Forskare från Fermilab har genomfört experiment för att leta efter kvantfluktuationer av rum och tid i den minsta skala man kan tänka sig enligt känd fysik. Vid denna gräns, Plancklängden, våra klassiska föreställningar om rum och tid går sönder.

Föreställ dig förhållandet mellan universums storlek jämfört med en dammfläck. Det är ungefär hur stor dammfläcken är jämfört med Plancklängden, 10 ^-33 centimeter. Plancktiden är hur lång tid det tar ljuset att resa den sträckan.

Kvantmekaniken säger oss att allt ständigt fluktuerar i små skalor, men Planck-skala jitter av rum och tid i sig är så små att de aldrig har mätts i laboratoriet. Bättre förståelse för rörelse på Planck-skalan kan hjälpa fysiker att svara på en grundläggande och viktig fråga:Varför verkar saker hända vid bestämda tider och platser?

Denna rum-tidsegenskap, kallas ibland helt enkelt "lokal, " är verkligen ganska grundläggande. Bestämda platser och tider antas vara vad rum-tid är gjord av - själva väven i verkligheten.

Det har länge ansetts att Planck-skalan är för liten för att studera i något experiment, men för ungefär 10 år sedan bestämde vi oss för att prova det ändå. Det är möjligt att Planck-skala kvantosäkerheter av rum-tid adderas över den tid det tar ljus att korsa ett experiment, så en omöjligt liten effekt blir bara väldigt svår – snarare än omöjlig – att upptäcka. Så, vi byggde en apparat kallad Fermilab Holometer för att leta efter mycket små fluktuationer på vitt åtskilda platser.

Kvantmateria och rum-tid:två världssystem som delar en oförklarad verklighet

Ett kvantsystem är allt som är gjort av materia och energi, och ingenting i den händer på en bestämd plats och tid förrän den är mätt. Rum-tid verkar vara precis tvärtom:allt händer lokalt på en bestämd plats, men dess egenskaper kan endast mätas icke-lokalt, det är, genom att jämföra vad som händer på olika platser.

På något sätt, dessa två olika världssystem – kvantmateria och rum-tid – delar och interagerar i samma verkliga fysiska värld. Det lokala absoluta rummet påverkar direkt materia, som alla kan se genom att snurra en topp eller uppleva genom att bli yr på en karusell. Eftersom materia är källan till gravitationen, det påverkar uppenbarligen rum och tid. Gravitationsvågor, som är gjorda av ren rumtid, bära energi och information, även genom "tomt" utrymme, och materia kan förvandlas till ren rumtid, i form av svarta hål. Men ingen förstår exakt hur kvantsaker relaterar till rum och tid.

Anledningen till att det är lätt att glömma kvantrum-tid i vardagen, och även i de flesta Fermilab-experiment, är att det inte påverkar något vi faktiskt mäter. Även om det måste finnas en viss kvantosäkerhet för rumtiden själv, det blir ödesdigert för standardteorin endast under längden där enstaka kvantpartiklar bildar svarta hål. Detta är den lilla skalan vi kallar Plancklängden.

Holometerns framgång med att mäta ingenting

På en blygsam, 40 meter skala, Holometern liknar jättedetektorer, såsom Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory i Hanford, Washington, och Livingston, Louisiana, som används för att upptäcka gravitationsvågor från avlägsna föremål. Som LIGO, den använder speglar och ljus – laserinterferometrar – för att mäta skakningen av rum och tid. I holometern, laserljuset och speglar, sammantaget som ett system, bli ett icke-lokalt kvantobjekt 40 meter långt i en riktning och 40 meter i en annan. De skapar en utsignal som beror på kvantskillnader i spegelpositionerna. Vi kan mäta fluktuationer från slumpmässiga förändringar av relativ position av endast en Planck-längd varje Planck-gång om de är koherent korrelerade på apparatens skala.

Vi publicerade resultaten av vårt första experiment för flera år sedan. I en mening var experimentet en stor framgång, eftersom vi inte lyckades mäta någonting med en aldrig tidigare skådad precision:med några slags Planck-skala jitter, vi skulle ha sett en stor effekt. Men vi hittade ingen sådan skakning. Det var tyst.

Dock, det experimentet uteslöt inte alla typer av fluktuerande rörelser i rum-tid. Till exempel, eftersom armarna på dess interferometrar var raka, laserljuset skulle inte påverkas om apparaten skakade med en rent roterande rörelse:Speglarna skulle röra sig i sidled i förhållande till strålen istället för längs den.

Söker efter vändningar i Planck-skala i rum-tid

I allmän relativitet, roterande materia drar med sig rum-tid. I närvaro av en roterande massa, den lokala icke-roterande ramen, mätt med ett gyroskop, roterar i förhållande till det avlägsna universum, mätt av avlägsna stjärnor. Det kan mycket väl vara så att kvantrum-tid har en osäkerhet i Planck-skala för den lokala ramen, vilket skulle leda till slumpmässiga rotationsfluktuationer eller vändningar som vi inte skulle ha upptäckt i vårt första experiment, och alldeles för liten för att upptäcka i något normalt gyroskop.

Så, vi gjorde ett nytt experiment. Vi byggde om apparaten i en ny form. Vi lade till extra speglar för att styra en del av laserljuset i olika riktningar, så att signalen skulle svara på koherenta rotationsjitter eller vridningar.

Det nya instrumentet är ett otroligt känsligt gyroskop för mycket korta varaktigheter, kan upptäcka mycket små rotationsvridningar över bråkdelen av en mikrosekund som det tar ljus att korsa den. Vi kan upptäcka skakningar som ändrar riktning slumpmässigt en miljon gånger per sekund, men det flyttar apparatens motsatta sidor med bara en miljarddels miljarddels meter – en hastighet som är mycket långsammare än kontinentaldriften. I vår apparat, det motsvarar slumpmässigt fluktuerande vändningar på ungefär en Planck-längd varje Planck-gång.

Vi avslutade nyligen vårt sista experiment med denna omkonfigurerade holometer. Vårt slutresultat är återigen inga darrningar, vilket kan tolkas som inga vändningar i Planck-skala, av ett visst slag, i rum-tidens struktur. Det verkar som om rum-tid på Planck-skalan är väldigt tyst.

Anledningen till att fortsätta leta efter dessa effekter är att vi kanske aldrig förstår hur kvantrum-tid fungerar utan någon mätning som vägleder teorin. Holometerprogrammet är utforskande. Vårt experiment började med bara grova teorier som vägledning för dess design, och vi har fortfarande inte ett unikt sätt att tolka våra nollresultat, eftersom det inte finns någon rigorös teori om vad vi letar efter. Är darret bara lite mindre än vi trodde att de kunde vara, eller har de en symmetri som skapar ett mönster i rymden som vi inte har mätt? Ny teknik kommer att möjliggöra framtida experiment bättre än våra och möjligen ge oss några ledtrådar till hur rum och tid kommer fram ur ett djupare kvantsystem.

Vi publicerade nyligen en artikel om våra resultat i arXiv.