Может ли быть пространство-время дискретным?

Является ли наша фундаментальная реальность непрерывной или она разбита на крошечные дискретные кусочки?

Или если задать вопрос по-другому, пространство-время непрерывное или прерывистое? Этот вопрос затрагивает суть самых фундаментальных теорий физики, связывая воедино то, как пространство и время пересекаются с нашим повседневным существованием.

Однако экспериментальное тестирование природы пространства и времени было невозможно из-за экстремальных энергий, необходимых для исследования таких крошечных масштабов во Вселенной. То есть — до сих пор.

И вот недавно команда астрономов предложила новый амбициозный план использования парка небольших космических кораблей для обнаружения тонких изменений скорости света, что является отличительной чертой некоторых из самых продвинутых теорий. Если пространство и время действительно могут быть разбиты на маленькие кусочки, исследование может проложить путь к совершенно новому пониманию реальности.

Вопрос «что такое пространство и время?» насчитывает уже тысячи лет, и наше современное понимание основывается на двух странно несовместимых физических теорий: квантовой механике и общей теории относительности Эйнштейна.

В общей теории относительности пространство и время сплетены в единую ткань пространства-времени, которая лежит в основе нашей вселенной. Это пространство-время непрерывно, что означает, что нет нигде промежутков; это все гладкая текстура. Однако пространство-время — это не просто поле для наших действий; оно может деформироваться под действием гравитации.

В противоположном углу набор правил, называемых квантовой механикой, которая управляет взаимодействием очень маленьких частиц во вселенной. Квантовая механика основывается на идее, что не все в мире является гладким и непрерывным, но является дискретным, другими словами, квантованным. Энергия, импульс, вращение и многие другие свойства материи входят в отдельные дискретные пакеты.

Более того, сама квантовая механика также разделяется на две части. С одной стороны, у нас есть знакомые частицы, такие как электроны и протоны и т.д., а с другой стороны, у нас есть квантовые поля.

В субатомном мире каждый тип частиц имеет свое собственное поле, которое распространяется в пространстве-времени; когда мы думаем о частицах, мы думаем о небольших вибрациях в их полях, которые, в свою очередь, взаимодействуют с другими частицами и делают некоторые другие интересные вещи.

Когда дело доходит до самого пространства-времени, мы можем легко представить себе, как можно расширить концепции квантовой механики до логического завершения и решить, что пространство и время дискретны: сама ткань реальности разделена, как пиксели, на экране компьютера, и то, что мы воспринимаем как плавное, непрерывное движение, — это не что иное, как сетка дискретных пикселей в мельчайших масштабах.

Многие теории слияния воедино квантовой механики и общей теории относительности, такие как теория струн и петлевая квантовая гравитация, предсказывают некоторую форму дискретного пространства-времени.

Если бы мы могли найти доказательства для дискретного пространства-времени, это не только полностью переписало бы наше понимание реальности, но и открыло бы дверь для революции в физике.

Эта дискретность может проявить себя только самыми тонкими способами; иначе мы бы ее уже заметили. Различные теории предсказывают, что если бы пространство-время действительно было бы дискретным, то скорость света не могла бы быть всегда постоянной — она ​​может очень незначительно смещаться в зависимости от энергии этого света.

Свет с более высокой энергией имеет более короткую длину волны, и когда длина волны становится достаточно малой, он может «видеть» объем пространства-времени. Представьте себе, что вы идете по тротуару: обычно вы не замечаете маленьких трещин или выбоин на поверхности, но если вдруг вы значительно уменьшитесь в размерах до масштабов муравья, вы бы споткнулись о каждое маленькое препятствие, которое замедлило бы вас.

Но этот сдвиг невероятно мал; если пространство-время дискретно, оно дискретно в масштабе, более чем в миллиард раз меньше, чем тот, что мы в настоящее время можем исследовать в наших самых мощных экспериментах.

И вот теперь группа астрономов в ответ на запрос от Европейского космического агентства представила предложение для новой миссии GrailQuest по проверки дискретности пространства-времени.

Чтобы увидеть, изменяется ли скорость света при разных энергиях, ученым нужно собрать огромное количество света с самой высокой энергией во вселенной, и проект GrailQuest надеется сделать именно это.

GrailQuest состоит из парка небольших, простых космических аппаратов (точное число варьируется от нескольких десятков, если спутники большие, до нескольких тысяч, если они маленькие), чтобы постоянно отслеживать космическое пространство на предмет гамма-всплесков.

Это одни из самых мощных взрывов во вселенной. Как следует из их названия, эти вспышки выделяют большое количество высокоэнергетических фотонов, например гамма-лучей. Эти гамма-лучи путешествуют миллиарды лет, прежде чем достичь флота космических аппаратов, которые записывают энергию гамма-лучей и различия во времени, когда взрыв достигает их.

С достаточной точностью проект GrailQuest сможет определить, является ли пространство-время дискретным. По крайней мере, у него есть правильные установки: исследует свет с наивысшей энергией (на который больше всего влияют теории, которые предсказывают, что пространство-время дискретное); гамма-лучи распространяются на протяжении миллиардов световых лет (что позволяет эффекту накапливаться со временем); и космический аппарат достаточно прост для массового производства (поэтому весь флот может видеть столько событий, сколько возможно, по всему небосклону).

Как изменились бы наши представления о реальности, если бы проект GrailQuest нашел доказательства дискретности пространства-времени? Сейчас это невозможно сказать. Но несмотря ни на что, нам придется подождать. Возможная миссия ЕКА предназначена для запуска где-то между 2035 и 2050 годами.

ESA Voyage 2050 white paper — GrailQuest: hunting for Atoms of Space and Time hidden in the wrinkle of Space-Time, arxiv.org/abs/1911.02154