Пространство-время гладкое или короткое?
Новое исследование попыталось выяснить.
Какова фундаментальная природа реальности? Является ли пространство-время - четырехмерная ткань нашей вселенной - в конечном счете гладким в мельчайших масштабах или чем-то еще?
Кажется невозможным измерить, но с мощью современных телескопов, рассматривающих расстояние в миллиарды световых лет, исследователи начинают смотреть вниз. В глубине души.
Колеблющийся пульсар подтверждает общую относительность.
Пульсар на расстоянии 25 000 световых лет странным образом колеблется. Но теория общей относительности Эйнштейна предсказала это более века назад!
Конечная ткань
Теория относительности Эйнштейна - единственный способ понять гравитацию, и благодаря этой колючей путанице математики мы узнали нечто, называемое «пространство-время», четырехмерную структуру (три измерения пространства и одно время), сплетенные вместе в единую ткань.
На языке относительности материя и энергия изгибаются и искривляют ткань пространства-времени, а в ответ искривление и искривление пространства-времени говорят материи и энергии, как двигаться, то, что мы все вместе воспринимаем как « гравитацию ».
Чтобы математика общей теории относительности работала, эта ткань пространства-времени должна быть абсолютно гладкой в самых крошечных масштабах. Независимо от того, насколько вы увеличите масштаб, пространство-время всегда будет таким же без морщин, как недавно выглаженная рубашка. Нет дырок, нет слез, нет путаницы. Просто чисто, чисто гладко. Без этой гладкости математика гравитации просто рухнет.
Но общая теория относительности - не единственное, что говорит нам о пространстве-времени. У нас также есть квантовая механика (и ее преемник, квантовая теория поля). В квантовом мире все микроскопическое управляется случайными случайностями и вероятностями. Частицы могут появляться и исчезать в любой момент (и, как правило, даже быстрее). Поля могут по собственному желанию покачиваться и вибрировать. И ничто не может быть известно наверняка.
И так, как указал физик Джон Уилер в 1960 году, если бы нам пришлось уменьшить масштаб до минимума (то, что называется масштабом Планка, который составляет от одной миллиардной до одной миллиардной части миллиардной доли метра), пространство-время не должно казаться гладким вообще. Вместо этого это должен быть кипящий, кипящий беспорядок - злой вспенивающийся суп из частиц, постоянно разрывая дыры в пространстве-времени и исправляя их снова, прежде чем кто-либо в макроскопическом мире заметит.
Все теории квантовой гравитации отстой - вот почему:
Есть два главных претендента на решение загадки квантовой гравитации: петлевая квантовая гравитация и теория струн. Хотя они радикально отличаются друг от друга, у них есть что-то общее: похоже, они оба не описывают реальность.
Старая городская дорога
Но оба эти представления о пространстве-времени могут быть правильными одновременно. Либо общая теория относительности верна, а пространство-время гладко, либо квантовая механика верна, а пространство-время коренасто. Физики считают, что окончательный ответ заключается в сочетании двух взглядов, так называемой квантовой гравитации. И нет, в настоящее время мы не знаем, как выглядит этот окончательный ответ. Так что, если бы мы могли взломать открытое пространство-время и взглянуть на мельчайшие из масштабов, возможно, мы могли бы получить некоторое представление о том, что на самом деле происходит.
Если пространство-время действительно пенистое и пузырится, то это должно повлиять на все, что проходит через пространство-время. Например, луч света, идущий по его веселому пути, столкнется со всевозможными микроскопическими ударами и толчками - планкианской гравийной дорогой, а не гладким шоссе.
Иногда эти маленькие волнения придают свету импульс, подталкивая его энергетический уровень, а иногда свет сталкивается с небольшим ударом скорости, замедляя его. Конечный эффект состоит в том, что свет, проходящий через пенистое пространство-время, будет медленно распространяться в энергии.
Этот эффект невероятно, невероятно крошечный, настолько крошечный, что мы даже не могли измерить его в лаборатории. Но, к счастью, природа может предоставить нам лабораторию. Если мы сможем найти хороший, когерентный луч света в космосе (другими словами, естественный космический лазер), и этот луч света пройдет через миллиарды лет к нашим телескопам , мы можем измерить разброс в энергии и использовать его для измерения пенистость пространства-времени.
Пена для эспрессо
Именно это и сделала команда астрономов, представив свои результаты для публикации в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества.И в идеальном совпадении они искали пенистость пространства-времени, используя ... эспрессо. Нет, не пить. ESPRESSO, Echelle Spectrograph для скалистых экзопланет и стабильных спектроскопических наблюдений, прибор, основанный на очень большом телескопе Европейской южной обсерватории .
Как следует из названия, ESPRESSO не был предназначен для поиска пены в пространстве-времени, но оказался лучшим инструментом для работы. А астрономы указали ему на идеальный источник: заурядное газовое облако, находящееся на расстоянии более 18 миллиардов световых лет. Что делает это конкретное газовое облако особенно полезным, так это два факта. Во-первых, за ним сидит яркий источник, освещающий его. И второе, в облаке есть железо, которое поглощает фоновый свет на очень определенной длине волны.
Таким образом, с нашей точки зрения на Земле, если пространство-время совершенно гладкое, этот промежуток в фоновом свете, вызванный газовым облаком, должен быть таким же узким, как если бы облако сидело прямо рядом с нами. Но если пространство-время пенистое, тогда свет, распространяющийся на миллиарды световых лет, будет распространяться, изменяя ширину промежутка.
Астрономы не нашли никакого намека на пенистость, что не означает, что она не существует - это просто означает, что если пространство-время пенообразно, нам нужно более 18 миллиардов световых лет, чтобы увидеть его с помощью нашей современной технологии. , Но результаты смогли исключить некоторые модели квантовой игравитации, отправив их в общеизвестный мусорный ящик истории физики.
А если будущий эксперимент найдет признак пены? Это было бы наше первое окно в мир квантовой гравитации, то, что физики искали с 1950-х годов. И все это может быть обнаружено каким-то случайным газовым облаком.