211service.com
Quantumschuim meten met een tafelmodel?
Een van de centrale puzzels van ruimtetijd is de structuur ervan op de kleinste schaal.
De vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie zijn soepel, zelfs op de kleinste schalen. Maar in het begin van de jaren zestig wees de Amerikaanse natuurkundige John Wheeler erop dat in de kwantummechanica aan gewone eigenschappen van ruimtetijd, zoals positie, momentum enzovoort, een onzekerheid is verbonden. Dat impliceert dat spacetme ook onzeker moet zijn. Wheeler beschreef het beroemd als kwantumschuim.
Natuurkundigen zouden dit schuim dolgraag willen bestuderen, maar er is een probleem. Ruimtetijd wordt pas op de kleinste schaal schuimachtig, bij zogenaamde Planck-lengtes van 10^-35 meter of zo.
Het peilen van die afstand is natuurlijk moeilijk. Een manier om dit te doen is door deeltjes te versnellen tot enorme energieën, waardoor natuurkundigen hun positie nauwkeurig kunnen bepalen, waardoor ze zeer kleine volumes van de ruimte kunnen onderzoeken.
Maar de benodigde energieën zijn ongeveer 10^19 GeV, vele orden van grootte hoger dan de huidige deeltjesversnellers. Het is niet waarschijnlijk dat deze energie in de nabije toekomst op aarde zal worden bereikt, dus natuurkundigen berusten min of meer bij het idee dat ze nooit kwantumschuim in handen zullen krijgen.
Ze kunnen vandaag veranderen dankzij een fascinerend idee van Jacob Bekenstein, een natuurkundige aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem in Israël. Bekenstein zegt dat hij een manier heeft gevonden om de structuur van ruimtetijd op de Planck-schaal te meten met behulp van een eenvoudig experiment met niet meer dan een blok glas en een laser.
In wezen is het experiment eenvoudig. Het doel van Bekenstein is om het blok te verplaatsen over een afstand die ongeveer gelijk is aan de Planck-lengte. Zijn methode is simpel: zap het blok met een enkel foton.
Het foton draagt een kleine hoeveelheid moment en duwt bijgevolg het blok als het het glas binnenkomt, waardoor het wat momentum krijgt. Als het foton het blok verlaat, komt het blok tot rust.
Dus het resultaat van de passage van het foton is dat het het blok een kleine afstand verplaatst.
Bekensteins idee is dat als deze afstand kleiner is dan de Planck-lengte, het blok niet kan bewegen en het foton er niet doorheen kan.
Het experiment omvat dus het meten van het aantal fotonen dat door het blok gaat. Als het aantal lager is dan voorspeld door klassieke optica, dan bewijst dat het bestaan van kwantumschuim.
Door het momentum dat door de fotonen wordt gegeven te veranderen, zouden natuurkundigen zelfs in staat moeten zijn om de schaal te meten waarop kwantumschuimeffecten optreden en dit misschien ook op andere manieren te kwantificeren.
Het mooie van dit experiment is dat het alle gebruikelijke problemen van het sonderen van kleine lengteschalen vermijdt met behulp van kwantumdeeltjes die zelf onzekerheid in hun positie ervaren.
In plaats daarvan vertrouwt het experiment van Bekenstein op behoud van momentum en de verandering in positie van het zwaartepunt van een macroscopisch glasblok. Hij laat zien dat dit niet in strijd is met het onzekerheidsbeginsel. Inderdaad, de enige betrokken meting is een ongecompliceerd aantal fotonen.
Het beste van alles is dat dit experiment geen exotischer apparaat vereist dan een laser en een koelkast (het blok moet worden afgekoeld tot bijna nul om thermische verstoringen te minimaliseren). Niets daarover gaat verder dan de stand van de techniek. De test zou vandaag inderdaad kunnen worden uitgevoerd op een tafelblad in een goed uitgerust laboratorium.
Dat wil niet zeggen dat het gemakkelijk zal zijn. Bekenstein is een grote kaas in de wereld van de theoretische natuurkunde, maar collega's zullen er zeker van willen zijn dat zijn argument waterdicht is voordat ze aan zo'n experiment beginnen.
Als dat zo is, kan het tafelexperiment van Bekenstein in de zeer nabije toekomst van start gaan en de eerste potentiële glimp van kwantumschuim opleveren.
Natuurlijk zou het niet vinden van kwantumschuim ook interessant zijn. De nieuwste gedachte is dat zwaartekracht een opkomend fenomeen is door een soort thermodynamisch proces. Hiervoor is geen kwantumschuim nodig.
Dus het niet detecteren van kwantumschuim, hoewel geen bewijs van de opkomende zwaartekrachttheorieën, zou zeker ook een enorm interessante ontdekking zijn.
Hoe dan ook, natuurkundigen kunnen hier wat plezier mee hebben.
Referentie: arxiv.org/abs/1211.3816 : Is een tafelbladzoektocht naar Planck-schaalsignalen haalbaar?