Кава з квантової пінкою, темна матерія і темна енергія
Відомий фізик з Ізраїлю Яків Бекенштейн запропонував просту схему експерименту, здатного підтвердити або спростувати існування квантової піни. Саме ця квантова піна, яку люблять теоретики, є для експериментаторів неабиякою головним болем, так як ніхто досі не міг запропонувати досвід, який доводить реальність її існування.
Власне кажучи, сам термін "квантова піна" є деякою умовністю, оскільки структура світобудови, що позначається цим словосполученням, на звичайну піну зовсім не схожа - з таким же успіхом можна називати даний феномен, наприклад, "квантовими сотами". Однак суть від цього абсолютно не зміниться, оскільки мова йде про цілком певне явище. Правда, відразу слід зазначити, що поки ще нікому не вдалося експериментально довести існування цієї самої квантової піни.
Вперше термін "квантова піна" з'явився в 80-х роках минулого століття, коли фізики Лі Смолін, Абей Аштекар, Тед Джекобсон і Карло Ровеллі створили так звану теорію петлевий квантової гравітації. Відповідно до її положень, простір і час не є безперервними, а складаються з дискретних частин. Вони являють собою маленькі квантові осередки простору (квантові - тому що їх розміри не перевищують кванта довжини, тобто 10 -35 м), певним способом з'єднані один з одним. Тому на малих масштабах часу і довжини вони створюють строкату, дискретну структуру простору, і лише на великих масштабах воно стає безперервним і гладким - таким ми його і відчуваємо.
Але що ж може відбуватися в цих дрібних елементарних осередках світобудови? На думку вчених, безліч дивовижних речей. Наприклад, уявіть собі, що ви спокійно сидите в своїй кімнаті, і раптом в ній раптово утворюється чорна діра. Так ось, в макросвіті такого бути не може, оскільки для появи у вашому будинку тієї ж чорної діри потрібно, щоб з нічого з'явилася енергія, еквівалентна кільком сотням мас Землі, причому за так зване час планка (10 -43 с). Цілком очевидно, що подібне не можливо - в макросвіті час, необхідний для появи такої кількості енергії, вимірюється сотнями тисяч, а то й мільйонами років.
Можна сказати, що "життя" в квантових комірках просто б'є ключем - постійно то виникають, то зникають частки, змінюється сама структура простору і часу, і ні на один момент в них немає ні краплі стабільності, суцільні флуктуації. Все це частково схоже на процеси утворення піни в процесі биття хвиль об берег. Тому-то і з'явився термін "квантова піна".
Слід сказати ще й про те, що, на думку ряду фізиків, основою для настільки інтенсивних процесів в квантових комірках служать так звані квантові коливання вакууму. Енергія цих коливань є не що інше, як енергія основного стану системи, і при цьому вона практично нескінченна (хоча з точки зору квантової механіки її практично неможливо використовувати). І якщо деякі вчені вважають, що такий енергії цілком вистачає для того, щоб кожну секунду виникали нові Всесвіти, то цілком логічно припустити, що для підтримки безперервного "бурління" квантових осередків її цілком достатньо.
Подання про квантовій піні вже давно викликає симпатії багатьох теоретиків - воно дуже красиво, логічно, і, головне, може дозволити велику кількість фізичних парадоксів. А ось для експериментаторів ця сама піна досі є неабиякою головним болем. І справа навіть не в тому, що виміряти характеристики процесів, що відбуваються в такому малому масштабі, до сих пір дуже складно з технічної точки зору. Просто виходячи з вищезгаданого принципу невизначеності, неможливо одноразово визначити зміна всіх характеристик таких малих об'єктів - сам факт вимірювання вже порушить початкове значення деяких з них. Простіше кажучи, вчені навіть не уявляють, яким чином потрібно спланувати експеримент, який міг би підтвердити або спростувати існування квантових осередків.
Так ось, Бекенштейн вважає, що для виявлення піни можна використовувати гранично просте обладнання. Потрібно просто обстрілювати одиночними фотонами шматок скла. В результаті кожне попадання частинки в атом додасть останньому механічний імпульс, в результаті чого атом змінить своє положення в просторі. Ну, а оскільки імпульс одиночного фотона нікчемний, то, відповідним чином підібравши його енергію і довжину хвилі, можна домогтися того, що результуюче зміна положення атома буде менше тієї самої планковской довжини.
У підсумку вийде наступна картина - якщо квантова піна дійсно існує і може деформувати простір-час подібно чорних дірок в макросвіті, тобто гранично сповільнюючи його перебіг і змінюючи розміри, то зміна положення скла в просторі буде неможливо. Це станеться через те, що даний процес порушить закон збереження імпульсу. Ну, а раз так, то виходить, що фотон взагалі не повинен потрапити в шматок скла. І це насправді досить легко зафіксувати - прилади, здатні зареєструвати факт проходження через скло одиночного фотона, вже існують.
Як бачите, цей експеримент в принципі можна провести навіть в звичайній міській квартирі - для нього не потрібні спеціальні умови. І це дуже обнадіяла багатьох експериментаторів - у них вперше з'явилася можливість нарешті "зловити" цю невловиму квантову піну. Зараз методика Бекенштейна активно обговорюється і перевіряється, і якщо результати таких перевірок будуть задовільними, то запропонований ним експеримент може бути поставлений вже найближчим часом ...