211service.com
Hur man mäter kvantskum med ett bordsexperiment
Ett av rymdtidens centrala pussel är dess struktur i den minsta skalan.
Ekvationerna för allmän relativitet är jämna, även på de minsta skalorna. Men i början av 1960-talet påpekade den amerikanske fysikern John Wheeler att inom kvantmekaniken har rumtidens vanliga egenskaper, såsom position, momentum och så vidare, en osäkerhet förknippad med dem. Det innebär att spacetme också måste vara osäkert. Wheeler beskrev det känt som kvantskum.
Fysiker skulle älska att studera detta skum men det finns ett problem. Spacetime blir bara skumliknande i minsta skala, vid så kallade Planck-längder på 10^-35 meter eller så.
Att undersöka det avståndet är uppenbarligen svårt. Ett sätt att göra det är genom att accelerera partiklar till enorma energier, vilket gör att fysiker kan bestämma sin position exakt och därigenom sondera mycket små volymer av rymden.
Men energierna som krävs är runt 10^19 GeV, många storleksordningar högre än dagens partikelacceleratorer. Det finns ingen sannolikhet att nå denna energi på jorden inom överskådlig framtid, så fysiker är mer eller mindre resignerade med tanken att de aldrig kommer att få tag på kvantskum.
De kan förändras idag tack vare en fascinerande idé från Jacob Bekenstein, fysiker vid hebreiska universitetet i Jerusalem i Israel. Bekenstein säger att han har utarbetat ett sätt att mäta strukturen av rumtiden på Planck-skalan med hjälp av ett enkelt experiment som involverar lite mer än ett glasblock och en laser.
I grund och botten är experimentet okomplicerat. Bekensteins mål är att flytta blocket ett avstånd som är ungefär lika med Plancklängden. Hans metod är enkel: zappa blocket med en enda foton.
Fotonen bär en liten mängd moment och trycker följaktligen på blocket när det kommer in i glaset, vilket ger det lite fart. När fotonen lämnar blocket kommer blocket att vila.
Så resultatet av fotonens passage är att den flyttar blocket en liten sträcka.
Bekensteins idé är att om detta avstånd är mindre än Plancklängden, så kan inte blocket röra sig och fotonen kan inte passera genom det.
Så experimentet innebär att mäta antalet fotoner som passerar genom blocket. Om antalet är färre än vad som förutspås av klassisk optik, så bevisar det förekomsten av kvantskum.
Faktum är att fysiker, genom att ändra rörelsemängden som tillförs av fotonerna, skulle kunna mäta skalan vid vilken kvantskumeffekter slår in och kanske kvantifiera det på andra sätt också.
Det fina med detta experiment är att det undviker alla vanliga problem med att sondera små skalor med hjälp av kvantpartiklar som själva upplever osäkerhet i sin position.
Istället förlitar sig Bekensteins experiment på bevarande av momentum och förändringen i positionen av masscentrum i ett makroskopiskt glasblock. Han visar att detta inte bryter mot osäkerhetsprincipen. Den enda mätningen som är involverad är faktiskt en enkel fotonräkning.
Det bästa av allt är att det här experimentet inte kräver någon enhet som är mer exotisk än en laser och ett kylskåp (blocket måste kylas till nära noll för att minimera termiska störningar). Ingenting om det är bortom det senaste. Testet skulle faktiskt kunna utföras idag på en bordsskiva i ett välutrustat labb.
Därmed inte sagt att det kommer att bli lätt. Bekenstein är en stor ost i den teoretiska fysikens värld, men kollegor kommer att vilja vara säkra på att hans argument är vattentät innan de ger sig i kast med ett sådant experiment.
Om det är det, kan Bekensteins bordsexperiment vara igång inom en mycket nära framtid och erbjuda den första potentiella glimten av kvantskum.
Naturligtvis skulle misslyckandet med att hitta kvantskum också vara intressant. Det senaste tänkandet är att gravitationen är ett framväxande fenomen genom en slags termodynamisk process. Detta kräver inte kvantskum.
Så misslyckandet med att upptäcka kvantskum, även om det inte är ett bevis på de framväxande gravitationsteorierna, skulle verkligen också vara en enormt intressant upptäckt.
Hur som helst, fysiker skulle kunna ha lite kul med detta.
Ref: arxiv.org/abs/1211.3816 : Är en bordssökning efter Planck-skalasignaler genomförbar?