Is onze fundamentele realiteit continu of wordt ze opgedeeld in kleine, discrete stukjes?
Op een andere manier, is de ruimtetijd soepel of dik? De vraag raakt de kern van de meest fundamentele theorieën van de natuurkunde en verbindt de manier waarop ruimte en tijd elkaar kruisen met het materiaal van ons dagelijks bestaan.
Experimenteel testen van de aard van ruimte en tijd was echter onmogelijk vanwege de extreme energieën die nodig zijn om zulke kleine schalen in het universum te onderzoeken. Dat is - tot nu toe. Een team van astronomen heeft een ambitieus nieuw plan voorgesteld om een vloot van kleine ruimtevaartuigen te gebruiken om subtiele veranderingen in de lichtsnelheid te detecteren, een kenmerk van enkele van de meest verbijsterende theorieën van de kosmos. Als ruimte en tijd inderdaad worden opgesplitst in kleine stukjes, kan het onderzoek de weg vrijmaken voor een volledig nieuw begrip van de werkelijkheid.
Dik versus soepel
De vraag 'wat is ruimte en tijd?' gaat duizenden jaren terug en ons moderne begrip berust op twee vreemd onverenigbare pijlers: kwantummechanica en Einsteins algemene relativiteitstheorie.
Over het algemeen zijn relativiteit, ruimte en tijd met elkaar verweven in het verenigde weefsel van ruimte tijd, het vierdimensionale stadium dat ons universum ondersteunt. Deze ruimte-tijd is continu, wat betekent dat er nergens hiaten zijn; het is allemaal een gladde textuur. Ruimte-tijd is echter niet alleen een platform om onze rol te spelen; het is ook een speler: het buigen en kromtrekken van de ruimtetijd geeft ons onze ervaring met zwaartekracht.
In de tegenoverliggende hoek regelt een reeks regels, kwantummechanica genaamd, de interacties van de zeer kleine dingen in het universum. Kwantummechanica berust op het idee dat niet veel van onze dagelijkse ervaring soepel en continu is, maar dik. Met andere woorden, het is gekwantificeerd. Energie, momentum, spin en zoveel andere eigenschappen van materie komen in slechts afzonderlijke kleine pakketten.
Bovendien splitst de kwantummechanica zich ook op in twee kampen. Aan de ene kant hebben we de bekende deeltjes van ons dagelijks bestaan, zoals elektronen en protonen, die op elkaar inwerken en andere interessante dingen doen. Deze zijn duidelijk erg dik, omdat het discrete 'dingen' zijn. Aan de andere kant hebben we de kwantumvelden. In de subatomaire wereld heeft elk soort deeltje zijn eigen veld dat zich door de ruimte-tijd verspreidt; als we aan deeltjes denken, denken we aan kleine trillingen in hun velden, die op hun beurt interageren met andere deeltjes, en andere interessante dingen doen. De velden zijn begrijpelijkerwijs erg glad.
Stukjes tijd en ruimte
We hebben dus een paar vloeiende foto's van ons universum en enkele dikke. Als het gaat om de ruimtetijd zelf, kunnen we ons gemakkelijk voorstellen dat we de concepten van de kwantummechanica helemaal uitbreiden tot hun logische conclusie, en bepalen dat ruimte en tijd discreet zijn: het weefsel zelf van de werkelijkheid is opgedeeld als pixels op een computerscherm , en wat we ervaren als vloeiende, continue beweging is niets anders dan een raster van discrete pixels op de kleinste schaal.
Veel theorieën over het samenvoegen van kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie, zoals snaartheorie en luskwantumzwaartekracht, voorspellen een vorm van discrete ruimtetijd (hoewel de precieze voorspellingen, interpretaties en implicaties van die brokheid nog steeds slecht worden begrepen). Als we bewijs zouden kunnen vinden voor discrete ruimte-tijd, zou dit niet alleen ons begrip van de werkelijkheid volledig herschrijven, maar ook de deur openen naar een revolutie in de natuurkunde.
Deze discretie kan zich alleen op de meest subtiele manieren openbaren; anders hadden we het nu al gezien. Verschillende theorieën hebben voorspeld dat als de ruimte-tijd inderdaad grof was, de lichtsnelheid mogelijk niet helemaal constant zou zijn - het kan zelfs een beetje verschuiven, afhankelijk van de energie van dat licht. Licht met een hogere energie heeft een kortere golflengte en wanneer de golflengte klein genoeg wordt, kan het de brokheid van de ruimtetijd "zien". Stel je voor dat je over de stoep loopt: met grote voeten merk je geen kleine scheurtjes of bultjes, maar als je microscopisch kleine voetjes had, struikelde je over elke kleine imperfectie, waardoor je langzamer werd. Maar deze verschuiving is ongelooflijk klein; als ruimte-tijd discreet is, is het op een schaal die meer dan een miljard keer kleiner is dan wat we momenteel kunnen onderzoeken in onze krachtigste experimenten.
Een zoektocht naar de graal
Enter GrailQuest: het Gamma-ray Astronomy International Laboratory for Quantum Exploration of Space-Time. Een team van astronomen heeft een voorstel voor deze missie ingediend naar aanleiding van een oproep voor nieuwe ruimtetijd-jachtideeën van de European Space Agency (ESA). Hun voorstel is gedetailleerd in de arXiv-database, wat betekent dat het nog niet is beoordeeld door collega's in het veld.
Hier is de primeur: om te zien of de snelheid van het licht verandert met verschillende energieën, moeten we een enorme hoeveelheid licht met de hoogste energie in het universum verzamelen, en GrailQuest hoopt precies dat te doen.
GrailQuest bestaat uit een vloot van kleine, eenvoudige ruimtevaartuigen (het exacte aantal varieert, van slechts een paar dozijn als de satellieten groter zijn tot ruim een paar duizend als ze kleiner zijn) om de lucht constant te bewaken op gammaflitsen. Dit zijn enkele van de krachtigste explosies in het universum. Zoals hun naam doet vermoeden, geven deze bursts grote hoeveelheden hoogenergetische fotonen af, ook wel gammastralen genoemd. Deze gammastralen reizen miljarden jaren voordat ze de vloot van ruimtevaartuigen bereiken, die de energie van de gammastralen en de verschillen in timing registreren terwijl de burst over de vloot spoelt.
Met voldoende nauwkeurigheid kan GrailQuest mogelijk onthullen of ruimte-tijd discreet is. Het heeft tenminste de juiste opstelling: het onderzoekt het licht met de hoogste energie (dat het meest wordt aangetast in theorieën die voorspellen dat ruimte-tijd dik is); de gammastralen reizen al miljarden lichtjaren (waardoor het effect in de loop van de tijd kan toenemen); en het ruimtevaartuig is eenvoudig genoeg om te produceren en massaal (zodat de hele vloot zoveel mogelijk gebeurtenissen overal in de lucht kan zien).
Hoe zouden onze opvattingen over de werkelijkheid veranderen als GrailQuest bewijs zou vinden voor de discretie van ruimte-tijd? Het is onmogelijk te zeggen - onze huidige theorieën staan overal op de kaart als het gaat om implicaties. Maar wat er ook gebeurt, we zullen moeten wachten. Deze ronde van ESA-voorstellen is voor lanceringen ergens tussen 2035 en 2050. Terwijl we wachten, kunnen we bespreken of de tijd die nu en dan verstrijkt, fundamenteel soepel of grof is.
- De 12 vreemdste objecten in het heelal
- From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time
- De grote getallen die het heelal definiëren
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het universum.
