Що таке просторово-часова піна
Поняття просторово-часової, або квантової, піни використовують для того, щоб описати передбачувану будову Всесвіту на її фундаментальному рівні. Класична механіка припускала, що простір — це ніби гладкий субстрат, у якому перебувають і взаємодіють всі існуючі об'єкти. І хоча масивні об'єкти викривляють простір, його базова структура не змінюється, і вона залишається такою ж гладкою.
Розвиток квантової механіки показало, що така модель простору не узгоджується з теоретичними пророкуваннями, і фізики висунули нову гіпотезу. Якщо на тканину Всесвіту можна було б поглянути за допомогою лупи, що виявляє найдрібніший її масштаб (порядку так званої планківської довжини — 1,6 х 10^-35 м), то виявилося б, що простір втрачає свою гладкість і стає схожим на вирує поверхню океану.
Відповідно до принципу невизначеності Гейзенберга, що менша відстань, то більша енергія частинок — можна сказати, що простору «не подобається», коли його заганяють у кут, і він починає протестувати. Зі свого боку, загальна теорія відносності Ейнштейна постулює, що енергія викривляє простір — звідси й народжується та сама шалена піна. Уточнення, що піна саме просторово-часова, вказує, що простір і час у Всесвіті нерозривно пов'язані між собою та утворюють єдине ціле.
Як "помацати" просторово-часову піну? Ефекти квантової гравітації настільки далекі від реального світу, що, здавалося б, їхнє експериментальне спостереження — завдання безнадійне не лише сьогодні, а й у найближчому майбутньому. Однак не все так безрадісно: у роботі [1] стверджується, що вже найближчими роками нове поколінняінтерферометрів зможе "побачити" квантове тремтіння простору-часу: так звану просторово-часову піну.
Просторово-часова піна - один з найбільш відомих і популяризованих ефектів у квантовій теорії гравітації. Вважається, що на дуже малих відстанях (порядку планківської довжини) простір має не гладку, плоску структуру, а хаотично тремтить, флуктує. Наочний образ: простір має губчасту, пінисту структуру, як і відбито у назві.
До яких спостережуваних ефектів може призвести таке тремтіння? Воно може вплинути, наприклад, тимчасово поширення світлового променя між заданими точками. Справді, у викривленому просторі світло проходить іншу відстань між двома точками, ніж у плоскому. Оскільки викривленість простору на шляху променя флуктує в часі, то і відстань, і час розповсюдження світла між двома точками буде випадково коливатися біля середнього значення.
Час поширення променя світла виміряти непросто, натомість натомість можна вимірювати фазу світлової хвилі в кінцевій точці: адже вона теж флуктуюватиме. Таким чином, ми приходимо до наступної ідеї: можна спробувати спостерігати флуктуацію простору-часу за допомогою інтерферометра — приладу, який фактично вивчає фазу світлової хвилі. У такому приладі два когерентні світлові промені потрапляють в одну точку по двох різних шляхах. Оскільки флуктуації простору, що відчуваються цими променями, не скореловані один з одним, їх відносна фаза в кінцевій точці "скакатиме" в часі, що призведе до флуктуацій інтенсивності сумарної світлової хвилі в цій точці. Реєстрація цих коливань інтенсивності і буде експериментальним спостереженням флуктуацій простору-часу.
Багато це чи мало? Чи вистачитьдля спостереження такого тремтіння точності інтерферометричних досліджень? Виявляється, вже існуючі інтерферометри не такі далекі від цього рубежу. Експериментальну ситуацію проілюстровано на Малюнку. Вже сьогодні, наприклад, 40-метровий інтерферометр у Caltech [2] та інтерферометр TAMA Японської Національної Астрономічної Обсерваторії [3] досягли позначки в 10-40Гц-1, а це поки що лише прототипи для майбутніх кілометрових інтерферометрів! Перше покоління серйозних гравітаційно-хвильових інтерферометрів типу LIGO [4] і VIRGO досягне рубежу 10-44Гц-1 за перші роки своєї роботи. У наступній стадії ці інтерферометри зможуть поліпшити чутливість ще на кілька порядків і почнуть відстежувати флуктуації на рівні 10-48Гц-1. Це вже має бути досить не просто для спостереження тремтіння простору-часу, а й для акуратного вивчення явища та порівняння з прогнозами теоретичних моделей.