211service.com
Kā izmērīt kvantu putas, izmantojot galda virsmu
Viena no centrālajām laiktelpas mīklām ir tās struktūra mazākajā mērogā.
Vispārējās relativitātes teorijas vienādojumi ir vienmērīgi, pat vismazākajās skalās. Bet 60. gadu sākumā amerikāņu fiziķis Džons Vīlers norādīja, ka kvantu mehānikā parastās telpas laika īpašības, piemēram, pozīcija, impulss un tā tālāk, ir saistītas ar nenoteiktību. Tas nozīmē, ka arī telpai jābūt nenoteiktai. Vīlers to slaveni aprakstīja kā kvantu putas.
Fiziķi ļoti vēlētos pētīt šīs putas, taču pastāv problēma. Telplaiks kļūst līdzīgs putām tikai mazākajā mērogā, tā sauktajā Planka garumā, kas ir aptuveni 10^-35 metri.
Acīmredzot ir grūti noteikt šo attālumu. Viens veids, kā to izdarīt, ir paātrināt daļiņas līdz milzīgām enerģijām, kas ļauj fiziķiem precīzi noteikt to atrašanās vietu, tādējādi zondējot ļoti mazus telpas apjomus.
Taču nepieciešamā enerģija ir aptuveni 10^19 GeV, kas ir daudzkārt lielāka nekā mūsdienu daļiņu paātrinātājiem. Pārskatāmā nākotnē nav iespējams sasniegt šo enerģiju uz Zemes, tāpēc fiziķi ir vairāk vai mazāk samierinājušies ar domu, ka kvantu putas viņiem nekad netiks.
Šodien tās var mainīties, pateicoties Izraēlas Jeruzalemes Ebreju universitātes fiziķa Jēkaba Bekenšteina aizraujošajai idejai. Bekenšteins saka, ka viņš ir izstrādājis veidu, kā izmērīt telpas laika struktūru Planka skalā, izmantojot vienkāršu eksperimentu, kas ietver tikai stikla bloku un lāzeru.
Būtībā eksperiments ir vienkāršs. Bekenšteina mērķis ir pārvietot bloku par attālumu, kas ir aptuveni vienāds ar Planka garumu. Viņa metode ir vienkārša: saspiediet bloku ar vienu fotonu.
Fotons nes nelielu momenta daudzumu un tādējādi nospiež bloku, kad tas nonāk stiklā, piešķirot tam zināmu impulsu. Kad fotons atstāj bloku, bloks apstājas.
Tātad fotona pārejas rezultāts ir tāds, ka tas pārvieto bloku nelielā attālumā.
Bekenšteina ideja ir tāda, ka, ja šis attālums ir mazāks par Planka garumu, tad bloks nevar pārvietoties un fotons nevar iziet cauri tam.
Tātad eksperiments ietver fotonu skaita mērīšanu, kas iet caur bloku. Ja skaitlis ir mazāks, nekā prognozēja klasiskā optika, tad tas pierāda kvantu putu esamību.
Faktiski, mainot fotonu radīto impulsu, fiziķiem vajadzētu spēt izmērīt mērogu, kādā sākas kvantu putu efekti, un, iespējams, to kvantitatīvi noteikt arī citos veidos.
Šī eksperimenta skaistums ir tāds, ka tas ļauj izvairīties no visām parastajām problēmām, kas saistītas ar mazu garumu mērogu zondēšanu, izmantojot kvantu daļiņas, kuru atrašanās vieta ir nenoteikta.
Tā vietā Bekenšteina eksperiments balstās uz impulsa saglabāšanu un makroskopiskā stikla bloka masas centra stāvokļa izmaiņām. Viņš parāda, ka tas nepārkāpj nenoteiktības principu. Patiešām, vienīgais mērījums ir vienkāršs fotonu skaits.
Pats labākais, ka šim eksperimentam nav nepieciešama eksotiskāka ierīce par lāzeru un ledusskapi (bloks ir jāatdzesē līdz tuvu nullei, lai samazinātu termiskās perturbācijas). Nekas par to nav augstāks par mūsdienu līmeni. Patiešām, testu šodien varētu veikt uz galda labi aprīkotā laboratorijā.
Tas nenozīmē, ka tas būs viegli. Bekenšteins ir liels siers teorētiskās fizikas pasaulē, taču kolēģi pirms šāda eksperimenta vēlēsies pārliecināties, ka viņa arguments ir ūdensnecaurlaidīgs.
Ja tas tā ir, tad Bekenšteina galda virsmas eksperiments varētu sākties jau tuvākajā nākotnē, piedāvājot pirmo iespējamo kvantu putu ieskatu.
Protams, interesanti būtu arī neizdošanās atrast kvantu putas. Jaunākā domāšana ir tāda, ka gravitācija ir parādība, kas parādās sava veida termodinamiskā procesa rezultātā. Tam nav nepieciešamas kvantu putas.
Tātad kvantu putu noteikšanas neveiksme, lai gan tas nav pierādījums jaunām gravitācijas teorijām, noteikti būtu arī ļoti interesants atklājums.
Jebkurā gadījumā fiziķi ar to varētu izklaidēties.
Atsauce: arxiv.org/abs/1211.3816 : Vai ir iespējama Planka mēroga signālu meklēšana uz galda?