Tilfældige vridninger af stedet:Hvor stille er kvante rumtid på Planck-skalaen?

Fermilab -forskere har udført eksperimenter for at lede efter kvanteudsving i rum og tid i den mindste skala, man kan forestille sig ifølge kendt fysik. Ved denne grænse, Planck -længden, vores klassiske forestillinger om rum og tid bryder sammen.

Forestil dig forholdet mellem universets størrelse i forhold til et støvstykke. Det handler om, hvor stor støvpletten er i forhold til Planck -længden, 10 ^-33 centimeter. Planck -tiden er, hvor lang tid det tager lys at rejse den afstand.

Kvantemekanik fortæller os, at alt konstant svinger på små skalaer, men Planck-skala rystelser af rum og tid i sig selv er så små, at de aldrig er blevet målt i laboratoriet. Bedre forståelse af bevægelse på Planck -skalaen kan hjælpe fysikere med at besvare et grundlæggende og vigtigt spørgsmål:Hvorfor ser det ud til at der sker ting på bestemte tidspunkter og steder?

Denne ejendom i rumtid, undertiden kaldes simpelthen "lokalitet, "er virkelig temmelig grundlæggende. Det er meningen, at bestemte steder og tidspunkter skal være, hvad rumtid er lavet af-selve virkeligheden.

Det har længe været antaget, at Planck -skalaen er for lille til at undersøges i ethvert forsøg, men for omkring 10 år siden besluttede vi at prøve det alligevel. Det er muligt, at Planck-skala kvanteusikkerheder om rumtid tilføjer sig over den tid, det tager lys at krydse et eksperiment, så en umulig lille effekt bliver bare meget svært - snarere end umulig - at opdage. Så, vi byggede et apparat kaldet Fermilab Holometer for at lede efter meget små udsving på vidt adskilte steder.

Kvantemateriale og rumtid:to verdenssystemer, der deler en uforklarlig virkelighed

Et kvantesystem er alt, der er lavet af stof og energi, og intet i det sker på et bestemt sted og tidspunkt, indtil det er målt. Rumtid synes at være det modsatte:Alt sker lokalt på et bestemt sted, men dets egenskaber kan kun måles nonlokalt, det er, ved at sammenligne, hvad der sker forskellige steder.

På en eller anden måde, disse to forskellige verdenssystemer-kvantemateriale og rumtid-deler og interagerer i den samme virkelige fysiske verden. Lokalt absolut rum påvirker materien direkte, som enhver kan se ved at snurre en top eller opleve ved at blive svimmel på en god tur. Fordi stof er tyngdekilden, det påvirker naturligvis rum og tid. Gravitationsbølger, som er lavet af ren rumtid, bære energi og information, selv gennem "tomt" rum, og stof kan blive til ren rumtid, i form af sorte huller. Men ingen forstår nøjagtigt, hvordan kvantemateriale forholder sig til rum og tid.

Grunden til at det er let at glemme kvante rumtid i hverdagen, og endda i de fleste Fermilab -eksperimenter, er, at det ikke påvirker noget, vi rent faktisk måler. Selvom der må være en vis kvanteusikkerhed i selve rumtiden, det bliver fatalt for standardteorien kun under længden, hvor enkelte kvantepartikler danner sorte huller. Dette er den lille skala, vi kalder Planck -længden.

Holometerets succes med ikke at måle noget

På en beskeden, 40-meters skala, Holometeret ligner kæmpe detektorer, såsom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory i Hanford, Washington, og Livingston, Louisiana, der bruges til at detektere gravitationsbølger fra fjerne objekter. Ligesom LIGO, den bruger spejle og lys - laserinterferometre - til at måle rystelse af rum og tid. I Holometeret, laserlys og spejle, samlet som et system, blive et ikke -lokalt kvanteobjekt 40 meter langt i en retning og 40 meter i en anden. De skaber et udgangssignal, der afhænger af kvanteforskelle i spejlpositionerne. Vi kan måle udsving fra tilfældige ændringer af relativ position på kun en Planck -længde hver Planck -tid, hvis de er kohærent korreleret på apparatets skala.

Vi offentliggjorde resultaterne af vores første forsøg for flere år siden. På en måde var eksperimentet en stor succes, da det ikke lykkedes os at måle noget med en hidtil uset præcision:Med nogle slags planck-skala rystelser, vi ville have set en stor effekt. Men vi fandt ingen sådan rysten. Der var stille.

Imidlertid, det eksperiment udelukkede ikke alle former for svingende bevægelse i rumtid. For eksempel, fordi armene på dets interferometre var lige, laserlyset ville ikke blive påvirket, hvis apparatet rystede med en rent roterende bevægelse:Spejlene ville bevæge sig sidelæns i forhold til strålen i stedet for langs den.

Søger efter Planck-skala vendinger i rumtid

I almindelighed relativitet, roterende stof trækker rumtid sammen med det. I nærvær af en roterende masse, den lokale ikke -roterende ramme, målt ved et gyroskop, roterer i forhold til det fjerne univers, målt ved fjerne stjerner. Det kan godt være, at kvante rumtid har en Planck-skala usikkerhed om den lokale ramme, hvilket ville føre til tilfældige rotationsudsving eller vendinger, som vi ikke ville have opdaget i vores første forsøg, og alt for lille til at opdage i ethvert normalt gyroskop.

Så, vi lavede et nyt eksperiment. Vi genopbyggede apparatet i en ny form. Vi tilføjede ekstra spejle til at styre noget af laserlyset i forskellige retninger, så signalet ville reagere på sammenhængende rotationsryst eller vridninger.

Det nye instrument er et utroligt følsomt gyroskop i meget korte varigheder, i stand til at opdage meget små rotationsvridninger over brøkdelen af ​​et mikrosekund, det tager lys at krydse det. Vi kan registrere rystelser, der ændrer retning tilfældigt en million gange i sekundet, men det bevæger apparatets modsatte sider med kun en milliarddel af en milliarddel af en meter - en hastighed meget langsommere end kontinentaldrift. I vores apparat, det svarer til tilfældigt svingende drejninger på cirka en Planck -længde hver Planck -tid.

Vi afsluttede for nylig vores sidste eksperiment med dette rekonfigurerede Holometer. Vores endelige resultat er igen ingen rystelser, som kan tolkes som ingen Planck-skala vendinger, af en bestemt art, i rummet-tidens stof. Det ser ud til, at rumtid på Planck-skalaen faktisk er meget stille.

Grunden til at fortsætte med at kigge efter disse effekter er, at vi måske aldrig forstår, hvordan kvante rum-tid fungerer uden nogen måling til at guide teori. Holometer -programmet er undersøgende. Vores eksperiment startede med kun grove teorier til at guide dets design, og vi har stadig ikke en unik måde at fortolke vores nul -resultater, da der ikke er nogen streng teori om, hvad vi leder efter. Er rystelserne bare lidt mindre, end vi troede, de kunne være, eller har de en symmetri, der skaber et mønster i rummet, som vi ikke har målt? Ny teknologi vil muliggøre fremtidige eksperimenter bedre end vores og muligvis give os nogle spor til, hvordan rum og tid stammer fra et dybere kvantesystem.

Vi har for nylig offentliggjort et papir om vores resultater i arXiv.