Сколько пены
Квантовая пена или пена пространства-времени — это теоретическое квантовое колебание пространства -времени в очень малых масштабах, обусловленное квантовой механикой . Теория предсказывает, что на этих малых масштабах частицы материи и антиматерии постоянно создаются и уничтожаются. Эти субатомные объекты называются виртуальными частицами . [1] Идея была предложена Джоном Уилером в 1955 году. [2] [3]
Фон
[ редактировать ]При неполной теории квантовой гравитации невозможно с уверенностью сказать, как пространство-время будет выглядеть в малых масштабах. Однако не существует однозначной причины, по которой пространство-время должно быть фундаментально гладким. Вполне возможно, что вместо этого в квантовой теории гравитации пространство-время будет состоять из множества маленьких, постоянно меняющихся областей, в которых пространство и время не являются определенными, а колеблются, подобно пене. [4]
Уилер предположил, что принцип неопределенности может означать, что на достаточно малых расстояниях и в достаточно коротких интервалах времени «сама геометрия пространства-времени колеблется». [5] Эти флуктуации могут быть достаточно большими, чтобы вызвать значительные отклонения от гладкого пространства-времени, наблюдаемого в макроскопических масштабах, придавая пространству-времени «пенистый» характер.
Результаты экспериментов
[ редактировать ]Экспериментальное доказательство эффекта Казимира , который, возможно, вызван виртуальными частицами, является убедительным доказательством существования виртуальных частиц. Эксперимент g-2 , предсказывающий силу магнитов, образованных мюонами и электронами, также подтверждает их существование. [1]
В 2005 году во время наблюдений за гамма- фотонами , прибывающими от блазара Маркарян 501 , телескопы MAGIC (Major Atmosphery Gamma-ray Imaging Cherenkov) обнаружили, что некоторые из фотонов на разных энергетических уровнях прибыли в разное время, что позволяет предположить, что некоторые из фотонов двигались медленнее и, таким образом, нарушали представление специальной теории относительности о том, что скорость света постоянна, - несоответствие, которое можно объяснить неравномерностью квантовой пены. [6] Однако более поздние эксперименты не смогли подтвердить предполагаемое изменение скорости света из-за зернистости пространства. [7] [8]
Другие эксперименты по поляризации света от далеких гамма-всплесков также дали противоречивые результаты. [9] Продолжаются новые наземные эксперименты [10] или предложено. [11]
Ограничения на размер квантовых флуктуаций
[ редактировать ]Ожидается, что флуктуации, характерные для пены пространства-времени, будут возникать на масштабе длины порядка планковской длины (≈ 10 −35 м), [12] но некоторые модели квантовой гравитации предсказывают гораздо большие флуктуации.
Фотоны должны замедляться квантовой пеной, причем скорость зависит от длины волны фотонов. Это нарушило бы лоренц-инвариантность . Но наблюдения за излучением близлежащих квазаров , проведенные Флойдом Стекером из НАСА, Центра космических полетов имени Годдарда не обнаружили доказательств нарушения лоренц-инвариантности. [13]
Пенистое пространство-время также устанавливает ограничения на точность измерения расстояний, поскольку фотоны должны беспорядочно диффундировать через пену пространства-времени, подобно тому, как свет рассеивается при прохождении через туман. Это должно привести к ухудшению качества изображения очень удаленных объектов, наблюдаемых в телескопы. Рентгеновские и гамма-наблюдения квазаров с использованием рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра» , космического гамма-телескопа «Ферми» , а также наземные наблюдения гамма-излучения с помощью телескопа с очень энергичной радиационной визуализацией (VERITAS) не показали заметного ухудшения состояния на самые дальние наблюдаемые расстояния, что означает, что пространство-время является гладким, по крайней мере, до расстояний, в 1000 раз меньших, чем ядро атома водорода, [14] [15] [16] [17] [18] установление границы размера квантовых флуктуаций пространства-времени.
Связь с другими теориями
[ редактировать ]Флуктуации вакуума придают вакууму ненулевую энергию, известную как энергия вакуума . [19]
Теория спиновой пены — это современная попытка сделать идею Уиллера количественной .
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Квантовая пена , Дон Линкольн , Фермилаб, 24 октября 2014 г.
- ^ Уилер, Дж. А. (январь 1955 г.). «Геоны». Физический обзор . 97 (2): 511–536. Бибкод : 1955PhRv...97..511W . дои : 10.1103/PhysRev.97.511 .
- ^ Мински, Карли (24 октября 2019 г.). «Вселенная состоит из крошечных пузырей, содержащих мини-вселенные, говорят ученые. «Пена пространства-времени» может быть самой дикой вещью в известной Вселенной, и мы только начинаем это понимать» . Порок . Проверено 24 октября 2019 г.
- ^ См. КХД-анимацию пены пространства-времени Дерека Лейнвебера, представленную в лекции Вильчека .
- ^ Уилер, Джон Арчибальд; Форд, Кеннет Уилсон (2010) [1998]. Геоны, черные дыры и квантовая пена: жизнь в физике . Нью-Йорк: WW Norton & Company. п. 328. ИСБН 9780393079487 . OCLC 916428720 .
- ^ «Задержка гамма-излучения может быть признаком «новой физики» » . 3 марта 2021 г.
- ^ Василиу, Власиос; Гранот, Джонатан; Пиран, Цви; Амелино-Камелия, Джованни (2015). «Планковский предел нечеткости пространства-времени и нарушение стохастической лоренц-инвариантности» . Физика природы . 11 (4): 344–346. Бибкод : 2015НатФ..11..344В . дои : 10.1038/nphys3270 .
- ^ Коуэн, Рон (2012). «Космическая гонка заканчивается вничью» . Природа . дои : 10.1038/nature.2012.9768 . S2CID 120173051 .
- ^ Интегральные проблемы физики за пределами Эйнштейна / Космическая наука / Наша деятельность / ЕКА .
- ^ Мойер, Майкл (17 января 2012 г.). «Является ли космос цифровым?» . Научный американец . Проверено 3 февраля 2013 г.
- ^ Коуэн, Рон (22 ноября 2012 г.). «Одиночный фотон может обнаружить черные дыры квантового масштаба» . Новости природы . Проверено 3 февраля 2013 г.
- ^ Хокинг, Юго-Запад (ноябрь 1978 г.). «Пространственно-временная пена». Ядерная физика Б . 144 (2–3): 349–362. Бибкод : 1978NuPhB.144..349H . дои : 10.1016/0550-3213(78)90375-9 .
- ^ «Эйнштейн заставляет дополнительные измерения соответствовать требованиям» . НАСА. Архивировано из оригинала 18 июля 2019 года . Проверено 9 февраля 2012 года .
- ^ «Телескопы НАСА устанавливают ограничения на квантовую «пену» пространства-времени » . 28 мая 2015 г.
- ^ «Пресс-центр Чандры :: Телескопы НАСА установили ограничения на пространственно-временную квантовую «пену» :: 28 мая 15» . chandra.si.edu . Проверено 29 мая 2015 г.
- ^ «Рентгеновская обсерватория Чандра — флагманский рентгеновский телескоп НАСА» . chandra.si.edu . Проверено 29 мая 2015 г.
- ^ Перлман, Эрик С.; Раппапорт, Сол А.; Кристенсен, Уэйн А.; Джек Нг, Ю.; ДеВор, Джон; Пули, Дэвид (2014). «Новые ограничения на квантовую гравитацию на основе рентгеновских и гамма-наблюдений». Астрофизический журнал . 805 (1): 10. arXiv : 1411.7262 . Бибкод : 2015ApJ...805...10P . дои : 10.1088/0004-637X/805/1/10 . S2CID 56421821 .
- ^ «Чандра :: Фотоальбом :: Пена пространства-времени :: 28 мая 2015 года» . chandra.si.edu . Проверено 29 мая 2015 г.
- ^ Баэз, Джон (08 октября 2006 г.). «Какова плотность энергии вакуума?» . Проверено 18 декабря 2007 г.
Ссылки
[ редактировать ]- Минкель-младший (24 ноября 2003 г.). «Одолженное время: Интервью с Мичио Каку» . Научный американец
- Сваруп, А. (2006). «Взгляд на квантовую пену» . Нью Сайентист , 189, с. 18, по состоянию на 10 февраля 2012 г.
