How big is Квантова піна?

Квантова піна — це запропонована структура простору й часу на найменших масштабах, де вони вирували б і коливалися, а не були гладкими. Її ніколи не спостерігали безпосередньо, тому значення 9,3 × 10⁻³⁶ метра, показане вгорі, не є результатом вимірювання. Це число — 9,3, поділене на одиницю з 36 нулями. Фізики очікують, що піна, якщо вона існує, проявляється приблизно на рівні довжини Планка, яка становить 1,6 × 10⁻³⁵ метра. Це приблизно в 1,7 раза більше за показане вгорі значення.

Розмір

Простір-час — це три виміри простору разом із часом. На всіх масштабах, які можна виміряти, він здається гладким. Але частини квантової механіки, теорії, що пояснює атоми й частинки, передбачають, що на значно менших масштабах він не залишався б гладким. Крихітні ділянки постійно змінювалися б, а простір і час перестали б мати визначені значення.

Така піна не має краю, який можна було б виміряти, тож теорії дають натомість масштаб — відстань, на якій піна виявилася б. За оцінкою NASA, цей масштаб дорівнює приблизно ширині ядра атома водню, поділеній на 100 мільярдів мільярдів (10²⁰). Це дає приблизно довжину Планка — масштаб, на якому, як очікують, стають важливими квантові ефекти гравітації. Точний масштаб залежить від теорії, а перевіреної теорії, що поєднувала б гравітацію з квантовою механікою, фізики поки не мають.

Порівняння розмірів

• Очікуваний масштаб піни приблизно такий самий, як довжина Планка, наступний більший об’єкт на цьому сайті.
• Протон завширшки близько 1,7 фемтометра приблизно в 100 мільярдів мільярдів (10²⁰) разів ширший за очікуваний масштаб піни. Фемтометр — це 10⁻¹⁵ метра.
• Якби масштаб піни збільшили до ширини людської волосини, близько 0,1 міліметра, протон мав би в поперечнику приблизно один світловий рік. Світловий рік — це відстань, яку світло проходить за один рік.
• Квазари, які «Чандра» спостерігала під час перевірки 2015 року, описаної нижче, перебувають на відстані приблизно 12 мільярдів світлових років. Ця відстань приблизно в 7 × 10⁶⁰ разів більша за очікуваний масштаб піни, тому крихітні ефекти могли б накопичуватися дорогою.

Звідки виникла ідея

Квантову піну та її назву вигадав фізик Джон Вілер із Прінстонського університету. Квантова механіка вже передбачала, що частинки можуть ненадовго виникати й зникати. Вілер уявляв щось більше: сам простір-час, збитий у піну зі спотворених форм. Вілер також зробив відомим термін «чорна діра».

Як перевіряють наявність піни

Піна надто мала, щоб її побачити безпосередньо, тож астрономи шукають її вплив на світло. Якщо простір-час пінистий, відстань, яку проходить світло, коливалася б на крихітні величини. У деяких моделях ці коливання накопичуються протягом мільярдів світлових років, аж поки далекі об’єкти не розмиються так, що їх більше не видно.

У 2015 році група під керівництвом Еріка Перлмана з Флоридського технологічного інституту перевірила це на квазарах. Квазар — дуже яскравий об’єкт, який живиться речовиною, що падає до гігантської чорної діри. Рентгенівська обсерваторія NASA «Чандра», космічний гамма-телескоп NASA «Фермі» та телескопи VERITAS усе ж чітко виявили далекі квазари. Група дійшла висновку, що це виключило дві моделі піни, зокрема одну, яку називають голографічною піною.

Питання не вирішене. У праці для конференції 2026 року Ерік Стайнбрінг і Джек Нг, один з авторів 2015 року, стверджували, що голографічна піна все-таки узгоджується з розкидом виміряних положень надзвичайно яскравого гамма-спалаху. Вони подають це як один зі способів прочитати дані. Питання про те, чи можуть ефекти піни накопичуватися на великих відстанях, обговорюють понад 20 років.

Джерела

• 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.