Новости науки 16.05.01 Как "пощупать" пространственно-временную пену?

Эффекты квантовой гравитации столь далеки от реального мира, что, казалось бы, их экспериментальное наблюдение — задача безнадежная не только сегодня, но и в ближайшем будущем. Однако не все так безрадостно: в работе [1] утверждается, что уже в ближайшие годы новое поколение интерферометров сможет "увидеть" квантовое дрожание пространства-времени: так называемую пространственно-временную пену.

Пространственно-временная пена — один из наиболее известных и популяризованных эффектов в квантовой теории гравитации. Считается, что на очень малых расстояниях (порядка планковской длины) пространство имеет не гладкую, плоскую структуру, а хаотично дрожит, флуктуирует. Наглядный образ: пространство имеет губчатую, пенистую структуру, что и отражено в названии.

К каким наблюдаемым эффектам может привести такое дрожание? Оно может повлиять, например, на время распространения светового луча между заданными точками. В самом деле, в искривленном пространстве свет проходит иное расстояние между двумя точками, нежели в плоском. Поскольку искривленность пространства на пути луча флуктуирует во времени, то и расстояние, и время распространения света между двумя точками будет случайно колебаться около некоего среднего значения.

Время распространения луча света измерить непросто, зато вместо этого можно измерять фазу световой волны в конечной точке: ведь она тоже будет флуктуировать. Таким образом, мы приходим к следующей идее: можно попытаться наблюдать флуктуации пространства-времени с помощью интерферометра — прибора, изучающего фактически фазу световой волны. В таком приборе два когерентных световых луча попадают в одну точку по двум разным путям. Поскольку флуктуации пространства, чувствуемые этими лучами, не скоррелированы друг с другом, их относительная фаза в конечной точке будет "скакать" во времени, что приведет к флуктуациям интенсивности суммарной световой волны в этой точке. Регистрация этих колебаний интенсивности и будет экспериментальным наблюдением флуктуаций пространства-времени.

Автор работы [1] приводит теоретическую оценку для относительной величины флуктуаций пространства-времени (или, в переводе на наш эксперимент, величины флуктуации фазы по отношению к полной набежавшей фазе при распространении луча). Считая, что это дрожание представляет собой белый шум, автор оценивает спектральную мощность в 5*10^-44Гц^-1.

Спектр мощности пространственно-временных флуктуаций и чувствительность современных и будущих интерферометров

Много это или мало? Хватит ли для наблюдения такого дрожания точности интерферометрических исследований? Оказывается, уже существующие интерферометры не так далеки от этого рубежа. Экспериментальная ситуация проиллюстрирована на Рисунке. Уже сегодня, к примеру, 40-метровый интерферометр в Caltech [2] и интерферометр TAMA Японской Национальной Астрономической Обсерватории [3] достигли отметки в 10^-40Гц^-1, а ведь это пока только прототипы для будущих километровых интерферометров! Первое же поколение серьезных гравитационно-волновых интерферометров типа LIGO [4] и VIRGO достигнет рубежа 10^-44Гц^-1 за первые годы своей работы. В следующей своей стадии, эти интерферометры смогут улучшить чувствительность еще на несколько порядков и начнут отслеживать флуктуации на уровне 10^-48Гц^-1. Это уже должно быть достаточно не просто для наблюдения дрожания пространства-времени, но и для аккуратного изучения явления и сравнения с предсказаниями теоретических моделей.

[1] G.Amelino-Camelia, Nature, 410, 1065 (2001). Более развернутое обсуждение вопроса см. в gr-qc/0104005.

[2] Abramovici, A. et al. "Improved sensitivity in a gravitational wave interferometer and implications for LIGO", Phys. Lett. A 218, 157-163 (1996).

перейти к началу страницы