Тайният живот на абсолютната празнина

Наскоро учените, работещи под ръководството на Алфред Лайтенсторфер в университета на Констанц (Германия), публикуваха резултатите от експерименти, в които са успели да наблюдават квантови флуктуации на вакуума – процес на раждането и изчезването на частици, който постоянно протича дори в абсолютна празнина.

Как тези флуктуации са повлияли на структурата на Вселената и има ли практическа полза от тях, разказват съавторите на изследването Андрей Москаленко и Денис Селецки пред изданието „Чердак“.

Фотони във вакуумна опаковка

В обикновеното разбиране вакуумът е отсъствие на въздух. Или поне това имат предвид производителите на наденички и друга храна във вакуумна опаковка. Но физиците разбират под вакуум и нещо друго.

В своята работа Лайтенсторфер и колегите му наблюдавали флуктуации на вакуума по примера на фотоните. Фотоните са частици на електромагнитното поле и притежават енергия. Но ако постигнем в известен обем да имаме пълна тъмнина без нито един фотон, енергията на електромагнитното поле няма да бъде нулева.

Квантовият вакуум изобщо не е спокойна структура. В него постоянно се раждат фотони, които живеят много кратко време и изчезват пак така внезапно. Тези фотони се наричат виртуални, а постоянната и спонтанната им поява и изчезване се наричат квантови флуктуации.

Случайната структура на Вселената

Квантовите флуктуации са особено интересни с това, че може да са изиграли решаваща роля при формирането на Вселената след Големия взрив.

„Според инфлационния модел на Вселената в първите моменти след Големия взрив голямо количество енергия е било съсредоточено за кратко време в (казано условно) неголям обем. В такива условия квантовите флуктуации имат много голямо влияние, благодарение на тях веднага след Големия взрив се е формирала структурата на веществото – някъде то се е оказало повече, другаде – по-малко.

С разширението на Вселената тази структура се е „отпечатала“ в нееднородното разпределение на „класическото“ вещество (галактики, планети и ние с вас) в Космоса. Ако бихме могли да повторим Големия взрив, то, доколкото квантовите флуктуации са случайни, бихме получили друга структура на Вселената“, пояснява Селецки.

Следи от квантови флуктуации

За да „уловят“ квантови флуктуации във вакуум, Лайтенсторфер и колегите му използвали лазери със свръхкъси импулси, фокусирани в лъч с микронен размер.

„Насочихме свръхкъсите лазерни импулси в специален електрооптичен кристал и измерихме измененията на тяхната поляризация под действието на вакуума. Общо взето, поляризацията на фотона може да се представи в две състояния – условно може да се каже, че в едното фотоните се въртят надясно, а в другото – наляво. Ние подбирахме поляризацията на импулса така, че количеството „десни“ и „леви“ фотони да бъде еднакво. След това замеряхме разликата между тези състояния, тоест измененията на поляризацията след преминаване през кристала“, разказва Селецки.

Учените видели, че балансът между „десните“ и „левите“ фотони във всеки отделен случай малко се нарушава, макар че при измерването на голямо количество импулси количеството фотони от двата типа съвпадало.

„Ако нямахме никакви квантови взаимодействия, то количеството на „десните“ и „левите“ фотони на изхода би било винаги еднакво. При „включване“ на вакуума ще получим такава ситуация, в която, макар средно разликата в поляризационните състояния да остава равна на нула, нейните колебания значително се увеличават“, казва Селецки.

Учените „включвали“ и „изключвали“ вакуума чрез изменение на четиримерен обем пространство – времето, което отнемал фемтосекундният импулс при взаимодействие с вакуума.

При споменатата аналогия с Големия взрив, само че при малки обеми на измерваното пространство-време, физиците забелязали съществени колебания на сигнала, пряко свързани с флуктуациите на вакуума.

Както разказват изследователите, те получили най-различни отзиви на своята работа – от „Това не може да бъде!“ до „Това е напълно очевидно!“.

„Физиците са провели редица експерименти, в които резултатите съответстват на теоретичните предсказания – количествено и качествено – казва Александър Лвовски от Руския квантов център. – Разбира се, това може и да е резултат на съвпадение – такива случаи в историята на науката са много.

Съмнението е вечен спътник на науката, а когато става дума за нещо принципно ново, както в случая, то има особено право на съществуване. Разбира се, резултатите ще се препроверяват и подобряват – както от самия Лайтенсторфер, така и от други лаборатории. Но що се отнася до мен лично, то резултатите изглеждат съвсем убедителни.“

Свръхпроводимост и квантови компютри

Експериментите с квантови флуктуации имат и практическо приложение. При използването на този нов метод за пряко измерване на квантовите флуктуации на полето физиците се надяват да получат качествено нов поглед върху комплексните взаимодействия, протичащи в най-различни материали. Например тяхната методика може да помогне по-добре да се разбере физиката на високотемпературните свръхпроводници.

Известно е, че при температури под така наречената критична някои материали започват да пропускат ток без съпротивление, а това значи, че от тях може да се създават например проводници, които да предават ток на огромни разстояния без загуби.

От 60-те години на миналия век съществува теория, която точно описва взаимодействията, участващи в свръхпроводимостта. Едно от предсказанията на тази теория се заключава в това, че това екзотично състояние може да се получи при температура не повече от минус 240 градуса по Целзий. Но от средата на 80-те години учените са открили цял нов клас материали с критична температура, превишаваща минус 140 градуса по Целзий.

„В момента няма общоприета теория, която да описва формирането на високотемпературна свръхпроводимост, но ние знаем, че тя може да се обясни със сложните квантови взаимодействия между много компоненти. Например между електроните и кристалната решетка. И всички тези квантови взаимодействия, формиращи се на свръхкъси времеви интервали, са толкова преплетени помежду си, че „разплитането“ им е много сложно.

Ако успеем, то ще можем да разберем нещо ново за високотемпературната свръхпроводимост и начините за нейното постигане дори при стайна температура“, смята Москаленко.

Лвовски е на мнение, че от практическа гледна точка получените резултати може да се използват и в квантовите компютри и системите за връзка.

„Лайтенсторфер далеч не е първият, който е наблюдавал флуктуации на вакуума. Новината в неговия експеримент е в това, че ги е наблюдавал по нов, необичаен и интересен начин. Що се отнася до важността на измерването на флуктуациите на вакуума, правилно би било да се формулира въпросът така: колко е важно да умееш да измерваш напрегнатостта на електромагнитното поле с точност, превишаваща размера на вакуумните флуктуации?

Отговорът – това умение е принципно необходимо за цяла редица квантови технологии. Например то позволява точно да се измери квантовото състояние на светлината. Освен това в напрегнатостта на полето може да се кодира квантова информация за защитено предаване на разстояние, а също между регистрите на квантовия компютър, включително с различна физическа природа“, пояснява ученият.