Piana kwantowa
Piana kwantowa lub piana czasoprzestrzenna – fluktuacja czasoprzestrzeni na bardzo małym obszarze. Opisywana jest przez mechanikę kwantową. Pomysł zaprezentował w 1955 roku John Archibald Wheeler[1][2].
Opis
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
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
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
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
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
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
- ↑ J.AJ.A. Wheeler J.AJ.A., Geons, „Physical Review”, 1955, s. 511–536, DOI: 10.1103/PhysRev.97.511, Bibcode: 1955PhRv...97..511W .
- ↑ CarlyC. Minsky CarlyC., 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. [online], 24 października 2019 .
- ↑ Zobacz wykład profesora Wilczka o pianie kwantowej.
- ↑ John A.J.A. Wheeler John A.J.A., 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 .
- ↑ Gamma Ray Delay May Be Sign of ‘New Physics’ [online] .
- ↑ VlasiosV. Vasileiou VlasiosV., JonathanJ. Granot JonathanJ., TsviT. Piran TsviT., A Planck-scale limit on spacetime fuzziness and stochastic Lorentz invariance violation, „Nature Physics”, 11, s. 344–346, DOI: 10.1038/nphys3270, Bibcode: 2015NatPh..11..344V .
- ↑ RonR. Cowen RonR., Cosmic race ends in a tie, DOI: 10.1038/nature.2012.9768 .
- ↑ Integral challenges physics beyond Einstein / Space Science / Our Activities / ESA.
- ↑ MichaelM. Moyer MichaelM., Is Space Digital?, „Scientific American”, 17 stycznia 2012 .
- ↑ RonR. Cowen RonR., Single photon could detect quantum-scale black holes, „Nature”, 22 listopada 2012 .
- ↑ Stephen W.S.W. Hawking Stephen W.S.W., Spacetime foam, „Nuclear Physics B”, 144, 1978, s. 349–362, DOI: 10.1016/0550-3213(78)90375-9, Bibcode: 1978NuPhB.144..349H .
- ↑ Einstein makes extra dimensions toe the line, NASA .
- ↑ Chandra Press Room :: NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum „Foam”:: 28 May 15 [online], chandra.si.edu .
- ↑ Chandra X-ray Observatory – NASA’s flagship X-ray telescope [online], chandra.si.edu .
- ↑ Eric S.E.S. Perlman Eric S.E.S. i inni, New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations, „The Astrophysical Journal”, 805, s. 10, DOI: 10.1088/0004-637X/805/1/10, Bibcode: 2015ApJ...805...10P, arXiv:1411.7262 .
- ↑ Chandra :: Photo Album :: Space-time Foam :: May 28, 2015 [online], chandra.si.edu .
- ↑ JohnJ. Baez JohnJ., What’s the Energy Density of the Vacuum? [online], 8 października 2006 .