Wetenschappers van Fermilab hebben experimenten uitgevoerd om te zoeken naar kwantumfluctuaties in ruimte en tijd op de kleinst denkbare schaal volgens de bekende fysica. Bij deze limiet, de Planck-lengte, onze klassieke noties van ruimte en tijd vallen uiteen.

Stel je de verhouding voor van de grootte van het heelal ten opzichte van een stofje. Dat is ongeveer hoe groot het stofdeeltje is vergeleken met de Planck-lengte, 10 ^-33 centimeter. De Planck-tijd is hoe lang het licht erover doet om die afstand af te leggen.

De kwantummechanica vertelt ons dat alles constant op kleine schaal fluctueert, maar Planck-schaal kriebels van ruimte en tijd zelf zijn zo klein dat ze nog nooit in het laboratorium zijn gemeten. Een beter begrip van beweging op de Planck-schaal kan natuurkundigen helpen een fundamentele en belangrijke vraag te beantwoorden:waarom lijken dingen op bepaalde tijden en plaatsen te gebeuren?

Deze ruimte-tijd eigenschap, soms gewoon "plaats, " is inderdaad vrij eenvoudig. Bepaalde plaatsen en tijden worden verondersteld de ruimte-tijd te zijn - het weefsel van de werkelijkheid.

Er is lang gedacht dat de Planck-schaal te klein is om in welk experiment dan ook te bestuderen, maar ongeveer 10 jaar geleden besloten we het toch te proberen. Het is mogelijk dat de kwantumonzekerheden van ruimte-tijd op Planck-schaal optellen over de tijd die het licht nodig heeft om een ​​experiment te passeren, dus een onmogelijk klein effect wordt alleen maar heel moeilijk - in plaats van onmogelijk - te detecteren. Dus, we hebben een apparaat gebouwd, de Fermilab Holometer genaamd, om te zoeken naar zeer kleine fluctuaties op ver van elkaar verwijderde locaties.

Kwantummaterie en ruimte-tijd:twee wereldsystemen die één onverklaarde werkelijkheid delen

Een kwantumsysteem is alles wat gemaakt is van materie en energie, en niets daarin gebeurt op een bepaalde plaats en tijd totdat het wordt gemeten. Ruimte-tijd lijkt precies het tegenovergestelde te zijn:alles gebeurt lokaal op een bepaalde plaats, maar de eigenschappen ervan kunnen alleen niet-lokaal worden gemeten, dat is, door te vergelijken wat er op verschillende plaatsen gebeurt.

op de een of andere manier, deze twee verschillende wereldsystemen - kwantummaterie en ruimte-tijd - delen en werken samen in dezelfde echte fysieke wereld. Lokale absolute ruimte heeft rechtstreeks invloed op materie, zoals iedereen kan zien door een tol te draaien of door duizelig te worden in een draaimolen. Omdat materie de bron van zwaartekracht is, het beïnvloedt duidelijk ruimte en tijd. zwaartekracht golven, die zijn gemaakt van pure ruimte-tijd, energie en informatie dragen, zelfs door "lege" ruimte, en materie kan veranderen in pure ruimte-tijd, in de vorm van zwarte gaten. Maar niemand begrijpt precies hoe kwantumdingen zich verhouden tot ruimte en tijd.

De reden waarom het gemakkelijk is om kwantumruimte-tijd te vergeten in het dagelijks leven, en zelfs in de meeste Fermilab-experimenten, is dat het niets beïnvloedt wat we daadwerkelijk meten. Hoewel er enige kwantumonzekerheid moet zijn voor de ruimtetijd zelf, het wordt fataal voor de standaardtheorie alleen onder de lengte waar enkele kwantumdeeltjes zwarte gaten vormen. Dit is de kleine schaal die we de Planck-lengte noemen.

Het succes van de Holometer om niets te meten

Op een bescheiden 40 meter schaal, de Holometer lijkt op gigantische detectoren, zoals de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory in Hanford, Washington, en Livingston, Louisiana, die worden gebruikt om zwaartekrachtsgolven van verre objecten te detecteren. Zoals LIGO, het gebruikt spiegels en licht-laser-interferometers om het schudden van ruimte en tijd te meten. In de Holometer, het laserlicht en de spiegels, samengenomen als een systeem, een niet-lokaal kwantumobject worden van 40 meter lang in de ene richting en 40 meter in de andere. Ze creëren een uitgangssignaal dat afhankelijk is van kwantumverschillen in de spiegelposities. We kunnen fluctuaties meten van willekeurige veranderingen van relatieve positie van slechts één Planck-lengte per Planck-tijd als ze coherent gecorreleerd zijn op de schaal van het apparaat.

Enkele jaren geleden publiceerden we de resultaten van ons eerste experiment. In zekere zin was het experiment een groot succes, omdat we erin slaagden niets met een ongekende precisie te meten:met sommige soorten van Planck-schaal jitters, we zouden een groot effect hebben gezien. Maar zo'n schudden hebben we niet gevonden. Het was stil.

Echter, dat experiment sloot allerlei fluctuerende bewegingen in de ruimte-tijd niet uit. Bijvoorbeeld, omdat de armen van de interferometers recht waren, het laserlicht zou niet worden beïnvloed als het apparaat schudde met een puur roterende beweging:de spiegels zouden zijwaarts bewegen ten opzichte van de bundel in plaats van erlangs.

Zoeken naar wendingen op Planck-schaal in ruimte-tijd

In de algemene relativiteitstheorie roterende materie sleept de ruimte-tijd met zich mee. In aanwezigheid van een roterende massa, het lokale niet-roterende frame, zoals gemeten door een gyroscoop, draait ten opzichte van het verre heelal, zoals gemeten door verre sterren. Het zou heel goed kunnen dat kwantumruimte-tijd een onzekerheid op Planck-schaal heeft van het lokale frame, wat zou leiden tot willekeurige rotatiefluctuaties of wendingen die we niet zouden hebben gedetecteerd in ons eerste experiment, en veel te klein om te detecteren in een normale gyroscoop.

Dus, we hebben een nieuw experiment gedaan. We hebben het apparaat in een nieuwe vorm omgebouwd. We hebben extra spiegels toegevoegd om een ​​deel van het laserlicht in een andere richting te sturen, zodat het signaal zou reageren op coherente rotatietrillingen of wendingen.

Het nieuwe instrument is een ongelooflijk gevoelige gyroscoop voor zeer korte duur, in staat om zeer kleine rotatiedraaiingen te detecteren in een fractie van een microseconde die er licht voor nodig is om het te passeren. We kunnen trillingen detecteren die een miljoen keer per seconde willekeurig van richting veranderen, maar dat beweegt de tegenovergestelde zijden van het apparaat slechts met een miljardste van een miljardste van een meter - een snelheid die veel langzamer is dan de continentale drift. In ons apparaat, dat komt overeen met willekeurig fluctuerende wendingen van ongeveer één Planck-lengte per Planck-tijd.

We hebben onlangs ons laatste experiment met deze opnieuw geconfigureerde Holometer voltooid. Ons eindresultaat is weer geen kriebels, die kan worden geïnterpreteerd als geen Planck-schaal wendingen, van een bepaald soort, in het weefsel van ruimte-tijd. Het lijkt erop dat ruimte-tijd op de Planck-schaal inderdaad erg stil is.

De reden om naar deze effecten te blijven zoeken, is dat we misschien nooit zullen begrijpen hoe kwantumruimte-tijd werkt zonder enige meting om de theorie te leiden. Het Holometer-programma is verkennend. Ons experiment begon met alleen ruwe theorieën om het ontwerp te sturen, en we hebben nog steeds geen unieke manier om onze nulresultaten te interpreteren, omdat er geen rigoureuze theorie is van wat we zoeken. Zijn de kriebels net iets kleiner dan we dachten, of hebben ze een symmetrie die een patroon in de ruimte creëert dat we niet hebben gemeten? Nieuwe technologie zal toekomstige experimenten beter mogelijk maken dan de onze en mogelijk enkele aanwijzingen geven over hoe ruimte en tijd ontstaan ​​uit een dieper kwantumsysteem.

We hebben onlangs een paper over onze bevindingen gepubliceerd in de arXiv.