Ist unsere fundamentale Realität kontinuierlich oder wird sie in winzige, diskrete Teile zerlegt?
Anders gefragt, ist Raum-Zeit glatt oder klobig? Die Frage trifft die grundlegendsten Theorien der Physik und verbindet die Art und Weise, wie sich Raum und Zeit mit dem Material unseres Alltags überschneiden.
Das experimentelle Testen der Natur von Raum und Zeit war jedoch aufgrund der extremen Energien, die erforderlich sind, um solch winzige Skalen im Universum zu untersuchen, unmöglich. Das ist - bis jetzt. Ein Team von Astronomen hat einen ehrgeizigen neuen Plan vorgeschlagen, eine Flotte winziger Raumschiffe einzusetzen, um subtile Änderungen der Lichtgeschwindigkeit zu erkennen, ein Kennzeichen einiger der umwerfendsten Theorien des Kosmos. Wenn Raum und Zeit tatsächlich in kleine Teile zerlegt werden, könnte die Forschung den Weg für ein völlig neues Verständnis der Realität ebnen.
Klobig gegen glatt
Die Frage "Was ist Raum und Zeit?" geht Tausende von Jahren zurück und unser modernes Verständnis beruht auf zwei seltsam inkompatiblen Säulen: der Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.
In der allgemeinen Relativitätstheorie sind Raum und Zeit zu einem einheitlichen Gewebe von miteinander verwoben Freizeit, die vierdimensionale Bühne, die unser Universum untermauert. Diese Raumzeit ist kontinuierlich, was bedeutet, dass es nirgendwo Lücken gibt; Es ist alles eine glatte Textur. Raumzeit ist jedoch nicht nur eine Plattform für uns, um unsere Rollen zu spielen. Es ist auch ein Spieler: Das Biegen und Verziehen der Raumzeit gibt uns unsere Erfahrung der Schwerkraft.
In der gegenüberliegenden Ecke regelt eine Reihe von Regeln, die als Quantenmechanik bezeichnet werden, die Wechselwirkungen der winzigen Dinge im Universum. Die Quantenmechanik beruht auf der Idee, dass nicht viel von unserer täglichen Erfahrung glatt und kontinuierlich ist, sondern klobig. Mit anderen Worten, es ist quantisiert. Energie, Impuls, Spin und so viele andere Eigenschaften der Materie kommen nur in diskreten kleinen Paketen vor.
Darüber hinaus teilt sich die Quantenmechanik selbst in zwei Lager. Einerseits haben wir die vertrauten Teilchen unseres Alltags, wie Elektronen und Protonen, die interagieren und andere interessante Dinge tun. Diese sind offensichtlich sehr klobig, da es sich um diskrete "Dinge" handelt. Auf der anderen Seite haben wir die Quantenfelder. In der subatomaren Welt hat jede Art von Teilchen ihr eigenes Feld, das sich über die Raumzeit ausbreitet. Wenn wir an Partikel denken, denken wir an kleine Schwingungen in ihren Feldern, die wiederum mit anderen Partikeln interagieren und einige andere interessante Dinge tun. Die Felder sind verständlicherweise sehr glatt.
Zeit und Raum
Wir haben also einige glatte Bilder unseres Universums und einige klobige. Wenn es um die Raumzeit selbst geht, können wir uns leicht vorstellen, die Konzepte der Quantenmechanik bis zu ihrer logischen Schlussfolgerung zu erweitern und zu entscheiden, dass Raum und Zeit diskret sind: Das eigentliche Gefüge der Realität ist wie Pixel auf einem Computerbildschirm aufgeteilt und was wir als sanfte, kontinuierliche Bewegung erleben, ist nichts anderes als ein Gitter diskreter Pixel auf kleinstem Raum.
Viele Theorien zur Verschmelzung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie, wie die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation, sagen eine Form der diskreten Raumzeit voraus (obwohl die genauen Vorhersagen, Interpretationen und Implikationen dieser Klumpigkeit noch wenig verstanden sind). Wenn wir Beweise für eine diskrete Raumzeit finden könnten, würde dies nicht nur unser Verständnis der Realität vollständig umschreiben, sondern auch die Tür für eine Revolution in der Physik öffnen.
Diese Diskretion kann sich nur auf subtilste Weise offenbaren; sonst hätten wir es inzwischen entdeckt. Verschiedene Theorien haben vorausgesagt, dass, wenn die Raumzeit tatsächlich klobig wäre, die Lichtgeschwindigkeit möglicherweise nicht ganz konstant ist - sie kann sich je nach Energie dieses Lichts geringfügig verschieben. Licht mit höherer Energie hat eine kürzere Wellenlänge, und wenn die Wellenlänge klein genug wird, kann es die Klumpigkeit der Raumzeit "sehen". Stellen Sie sich vor, Sie gehen den Bürgersteig hinunter: Mit großen Füßen bemerken Sie keine kleinen Risse oder Beulen, aber wenn Sie mikroskopisch kleine Füße hätten, würden Sie über jede kleine Unvollkommenheit stolpern und Sie verlangsamen. Aber diese Verschiebung ist unglaublich klein; Wenn die Raumzeit diskret ist, ist sie mehr als eine Milliarde Mal kleiner als das, was wir derzeit in unseren leistungsstärksten Experimenten untersuchen können.
Eine Suche nach dem Gral
Eingeben GrailQuest: das Internationale Labor für Gammastrahlenastronomie zur Quantenerkundung der Raumzeit. Ein Team von Astronomen reichte einen Vorschlag für diese Mission ein, als Antwort auf die Forderung der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) nach neuen Ideen für die Raum-Zeit-Jagd. Ihr Vorschlag ist in der arXiv-Datenbank detailliert aufgeführt, was bedeutet, dass er noch nicht von Fachleuten geprüft wurde.
Hier ist die Übersicht: Um zu sehen, ob sich die Lichtgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Energien ändert, müssen wir eine große Menge des Lichts mit der höchsten Energie im Universum sammeln, und GrailQuest hofft, genau das zu tun.
GrailQuest besteht aus einer Flotte kleiner, einfacher Raumschiffe (die genaue Anzahl variiert von nur ein paar Dutzend, wenn die Satelliten größer sind, bis zu weit über ein paar Tausend, wenn sie kleiner sind), um den Himmel ständig auf Gammastrahlenausbrüche zu überwachen. Dies sind einige der stärksten Explosionen im Universum. Wie der Name schon sagt, setzen diese Bursts reichlich energiereiche Photonen frei, a.k.a. Gammastrahlen. Diese Gammastrahlen wandern über Milliarden von Jahren, bevor sie die Flotte von Raumfahrzeugen erreichen, die die Energie der Gammastrahlen und die zeitlichen Unterschiede aufzeichnen, wenn der Ausbruch über die Flotte fließt.
Mit ausreichender Genauigkeit kann GrailQuest möglicherweise erkennen, ob die Raumzeit diskret ist. Zumindest hat es das richtige Setup: Es untersucht das Licht mit der höchsten Energie (das in Theorien, die vorhersagen, dass Raumzeit klobig ist, am stärksten betroffen ist); Die Gammastrahlen sind seit Milliarden von Lichtjahren unterwegs (wodurch sich der Effekt im Laufe der Zeit aufbaut). und die Raumfahrzeuge sind einfach genug zu produzieren en masse (damit die gesamte Flotte so viele Ereignisse wie möglich am ganzen Himmel sehen kann).
Wie würden sich unsere Vorstellungen von Realität ändern, wenn GrailQuest Beweise für die Diskretion der Raumzeit finden würde? Es ist unmöglich zu sagen - unsere aktuellen Theorien sind überall auf der Karte, wenn es um Implikationen geht. Aber egal was passiert, wir müssen warten. Diese Runde der ESA-Vorschläge ist für den Start zwischen 2035 und 2050 vorgesehen. Während wir warten, können wir darüber diskutieren, ob die bis dahin verstrichene Zeit grundsätzlich glatt oder klobig ist.
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Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradiound Autor von Dein Platz im Universum.
