How big is Piana kwantowa?

Piana kwantowa to proponowana struktura przestrzeni i czasu w najmniejszych możliwych skalach, w których przestrzeń i czas kłębiłyby się i fluktuowały, zamiast być gładkie. Nigdy nie zaobserwowano jej bezpośrednio, więc podane wyżej 9,3 × 10⁻³⁶ metra nie jest pomiarem. Ta liczba to 9,3 podzielone przez jedynkę z 36 zerami. Fizycy spodziewają się, że piana, o ile istnieje, ujawnia się w skali około długości Plancka. Ma ona 1,6 × 10⁻³⁵ metra, czyli około 1,7 raza więcej niż pokazana wartość.

Rozmiar

Czasoprzestrzeń to trzy wymiary przestrzeni razem z czasem. W każdej skali, którą można zmierzyć, wygląda na gładką. Jednak niektóre części mechaniki kwantowej, teorii wyjaśniającej atomy i cząstki, przewidują, że w znacznie mniejszych skalach nie pozostałaby gładka. Maleńkie obszary ciągle by się zmieniały, a przestrzeń i czas przestałyby mieć określone wartości.

Taka piana nie ma brzegu, który można zmierzyć, więc teorie podają zamiast tego skalę: odległość, przy której piana byłaby widoczna. NASA podaje, że wynosi ona około szerokości jądra atomu wodoru podzielonej przez 100 miliardów miliardów (10²⁰). Wychodzi z tego mniej więcej długość Plancka, czyli skala, w której oczekuje się, że kwantowe efekty grawitacji zaczną mieć znaczenie. Dokładna skala zależy od teorii, a fizycy nie mają jeszcze sprawdzonej teorii, która łączyłaby grawitację z mechaniką kwantową.

Porównania rozmiarów

Spodziewana skala piany jest mniej więcej taka sama jak długość Plancka, kolejny większy obiekt w eksploratorze.
Proton, który ma około 1,7 femtometra szerokości, jest około 100 miliardów miliardów (10²⁰) razy szerszy niż spodziewana skala piany. Femtometr to 10⁻¹⁵ metra.
Gdyby skalę piany powiększyć do szerokości ludzkiego włosa, czyli około 0,1 milimetra, proton miałby szerokość około roku świetlnego, czyli odległości, jaką światło pokonuje w ciągu roku.
Kwazary obserwowane przez obserwatorium Chandra w teście z 2015 roku, opisanym niżej, są oddalone o około 12 miliardów lat świetlnych. Ta odległość jest około 7 × 10⁶⁰ razy większa niż spodziewana skala piany, dlatego maleńkie efekty mogłyby się po drodze kumulować.

Skąd wzięła się ta idea

Fizyk John Wheeler z Uniwersytetu Princeton wymyślił pianę kwantową i jej nazwę. Mechanika kwantowa już wcześniej przewidywała, że cząstki mogą na krótko pojawiać się i znikać. Wheeler wyobrażał sobie coś więcej: samą czasoprzestrzeń ubitą w pianę zniekształconych form. Wheeler rozpowszechnił też termin „czarna dziura”.

Testowanie istnienia piany

Piana jest o wiele zbyt mała, by dało się ją zobaczyć bezpośrednio, więc astronomowie szukają jej wpływu na światło. Jeśli czasoprzestrzeń jest spieniona, odległość, jaką pokonuje światło, wahałaby się o niewielkie wartości. W niektórych modelach te wahania sumują się na przestrzeni miliardów lat świetlnych, aż odległe obiekty rozmyją się i znikną z pola widzenia.

W 2015 roku zespół pod kierunkiem Erica Perlmana z Florida Institute of Technology sprawdził to za pomocą kwazarów. Kwazar to bardzo jasny obiekt, którego energia pochodzi z materii spadającej w kierunku olbrzymiej czarnej dziury. Obserwatorium Rentgenowskie Chandra i Kosmiczny Teleskop Gamma Fermi należące do NASA oraz teleskopy VERITAS mimo to wyraźnie wykryły odległe kwazary. Zespół uznał, że wyklucza to dwa modele piany, w tym jeden nazywany pianą holograficzną.

Sprawa nie jest rozstrzygnięta. W artykule konferencyjnym z 2026 roku Eric Steinbring i Jack Ng (ten drugi był jednym z autorów pracy z 2015 roku) przekonywali, że piana holograficzna jednak pasuje do rozrzutu zmierzonych położeń niezwykle jasnego rozbłysku gamma. Przedstawiają to jako jeden ze sposobów odczytania danych. Czy efekty piany mogą narastać na dużych odległościach, jest przedmiotem debaty od ponad 20 lat.