Onko avaruus-aika sileä vai paksu?

Abstrakti esimerkki hiukkasista, jotka ovat vuorovaikutuksessa kvanttitasolla.

Abstrakti esimerkki hiukkasista, jotka ovat vuorovaikutuksessa kvanttitasolla. (Kuvan luotto: Shutterstock)





Paul M. Sutter on astrofyysikko SUNY Stony Brookissa ja Flatiron -instituutissa, isäntänä Kysy avaruusmieheltä ja Avaruusradio ja kirjoittaja ' Paikkasi maailmankaikkeudessa. 'Sutter kirjoitti tämän artikkelin guesswhozoo.comin asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights .

Mikä on todellisuuden perusluonne? Onko avaruus-aika-sen neljäulotteinen kangas maailmankaikkeutemme - lopulta sileä pienimmissä asteikoissa, vai jotain muuta?

Vaikuttaa mahdottomalta mitata, mutta kehittyneiden kaukoputkien voimalla, joka katselee miljardien valovuoden etäisyydeltä, tutkijat alkavat katsoa alaspäin. Syvällä.



Aiheeseen liittyviä: Maailmankaikkeuden historia ja rakenne (infografia)

Lopullinen kangas

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on ainoa tapa, jolla ymmärrämme painovoiman, ja tämän matematiikan piikikäs sekaannuksen kautta olemme oppineet tuntemaan jotain, jota kutsutaan 'avaruusajaksi', neljäulotteiseksi rakenteeksi (kolme avaruuden ulottuvuutta ja yksi ajasta) kudottu yhdessä yhtenäiseksi kangaksi.

Suhteellisuuskielellä aine ja energia taivuttavat ja vääntyvät avaruusajan kangasta, ja vastauksena avaruusajan taipuminen ja vääntyminen kertoo aineelle ja energialle, kuinka liikkua, mitä me kaikki koemme yhdessä '' painovoima . ''



Jotta yleisen suhteellisuusteorian matematiikka toimisi, tämän aika-avokudoksen on oltava täysin sileä pienimmissäkin mittakaavoissa. Riippumatta siitä, kuinka pitkälle lähentät, tila-aika on aina yhtä ryppytön kuin äskettäin silitetty paita. Ei reikiä, ei kyyneleitä, ei sotkuja. Vain puhdasta, puhdasta sileyttä. Ilman tätä sujuvuutta painovoiman matematiikka yksinkertaisesti hajoaa.

Mutta yleinen suhteellisuusteoria ei ole ainoa asia, joka kertoo meille aika-avaruudesta. Meillä on myös kvanttimekaniikka (ja sen seuraaja, kvanttikenttäteoria). Kvanttimaailmassa kaikkea mikroskooppista hallitsee satunnainen sattuma ja todennäköisyydet. Hiukkaset voivat ilmestyä ja kadota hetkessä (ja yleensä jopa vähemmän aikaa). Kentät voivat heilua ja värähtää tahdollaan. Eikä mitään voi koskaan tietää varmasti.

Ja niin, kuten fyysikko John Wheeler huomautti vuonna 1960, jos lähentäisimme pienintä mahdollista skaalaa (jotain, jota kutsutaan Planck -asteikoksi, joka on noin miljardi miljardin miljardin miljardin miljoonasosaa), avaruusajan ei pitäisi näyttää lainkaan sileältä. Sen sijaan sen pitäisi olla pyörivä, kiehuva sotku-vihainen vaahtoava keitto hiukkasista, joka repii jatkuvasti reikiä aika-ajassa ja korjaa ne uudelleen ennen kuin kukaan makroskooppisessa maailmassa huomaa.



Aiheeseen liittyviä: Maailmankaikkeus: alkuräjähdys nyt 10 helpolla askeleella

Vanhankaupungin tie

Mutta molemmat näistä näkemyksistä aika-ajasta voivat olla oikeita samaan aikaan. Joko yleinen suhteellisuusteoria on oikea ja avaruusaika on tasainen, tai kvanttimekaniikka on oikein ja avaruusaika on paksu. Fyysikot ajattelevat, että lopullinen vastaus on näiden kahden näkemyksen yhdistelmä, jota kutsutaan kvanttipainovoimaksi. Ja ei, emme tällä hetkellä tiedä, miltä lopullinen vastaus näyttää. Joten jos voisimme murtaa avoimen aika-ajan ja katsoa pienimpiä mittakaavoja, ehkä saisimme aavistuksen siitä, mitä todella tapahtuu.

Jos aika-aika on todella vaahtoavaa ja kuplivaa, tämän pitäisi vaikuttaa mihin tahansa aika-ajan läpi kulkevaan. Esimerkiksi iloisella tavalla kulkeva valonsäde kohtaa kaikenlaisia ​​mikroskooppisia kuoppia ja hyppyjä - Planckin sorateitä pikemminkin kuin tasaista valtatietä.

Joskus nuo pienet jostles lisäävät valoa, nostavat sen energiatasoa, ja joskus valo kohtaa pienen nopeuden, joka hidastaa sitä. Nettovaikutus on, että vaahtoavan avaruusajan läpi kulkeva valo leviää hitaasti energiaan.

Tämä vaikutus on uskomattoman, uskomattoman pieni, niin pieni, että emme voineet toivoa mittaavamme sitä laboratoriossa. Mutta onneksi luonto voi tarjota meille laboratorion. Jos löydämme avaruudesta mukavan, yhtenäisen valonsäteen (toisin sanoen luonnollisen avaruuslaserin) ja että valonsäde kulkee miljardien vuosien ajan kaukoputket , voimme mitata energian leviämistä ja käyttää sitä tila-ajan vaahtoamiseen.

Vaahdota espresso

Juuri niin teki tähtitieteilijäryhmä, joka lähetti tulokset julkaistavaksi Royal Astronomical Society Monthly Notices -lehdessä ja julkaisemalla työnsä arXiv -esipainosivustolle . Ja täydellisessä sattumassa he etsivät avaruusajan vaahtoamista… espressolla. Ei, ei juomaa. ESPRESSO, Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations, instrumentti, joka perustuu Euroopan eteläisen observatorion erittäin suureen teleskooppiin.

Kuten nimestä voi päätellä, ESPRESSOa ei ole suunniteltu etsimään aika-ajan vaahtoa, mutta se osoittautui työn parhaaksi työkaluksi. Tähtitieteilijät osoittivat sen täydelliselle lähteelle: yli 18 miljardin valovuoden etäisyydelle jääneestä kaasupilvestä. Mikä tekee tästä kaasupilvestä erityisen hyödyllisen, on kaksi tosiasiaa. Yksi, sen takana on kirkas lähde, joka valaisee sitä. Ja toiseksi, pilvessä on rautaa, joka imee taustavalon hyvin tietyllä aallonpituudella.

Joten maapallon näkökulmasta katsottuna, jos avaruusaika on täysin tasainen, kaasupilven aiheuttaman taustavalon aukon tulisi olla yhtä kapea kuin jos pilvi istuisi aivan vieressämme. Mutta jos aika-aika on vaahtoavaa, miljardien valovuoden yli kulkeva valo leviää ja muuttaa aukon leveyttä.

Tähtitieteilijät eivät löytäneet mitään vaahdotusta, mikä ei tarkoita sitä, ettei sitä olisi olemassa-se tarkoittaa vain sitä, että jos aika-aika on vaahtoavaa, tarvitsemme yli 18 miljardia valovuotta nähdäksemme sen nykyisellä tekniikallamme . Mutta tulokset pystyivät sulkemaan pois joitakin kvanttipainovoimamalleja lähettämällä ne fysiikan historian sananlaskuun.

Ja jos tuleva kokeilu löytää merkkejä vaahdosta? Se olisi ensimmäinen ikkunamme kvanttipainovoiman maailmaan, jota fyysikot ovat etsineet 1950 -luvulta lähtien. Ja kaiken voi paljastaa satunnainen kaasupilvi.

Lue lisää: ' Rajoitus Planck-mittakaavassa ESPRESSO-vaahdolle ''

  • Kuvat: Kurkistus alkuräjähdykseen ja varhaiseen maailmankaikkeuteen
  • Mikä on maailmankaikkeuden muoto?
  • Kvanttimaailmassa voi olla suosikki maku, houkuttelevat tulokset viittaavat siihen

Voit kuunnella Ask A Spaceman -podcastia iTunes ja Internetissä osoitteessa http://www.askaspaceman.com . Esitä oma kysymyksesi Twitterissä käyttämällä #AskASpacemania tai seuraamalla Paavalia @PaulMattSutter ja facebook.com/PaulMattSutter . Seuraa meitä Twitterissä @Spacedotcom tai Facebook .

TARJOUS: Säästä 45% All About Space -palvelusta, How it Works- ja All About History -tapahtumista!

Rajoitetun ajan voit tilata minkä tahansa digitaalisen tilauksen myydyimmät tiedelehtemme vain 2,38 dollaria kuukaudessa tai 45% normaalihinnasta kolmen ensimmäisen kuukauden aikana. Katso tarjous