotte foto's van ons universum en enkele dikke. Als het op ruimte-tijd zelf aankomt, kunnen we ons gemakkelijk voorstellen dat we de concepten van de kwantummechanica helemaal uitbreiden tot hun logische conclusie, en oordelen dat ruimte en tijd discreet zijn: het weefsel van de werkelijkheid is verdeeld als pixels op een computerscherm , en wat we ervaren als vloeiende, continue beweging is niets anders dan een raster van discrete pixels op de kleinste schaal.

Verwant: The Illusion of Time: What's Real?

Veel theorieën over het samenvoegen van kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie, zoals snaartheorie en luskwantumzwaartekracht, voorspellen een vorm van discrete ruimte-tijd (hoewel de precieze voorspellingen, interpretaties en implicaties van die brokheid nog steeds slecht worden begrepen). Als we bewijs zouden kunnen vinden voor discrete ruimte-tijd, zou dat niet alleen ons begrip van de werkelijkheid volledig herschrijven, maar ook de deur openen naar een revolutie in de fysica..

Deze discretie kan zich alleen op de meest subtiele manieren openbaren; anders hadden we het nu al gezien. Verschillende theorieën hebben voorspeld dat als de ruimte-tijd inderdaad brokkelig was, de lichtsnelheid misschien niet helemaal constant is - het kan zelfs zo licht verschuiven, afhankelijk van de energie van dat licht. Licht met hogere energie heeft een kortere golflengte, en wanneer de golflengte klein genoeg wordt, kan het de brokheid van de ruimtetijd "zien". Stel je voor dat je over het trottoir loopt: met grote voeten merk je geen kleine scheurtjes of oneffenheden, maar als je microscopisch kleine voeten had, zou je struikelen over elke kleine imperfectie, waardoor je langzamer gaat lopen. Maar deze verschuiving is ongelooflijk klein; als ruimte-tijd discreet is, is het op een schaal die meer dan een miljard keer kleiner is dan wat we momenteel kunnen onderzoeken in onze krachtigste experimenten.

Een zoektocht naar de graal

Enter GrailQuest: het Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Een team van astronomen heeft een voorstel voor deze missie ingediend als reactie op een oproep voor nieuwe ideeën voor ruimtetijdjacht door de European Space Agency (ESA). Hun voorstel is gedetailleerd in de arXiv-database, wat betekent dat het nog niet is beoordeeld door collega's in het veld.

Hier is de primeur: om te zien of de snelheid van het licht verandert met verschillende energieën, moeten we een enorme hoeveelheid van het hoogste energielicht in het universum verzamelen, en GrailQuest hoopt precies dat te doen.

GrailQuest bestaat uit een vloot van kleine, eenvoudige ruimtevaartuigen (het exacte aantal varieert, van slechts enkele tientallen als de satellieten groter zijn tot meer dan een paar duizend als ze kleiner zijn) om constant de lucht in de gaten te houden op gammaflitsen. Dit zijn enkele van de krachtigste explosies in het universum. Zoals hun naam al doet vermoeden, geven deze uitbarstingen grote hoeveelheden hoogenergetische fotonen af, ook wel gammastraling genoemd. Deze gammastralen reizen door miljarden jaren voordat ze de vloot van ruimtevaartuigen bereiken, die de energie van de gammastralen en de verschillen in timing registreren terwijl de uitbarsting over de vloot spoelt..

Met voldoende nauwkeurigheid kan GrailQuest misschien onthullen of ruimte-tijd discreet is. Het heeft tenminste de juiste opzet: het onderzoekt het licht met de hoogste energie (dat het meest wordt beïnvloed in theorieën die voorspellen dat ruimte-tijd brokkelig is); de gammastralen reizen al miljarden lichtjaren (waardoor het effect zich in de loop van de tijd kan opbouwen); en de ruimtevaartuigen zijn eenvoudig genoeg om te produceren massaal (zodat de hele vloot zoveel mogelijk evenementen kan zien, overal in de lucht).

Hoe zouden onze opvattingen over de werkelijkheid veranderen als GrailQuest bewijs zou vinden voor de discretie van ruimte-tijd? Het is onmogelijk om te zeggen - onze huidige theorieën staan ​​overal op de kaart als het gaat om implicaties. Maar wat er ook gebeurt, we zullen moeten wachten. Deze ronde van ESA-voorstellen moet ergens tussen 2035 en 2050 worden gelanceerd. Terwijl we wachten, kunnen we debatteren of de tijd die is verstreken tussen nu en dan fundamenteel soepel of dik is..

  • De 12 vreemdste objecten in het heelal
  • Van oerknal tot heden: momentopnames van ons universum door de tijd
  • De grote cijfers die het universum bepalen

Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.

Oorspronkelijk gepubliceerd op . 

Heb meer ruimte nodig? Abonneer u op onze zustertitel "All About Space" Magazine voor het laatste geweldige nieuws van de laatste grens! (Afbeelding tegoed: alles over de ruimte)



Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.

De meest interessante artikelen over geheimen en ontdekkingen. Veel nuttige informatie over alles
Artikelen over wetenschap, ruimte, technologie, gezondheid, milieu, cultuur en geschiedenis. Duizenden onderwerpen uitleggen, zodat u weet hoe alles werkt