05.10.2015

Как дрожит вакуум

Немецкие и российские ученые из университета в Германии измерили то, о чем раньше лишь рассуждали физики-теоретики. В ходе эксперимента им впервые удалось измерить колебания вакуума.

Какими свойствами обладает вакуум – «абсолютное ничто»? До сих пор физики исходили из того, что свойства этого «ничто», то есть основного состояния пустого пространства, невозможно измерить напрямую. Однако ученым из лаборатории профессора Альфреда Ляйтенсторфера из Университета города Констанца в Германии именно это удалось сделать при использовании передовой в мире оптической техники.

С помощью световых импульсов длительностью менее чем половина периода световой волны в исследуемом спектральном диапазоне они смогли пронаблюдать вакуумные флуктуации.

Эти поля существуют даже в пустоте при абсолютной темноте, то есть даже в отсутствие светового излучения и радиоволн. Результаты исследования, в котором принимали участие российские ученые, имеют фундаментальное значение для дальнейшего развития квантовой физики. Их работа опубликована в пятничном выпуске научного журнала Science.

В теории о существовании вакуумных флуктуаций было известно давно. Именно на постоянном рождении частиц и античастиц построена знаменитая теория испарения черных дыр, предложенная известным британским астрофизиком Стивеном Хокингом.

Эти флуктуации, связанные с рождением и аннигиляцией виртуальных частиц, следуют из принципа неопределенности Гайзенберга, который гласит, что электрическое и магнитное поля излучения никогда не могут полностью пропадать одновременно. Поэтому даже если свет и радиоволны находятся в основном состоянии и мы имеем полную темноту, в любом объеме пространства все равно присутствуют конечные колебания электромагнитного поля.

Однако до последнего времени непосредственное экспериментальное наблюдение этого фундаментального явления не считалось возможным. Ученые исходили из того, что вакуумные флуктуации всегда проявляют себя в природе опосредованно, приводя к широкому спектру эффектов. Например, в виде спонтанного излучения света возбужденными атомами в люминесцентной лампе или влияния на структуру Вселенной еще в момент большого взрыва.

При помощи экспериментальной установки, способной производить измерения электрических полей со сверхвысокими временным разрешением и чувствительностью, удалось впрямую детектировать вакуумные флуктуации, несмотря на все существующие теоретические ограничения. Основу для этого заложили ведущие в мире оптические технологии и специальные лазерные установки по генерации сверхкоротких импульсов излучения высочайшей стабильности, созданные группой исследователей Университета Констанца, международной командой ученых.

Кроме того, ими было разработано теоретическое описание полученных результатов на основе квантовой теории поля.

Временное разрешение, использованное в эксперименте, лежит в фемтосекундном диапазоне — миллионных долей одной миллиардной секунды.

Измерения производились с чувствительностью, ограниченной лишь квантовой природой поля. «При помощи такой экстремальной точности мы можем впервые непосредственно наблюдать, что мы постоянно окружены полями электромагнитных вакуумных флуктуаций», — заключает Альфред Ляйтенсторфер, соавтор работы.

«Удивительным с точки зрения науки в наших экспериментах является то, что мы получаем прямой доступ к основному состоянию квантовой системы без его изменения, например усиления какой-либо интенсивности», — объясняет Ляйтенсторфер, который не скрывает, что сам удивлен положительными результатами эксперимента.

«Это стоило нам пары лет бессонных ночей, так как необходимо было исключить любую возможность вероятных паразитных сигналов», — усмехается ученый. «В общем, можно заключить, что имеющийся у нас доступ к сверхкоротким интервалам времени короче периода колебаний изучаемых световых волн является ключом к пониманию тех поразительных возможностей, которые открывает наш эксперимент», — добавил он.

Однако не все специалисты по квантовой физике уверены в том, что ученым удалось измерить именно колебания вакуума. По мнению физика Стива Ламоро из Йельского университета, не участвовашего в исследовании, измеренные флуктуации могли быть рождены в так называемом электрооптическом кристалле, сквозь который в установке проходил свет. А эти колебания могут иметь вовсе не квантовую, а, например, тепловую природу.

Именно Ламоро был одним из тех, кто первыми зафиксировал тонкий эффект Казимира — макроскопическое следствие колебаний вакуума. «Свойства материала могут флуктуировать сами по себе. Поэтому как отнести эти флуктуации к одним только колебаниям вакуума?», — задается вопросом физик.

Доронин Федор Александрович

Источники:

1. nanometer.ru