У любого измерительного инструмента есть минимальное деление шкалы. Существует ли такое понятие для нашего пространства-времени? Вполне возможно, что вскоре мы получим ответ на этот вопрос.
Что такое интерферометр Майкельсона?
Интерферометр Майкельсона – замечательный прибор, давно и прочно вошедший в инструментарий современной науки и техники. Когда-то именно с его помощью впервые измерили абсолютную величину длины световых волн и экспериментально доказали принцип независимости скорости света от движения его источника, что окончательно похоронило гипотезу «светоносного эфира» и стало одним из краеугольных камней теории относительности

Этим летом физики из Национальной лаборатории Fermilab предполагают приступить к экспериментам с двумя одинаковыми интерферометрами Майкельсона, рассчитывая продемонстрировать квантовую «зернистость» времени и пространства.

Цена деления

Участники эксперимента во главе с Аароном Чоу и Крейгом Хоганом хотят обнаружить шум, вызванный колебаниями полупрозрачной пластинки интерферометра. Подобно большинству физиков, они предполагают, что пространство квантовано в масштабах планковской длины — 1,6х10−33см (такова его минимальная «цена деления»), а время — в масштабах 5,4х10−44 с. Если это так, то пространство-время в этих масштабах претерпевает квантовые флуктуации, которые вызовут хаотическую дрожь разделительной пластинки. Для выявления этой дрожи и предназначены приборы Майкельсона. Крейг Хоган, чья теория легла в основу эксперимента, назвал их голографическими интерферометрами, или попросту голометрами (holometer).

Из вычислений Хогана следует, что квантовые флуктуации пространства и времени не позволяют одновременно определить точные координаты расщепляющей пластинки в двух перпендикулярных направлениях. При таких измерениях возникают неустранимые неопределенности, аналогичные неопределенностям в измерении положения и импульса элементарных частиц.

Скромный эксперимент

Для столь серьезного научного прорыва задействованы более чем скромные средства. Ни стоимость эксперимента (всего $2,5 млн), ни размеры интерферометров (длина плеча 40 м), ни мощность лазеров (2 Вт) не поражают воображение. В ходе опыта придется отфильтровывать обычные шумы от сотрясений почвы, электрических помех, колебаний интенсивности лазерного света и многих других источников.

Опыт предполагают провести в два этапа. Сначала интерферометры установят один над другим, чтобы световые пучки шли по параллельным путям, разделенным по вертикали небольшой щелью. Экспериментаторы рассчитывают, что в этом случае квантовые шумы, которые измерит каждый прибор, будут похожи друг на друга. Если так и окажется, во второй стадии опыта один из интерферометров повернут на 90 или 180 градусов. Ожидается, что в этом случае каждый прибор будет «шуметь» независимо от партнера. Положительный исход опыта будет свидетельствовать о выявлении макроскопического эффекта, обусловленного квантованностью времени и пространства.


Измеряя квантовый шум

Параллельный пучок монохроматического света падает на полупрозрачную пластинку и расщепляется на пару когерентных пучков, которые по взаимно перпендикулярным путям уходят к двум зеркалам. Отразившись, они возвращаются к пластинке, сливаются, проходят через фокусирующий объектив и интерферируют в его фокальной плоскости, где и установлен детектор, регистрирующий интерференционную картину волновых фронтов пучков. Если расщепляющая пластинка в ходе эксперимента хаотически вибрирует, то интерферометр может зарегистрировать эти вибрации в виде шума, наложенного на световые сигналы.


Внутри голограммы

В 1990-х годах была выдвинута гипотеза, известная как голографический принцип. Она утверждает, что квантованные степени свободы замкнутой области пространства-времени определяются информацией, записанной на ее граничной поверхности. Эта поверхность действует подобно оптической голограмме, которая, будучи двумерной, позволяет построить трехмерное изображение. Носителями любой такой записи выступают элементарные «пиксели» планковских размеров. Хоган считает, что голографический принцип ограничивает количество информации, которую можно упаковать внутри определенного пространственно-временного объема, и такие ограничения должны проявиться в неопределенностях измерений взаимно ортогональных координат. Исходя из этих соображений, он формулирует цель эксперимента как демонстрацию «голографического шума». Впрочем, в научных статьях Хоган использует другую терминологию — выявление планковской квантовой геометрии.

Эксперимент Holometer дает возможность зарегистрировать колебания пластинки-делителя одновременно в двух перпендикулярных направлениях. Без применения интерферометра такая регистрация невозможна.

Проект Хогана и Чоу уже столкнулся с неприятием со стороны физиков-теоретиков с мировыми именами. Один из главных сторонников (и автор самого термина) голографического принципа профессор Стэнфордского университета Леонард Сасскинд считает эксперимент нелепым и бесполезным. Профессор Калифорнийского университета в Беркли Рафаэль Буссо в недавнем интервью журналу Science прямо заявил, что предсказанные Хоганом неопределенности в измерениях координат вообще не имеют ничего общего с голографическим принципом. Буссо уверен, что эксперимент даст нулевой результат, который, как он подозревает, без всяких на то оснований может дискредитировать голографическую гипотезу.

«Связь между экспериментом с голометрами и голографическим принципом не вполне однозначна, однако она существует, — объясняет «ПМ» профессор Хоган. — Однако сам принцип в этом опыте проверяться не будет, так что нулевой результат ему ничем не повредит». Измерения начнутся осенью, но для выхода на должный уровень чувствительности потребуется еще много месяцев, так что первые результаты вряд ли появятся раньше 2014 года.

Статья «Майкельсоном по Планку» опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2012).