что такое квантовая пена
Колебания мюонов в эксперименте «g minus two» подтверждают существование квантовой пены
Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога в телеграме или беседы в нашем чате. А еще у меня есть телеграм-канал о космологии.
Мюоны не ведут себя так, как это предсказывается Стандартной моделью. Почему? Это может быть связано с тем, что на них оказывают действие неизвестные субатомные частицы, появляющиеся и исчезающие в квантовой пене — такой вывод сделан в ходе эксперимента g-2, проведенного в лаборатории ускорителей частиц высоких энергий «Fermilab» в Иллинойсе и исследующего поведение мюона, и он говорит нам о том, как мало мы знаем об устройстве Вселенной.
Мюон — субатомная частица, по своим свойствам очень напоминающая электрон: оба с отрицательным зарядом и одинаковым спином, только их масса различается в почти 207 раз. Используя Стандартную модель (СМ), физикам удается объяснить и предсказать поведение такой тяжелой частицы. Например, вращающаяся заряженная частица имеет связанное с ней магнитное свойство, называемое моментом, характеризующееся как мера силы магнитного поля и ориентации частицы. В сравнении с мюоном это будет так: при его нахождении в магнитном поле, частица подвергнется колебанию (прецессии). СМ чрезвычайно точно предсказывает эту прецессию, называемую g-фактором, который близок к значению 2.
Credit: Diomedia
К чему речь пошла о пене? Дело в том, что ее воздействие как раз и сказывается на прецессии мюона. Без нее значение g-фактора было бы очень близко к двум, но воздействие виртуальных частиц на мюон вызывает аномальный магнитный момент, то есть отклонение от нормального значения. Более того, Стандартная модель предсказывает значение этого аномального момента, а, чтобы проверить предсказание, и проводится эксперимент «g minus two».
Для того, чтобы определить влияние квантовых флуктуаций на мюон, частицу вводят в очень стабильное магнитное поле и измеряют его колебания, сравнивая результат с теоретическим. Стандартная модель предсказывает значение аномального магнитного момента (АММ) равного 0,00116591810, а результат эксперимента демонстрирует значение 0,00116592061 — разница, кажется, небольшая (всего 0,0002153%), но предсказание должно полностью совпадать с результатом. Полученная различие значит многое: например, то, что существуют неизвестные нам силы, действующие на мюон в квантовом масштабе. Читатель может посчитать такое малое расхождение статистической ошибкой, но вероятность этого очень маловероятна — результаты эксперимента «g minus two» составляют 4,2 сигмы, т.е. шанс ошибки составляет 1 к 38 000 (0,002%).
Кольцевой магнит, на котором проводится эксперимент «g minus two» в Фермилабе. Credit: Fermilab / Reidar Hahn
Очевидно, что полученный результат не идеален, потому команда исследователей намерена проводить эксперимент уже в пятый раз для того, чтобы повысить значение сигмы до «золотого стандарта» — пяти. Если это произойдет, то мы окажемся перед еще одним непаханым полем — природой квантового мира. Стандартная модель довольно-таки успешна: например, она предсказала существование бозона Хиггса, обнаруженного в 2012 году, но ее проблема заключается в том, что есть вещи, которые она предсказать не может. Это было продемонстрировано командой экспериментаторов «g minus two» на примере поведения мюонов, исследование которых манит нас к будущим свершениям и великим открытиям новой, неизвестной нам физике.
Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня есть телеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне в личку или наш чат. Всем добра!
Что такое пространственно-временная пена. Просвещения пост
Понятие пространственно-временной, или квантовой, пены используют для того, чтобы описать предполагаемое строение Вселенной на ее самом фундаментальном уровне. Классическая механика предполагала, что пространство — это как бы некий гладкий субстрат, в котором находятся и взаимодействуют все существующие объекты. И хотя массивные объекты искривляют пространство, его базовая структура не меняется, и оно остается таким же гладким.
Развитие квантовой механики показало, что такая модель пространства не согласуется с теоретическими предсказаниями, и физики выдвинули новую гипотезу. Если на ткань Вселенной можно было бы взглянуть при помощи лупы, выявляющей самый мелкий ее масштаб (порядка так называемой планковской длины — 1,6 х 10^-35 м), то оказалось бы, что пространство теряет свою гладкость и становится похожим на бурлящую поверхность океана.
Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, чем меньше расстояние, тем больше энергия частиц — можно сказать, что пространству «не нравится», когда его загоняют в угол, и оно начинает протестовать. Со своей стороны, общая теория относительности Эйнштейна постулирует, что энергия искривляет пространство — отсюда и рождается та самая неистовая пена. Уточнение, что пена именно пространственно-временная, указывает, что пространство и время во Вселенной неразрывно связаны между собой и образуют единое целое.
Как «пощупать» пространственно-временную пену?
Эффекты квантовой гравитации столь далеки от реального мира, что, казалось бы, их экспериментальное наблюдение — задача безнадежная не только сегодня, но и в ближайшем будущем. Однако не все так безрадостно: в работе [1] утверждается, что уже в ближайшие годы новое поколение интерферометров сможет «увидеть» квантовое дрожание пространства-времени: так называемую пространственно-временную пену.
Пространственно-временная пена — один из наиболее известных и популяризованных эффектов в квантовой теории гравитации. Считается, что на очень малых расстояниях (порядка планковской длины) пространство имеет не гладкую, плоскую структуру, а хаотично дрожит, флуктуирует. Наглядный образ: пространство имеет губчатую, пенистую структуру, что и отражено в названии.
К каким наблюдаемым эффектам может привести такое дрожание? Оно может повлиять, например, на время распространения светового луча между заданными точками. В самом деле, в искривленном пространстве свет проходит иное расстояние между двумя точками, нежели в плоском. Поскольку искривленность пространства на пути луча флуктуирует во времени, то и расстояние, и время распространения света между двумя точками будет случайно колебаться около некоего среднего значения.
Время распространения луча света измерить непросто, зато вместо этого можно измерять фазу световой волны в конечной точке: ведь она тоже будет флуктуировать. Таким образом, мы приходим к следующей идее: можно попытаться наблюдать флуктуации пространства-времени с помощью интерферометра — прибора, изучающего фактически фазу световой волны. В таком приборе два когерентных световых луча попадают в одну точку по двум разным путям. Поскольку флуктуации пространства, чувствуемые этими лучами, не скоррелированы друг с другом, их относительная фаза в конечной точке будет «скакать» во времени, что приведет к флуктуациям интенсивности суммарной световой волны в этой точке. Регистрация этих колебаний интенсивности и будет экспериментальным наблюдением флуктуаций пространства-времени.
Автор работы [1] приводит теоретическую оценку для относительной величины флуктуаций пространства-времени (или, в переводе на наш эксперимент, величины флуктуации фазы по отношению к полной набежавшей фазе при распространении луча). Считая, что это дрожание представляет собой белый шум, автор оценивает спектральную мощность в 5*10-44Гц-1.
physnews160501
Спектр мощности пространственно-временных флуктуаций и чувствительность современных и будущих интерферометров
Много это или мало? Хватит ли для наблюдения такого дрожания точности интерферометрических исследований? Оказывается, уже существующие интерферометры не так далеки от этого рубежа. Экспериментальная ситуация проиллюстрирована на Рисунке. Уже сегодня, к примеру, 40-метровый интерферометр в Caltech [2] и интерферометр TAMA Японской Национальной Астрономической Обсерватории [3] достигли отметки в 10-40Гц-1, а ведь это пока только прототипы для будущих километровых интерферометров! Первое же поколение серьезных гравитационно-волновых интерферометров типа LIGO [4] и VIRGO достигнет рубежа 10-44Гц-1 за первые годы своей работы. В следующей своей стадии, эти интерферометры смогут улучшить чувствительность еще на несколько порядков и начнут отслеживать флуктуации на уровне 10-48Гц-1. Это уже должно быть достаточно не просто для наблюдения дрожания пространства-времени, но и для аккуратного изучения явления и сравнения с предсказаниями теоретических моделей.
Квантовая пена
СОДЕРЖАНИЕ
Фон [ править ]
С неполной теорией квантовой гравитации невозможно быть уверенным в том, как будет выглядеть пространство-время в малых масштабах. Однако нет причин, по которым пространство-время должно быть фундаментально гладким. Возможно, что вместо этого в квантовой теории гравитации пространство-время будет состоять из множества маленьких, постоянно изменяющихся областей, в которых пространство и время не определены, а колеблются подобно пене. [3]
Уиллер предположил, что принцип неопределенности Гейзенберга может означать, что на достаточно малых расстояниях и достаточно коротких интервалах времени «сама геометрия пространства-времени колеблется». [4] Эти флуктуации могут быть достаточно большими, чтобы вызвать значительные отклонения от гладкого пространства-времени, видимого в макроскопических масштабах, придавая пространству-времени «пенистый» характер.
Результаты экспериментов [ править ]
Ограничения и ограничения [ править ]
Наблюдения излучения близлежащих квазаров Флойдом Стекером из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА наложили строгие экспериментальные ограничения на возможные нарушения специальной теории относительности Эйнштейна, подразумеваемые существованием квантовой пены. [12] Таким образом, экспериментальные данные до сих пор дали диапазон значений, в которых ученые могут проверить квантовую пену.
Модель случайной диффузии [ править ]
Рентгеновское обнаружение квазаров на расстояниях в миллиарды световых лет исключает модель, в которой фотоны беспорядочно рассеиваются через пространственно-временную пену, подобно свету, рассеивающемуся через туман.
Голографическая модель [ править ]
Измерения квазаров на более коротких длинах волн гамма-излучения с помощью Ферми и более коротких длин волн с помощью VERITAS исключают вторую модель, называемую голографической моделью с меньшей диффузией. [13] [14] [15] [16]
Отношение к другим теориям [ править ]
Новое в блогах
Квантовую пену можно обнаружить в простом эксперименте?
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.
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
.
Рис. 1. 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.
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.
Рис. 2. 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 человечествоЯков Бекенштейн полагает, что для обнаружения пены можно использовать предельно простое оборудование и ничтожный энергозапас.
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.
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..
Гипотеза «квантовой пены» объяснила загадку космической энергии
Американский физик Стивен Карлип предложил новую теорию, объясняющую, почему пустое пространство кажется наполненным огромным количеством энергии. Для этого ему понадобилась новая трактовка квантовой пены.
Традиционная теория говорит, что пространство-время должно быть наполнено огромным количеством энергии — примерно на 10 в 120 степени больше, чем обнаружили ученые. Многие годы теоретики выдвигали объяснения, чаще всего пытаясь как-то сократить объем энергии. Но безрезультатно. Стивен Карлип из Калифорнийского университета, напротив, предполагает, что вся эта энергия присутствует, только не имеет связи с расширением Вселенной, поскольку нечто сводит на нет ее воздействие на уровне планковских единиц, пишет Phys.org.
Многие ученые с тех пор исследовали гипотезу квантовой пены, но пришли к выводу, что она неверно предсказывает космологическую постоянную. Карлип предложил решение этой проблемы.
Он предположил, что если «пространственно-временная пена» существует, энергия будет существовать повсюду в вакууме — но если попытаться ее рассмотреть, то видно будет только микроскопические области размером с планковские единицы, каждая из которых то расширяется, то сжимается. И доказал, что на макроскопическом уровне космологическая постоянная будет нулевой.
Загадку барионной асимметрии, или исчезновения антиматерии из Вселенной, решили недавно трое физиков. Для этого им пришлось предположить существование еще двух бозонов Хиггса, которые сообща аннигилировали почти всю антиматерию. Преимущество их теории в том, что они описали, как можно обнаружить эти бозоны.