Повелители пустоты: квантовые флуктуации вакуума

Что такое виртуальные частицы, откуда берется «белый шум» в приборах, как физики ловят неуловимые колебания вакуума, а также что общего у движения автомобилей по автостраде и «сжатого света» в электрооптическом кристалле, рассказывает Indicator.Ru.

Виртуальные частицы: круговорот смертей и рождений

Для упрощения мы привыкли называть вакуум пустотой, такое «абсолютное ничто», в котором нет реальных частиц и излучений. Внимательный читатель уже, вероятно, предположил, что слово «реальные» появилось здесь неспроста, и он прав. Существует и понятие «виртуальные частицы». Эти частицы, согласно квантовой теории поля, имеют все те же характеристики состояния, что и реальные (квантовые числа), но, в отличие от них, связь между энергией и импульсом у виртуальной частицы нарушена. Поэтому виртуальные частицы не могут, возникнув, прожить долго: сразу после рождения их ждет либо поглощение реальными, либо быстрое исчезновение.

Виртуальные частицы были сначала предсказаны в теории. Они были нужны этой теории для того, чтобы объяснить фундаментальные взаимодействия между реальными частицами. С помощью теории эти взаимодействия можно описать как обмен виртуальными частицами. В свою очередь, это помогает объяснить и испарение черных дыр по Хокингу, и выделение фотона при распаде возбужденного атома или ядра, и рождение пары частица-античастица, и другие эффекты, которым без квантовых флуктуаций просто неоткуда взяться.

Так вот, благодаря беспрестанному рождению и смерти виртуальных частиц и происходят квантовые флуктуации в вакууме — кратковременные колебания уровня энергии в единице объема пространства-времени. Зафиксировав эти колебания на фемтосекундных (одна фемтосекунда — это миллионная доля миллиардной доли секунды) временных отрезках, физики подтверждают, что даже в вакууме, который мы привыкли называть «абсолютной пустотой», существуют колебания либо электрического, либо магнитного поля — как следствие принципа неопределенности Гейзенберга, который гласит, что мы не можем измерить свойства обоих этих полей (также как и скорость и импульс частицы) одновременно и точно.

Поймать неуловимую рябь пустоты

Хотя квантовые флуктуации вакуума настолько малы, что даже само измерение их (которое в любом случае проводится с использованием других частиц) обычно оказывает на них влияние (и снова принцип неопределенности), зафиксировать их до недавнего времени удавалось лишь косвенно, в основном в виде статических явлений. Так, например, был обнаружен лэмбовский сдвиг (едва заметное расщепление энергетических уровней в атоме водорода, которые должны иметь одинаковую энергию) и эффект Казимира (притяжение между незаряженными проводящими поверхностями, чаще всего зеркально плоскими и параллельными), вызываемые квантовыми флуктуациями.

Однако в 2015 году группа физиков под руководством Альфреда Ляйтенсторфера из Университета Констанца, среди которых были и российские ученые Андрей Москаленко и Денис Селецкий, впервые смогла напрямую измерить колебания электромагнитного поля ваккума в терагерцовом диапазоне частот с помощью новейших лазерных установок, генерирующих сверхкороткие импульсы. Суть метода детектирования состоит в следующем: когда луч линейно поляризованной фемтосекундной пробы проходит сквозь электрооптический кристалл, его поляризация становится эллиптической при воздействии терагерцового вакуумного поля. По уровню эллиптичности и измеряли амплитуду вакуумных флуктуаций электрического поля. При этом, в отличие от дробового (фонового) шума — отклонений из-за неравномерности выделения электронов, вызывающего мельчайшие колебания уровня тока в приборах, которые порождают «снег» на экране телевизоров и «белый шум» радиостанций, дополнительный вклад от квантовых флуктуаций ожидался на уровне нескольких процентов, что и было экспериментально показано.

Вакуум волнуется — два

Однако статья о результатах этих экспериментов, опубликованная в Science, вызвала не только положительные отзывы: часть ученых, например физик из Йельского университета Стив Ламоро (один из первых уловивших тонкий эффект Казимира), считает что зафиксированные колебания могли быть рождены и в самом электрооптическом кристалле. В таком случае квантовые флуктуации поля вакуума тут не при чем.

В свежем исследовании, статья о котором опубликована в журнале Nature, та же группа ученых, подтверждая свои результаты, пошла дальше: в этот раз им удалось воздействовать на поведение электрического поля квантового вакуума во времени. Это воздействие породило отклонения от основного состояния пустоты — тех самых вакуумных флуктуаций, объясняемых в рамках квантовой теории света.

Проблема неточности измерений, вытекающая из принципа неопределенности Гейзенберга, состоит в том, что измерительный прибор сам воздействует на то, что измеряет, из-за чего невозможно одновременно определить и скорость, и положение объекта (или другие аналогичные пары величин) без погрешности. И если в нашем макромире мы легко пренебрегаем неточностями подобного рода из-за того, что погрешности приборов и наших органов чувств неизмеримо больше, в мире частиц подобная проблема чувствуется гораздо острее. Поэтому физики предложили фиксировать квантовую статистику (изучать свойства систем, состоящих из огромного числа частиц) во временном измерении, в отличие от традиционного подхода, когда рассматриваются частотные компоненты света. Для этого исследователям нужно было по 20 миллионов раз в секунду повторять измерения с помощью фемтосекундного лазера. «Мы можем анализировать квантовые состояния, не изменяя их в первом приближении», — поясняет Ляйтенсторфер. Этого можно достичь благодаря низкому уровню фонового шума от сверхкоротких лазерных импульсов.

Автомобильные пробки в вакууме

Сильно сфокусированные фемтосекундные импульсы могут изменить скорость света в определенном пространственно-временном сегменте электрооптического кристалла. В результате свет «сжимается» из-за перераспределения флуктуаций вакуумного поля. Ученые сравнивают этот эффект с затором на автостраде: когда машины едут медленнее на одном из участков дороги, в этом месте машины скапливаются, а уже выехавшие из пробки движутся более разреженно. Так и уровень квантовых флуктуаций до этого участка увеличивается, но в итоге в другом месте возникает его уменьшение.

Однако аналогия неполна: если число машин в норме постоянно, хоть в пробке они стоят, хоть едут, амплитуды квантового шума меняются несколько по другим правилам. Если «сжатие» умеренное, временная структура шума симметрично распределяется относительно вакуумного уровня, но если сжимать интенсивнее, дальнейшее понижение уровня шума идет медленнее. А вот накапливающийся несколькими фемтосекундами позже избыточный шум, напротив, вследствие принципа неопределенности растет нелинейно.

Остается до конца неясным, не было ли это измерение, которое в первом приближении, казалось бы, абсолютно не влияет на измеряемый объект и, следовательно, не искажает результат, на самом деле «слабым измерением» (когда фиксирующий прибор взаимодействует с объектом слабо и поэтому оказывает только малое воздействие на измеряемый квантовый объект). Это затрагивает и другие неразрешенные вопросы физики, например, что на самом деле представляет собой фотон: квантованный пакет энергии или меру локальной квантовой статистики электромагнитных полей в пространстве-времени (авторы исследования придерживаются последней версии).

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.