Квантовую пену, вероятно, можно обнаружить в простом эксперименте

Даже сам факт существования квантовой пены пока не проверен экспериментально, а попытка реализовать такую проверку на ускорителе просто невозможна при текущем уровне технологий. И тем не менее кое-что сделать можно.

Известный израильский физик-теоретик Яков Бекенштейн (Jacob D. Bekenstein) из Еврейского университета в Иерусалиме опубликовал работу, в которой изложил простую схему «настольного» эксперимента, способного подтвердить или опровергнуть существование квантовой пены.


Стекло; путь фотона (точки); излучатель E; вторая линза (за стеклом) направляет фотон к детектору одиночных фотонов. (Здесь и ниже иллюстрации J. D. Bekenstein.) whereas that of the energ


Напомним: речь идёт о том самом Бекенштейне, который показал, что чёрные дыры подчиняются началам термодинамики, если считать, что сила гравитации играет роль температуры, а площадь поверхности горизонта событий пропорциональна энтропии. Именно его предсказание, которому Стивен Хокинг поначалу так сопротивлялся, вынудило последнего разработать концепцию излучения Хокинга. Поэтому к предложенной теоретической модели эксперимента по выявлению квантовой пены стоит присмотреться поближе.

Квантовая пена, или пена пространства-времени, — это отражение квантовых закономерностей в очень малых пространственных масштабах, порядка так называемой планковской длины 10–35 м. Там принцип неопределённости Гейзенберга позволяет энергии превращаться в частицу и античастицу, а затем аннигилировать, порождая вновь ту же энергию, без формального нарушения закона её сохранения.


Упрощённая схема альтернативной экспериментальной установки.


Концепция «пены» прямо связана с энергией вакуума и считается очень важной для нашего понимания природы Вселенной. Достаточно сказать, что распределение галактик и их скоплений, по всей видимости, обусловлено структурой квантовой пены во Вселенной в начале её существования, позже отразившейся, по мере расширения пространства-времени, во всех наблюдаемых нами крупных астрономических структурах.

Однако проверить существование таких флуктуаций пространства-времени (квантовой пены) на ускорителях невозможно: с учётом малых расстояний потребуется такое количество энергии, которое сравнимо с тем, чем вообще распоряжается человечество.

Яков Бекенштейн полагает, что для обнаружения пены можно использовать предельно простое оборудование и ничтожный энергозапас. Как?

Учёный предлагает обстреливать одиночными фотонами кусок стекла. Когда попадание частицы придаст ему (за счёт отдачи части энергии фотона) механический импульс, последний должен будет изменить своё положение в пространстве. Поскольку импульс одиночного фотона ничтожен, то, соответствующим образом подобрав его энергию и длину волны, можно добиться того, что результирующее изменение положения будет меньше планковской длины. На таких масштабах пена, если она существует, деформирует пространство-время как чёрные дыры в макромире — предельно замедляя его течение и меняя размеры. Поэтому — если опять-таки пена реальна — изменение положение стекла в пространстве будет невозможно, что явно нарушит закон сохранения импульса. Поскольку последнее невозможно, то фотон вообще не должен попасть в кусок стекла.

Иными словами, для одиночного фотона вероятность попадания в такой кусок существенно ниже теоретических едва ли не 100%, а факт прохождения через стекло современные приборы могут зафиксировать для фотона уже сейчас.

С препринтом исследования можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Phys.Org.