Нутро Всесвіту. Астрофізики придумали, як розгадати таємницю простору-часу - фото

Нутро Всесвіту. Астрофізики придумали, як розгадати таємницю простору-часу

15 грудня 2019, 07:00

Астрофізики збираються перевірити з чого складається простір-час. Експеримент може призвести до найбільшої наукової революції.

Коротко:

— що таке просторово-часовий континуум

як перевірити з чого складається простір

які загадки фізики так і не вдалося розгадати Ейнштейну і Гокінгу

Відео дня

Г рупа вчених запропонувала проект, який допоможе нам дізнатися, з чого насправді складається простір-час. Дослідники збираються запустити в космос флот компактних космічних апаратів для аналізу гамма-випромінювання.

Ви коли-небудь замислювалися з чого складається простір навколо вас? Ні, мова йде не про атмосферу з набором різних газів і навіть не про космічний вакуум, — з чого складається простір, в якому наша Земля утримується на орбіті Сонця?

Частково на ці запитання відповів фізик Альберт Ейнштейн, і ми досі використовуємо його модель просторово-часового континууму для наукових досліджень. Але що якщо, як і у випадку з квантовою механікою, теорія Ейнштейна не працюватиме на субатомному рівні?

Простіше кажучи: що якщо простір-час — це не стабільна монолітна структура, а набір з нескінченної кількості незрозумілих для нас найдрібніших частинок, які й формують цю структуру, як пікселі на екрані вашого смартфона формують єдине зображення?

Доказ цього став би справжньою революцією у фізиці, і багато законів, включно зі сталістю швидкості світла, довелося б переглянути, ввести нові змінні і усвідомити, наскільки мало ми знаємо про будову Всесвіту.

Поки що такі експерименти не представляються можливими, але в найближчому майбутньому ми можемо відправити в космос спеціальні апарати, які дозволять вивчити досі невідомі властивості простору-часу. Група європейських астрономів недавно представила проект, який повинен допомогти нам дізнатися, з чого складається простір-час.

Shutterstock

Фото: Shutterstock

Що збираються робити вчені?


Команда дослідників з різних європейських університетів кілька тижнів тому опублікувала деталі свого нового проекту — GrailQuest: the Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time англ. — Пошуки Грааля: Астрономічна Міжнародна Лабораторія Квантового Дослідження Простору-Часу за допомогою Гамма-випромінювання).

Вчені вирішили провести один з найважливіших експериментів у сучасній фізиці і досліджувати властивості простору-часу. Автори проекту скористалися пропозицією Європейського космічного агентства, яке якраз шукало ідеї наукових досліджень для своїх майбутніх місій.

Як пояснює астрофізик з Університету Огайо Пол Саттер, розділену (дискретну) форму простору-часу можна помітити тільки за допомогою світлових пучків різної енергії, на рівні аналізу їх субатомних частинок — фотонів.

«Різні теорії передбачали, що якби простір-час дійсно був дискретним — швидкість світла не могла б бути повністю постійною. Замість цього вона могла б незначно зміщуватися залежно від енергії світлового променя. У світла з вищою енергією хвилі завжди коротше, і коли хвиля стає досить короткою, вона дозволяє „побачити“ обсяг простору-часу», — говорить Саттер.

scitechdaily.com
Фото: scitechdaily.com

Астрофізик порівнює це з тим, як людина може ходити, наступаючи ногою на різні нерівності і перешкоди: якби наша нога зменшилася до мікроскопічних розмірів — ходити б було дуже складно, оскільки кожен об'єкт перекривав би нам дорогу і сповільнював нас.

Подібних інструментів, які б дозволили нам виміряти простір-час в масштабі в мільйон разів менше, ніж можуть діючі космічні зонди, поки що не існує. Тому вчені планують запуск флоту компактних космольотів з надточними датчиками на борту приблизно на 2035−2050 роки.

Проект GrailQuest передбачає розроблення і створення від декількох дюжин до декількох тисяч високотехнологічних космічних зондів, які зможуть довгий час моніторити найпотужніші вибухи в доступному для огляду нам Всесвіту і гамма-випромінювання, що виділяється після них.

Оскільки перед тим, як досягти майбутніх космічних апаратів ці промені виконають шлях у мільярди світлових років, — вчені сподіваються проаналізувати енергію їх часток в різні періоди часу і дізнатися, чи були хоча б найменші зміни в їх швидкості світла.

Такі високоенергетичні пучки світла як гамма-випромінювання — це ідеальний інструмент для перевірки теорії про те, що простір-час може бути дискретним. Гамма-випромінювання є свого роду мікроскопічною копією нашої ступні, яка буде стикатися з найдрібнішими порошинами навколо неї. Тільки, в цьому випадку, фотони високої енергії повинні будуть гальмувати субатомні частинки простору часу (якщо вони, звичайно, існують).

scitecheuropa.eu

Фото: scitecheuropa.eu

Чому це важливо?


Питання будови простору є фундаментальним для сучасної науки. Задовго до появи Альберта Ейнштейна, англійський фізик Ісаак Ньютон запропонував свою теорію простору.

Абсолютний простір Ньютона — це тривимірний евклідів простір, який є своєрідною статичною сценою для космічного танцю планет, зірок, галактик тощо. У такому просторі діють три виміри — довжина, ширина і висота, а сам він залишається нерухомим і незмінним, ніяк не впливаючи на об'єкти всередині нього.

У своїй загальній теорії відносності Ейнштейн доповнив ідеї Ньютона і ввів в простір ще один вимір — час і назвав його просторово-часовим континуумом. Ця фізична модель також передбачає використання евклідового простору з трьома вимірами, оскільки час тут розглядається як постійна і незмінна величина.

Але, на відміну від Ньютона, Ейнштейн вважав, що просторово-часовий континуум є динамічним, в буквальному сенсі може згинатися і змінювати свою форму залежно від маси об'єктів і, відповідно, їх енергії. Саме ця теорія стала основою для нашого розуміння гравітації — сили тяжіння всіх об'єктів у Всесвіті.

Незважаючи на те, що ми користуємося теорією Ейнштейна дуже давно, вчені підтвердили припущення австрійського фізика на практиці тільки кілька років тому, коли помітили, як світло — і, відповідно, простір-час, — викривляється, проходячи біля масивного об'єкта — Сонця — через вплив гравітації.

Тепер нам потрібен новий Грааль для вивчення Всесвіту, а саме — розуміння того, як світло взаємодіє не тільки з великими об'єктами на зразок Сонця, а й з найдрібнішими частинками в самому просторово-часовому континуумі.

Власне, ідея вже готова, і авторам проекту GrailQuest залишилося лише її реалізувати: створити датчики і сенсори, які працюють в мільярди разів точніше наявних, запустити флот космічних кораблів до середини 21 століття, засікти, що швидкість світла гамма-пучків змінюється через їх взаємодію з квантовими частинками простору-часу, і написати нову революційну теорію про простір.

«Як змінилися б наші уявлення про реальність, якби GrailQuest знайшов докази дискретності простору-часу? Про це зараз неможливо говорити, оскільки нинішні теорії дуже нестабільні, коли справа підходить до їх реалізації. Але незважаючи ні на що, нам доведеться почекати», — заявляє Пол Саттер.

habbabestore.com

Фото: habbabestore.com

Чекаємо теорію всього?


По суті, все описане вище є дослідженням квантової природи гравітації. А це, на секундочку, головна загадка сучасної фізики.

Як уже писало НВ, гравітація в звичному нам макросвіті проста і зрозуміла. Згідно з Ейнштейном, закони про те, що важкий об'єкт притягує легкий, і чим ближче легкий об'єкт підходить до важкого — тим швидше він повинен обертатися навколо його осі, повинні працювати скрізь.

Але, як виявилося, в субатомному світі квантової механіки найдрібніші частинки підкоряються тільки самі собі і можуть взаємодіяти абсолютно немислимим для нас чином за допомогою електромагнітного і сильної/слабкої ядерної взаємодії.

Об'єднання закономірностей квантової механіки і загальної теорії відносності Ейнштейна є так званою теорією всього — потенційною фізичною моделлю, яка дозволила б нам зрозуміти, як Всесвіт об'єднується в макро- і микромасштабах, і чомусь, що ми бачимо не відповідає тому, з чого ми складаємося.

Проект GrailQuest — це лише один з можливих претендентів на теорію всього, над якою, свого часу, працювали той же Альберт Ейнштейн, Стівен Гокінг і багато інших їх послідовники.

Сьогодні, до речі, найбільш популярним і обгрунтованим варіантом теорії всього є теорія струн. Відповідно до цієї комплексної моделі, всі частинки (які в світі квантової механіки одночасно і хвилі) є одновимірними струнами. Подібно квантовому полю, такі струни «вібрують» в 11-мірній реальності, і, залежно від цих вібрацій, визначають масу і заряд частинки.

freedomandsafety.com
Фото: freedomandsafety.com

Вважається, що струни можуть передавати гравітацію на квантовому рівні, але це поки що не підтвердили на практиці. Тому, ми досі не знаємо, звідки береться маса багатьох елементарних частинок і за яким принципом вони взаємодіють між собою.

Існують і більш екзотичні «теорії всього», в розрізі яких можна пофантазувати про мультивсесвіт, копії нашого світу та інше «задзеркалля». Наприклад, квантовий дарвінізм Войцеха Зурека, який говорить, що квантові частинки залишають свої сліди в доступному нам макросвіті.

Нещодавно фізики з Китаю, Німеччини і Канади заявили, що мають намір перевірити цю теорію експериментально. Але навіть у разі підтвердження перебування частинок в двох станах одночасно — вчені лише доведуть взаємодію квантової механіки з ОТО, а ніяк не пояснять його.

Інший американський фізик-теоретик з Університету Меріленд Брайан Свінгл і зовсім припустив, що квантова заплутаність (взаємозалежність станів частинок) може формувати просторово-часовийконтинуум Ейнштейна. Згідно з його теорією, чотиривимірна структура простору-часу (довжина, ширина, глибина і час) може бути закодована в тривимірній квантовій фізиці тими ж вимірами, тільки без часу). Вчений пише, що гравітацію і теорію Ейнштейна варто пояснювати через властивості квантової механіки, а ніяк не навпаки, через що його колеги поставилися до теорії досить скептично.

Крім цього існує і популярна теорія про петлеву квантову гравітацію, і багато інших моделей, в яких вчені намагаються пояснити фундаментальні взаємодії всіх об'єктів і частинок у Всесвіті, але поки що жодній людині не вдалося розгадати цю загадку.

Ще один популяризатор науки і шукач теорії всього Стівен Гокінг вважав, що в цьому і є вся її принадність. За його словами, складність (якщо не сказати неможливість) визначення теорії всього, змушує людину постійно шукати і випробовувати нові відкриття, а не стояти на місці.

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Діліться матеріалом




Радіо НВ
X