Квантовая пена (или пространственно-временная пена , или пространственно-временной пузырь ) — это теоретическая квантовая флуктуация пространства -времени в очень малых масштабах, обусловленная квантовой механикой . Теория предсказывает, что в этих малых масштабах частицы материи и антиматерии постоянно создаются и уничтожаются. Эти субатомные объекты называются виртуальными частицами . [1] Идея была придумана Джоном Уилером в 1955 году. [2] [3]
С неполной теорией квантовой гравитации невозможно быть уверенным, как будет выглядеть пространство-время в малых масштабах. Однако нет определенной причины, по которой пространство-время должно быть принципиально гладким. Возможно, что вместо этого в квантовой теории гравитации пространство-время будет состоять из множества небольших, постоянно меняющихся областей, в которых пространство и время не являются определенными, а флуктуируют подобно пене. [4]
Уилер предположил, что принцип неопределенности может подразумевать, что на достаточно малых расстояниях и достаточно коротких интервалах времени «сама геометрия пространства-времени флуктуирует». [5] Эти флуктуации могут быть достаточно большими, чтобы вызывать значительные отклонения от гладкого пространства-времени, наблюдаемого в макроскопических масштабах, придавая пространству-времени «пенистый» характер.
Экспериментальное доказательство эффекта Казимира , который, возможно, вызван виртуальными частицами, является весомым доказательством существования виртуальных частиц. Эксперимент g-2 , который предсказывает силу магнитов, образованных мюонами и электронами, также подтверждает их существование. [1]
В 2005 году во время наблюдений гамма- фотонов , прибывающих из блазара Маркарян 501 , телескопы MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) обнаружили, что некоторые из фотонов на разных уровнях энергии прибыли в разное время, что говорит о том, что некоторые из фотонов двигались медленнее и, таким образом, нарушали представление специальной теории относительности о том, что скорость света постоянна, несоответствие, которое можно объяснить нерегулярностью квантовой пены. [6] Последующие эксперименты, однако, не смогли подтвердить предполагаемое изменение скорости света из-за зернистости пространства. [7] [8]
Другие эксперименты, связанные с поляризацией света от далеких гамма-всплесков, также дали противоречивые результаты. [9] Продолжаются [10] или предлагаются новые эксперименты на Земле. [11]
Можно было бы ожидать, что флуктуации, характерные для пространственно-временной пены, будут происходить в масштабе порядка длины Планка (≈ 10−35 м ) [12] , но некоторые модели квантовой гравитации предсказывают гораздо большие флуктуации.
Фотоны должны замедляться квантовой пеной, причем скорость должна зависеть от длины волны фотонов. Это нарушило бы лоренц-инвариантность . Но наблюдения за излучением близлежащих квазаров Флойдом Штекером из Центра космических полетов имени Годдарда в НАСА не обнаружили свидетельств нарушения лоренц-инвариантности. [13]
Пенистое пространство-время также устанавливает ограничения на точность измерения расстояний, поскольку фотоны должны беспорядочно рассеиваться через пену пространства-времени, подобно тому, как свет рассеивается при прохождении через туман. Это должно привести к ухудшению качества изображения очень удаленных объектов, наблюдаемых через телескопы. Рентгеновские и гамма-наблюдения квазаров с использованием рентгеновской обсерватории Chandra NASA , космического гамма-телескопа Fermi и наземные гамма-наблюдения с помощью телескопа VERITAS ( Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array ) не показали заметного ухудшения на самых дальних наблюдаемых расстояниях, что означает, что пространство-время гладкое, по крайней мере, до расстояний в 1000 раз меньших, чем ядро атома водорода, [14] [15] [16] [17] [18] устанавливая предел на размер квантовых флуктуаций пространства-времени.
Флуктуации вакуума обеспечивают вакуум ненулевой энергией, известной как энергия вакуума . [19]
Теория спиновой пены представляет собой современную попытку сделать идею Уиллера количественной .