Jak zmierzyć piankę kwantową za pomocą eksperymentu na stole?

Jedną z centralnych zagadek czasoprzestrzeni jest jej struktura w najmniejszej skali.

Równania ogólnej teorii względności są gładkie, nawet w najmniejszych skalach. Jednak na początku lat sześćdziesiątych amerykański fizyk John Wheeler wskazał, że w mechanice kwantowej zwykłe właściwości czasoprzestrzeni, takie jak położenie, pęd itd., wiążą się z pewną niepewnością. Oznacza to, że spacetme również musi być niepewny. Wheeler słynnie opisał ją jako piankę kwantową.

Fizycy bardzo chcieliby studiować tę piankę, ale jest problem. Czasoprzestrzeń staje się piankowata tylko w najmniejszej skali, przy tak zwanych długościach Plancka wynoszących około 10^-35 metrów.

Zbadanie tej odległości jest oczywiście trudne. Jednym ze sposobów na to jest przyspieszanie cząstek do ogromnych energii, co pozwala fizykom dokładnie określić ich położenie, a tym samym badać bardzo małe objętości przestrzeni.

Ale wymagane energie wynoszą około 10^19 GeV, o wiele rzędów wielkości wyższe niż dzisiejsze akceleratory cząstek. Nie ma prawdopodobieństwa dotarcia do tej energii na Ziemi w przewidywalnej przyszłości, więc fizycy są mniej lub bardziej zrezygnowani z myśli, że nigdy nie dostaną pianki kwantowej.

Dziś mogą się zmienić dzięki fascynującej idei Jacoba Bekensteina, fizyka z Uniwersytetu Hebrajskiego w Jerozolimie w Izraelu. Bekenstein mówi, że opracował sposób na zmierzenie struktury czasoprzestrzeni w skali Plancka za pomocą prostego eksperymentu obejmującego niewiele więcej niż blok szkła i laser.

W istocie eksperyment jest prosty. Celem Bekensteina jest przesunięcie bloku o odległość równą mniej więcej długości Plancka. Jego metoda jest prosta: zaatakować blok pojedynczym fotonem.

Foton przenosi niewielką ilość momentu i w konsekwencji popycha blok, gdy wchodzi do szkła, nadając mu trochę pędu. Gdy foton opuszcza blok, blok zatrzymuje się.

Tak więc wynikiem przejścia fotonu jest przesunięcie bloku na niewielką odległość.

Pomysł Bekensteina jest taki, że jeśli ta odległość jest mniejsza niż długość Plancka, to blok nie może się poruszać, a foton nie może przez niego przejść.

Eksperyment polega więc na pomiarze liczby fotonów przechodzących przez blok. Jeśli liczba ta jest mniejsza niż przewidywała klasyczna optyka, to świadczy to o istnieniu piany kwantowej.

W rzeczywistości, zmieniając pęd nadawany przez fotony, fizycy powinni być w stanie zmierzyć skalę, w jakiej pojawiają się efekty piany kwantowej, a być może również określić to ilościowo w inny sposób.

Piękno tego eksperymentu polega na tym, że pozwala uniknąć wszystkich zwykłych problemów związanych z badaniem małych skal długości za pomocą cząstek kwantowych, które same doświadczają niepewności swojej pozycji.

Zamiast tego eksperyment Bekensteina polega na zachowaniu pędu i zmianie położenia środka masy makroskopowego bloku szkła. Pokazuje, że nie narusza to zasady nieoznaczoności. Rzeczywiście, jedynym pomiarem związanym z tym jest prosta liczba fotonów.

Co najlepsze, ten eksperyment nie wymaga bardziej egzotycznego urządzenia niż laser i lodówka (blok musi być schłodzony do temperatury bliskiej zeru, aby zminimalizować perturbacje termiczne). Nic w tym nie wykracza poza stan techniki. Rzeczywiście, test można dziś przeprowadzić na stole w dobrze wyposażonym laboratorium.

To nie znaczy, że będzie to łatwe. Bekenstein to wielki ser w świecie fizyki teoretycznej, ale przed przystąpieniem do takiego eksperymentu koledzy będą chcieli mieć pewność, że jego argumentacja jest niepodważalna.

Jeśli tak, to eksperyment stołowy Bekensteina może być uruchomiony w bardzo niedalekiej przyszłości, oferując pierwszy potencjalny przebłysk pianki kwantowej.

Oczywiście, nieodnalezienie pianki kwantowej również byłoby interesujące. Najnowsze myślenie głosi, że grawitacja jest zjawiskiem pojawiającym się w wyniku pewnego rodzaju procesu termodynamicznego. To nie wymaga pianki kwantowej.

Zatem niepowodzenie wykrycia piany kwantowej, chociaż nie jest dowodem na wyłaniające się teorie grawitacji, z pewnością byłoby również niezwykle interesującym odkryciem.

Tak czy inaczej, fizycy mogliby się tym zabawić.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1211.3816 : Czy możliwe jest wyszukiwanie na stole sygnałów w skali Plancka?

ukryć