211service.com
Sådan måler du kvanteskum med et bordpladeeksperiment
Et af rumtidens centrale gåder er dens struktur i den mindste skala.
Den generelle relativitetsteoris ligninger er glatte, selv på de mindste skalaer. Men i begyndelsen af 1960'erne påpegede den amerikanske fysiker John Wheeler, at i kvantemekanikken er rumtidens almindelige egenskaber, såsom position, momentum og så videre, forbundet med en usikkerhed. Det betyder, at spacetme også skal være usikker. Wheeler beskrev det berømt som kvanteskum.
Fysikere ville elske at studere dette skum, men der er et problem. Rumtiden bliver kun skumagtig i den mindste skala, ved såkaldte Planck-længder på 10^-35 meter eller deromkring.
Det er selvfølgelig svært at undersøge den afstand. En måde at gøre det på er ved at accelerere partikler til enorme energier, hvilket gør det muligt for fysikere at bestemme deres position nøjagtigt og derved sondere meget små rumvolumener.
Men de nødvendige energier er omkring 10^19 GeV, mange størrelsesordener højere end nutidens partikelacceleratorer. Der er ingen sandsynlighed for at nå denne energi på Jorden inden for en overskuelig fremtid, så fysikere er mere eller mindre resignerede med tanken om, at de aldrig vil få fingrene i kvanteskum.
De kan ændre sig i dag takket være en fascinerende idé fra Jacob Bekenstein, en fysiker ved det hebraiske universitet i Jerusalem i Israel. Bekenstein siger, at han har udarbejdet en måde at måle rumtidens struktur på Planck-skalaen ved hjælp af et simpelt eksperiment, der involverer lidt mere end en glasblok og en laser.
I det væsentlige er eksperimentet ligetil. Bekensteins mål er at flytte blokken med en afstand, der er omtrent lig med Planck-længden. Hans metode er enkel: zap blokken med en enkelt foton.
Fotonen bærer en lille mængde moment og skubber følgelig blokken, når den kommer ind i glasset, hvilket giver den noget momentum. Når fotonen forlader blokken, kommer blokken til at hvile.
Så resultatet af fotonens passage er, at den flytter blokken et lille stykke.
Bekensteins idé er, at hvis denne afstand er mindre end Planck-længden, så kan blokken ikke bevæge sig, og fotonen kan ikke passere gennem den.
Så eksperimentet involverer måling af antallet af fotoner, der passerer gennem blokken. Hvis antallet er færre end forudsagt af klassisk optik, så beviser det eksistensen af kvanteskum.
Faktisk burde fysikere ved at ændre det momentum, som fotonerne giver, være i stand til at måle den skala, hvorved kvanteskumeffekter slår ind og måske også kvantificere det på andre måder.
Det smukke ved dette eksperiment er, at det undgår alle de sædvanlige problemer med at sondere små længdeskalaer ved hjælp af kvantepartikler, som selv oplever usikkerhed i deres position.
I stedet bygger Bekensteins eksperiment på bevarelse af momentum og ændringen i positionen af massecentret af en makroskopisk glasblok. Han viser, at det ikke er i strid med usikkerhedsprincippet. Faktisk er den eneste involverede måling en ligetil fotontælling.
Det bedste af det hele er, at dette eksperiment ikke kræver noget mere eksotisk end en laser og et køleskab (blokken skal afkøles til tæt på nul for at minimere termiske forstyrrelser). Intet ved det er ud over det nyeste. Faktisk kunne testen udføres i dag på en bordplade i et veludstyret laboratorium.
Dermed ikke sagt, at det bliver nemt. Bekenstein er en stor ost i den teoretiske fysiks verden, men kolleger vil gerne være sikre på, at hans argument er vandtæt, før de går i gang med et sådant eksperiment.
Hvis det er det, så kan Bekensteins bordpladeeksperiment være oppe at køre i en meget nær fremtid og give det første potentielle glimt af kvanteskum.
Det ville selvfølgelig også være interessant at undlade at finde kvanteskum. Den seneste tankegang er, at tyngdekraften er et emergent fænomen gennem en slags termodynamisk proces. Dette kræver ikke kvanteskum.
Så den manglende opdagelse af kvanteskum, selvom det ikke er et bevis på de nye gravitationsteorier, ville bestemt også være en enormt interessant opdagelse.
Uanset hvad, kunne fysikere have det sjovt med dette.
Ref: arxiv.org/abs/1211.3816 : Er en bordpladesøgning efter Planck-skalasignaler mulig?