Piana kwantowa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

Piana kwantowa lub Piana czasoprzestrzennafluktuacja czasoprzestrzeni na bardzo małym obszarze. Opisywana jest przez mechanikę kwantową. Pomysł zaprezentował w 1955 roku John Wheeler[1][2].

Opis[edytuj | edytuj kod]

Niepełna teoria grawitacji kwantowej nie pozwala na upewnienie się, jak wygląda czasoprzestrzeń w bardzo małych skalach. Nie ma powodu, dla którego czasoprzestrzeń miałaby być idealnie płaska. Jest natomiast możliwe, iż ta jest zbudowana z małych, ciągle zmieniających się obszarów, w których przestrzeń i czas nie są określone. Przestrzenie te miałby się zmieniać podobnie do piany – stąd nazwa[3].

Wheeler zasugerował, że zasada nieoznaczoności Heisenberga może pokazywać, iż na wystarczająco małych odległościach i wystarczająco krótkich odstępach czasu „geometria czasoprzestrzeni zmienia się gwałtownie”[4]. Wahania te mogą być na tyle duże, że czasoprzestrzeń w skali mikroskopowej ma „pienisty” charakter odbiegający od widocznej w skali makroskopowej gładkiej powierzchni.

Eksperymenty[edytuj | edytuj kod]

W 2009 r. dwa teleskopy MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope) wykryły, że wśród fotonów promieniowania gamma, które przybyły z blazara Markarian 501, niektóre z fotonów o różnych poziomach energetycznych przybywały w różnych odstępach czasu, co sugeruje, że niektóre fotony poruszały się wolniej i tym samym zaprzeczając ogólnej teorii względności, że prędkość światła jest stała. Fakt ten można wytłumaczyć nieregularnością piany kwantowej[5]. Późniejsze eksperymenty nie były jednak w stanie potwierdzić przypuszczalnej zmiany prędkości światła z powodu ziarnistości przestrzeni[6][7].

Inne eksperymenty badające polaryzację światła z odległych rozbłysków gamma również przyniosły sprzeczne wyniki[8]. Inne eksperymenty trwają lub są proponowane[9][10].

Problemy z eksperymentami[edytuj | edytuj kod]

Podstawowym problemem jest fakt, iż duże fluktuacje charakterystyczne dla czasoprzestrzennej piany pojawią się na skali rzędu długości Plancka. Spienioną czasoprzestrzeń można zmierzyć z pewną dokładnością, ponieważ rozmiary „tuneli kwantowych”, przez które przemieszcza się światło, zmieniają się. W zależności od zastosowanego modelu czasoprzestrzeni niepewności zmieniają się, gdy światło podróżuje na dalekie odległości[11].

Obserwacje kwazarów pod promieniowaniem rentgenowskim i promieniowaniem gamma, podczas których wykorzystywano informacje NASA z Teleskopu kosmicznego Chandra, Fermi Gamma-ray Space Telescope oraz VERITAS wykazały, że czasoprzestrzeń nie wydaje się być pienista nawet na odległościach tysiąc razy mniejszych niż jądro atomu wodoru.

Obserwacje radiacji z pobliskich kwazarów wykonane w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Roberta H. Goddarda pokazały granice wątpliwości w szczególnej teorii względności, które wynikały z istnienia piany kwantowej. Zatem dowody eksperymentalne do tej pory podały zakres technologiczny, w których naukowcy mogą testować pianę kwantową[12].

Model losowej dyfuzji[edytuj | edytuj kod]

Wykrywanie kwazarów w odległości miliardów lat świetlnych przez Chandrę wyklucza model, w którym fotony rozpraszają się losowo w pianie czasoprzestrzennej, podobnie jak światło rozpraszające się przez mgłę[13].

Model holograficzny[edytuj | edytuj kod]

Pomiary kwazarów przy krótszych długościach fal gamma za pomocą Fermiego i VERITAS wykluczają drugi model, zwany modelem holograficznym o mniejszej dyfuzji[14][15][16].

Piana kwantowa a inne teorie[edytuj | edytuj kod]

Fluktuacje kwantowe tłumaczące powstawanie energii w próżni zgadzają się z teorią piany kwantowej[17].

Teoria piany spinowej jest wzbogaceniem teorii piany kwantowej o nowe właściwości.

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. J.A Wheeler, Geons, „Physical Review”, 1955, s. 511–536, DOI10.1103/PhysRev.97.511, Bibcode1955PhRv...97..511W.
  2. Carly Minsky, The Universe Is Made of Tiny Bubbles Containing Mini-Universes, Scientists Say – ‘Spacetime foam’ might just be the wildest thing in the known universe, and we’re just starting to understand it., 24 października 2019.
  3. Zobacz wykład profesora Wilczka o pianie kwantowej.
  4. John A. Wheeler, Geons, black holes, and quantum foam. A life in physics, Nowy Jork: W. W. Norton & Company, 1998, s. 328, ISBN 978-0-393-07948-7, OCLC 916428720.
  5. Gamma Ray Delay May Be Sign of ‘New Physics’.
  6. Vlasios Vasileiou, Jonathan Granot, Tsvi Piran, A Planck-scale limit on spacetime fuzziness and stochastic Lorentz invariance violation, „Nature Physics”, 11, s. 344–346, DOI10.1038/nphys3270, Bibcode2015NatPh..11..344V.
  7. Ron Cowen, Cosmic race ends in a tie, DOI10.1038/nature.2012.9768.
  8. Integral challenges physics beyond Einstein / Space Science / Our Activities / ESA.
  9. Michael Moyer, Is Space Digital?, „Scientific American”, 17 stycznia 2012.
  10. Ron Cowen, Single photon could detect quantum-scale black holes, „Nature”, 22 listopada 2012.
  11. Stephen W. Hawking, Spacetime foam, „Nuclear Physics B”, 144, 1978, s. 349–362, DOI10.1016/0550-3213(78)90375-9, Bibcode1978NuPhB.144..349H.
  12. Einstein makes extra dimensions toe the line, NASA.
  13. Chandra Press Room :: NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum „Foam”:: 28 May 15, chandra.si.edu.
  14. Chandra X-ray Observatory – NASA’s flagship X-ray telescope, chandra.si.edu.
  15. Eric S. Perlman i inni, New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations, „The Astrophysical Journal”, 805, s. 10, DOI10.1088/0004-637X/805/1/10, Bibcode2015ApJ...805...10P, arXiv:1411.7262.c?
  16. Chandra :: Photo Album :: Space-time Foam :: May 28, 2015, chandra.si.edu.
  17. John Baez, What’s the Energy Density of the Vacuum?, 8 października 2006.