Какво е пространствено-времева пяна
Концепцията за пространство-време или квантова пяна се използва за описание на предполагаемата структура на Вселената на нейното най-фундаментално ниво. Класическата механика приема, че пространството е, така да се каже, вид гладък субстрат, в който всички съществуващи обекти са разположени и взаимодействат. И въпреки че масивните обекти изкривяват пространството, основната му структура не се променя и остава също толкова гладка.
Развитието на квантовата механика показа, че такъв модел на пространството не е в съответствие с теоретичните прогнози и физиците изложиха нова хипотеза. Ако можеше да се погледне тъканта на Вселената с помощта на лупа, която разкрива най-малкия й мащаб (от порядъка на така наречената Планкова дължина - 1,6 x 10^-35 m), тогава ще се окаже, че пространството губи своята гладкост и става като кипящата повърхност на океана.
Според принципа на неопределеността на Хайзенберг, колкото по-малко е разстоянието, толкова по-голяма е енергията на частиците - може да се каже, че пространството "не обича", когато е притиснато в ъгъла и започва да протестира. От своя страна общата теория на относителността на Айнщайн постулира, че енергията огъва пространството - оттук се ражда много яростната пяна. Уточнението, че пяната е именно пространство-време, показва, че пространството и времето във Вселената са неразривно свързани и образуват едно цяло.
Как да "почувствам" пространствено-времевата пяна? Ефектите на квантовата гравитация са толкова далеч от реалния свят, че изглежда, че експерименталното им наблюдение е безнадеждна задача не само днес, но и в близко бъдеще. Не всичко обаче е толкова мрачно: в [1] се посочва, че през следващите години ново поколение наинтерферометрите ще могат да "видят" квантовото трептене на пространство-времето: така наречената пространствено-времева пяна.
Пространствено-времевата пяна е един от най-известните и популяризирани ефекти в квантовата теория на гравитацията. Смята се, че на много малки разстояния (от порядъка на дължината на Планк) пространството няма гладка, плоска структура, а трепти и се колебае хаотично. Визуален образ: пространството има пореста, пенеста структура, което е отразено в името.
До какви видими ефекти може да доведе подобно трептене? Може да повлияе например на времето за разпространение на светлинен лъч между дадени точки. Наистина, в извитото пространство светлината изминава различно разстояние между две точки, отколкото в плоското пространство. Тъй като кривината на пространството по пътя на лъча се колебае във времето, както разстоянието, така и времето на разпространение на светлината между две точки ще се колебаят на случаен принцип около определена средна стойност.
Не е лесно да се измери времето на разпространение на светлинен лъч, но вместо това можете да измерите фазата на светлинната вълна в крайната точка: в крайна сметка тя също ще варира. Така стигаме до следната идея: можем да се опитаме да наблюдаваме флуктуациите на пространство-времето с помощта на интерферометър - устройство, което всъщност изучава фазата на светлинната вълна. В такова устройство два кохерентни светлинни лъча удрят една и съща точка по два различни пътя. Тъй като пространствените флуктуации, усетени от тези лъчи, не са свързани помежду си, тяхната относителна фаза в крайната точка ще "скочи" във времето, което ще доведе до флуктуации в интензитета на общата светлинна вълна в тази точка. Регистрирането на тези флуктуации на интензитета ще бъде експериментално наблюдение на флуктуациите на пространство-времето.
Много ли е или малко? Достатъчно ли еда се наблюдава такова трептене в точността на интерферометричните изследвания? Оказва се, че вече съществуващите интерферометри не са толкова далеч от този крайъгълен камък. Експерименталната ситуация е илюстрирана на фигура. Вече днес, например, 40-метровият интерферометър в Caltech [2] и интерферометърът TAMA в Японската национална астрономическа обсерватория [3] са достигнали марката от 10-40Hz-1, но това са само прототипи за бъдещи километрични интерферометри! Първото поколение сериозни гравитационно-вълнови интерферометри от типа LIGO [4] и VIRGO ще достигнат прага от 10-44Hz-1 през първите години от тяхната работа. В следващия етап тези интерферометри ще могат да подобрят чувствителността с няколко порядъка и ще започнат да проследяват колебанията на ниво 10-48Hz-1. Това вече би трябвало да е достатъчно не само за наблюдение на трептенето на пространство-времето, но и за внимателно изучаване на феномена и сравняването му с прогнозите на теоретичните модели.