Физики заглянули в «полную пустоту» и доказали, что в ней кое-что есть

Согласно квантовой механике, вакуум – не просто пустое пространство. На самом деле он наполнен квантовой энергией и частицами, крошечными частицами, постоянно появляющимися и так же исчезающими и оставляющими после себя след в виде сигналов, которые мы называем квантовыми флуктуациями. Десятилетиями эти флуктуации существовали только в наших квантовых теориях, пока в 2015 году исследователи не объявили о том, что напрямую их обнаружили и определили. А сейчас та же команда ученых заявляет, что продвинулась в своих исследованиях гораздо дальше и смогла провести манипуляции с самим вакуумом и определить изменения в этих загадочных сигналах из пустоты.

Здесь мы вступаем на территорию высокоуровневой физики, но что более важно, если результаты эксперимента, о котором мы сегодня поговорим, подтвердятся, то, вполне возможно, это будет означать, что ученые открыли новый способ наблюдения, взаимодействия и практических проверок квантовой реальности без вмешательства в нее. Последнее особенно важно, так как одной из самых больших проблем квантовой механики – и нашего ее понимания – является то, что каждый раз, когда мы будем пытаться измерить или даже просто провести наблюдение за квантовой системой, этим воздействием мы будем ее уничтожать. Как вы понимаете, это не слишком вяжется с нашим желанием узнать, что же на самом деле происходит в этом квантовом мире.

И именно с этого момента в помощь приходит квантовый вакуум. Но перед тем, как двигаться дальше, давайте кратко вспомним, что такое вакуум с точки зрения классической физики. Здесь он представляет собой пространство, полностью лишенное какой-либо материи и содержащий энергии самых низших величин. Здесь нет частиц, а значит ничто не способно помешать или исказить чистую физику.

Один из выводов одного из наиболее фундаментальных принципов квантовой механики – принципа неопределенности Гейзенберга – устанавливает предел точности наблюдения за квантовыми частицами. Также согласно этому принципу вакуум не является пустым пространством. Он заполнен энергией, а также парами из частиц-античастиц, появляющихся и исчезающих случайным образом. Эти частицы скорее «виртуальны», чем физически материальны, и именно поэтому вы не можете их обнаружить. Но даже несмотря на то, что они остаются невидимыми, как и большинство объектов квантового мира, они тоже оказывают воздействие на реальный мир.

Эти квантовые флуктуации создают флуктуирующие случайным образом электрические поля, способные воздействовать на электроны. И именно благодаря этому их воздействию ученые впервые непрямым образом продемонстрировали их существование в 1940-х годах.

В течение последующих десятилетий это оставалось единственным, что нам было известно об этих флуктуациях. Однако в 2015 году группа физиков, работавшая под руководством Альфреда Ляйтенсторфера из Констанцского университета в Германии, заявила, что смогла напрямую определить эти флуктуации путем наблюдения за их воздействием на световую волну. Результаты работы ученых были опубликованы в журнале Science.

В своей работе ученые использовали коротковолновые лазерные импульсы продолжительностью всего несколько фемтосекунд, которые они направляли в вакуум. Исследователи стали отмечать едва заметные изменения в поляризации света. По мнению исследователей, эти изменения были напрямую вызваны квантовыми флуктуациями. Результат наблюдений наверняка еще не раз вызовет споры, однако ученые решили вывести свой эксперимент на новый уровень путем «сжатия» вакуума. Но и в этот раз они стали наблюдать странные изменения в квантовых флуктуациях. Получается, что этот эксперимент не просто оказался еще одним подтверждением существования этих квантовых флуктуаций, — здесь уже может идти речь о том, что ученые открыли способ наблюдения за ходом эксперимента в квантовом мире без воздействия на конечный результат, что в любом другом случае уничтожило бы квантовое состояние наблюдаемого объекта.

«Мы можем анализировать квантовые состояния без их изменения при первом же наблюдении», — комментирует Ляйтенсторфер.

Как правило, когда вы хотите проследить за воздействием квантовых флуктуаций на конкретно взятые частицы света, вам сперва необходимо обнаружить и выделить эти частицы. Это, в свою очередь, удалит «квантовую подпись» этих фотонов. Аналогичный эксперимент проводила команда ученых и в 2015 году.

В рамках же нового эксперимента вместо наблюдения за изменениями в квантовых флуктуациях путем абсорбирования или усиления фотонов света исследователи вели наблюдение за самим светом с точки зрения времени. Может прозвучать странным, но в вакууме пространство и время действуют таким образом, что наблюдение за одним сразу же позволяет побольше узнать и о другом. Ведя такое наблюдение, ученые обнаружили, что при «сжатии» вакуума это «сжатие» происходило ровным счетом так же, как это происходит при сжатии воздушного шарика, только в сопровождении квантовых флуктуаций.

В какой-то момент эти флуктуации стали сильней, чем фоновой шум несжатого вакуума, а в некоторых местах, наоборот, слабее. Ляйтенсторфер приводит в качестве аналогии автомобильную пробку, двигающуюся через узкое пространство дороги: со временем автомобили, стоящие в своих полосах, занимают одну и ту же полосу, чтобы протиснуться сквозь узкое место, а затем снова разъезжаются по своим полосам. Тоже самое в определенной степени, согласно наблюдениям ученых, происходит и в вакууме: сжатие вакуума в одном месте приводит к распределению изменений квантовых флуктуаций в других местах. И эти изменения могут либо ускоряться, либо замедляться.

Этот эффект может быть измерен в пространственно-временном разрезе, как это показано на графике ниже. Парабола в центре изображения отображает точку «сжатия» в вакууме:

Результатом этого сжатия, как можно видеть на том же изображении, являются некоторые «проседания» во флуктуациях. Не менее удивительным для ученых оказалось и наблюдение того, что уровень мощности флуктуации в некоторых местах оказался ниже уровня фонового шума, который, в свою очередь, ниже, чем у основного состояния пустого пространства.

«Поскольку новый метод измерения не подразумевает захват или усиление фотонов, существует вероятность прямого определения и наблюдения за электромагнитным фоновым шумом в вакууме, а также контролируемых девиаций состояний, созданных исследователями», — говорится в исследовании.

В настоящий момент исследователи проверяют точность своего метода измерений, а также пытаются разобраться в том, на что он реально способен. Несмотря на уже более чем впечатляющие результаты этой работы, по-прежнему существует вероятность того, что ученые пришли к называемому «неубедительному методу измерения», который, возможно, и способен не нарушать квантовые состояния объектов, но в то же время не способен рассказать ученым больше о той или иной квантовой системе.

Если метод действительно окажется рабочим, то ученые хотят использовать его для измерения «квантового состояния света» — невидимого поведения света на квантовом уровне, которое мы только-только начинаем понимать. Однако для дальнейшей работы необходима дополнительная проверка – репликация результатов открытия команды исследователей из Констанцского университета и тем самым демонстрация пригодности предложенного метода измерений.