Квантовая пена: теоретические флуктуации пространства-времени на микроуровне. Виртуальные частицы, квантовая механика и отсутствие гладкости пространства.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Флуктуация пространства-времени на очень малых масштабах
связанные статьи
Fluctuation of spacetime on very small scales
related articles
Квантовая пена или пространственно-временная пена — это теоретическое квантовое флуктуация пространства-времени на очень малых масштабах, обусловленная квантовой механикой. Теория предсказывает, что в этих малых масштабах частицы материи и антиматерии постоянно возникают и уничтожаются. Эти субатомные объекты называются виртуальными частицами.
Quantum foam or spacetime foam is a theoretical quantum fluctuation of spacetime on very small scales due to quantum mechanics. The theory predicts that at these small scales, particles of matter and antimatter are constantly created and destroyed. These subatomic objects are called virtual particles.
Предыстория
При неполной теории квантовой гравитации невозможно с уверенностью сказать, как выглядит пространство-время в малых масштабах. Однако нет однозначных оснований полагать, что пространство-время должно быть фундаментально гладким. Вполне возможно, что в квантовой теории гравитации пространство-время состоит из множества малых, постоянно меняющихся областей, где пространство и время не имеют четких значений, а флуктуируют подобно пене. Уилер предположил, что принцип неопределенности может означать, что на достаточно малых расстояниях и в достаточно короткие промежутки времени "сама геометрия пространства-времени испытывает флуктуации". Эти флуктуации могут быть достаточно сильными, чтобы вызывать существенные отклонения от гладкого пространства-времени, наблюдаемого в макроскопических масштабах, придавая пространству-времени "пенистый" характер.
With an incomplete theory of quantum gravity, it is impossible to be certain what spacetime would look like at small scales. However, there is no definitive reason that spacetime needs to be fundamentally smooth. It is possible that instead, in a quantum theory of gravity, spacetime would consist of many small, ever changing regions in which space and time are not definite, but fluctuate in a foam like manner. Wheeler suggested that the uncertainty principle might imply that over sufficiently small distances and sufficiently brief intervals of time, the "very geometry of spacetime fluctuates". These fluctuations could be large enough to cause significant departures from the smooth spacetime seen at macroscopic scales, giving spacetime a "foamy" character.
Результаты экспериментов
Экспериментальное подтверждение эффекта Казимира, который, возможно, обусловлен виртуальными частицами, является веским доказательством существования виртуальных частиц. Эксперимент g-2, предсказывающий силу магнитов, формируемых мюонами и электронами, также подтверждает их существование. В 2005 году, при наблюдениях гамма-фотонов, приходящих от блазара Маркариан 501, телескопы MAGIC (Major Atmospheric Gamma ray Imaging Cherenkov) зафиксировали, что некоторые фотоны с различными уровнями энергии достигали наблюдателя в разное время, что указывало на то, что часть фотонов двигалась медленнее и, следовательно, нарушала принцип постоянства скорости света, постулируемый специальной теорией относительности. Это расхождение можно было бы объяснить неоднородностью квантовой пены. Однако более поздние эксперименты не смогли подтвердить предполагаемое изменение скорости света, связанное с зернистостью пространства. Другие эксперименты, изучающие поляризацию света от далеких вспышек гамма-лучей, также дали противоречивые результаты. В настоящее время проводятся или планируются дальнейшие наземные эксперименты.
The experimental proof of the Casimir effect, which is possibly caused by virtual particles, is strong evidence for the existence of virtual particles. The g 2 experiment, which predicts the strength of magnets formed by muons and electrons, also supports their existence. In 2005, during observations of gamma ray photons arriving from the blazar Markarian 501, MAGIC (Major Atmospheric Gamma ray Imaging Cherenkov) telescopes detected that some of the photons at different energy levels arrived at different times, suggesting that some of the photons had moved more slowly and thus were in violation of special relativity's notion that the speed of light is constant, a discrepancy which could be explained by the irregularity of quantum foam. More recent experiments were, however, unable to confirm the supposed variation on the speed of light due to graininess of space. Other experiments involving the polarization of light from distant gamma ray bursts have also produced contradictory results. More Earth based experiments are ongoing or proposed.
Ограничения на размер квантовых колебаний
Ожидается, что флуктуации, характерные для пены пространства-времени, будут происходить в масштабе длины порядка длины Планка (≈ 10−35 м), однако некоторые модели квантовой гравитации предсказывают гораздо большие флуктуации. Фотоны должны замедляться квантовой пеной, причем скорость замедления зависит от длины волны фотонов. Это привело бы к нарушению инвариантности Лоренца. Но наблюдения излучения от близлежащих квазаров, проведенные Флойдом Стеккером из Центра космических полетов Годдарда НАСА, не выявили свидетельств нарушения инвариантности Лоренца. Пенистое пространство-время также накладывает ограничения на точность измерения расстояний, поскольку фотоны должны рассеиваться случайным образом в пене пространства-времени, подобно тому, как свет рассеивается при прохождении через туман. Это должно приводить к ухудшению качества изображений очень далеких объектов, наблюдаемых через телескопы. Рентгеновские и гамма-лучевые наблюдения квазаров с использованием рентгеновской обсерватории Chandra, гамма-телескопа Fermi и наземных гамма-наблюдений с помощью установки Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS) не показали обнаружимой деградации на самых больших наблюдаемых расстояниях, что указывает на то, что пространство-время остается гладким, по крайней мере, до расстояний в 1000 раз меньших размера ядра атома водорода, устанавливая предел для величины квантовых флуктуаций пространства-времени.
The fluctuations characteristic of a spacetime foam would be expected to occur on a length scale on the order of the Planck length (≈ 10−35 m), but some models of quantum gravity predict much larger fluctuations. Photons should be slowed down by quantum foam, with the rate depending on the wavelength of the photons. This would violate Lorentz invariance. But observations of radiation from nearby quasars by Floyd Stecker of NASA's Goddard Space Flight Center failed to find evidence of violation of Lorentz invariance. A foamy spacetime also sets limits on the accuracy with which distances can be measured because photons should diffuse randomly through a spacetime foam, similar to light diffusing by passing through fog. This should cause the image quality of very distant objects observed through telescopes to degrade. X ray and gamma ray observations of quasars using NASA's Chandra X ray Observatory, the Fermi Gamma ray Space Telescope and ground based gamma ray observations from the Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array (VERITAS) showed no detectable degradation at the farthest observed distances, implying that spacetime is smooth at least down to distances 1000 times smaller than the nucleus of a hydrogen atom, setting a bound on the size of quantum fluctuations of spacetime.
Связь с другими теориями
Вакуумные флуктуации наделяют вакуум ненулевой энергией, известной как энергия вакуума. Теория спин-пены – современная попытка придать идеям Уилера количественное выражение.
The vacuum fluctuations provide vacuum with a non zero energy known as vacuum energy. Spin foam theory is a modern attempt to make Wheeler's idea quantitative.