Квантовую пену наконец-то поймают!

Известный физик из Израиля Яков Бекенштейн предложил простую схему эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены. Эта самая квантовая пена, которую любят теоретики, является для экспериментаторов изрядной головной болью, так как никто до сих пор не мог предложить опыт, доказывающий реальность ее существования.

Фото:

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.

Читайте также: Три фотона разровняли Вселенную

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.

Читайте также: Двойная система — вход в четвертое измерение?

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…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"