Научный форум dxdy
Известный израильский физик-теоретик Яков Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме опубликовал работу, в которой изложил простую схему «настольного» эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены.
Напомним: речь идёт о том самом Бекенштейне, который показал, что чёрные дыры подчиняются началам термодинамики, если считать, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Именно его предсказание, которому Стивен Хокинг поначалу так сопротивлялся, вынудило последнего разработать концепцию излучения Хокинга. Поэтому к предложенной теоретической модели эксперимента по выявлению квантовой пены стоит присмотреться поближе.
Собственно говоря, сам термин «квантовая пена» является некоторой условностью, поскольку структура мироздания, обозначаемая этим словосочетанием, на обычную пену совсем не похожа — с таким же успехом можно называть данный феномен, например, «квантовыми сотами». Однако суть от этого совершенно не изменится, поскольку речь идет о вполне определенном явлении. Правда, сразу следует отметить, что пока еще никому не удалось экспериментально доказать существование этой самой квантовой пены.
Впервые термин «квантовая пена» появился в 80-х годах прошлого века, когда физики Ли Смолин, Абэй Аштекар, Тэд Джекобсон и Карло Ровелли создали так называемую теорию петлевой квантовой гравитации. Согласно ее положениям, пространство и время не являются непрерывными, а состоят из дискретных частей. Они представляют собой маленькие квантовые ячейки пространства (квантовые — потому что их размеры не превышают кванта длины, то есть 10 -35 м), определенным способом соединенные друг с другом. Поэтому на малых масштабах времени и длины они создают пеструю, дискретную структуру пространства, и лишь на больших масштабах оно становится непрерывным и гладким — таким мы его и ощущаем.
Но что же может происходить в этих мельчайших элементарных ячейках мироздания? По мнению ученых, множество удивительных вещей. Например, представьте себе, что вы спокойно сидите в своей комнате, и вдруг в ней внезапно образуется черная дыра. Так вот, в макромире подобное просто невозможно, поскольку для появления в вашем доме той же черной дыры нужно, чтобы из ничего появилась энергия, эквивалентная нескольким сотням масс Земли, причем за так называемое планковское время (10 -43 с). Совершенно очевидно, что подобное не осуществимо — в макромире время, необходимое для появления такого количества энергии, измеряется сотнями тысяч, а то и миллионами лет.
А вот в квантовой ячейке такие процессы — дело совершенно обычное. На очень коротких промежутках времени в весьма небольших областях пространства вполне может самопроизвольно появляться энергия, достаточная для превращения этого кусочка пространства в черную дыру. Причем вовсе не из «ничего», поскольку закон сохранения энергии справедлив и для квантовых ячеек. Просто всем известный принцип неопределенности Гейзенберга (подробнее о нем читайте в статье «Физики добавили в наш мир определенности») позволяет энергии превращаться в частицу и античастицу, а затем аннигилировать, порождая вновь ту же энергию, без формального нарушения закона её сохранения.
Можно сказать, что «жизнь» в квантовых ячейках просто бьет ключом — постоянно то возникают, то исчезают частицы, меняется сама структура пространства и времени, и ни на один момент в них нет ни капли стабильности, сплошные флуктуации. Все это отчасти похоже на процессы образования пены в процессе биения волн о берег. Поэтому-то и появился термин «квантовая пена».
Следует сказать еще и о том, что, по мнению ряда физиков, основой для столь интенсивных процессов в квантовых ячейках служат так называемые квантовые колебания вакуума. Энергия этих колебаний есть не что иное, как энергия основного состояниясистемы,и при этом она практически бесконечна (хотя с точки зрения квантовой механики ее практически невозможно использовать). И если некоторые ученые считают, что такой энергии вполне хватает для того, чтобы каждую секунду возникали новые Вселенные, то вполне логично предположить, что для поддержания непрерывного «бурления» квантовых ячеек ее вполне достаточно.
Представление о квантовой пене уже давно вызывает симпатии многих теоретиков — оно весьма красиво, логично, и, главное, может разрешить большое количество физических парадоксов. А вот для экспериментаторов эта самая пена до сих пор является изрядной головной болью. И дело даже не в том, что измерить характеристики процессов, происходящих в столь малом масштабе, до сих пор весьма сложно с технической точки зрения. Просто исходя из вышеупомянутого принципа неопределенности, невозможно единовременно определить изменение всех характеристик столь малых объектов — сам факт измерения уже нарушит исходное значение некоторых из них. Проще говоря, ученые даже не представляют, каким образом нужно спланировать эксперимент, который мог бы подтвердить или опровергнуть существование квантовых ячеек.
Однако недавно известный израильский физик-теоретик Яков Бекенштейн из Еврейского университета в Иерусалиме опубликовал работу, в которой изложил простую схему «настольного» эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены. Сразу скажу, что речь идет о том самом ученом, который доказал, что черные дыры подчиняются началам термодинамики, сила гравитации играет там роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Именно исходя из его построений Стивен Хокинг смог сформулировать свою известную теорию излучения черных дыр (позже его назвали хокинговским излучением).
Так вот, Бекенштейн считает, что для обнаружения пены можно использовать предельно простое оборудование. Нужно просто обстреливать одиночными фотонами кусок стекла. В итоге каждое попадание частицы в атом придаст последнему механический импульс, в результате чего атом изменит свое положение в пространстве. Ну, а поскольку импульс одиночного фотона ничтожен, то, соответствующим образом подобрав его энергию и длину волны, можно добиться того, что результирующее изменение положения атома будет меньше той самой планковской длины.
В итоге получится следующая картина — если квантовая пена действительно существует и может деформировать пространство-время подобно черным дырам в макромире, то есть предельно замедляя его течение и меняя размеры, то изменение положения стекла в пространстве будет невозможно. Это произойдет из-за того, что данный процесс нарушит закон сохранения импульса. Ну, а раз так, то выходит, что фотон вообще не должен попасть в кусок стекла. И это на самом деле достаточно легко зафиксировать — приборы, способные зарегистрировать факт прохождения через стекло одиночного фотона, уже существуют.
Как видите, этот эксперимент в принципе можно провести даже в обычной городской квартире — для него не нужны специальные условия. И это весьма обнадежило многих экспериментаторов — у них впервые появилась возможность наконец-то «поймать» эту неуловимую квантовую пену. Сейчас методика Бекенштейна активно обсуждается и проверяется, и если результаты таких проверок будут удовлетворительными, то предложенный им эксперимент может быть поставлен уже в ближайшее время…
Во сколько раз квантовая пена больше суперпустоты Эридана?
По аналогии, используя шкалу масштабов вселенной, измерьте в попугаях Деву А.
Правильный ответ:
1) Используя шкалу масштабов вселенной, нам удалось найти размеры следующих объектов:
Размеры квантовой пены — 1*10 -35 м.
Размеры суперпустоты Эридана — 5*10 24 м.
Мы заметили, что на самом деле суперпустота Эридана больше квантовой пены. Проведя расчеты, получилось, что суперпустота Эридана больше квантовой пены в 5*10 59 раз.
Учитывая то, что вопросы с подвохом, скорее правильный ответ следующий: квантовая пена больше суперпустоты Эридана в 5 -1 *10 -59 раз.
2) Используя шкалу масштабов вселенной, нам удалось найти размеры следующих объектов:
Размеры Девы А — 2,5*10 21 м.
Попугая найти не удалось. Колибри — это не попугай, альбатрос тоже. НО! Оказывается, что «Попугаем» называют неизвестную единицу измерения (по рассказу Григория Остера «38 попугаев» и снятому по нему мультфильму, в котором длину удава измеряли в «попугаях»). Сайт google.ru позволяет использовать попугаев и их производные (удавов, слонят и мартышек) как единицы длины. Согласно google.ru, 1 удав равен 5 метрам, как и 38 попугаев.
Но Google.ru помог измерить и следующее:
Следовательно, в Деве А 19*10 21 попугаев. (2,5*10 21 *7,6=19*10 21 попугаев.)
Что такое пространственно-временная пена. Просвещения пост
Понятие пространственно-временной, или квантовой, пены используют для того, чтобы описать предполагаемое строение Вселенной на ее самом фундаментальном уровне. Классическая механика предполагала, что пространство — это как бы некий гладкий субстрат, в котором находятся и взаимодействуют все существующие объекты. И хотя массивные объекты искривляют пространство, его базовая структура не меняется, и оно остается таким же гладким.
Развитие квантовой механики показало, что такая модель пространства не согласуется с теоретическими предсказаниями, и физики выдвинули новую гипотезу. Если на ткань Вселенной можно было бы взглянуть при помощи лупы, выявляющей самый мелкий ее масштаб (порядка так называемой планковской длины — 1,6 х 10^-35 м), то оказалось бы, что пространство теряет свою гладкость и становится похожим на бурлящую поверхность океана.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем меньше расстояние, тем больше энергия частиц — можно сказать, что пространству «не нравится», когда его загоняют в угол, и оно начинает протестовать. Со своей стороны, общая теория относительности Эйнштейна постулирует, что энергия искривляет пространство — отсюда и рождается та самая неистовая пена. Уточнение, что пена именно пространственно-временная, указывает, что пространство и время во Вселенной неразрывно связаны между собой и образуют единое целое.
Как «пощупать» пространственно-временную пену?
Эффекты квантовой гравитации столь далеки от реального мира, что, казалось бы, их экспериментальное наблюдение — задача безнадежная не только сегодня, но и в ближайшем будущем. Однако не все так безрадостно: в работе [1] утверждается, что уже в ближайшие годы новое поколение интерферометров сможет «увидеть» квантовое дрожание пространства-времени: так называемую пространственно-временную пену.
Пространственно-временная пена — один из наиболее известных и популяризованных эффектов в квантовой теории гравитации. Считается, что на очень малых расстояниях (порядка планковской длины) пространство имеет не гладкую, плоскую структуру, а хаотично дрожит, флуктуирует. Наглядный образ: пространство имеет губчатую, пенистую структуру, что и отражено в названии.
К каким наблюдаемым эффектам может привести такое дрожание? Оно может повлиять, например, на время распространения светового луча между заданными точками. В самом деле, в искривленном пространстве свет проходит иное расстояние между двумя точками, нежели в плоском. Поскольку искривленность пространства на пути луча флуктуирует во времени, то и расстояние, и время распространения света между двумя точками будет случайно колебаться около некоего среднего значения.
Время распространения луча света измерить непросто, зато вместо этого можно измерять фазу световой волны в конечной точке: ведь она тоже будет флуктуировать. Таким образом, мы приходим к следующей идее: можно попытаться наблюдать флуктуации пространства-времени с помощью интерферометра — прибора, изучающего фактически фазу световой волны. В таком приборе два когерентных световых луча попадают в одну точку по двум разным путям. Поскольку флуктуации пространства, чувствуемые этими лучами, не скоррелированы друг с другом, их относительная фаза в конечной точке будет «скакать» во времени, что приведет к флуктуациям интенсивности суммарной световой волны в этой точке. Регистрация этих колебаний интенсивности и будет экспериментальным наблюдением флуктуаций пространства-времени.
Автор работы [1] приводит теоретическую оценку для относительной величины флуктуаций пространства-времени (или, в переводе на наш эксперимент, величины флуктуации фазы по отношению к полной набежавшей фазе при распространении луча). Считая, что это дрожание представляет собой белый шум, автор оценивает спектральную мощность в 5*10-44Гц-1.
physnews160501
Спектр мощности пространственно-временных флуктуаций и чувствительность современных и будущих интерферометров
Много это или мало? Хватит ли для наблюдения такого дрожания точности интерферометрических исследований? Оказывается, уже существующие интерферометры не так далеки от этого рубежа. Экспериментальная ситуация проиллюстрирована на Рисунке. Уже сегодня, к примеру, 40-метровый интерферометр в Caltech [2] и интерферометр TAMA Японской Национальной Астрономической Обсерватории [3] достигли отметки в 10-40Гц-1, а ведь это пока только прототипы для будущих километровых интерферометров! Первое же поколение серьезных гравитационно-волновых интерферометров типа LIGO [4] и VIRGO достигнет рубежа 10-44Гц-1 за первые годы своей работы. В следующей своей стадии, эти интерферометры смогут улучшить чувствительность еще на несколько порядков и начнут отслеживать флуктуации на уровне 10-48Гц-1. Это уже должно быть достаточно не просто для наблюдения дрожания пространства-времени, но и для аккуратного изучения явления и сравнения с предсказаниями теоретических моделей.