מה הגודל של קצף קוונטי?

קצף קוונטי הוא מבנה מוצע של המרחב והזמן בקני המידה הקטנים ביותר. לפי ההצעה, בקני מידה אלה הם היו סוערים ומתנודדים, ולא חלקים. הקצף מעולם לא נצפה ישירות, ולכן הערך 9.3 × 10⁻³⁶ מטרים שמוצג למעלה אינו מדידה. המספר הזה הוא 9.3 חלקי 1 ואחריו 36 אפסים. פיזיקאים מצפים שהקצף, אם הוא קיים, יופיע בקנה מידה הדומה לאורך פלאנק, 1.6 × 10⁻³⁵ מטרים, שהוא פי 1.7 בקירוב מהערך המוצג.

גודל

מרחב-זמן הוא שלושת ממדי המרחב יחד עם הזמן. בכל קנה מידה שאפשר למדוד הוא נראה חלק. אבל חלקים ממכניקת הקוונטים, התיאוריה שמסבירה אטומים וחלקיקים, מנבאים שבקני מידה קטנים בהרבה הוא לא יישאר חלק. אזורים זעירים ימשיכו להשתנות, והמרחב והזמן יפסיקו להיות בעלי ערכים מוגדרים.

לקצף כזה אין קצה שאפשר למדוד, ולכן מה שהתיאוריות מספקות במקום זאת הוא קנה מידה: המרחק שבו הקצף היה מתגלה. לפי נאס"א, הוא בערך כרוחב גרעין של אטום מימן מחולק ב-100 מיליארד מיליארד (10²⁰). התוצאה היא בערך אורך פלאנק, קנה המידה שבו צפויות ההשפעות הקוונטיות של הכבידה להיות משמעותיות. קנה המידה המדויק תלוי בתיאוריה, ולפיזיקאים עדיין אין תיאוריה שנבדקה ושמאחדת את הכבידה עם מכניקת הקוונטים.

השוואות גודל

• קנה המידה הצפוי של הקצף שווה בערך לאורך פלאנק, העצם הגדול יותר הבא בתור באתר.
• פרוטון, שרוחבו כ-1.7 פמטומטרים, רחב פי 100 מיליארד מיליארד (10²⁰) בקירוב מקנה המידה הצפוי של הקצף. פמטומטר הוא 10⁻¹⁵ מטרים.
• אילו קנה המידה של הקצף הוגדל לגודל של שערת אדם, שרוחבה כ-0.1 מילימטרים, פרוטון היה ברוחב של בערך שנת אור. שנת אור היא המרחק שהאור עובר בשנה אחת.
• הקוואזרים שצ'נדרה צפה בהם בבדיקה של 2015, המתוארת בהמשך, נמצאים במרחק של כ-12 מיליארד שנות אור. המרחק הזה גדול פי 7 × 10⁶⁰ בקירוב מקנה המידה הצפוי של הקצף, וזו הסיבה שהשפעות זעירות עשויות להצטבר בדרך.

מקור הרעיון

הפיזיקאי ג'ון ווילר מאוניברסיטת פרינסטון הגה את הקצף הקוונטי ואת שמו. מכניקת הקוונטים כבר ניבאה שחלקיקים יכולים להופיע ולהיעלם לרגע קצר. ווילר דמיין יותר מזה: את המרחב-זמן עצמו מוקצף לקצף של צורות מעוותות. ווילר גם הביא לפרסום את המונח "חור שחור".

בדיקת הקצף

הקצף קטן מדי בהרבה מכדי לראות אותו ישירות, ולכן אסטרונומים מחפשים את השפעותיו על האור. אם המרחב-זמן קצפי, המרחק שהאור עובר היה מתנודד בכמויות זעירות. בחלק מהמודלים התנודות האלה מצטברות לאורך מיליארדי שנות אור, עד שעצמים רחוקים מיטשטשים ונעלמים מהעין.

ב-2015 בדק צוות בראשות אריק פרלמן מהמכון הטכנולוגי של פלורידה את הרעיון באמצעות קוואזרים. קוואזר הוא עצם בהיר מאוד המונע בידי חומר הנופל אל חור שחור ענק. מצפה הכוכבים לקרני רנטגן צ'נדרה של נאס"א, טלסקופ החלל לקרני גמא פרמי של נאס"א וטלסקופי VERITAS בכל זאת זיהו קוואזרים רחוקים בבירור. הצוות הסיק שהדבר שולל שני מודלים של הקצף, ובהם מודל שנקרא קצף הולוגרפי.

השאלה אינה מוכרעת. במאמר כנס מ-2026 טענו אריק סטיינברינג וג'ק נג, אחד ממחברי המאמר של 2015, שקצף הולוגרפי מתאים בכל זאת לפיזור המיקומים שנמדדו של התפרצות קרני גמא בהירה במיוחד. הם מציגים זאת כדרך אחת לקרוא את הנתונים. השאלה אם השפעות הקצף יכולות להצטבר על פני מרחקים ארוכים שנויה במחלוקת כבר יותר מ-20 שנה.

מקורות

• NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum "Foam". NASA Chandra X-ray Center, 2015.
• New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations. Perlman et al., The Astrophysical Journal, 2015.
• The Great and the Small: Is Quantum Foam Losing its Fizz?. Eric Perlman, Chandra X-ray Center, 2015.
• BR 0331-1622: NASA Telescopes Set Limits on Space-time Quantum Foam. NASA Chandra X-ray Center, 2015.
• Holographic Quantum Foam: Theoretical Underpinnings and Observational Evidence. Steinbring and Ng, arXiv preprint for Proceedings of Science, 2026.
• Leading physicist John Wheeler dies at age 96. Princeton University, 2008.
• Planck length. NIST CODATA, 2022.
• Proton rms charge radius. NIST CODATA, 2022.
• Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
• Measuring the Universe. International Astronomical Union.