Нутро Вселенной. Астрофизики придумали, как разгадать тайну пространства-времени - фото

Нутро Вселенной. Астрофизики придумали, как разгадать тайну пространства-времени

15 декабря 2019, 07:00

Астрофизики собираются проверить из чего состоит пространство-время. Эксперимент может привести к величайшей научной революции.

Коротко:

— что такое пространственно-временной континуум

— как проверить из чего состоит пространство

— какие загадки физики так и не удалось разгадать Эйнштейну и Хокингу

Видео дня

Г руппа ученых предложила проект, который поможет нам узнать, из чего на самом деле состоит пространство-время. Исследователи собираются запустить в космос флот компактных космических аппаратов для анализа гамма-излучения.

Вы когда-нибудь задумывались из чего состоит пространство вокруг вас? Нет, речь идет не об атмосфере с набором разных газов и даже не о космическом вакууме, — из чего состоит пространство, в котором наша Земля удерживается на орбите Солнца?

Частично на эти вопросы ответил физик Альберт Эйнштейн, и мы до сих пор используем его модель пространственно-временного континуума для научных исследований. Но что если, как и в случае с квантовой механикой, теория Эйнштейна не будет работать на субатомном уровне?

Проще говоря: что если пространство-время — это не стабильная монолитная структура, а набор из бесконечного количества непонятных для нас мельчайших частиц, которые и формируют эту структуру, как пиксели на экране вашего смартфона формируют единое изображение?

Доказательство этого стало бы настоящей революцией в физике, и многие законы, включая постоянство скорости света, пришлось бы пересмотреть, ввести новые переменные и осознать, насколько мало мы знаем о строении Вселенной.

Пока такие эксперименты не представляются возможными, но в ближайшем будущем мы можем отправить в космос специальные аппараты, которые позволят изучить до сих пор неизвестные свойства пространства-времени. Группа европейских астрономов недавно представила проект, который должен помочь нам узнать, из чего состоит пространство-время.

Shutterstock

Фото: Shutterstock

Что собираются делать ученые?


Команда исследователей из разных европейских университетов пару недель назад опубликовала детали своего нового проекта — GrailQuest: the Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time (с англ. — Поиски Грааля: Астрономическая Международная Лаборатория Квантового Исследования Пространства-Времени с помощью Гамма-излучения).

Ученые решили провести один из важнейших экспериментов в современной физике и исследовать свойства пространства-времени. Авторы проекта воспользовались предложением Европейского космического агентства, которое как раз искало идеи научных исследований для своих будущих миссий.

Как объясняет астрофизик из Университета Огайо Пол Саттер, разделенную (дискретную) форму пространства-времени можно заметить только с помощью световых пучков разной энергии, на уровне анализа их субатомных частиц — фотонов.

«Различные теории предсказывали, что если бы пространство-время действительно было дискретным — скорость света не могла бы быть полностью постоянной. Вместо этого она могла бы незначительно смещаться в зависимости от энергии светового луча. У света с высшей энергией волны всегда короче, и когда волна становится достаточно короткой, она позволяет „увидеть“ объем пространства-времени», — говорит Саттер.

scitechdaily.com
Фото: scitechdaily.com

Астрофизик сравнивает это с тем, как человек может ходить, наступая ногой на различные неровности и преграды: если бы наша нога уменьшилась до микроскопических размеров — ходить бы было очень сложно, поскольку каждый объект преграждал бы нам дорогу и замедлял нас.

Подобных инструментов, которые бы позволили нам измерить пространство-время в масштабе в миллион раз меньше, чем могут действующие космические зонды, пока не существует. Поэтому ученые планируют запуск флота компактных космолетов со сверхточными датчиками на борту примерно на 2035−2050 годы.

Проект GrailQuest предусматривает разработку и создание от нескольких дюжин до нескольких тысяч высокотехнологичных космических зондов, которые смогут долгое время мониторить самые мощные взрывы в обозримой нам Вселенной и выделяемое после них гамма-излучение.

Поскольку перед тем, как достигнуть будущих космических аппаратов эти лучи проделают путь в миллиарды световых лет, — ученые надеются проанализировать энергию их частиц в разные периоды времени и узнать, были ли хотя бы мельчайшие изменения в их скорости света.

Такие высокоэнергетичные пучки света как гамма-излучение — это идеальный инструмент для проверки теории о том, что пространство-время может быть дискретным. Гамма-излучение является своего рода микроскопической копией нашей ступни, которая будет сталкиваться с мельчайшими пылинками вокруг нее. Только, в этом случае, фотоны высокой энергии должны будут тормозить субатомные частицы пространства времени (если они, конечно, существуют).

scitecheuropa.eu

Фото: scitecheuropa.eu

Почему это важно?


Вопрос строения пространства является фундаментальным для современной науки. Задолго до появления Альберта Эйнштейна, английский физик Исаак Ньютон предложил свою теорию пространства.

Абсолютное пространство Ньютона — это трехмерное евклидово пространство, которое является своего рода статичной сценой для космического танца планет, звезд, галактик и т. д. В таком пространстве действуют три измерения — длина, ширина и высота, а само оно остается неподвижным и неизменным, никак не влияя на объекты внутри него.

В своей общей теории относительности Эйнштейн дополнил идеи Ньютона и ввел в пространство еще одно измерение — время и назвал его пространственно-временным континуумом. Эта физическая модель также предусматривает использование евклидового пространства с тремя измерениями, поскольку время здесь рассматривается как постоянная и неизменная величина.

Но, в отличие от Ньютона, Эйнштейн полагал, что пространственно-временной континуум является динамичным, в буквальном смысле может изгибаться и изменять свою форму в зависимости от массы объектов и, соответственно, их энергии. Именно эта теория стала основой для нашего понимания гравитации — силы притяжения всех объектов во Вселенной.

Несмотря на то, что мы пользуемся теорией Эйнштейна очень давно, ученые подтвердили догадки австрийского физика на практике только несколько лет назад, когда заметили, как свет — и, соответственно, пространство-время, — искривляется, проходя возле массивного объекта — Солнца — из-за воздействия гравитации.

Теперь нам нужен новый Грааль для изучения Вселенной, а именно — понимание того, как свет взаимодействует не только с большими объектами вроде Солнца, но и с мельчайшими частицами в самом пространственно-временном континууме.

Собственно, идея уже готова, и авторам проекта GrailQuest осталось лишь ее реализовать: создать датчики и сенсоры, которые работают в миллиарды раз точнее существующих, запустить флот космолетов к середине 21 века, засечь, что скорость света гамма-пучков меняется из-за их взаимодействия с квантовыми частицами пространства-времени, и написать новую революционную теорию о пространстве.

«Как изменились бы наши представления о реальности, если бы GrailQuest нашел доказательства дискретности пространства-времени? Об этом сейчас невозможно говорить, поскольку нынешние теории очень нестабильны, когда дело подходит к их реализации. Но несмотря ни на что, нам придется подождать», — заявляет Пол Саттер.

habbabestore.com

Фото: habbabestore.com

Ждем теорию всего?


По сути, все описанное выше является исследованием квантовой природы гравитации. А это, на секундочку, главная загадка современной физики.

Как уже писало НВ, гравитация в привычном нам макромире проста и понятна. Согласно Эйнштейну, законы о том, что тяжелый объект притягивает легкий, и чем ближе легкий объект подходит к тяжелому — тем быстрее он должен вращаться вокруг его оси, должны работать везде.

Но, как оказалось, в субатомном мире квантовой механики мельчайшие частицы подчиняются только сами себе и могут взаимодействовать совершенно немыслимым для нас образом с помощью электромагнитного и сильного/слабого ядерного взаимодействия.

Объединение закономерностей квантовой механики и общей теории относительности Эйнштейна является так называемой теорией всего — потенциальной физической моделью, которая позволила бы нам понять, как Вселенная объединяется в макро- и микромасштабах, и почему-то, что мы видим не соответствует тому, из чего мы состоим.

Проект GrailQuest — это лишь один из возможных претендентов на теорию всего, над которой, в свое время, работали тот же Альберт Эйнштейн, Стивен Хокинг и многие другие их последователи.

Сегодня, к слову, наиболее популярным и обоснованным вариантом теории всего является теория струн. Согласно этой комплексной модели, все частицы (которые в мире квантовой механики одновременно и волны) являются одномерными струнами. Подобно квантовому полю, такие струны «вибрируют» в 11-мерной реальности, и, в зависимости от этих вибраций, определяют массу и заряд частицы.

freedomandsafety.com
Фото: freedomandsafety.com

Считается, что струны могут передавать гравитацию на квантовом уровне, но это пока не подтвердили на практике. Поэтому, мы до сих пор не знаем, откуда берется масса многих элементарных частиц и по какому принципу они взаимодействуют между собой.

Существуют и более экзотические «теории всего», в разрезе которых можно пофантазировать о мультивселенных, копиях нашего мира и прочем «зазеркалье». К примеру, квантовый дарвинизм Войцеха Зурека, который гласит, что квантовые частицы оставляют свои следы в доступном нам макромире.

Недавно физики из Китая, Германии и Канады заявили, что намерены проверить эту теорию экспериментально. Но даже в случае подтверждения нахождения частиц в двух состояниях одновременно — ученые лишь докажут взаимодействие квантовой механики с ОТО, а никак не объяснят его.

Другой американский физик-теоретик из Университета Мэриленд Брайан Свингл и вовсе предположил, что квантовая запутанность (взаимозависимость состояний частиц) может формировать пространственно-временной континуум Эйнштейна. Согласно его теории, четырехмерная структура пространства-времени (длина, ширина, глубина и время) может быть закодирована в трехмерной квантовой физике (с теми же измерениями, только без времени). Ученый пишет, что гравитацию и теорию Эйнштейна стоит объяснять через свойства квантовой механики, а никак не наоборот, из-за чего его коллеги отнеслись к теории довольно скептично.

Кроме этого существует и популярная теория о петлевой квантовой гравитации, и многие другие модели, в которых ученые пытаются объяснить фундаментальные взаимодействия всех объектов и частиц во Вселенной, но пока ни одному человеку не удалось разгадать эту загадку.

Еще один популяризатор науки и искатель теории всего Стивен Хокинг считал, что в этом и есть вся ее прелесть. По его словам, сложность (если не сказать невозможность) определения теории всего, заставляет человека постоянно искать и испытывать новые открытия, а не стоять на месте.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Делитесь материалом




Радіо НВ
X