211service.com
Wie man Quantenschaum mit einem Tabletop-Experiment misst
Eines der zentralen Rätsel der Raumzeit ist ihre Struktur im kleinsten Maßstab.
Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie sind selbst in den kleinsten Maßstäben glatt. Aber in den frühen 1960er Jahren wies der amerikanische Physiker John Wheeler darauf hin, dass in der Quantenmechanik gewöhnliche Eigenschaften der Raumzeit wie Ort, Impuls usw. mit einer Unsicherheit verbunden sind. Das impliziert, dass auch spacetme ungewiss sein muss. Wheeler beschrieb es bekanntlich als Quantenschaum.
Physiker würden diesen Schaum sehr gerne untersuchen, aber es gibt ein Problem. Die Raumzeit wird erst im kleinsten Maßstab schaumig, bei sogenannten Planck-Längen von 10^-35 Metern oder so.
Diese Entfernung auszuloten ist offensichtlich schwierig. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, Teilchen auf enorme Energien zu beschleunigen, was es Physikern ermöglicht, ihre Position genau zu bestimmen und so sehr kleine Raumvolumina zu untersuchen.
Aber die benötigten Energien liegen bei etwa 10^19 GeV, viele Größenordnungen höher als bei heutigen Teilchenbeschleunigern. Es ist nicht wahrscheinlich, dass diese Energie auf absehbare Zeit auf der Erde erreicht wird, daher sind Physiker mehr oder weniger mit der Vorstellung abgefunden, dass sie Quantenschaum nie in die Hände bekommen werden.
Sie könnten sich heute dank einer faszinierenden Idee von Jacob Bekenstein, einem Physiker an der Hebräischen Universität Jerusalem in Israel, ändern. Bekenstein sagt, er habe einen Weg gefunden, die Struktur der Raumzeit auf der Planck-Skala zu messen, indem er ein einfaches Experiment mit wenig mehr als einem Glasblock und einem Laser verwendet.
Im Wesentlichen ist das Experiment einfach. Bekensteins Ziel ist es, den Block um eine Distanz zu bewegen, die ungefähr der Planck-Länge entspricht. Seine Methode ist einfach: den Block mit einem einzigen Photon zappen.
Das Photon trägt ein kleines Moment und schiebt folglich den Block, wenn es in das Glas eintritt, und gibt ihm etwas Schwung. Wenn das Photon den Block verlässt, kommt der Block zur Ruhe.
Das Ergebnis der Passage des Photons ist also, dass es den Block ein kleines Stück weit bewegt.
Bekensteins Idee ist, dass, wenn dieser Abstand kleiner als die Planck-Länge ist, sich der Block nicht bewegen kann und das Photon ihn nicht passieren kann.
Das Experiment beinhaltet also die Messung der Anzahl der Photonen, die durch den Block gehen. Wenn die Zahl geringer ist als von der klassischen Optik vorhergesagt, beweist dies die Existenz von Quantenschaum.
Tatsächlich sollten Physiker durch die Änderung des von den Photonen verliehenen Impulses in der Lage sein, die Skala, in der Quantenschaumeffekte eintreten, zu messen und möglicherweise auch auf andere Weise zu quantifizieren.
Das Schöne an diesem Experiment ist, dass es alle üblichen Probleme vermeidet, kleine Längenskalen mit Quantenteilchen zu untersuchen, die selbst eine Unsicherheit in ihrer Position erfahren.
Stattdessen beruht Bekensteins Experiment auf der Impulserhaltung und der Positionsänderung des Massenschwerpunkts eines makroskopischen Glasblocks. Er zeigt, dass dies nicht gegen die Unschärferelation verstößt. Tatsächlich ist die einzige beteiligte Messung eine einfache Photonenzählung.
Das Beste daran ist, dass dieses Experiment kein exotischeres Gerät als einen Laser und einen Kühlschrank erfordert (der Block muss auf nahe Null gekühlt werden, um thermische Störungen zu minimieren). Nichts davon übersteigt den Stand der Technik. Tatsächlich könnte der Test heute auf einem Tisch in einem gut ausgestatteten Labor durchgeführt werden.
Das soll nicht heißen, dass es einfach wird. Bekenstein ist ein großer Käse in der Welt der theoretischen Physik, aber Kollegen werden sicher sein wollen, dass seine Argumentation stichhaltig ist, bevor sie sich auf ein solches Experiment einlassen.
Wenn ja, könnte Bekensteins Tabletop-Experiment in naher Zukunft in Betrieb genommen werden und den ersten möglichen Blick auf Quantenschaum bieten.
Interessant wäre natürlich auch das Fehlen von Quantenschaum. Die neueste Denkweise ist, dass die Schwerkraft ein auftauchendes Phänomen durch eine Art thermodynamischen Prozess ist. Dafür ist kein Quantenschaum erforderlich.
Das Versäumnis, Quantenschaum zu entdecken, wäre also sicherlich auch eine äußerst interessante Entdeckung, auch wenn es kein Beweis für die aufkommenden Gravitationstheorien ist.
So oder so könnten Physiker damit Spaß haben.
Ref: arxiv.org/abs/1211.3816 : Ist eine Tabletop-Suche nach Signalen der Planck-Skala durchführbar?