I følge kvantemekanikk er vakuum ikke bare tom plass. Faktisk er den fylt med kvanteenergi og partikler, bittesmå partikler som fortsetter å vises og forsvinne akkurat slik, og etterlater seg et spor i form av signaler som vi kaller kvantesvingninger. I flere tiår eksisterte disse svingningene bare i kvanteteoriene våre, til forskere i 2015 kunngjorde at de direkte hadde oppdaget og bestemt dem. Og nå hevder det samme teamet av forskere at de har kommet langt videre i forskningen sin - de var i stand til å manipulere vakuumet selv og bestemme endringene i disse mystiske signalene fra tomrommet.
Her kommer vi inn på territoriet til fysikk på høyt nivå, men enda viktigere, hvis resultatene av eksperimentet som vi skal snakke om i dag, blir bekreftet, er det ganske mulig at dette vil bety at forskere har oppdaget en ny måte å observere, samhandle og praktiske tester av kvantevirkeligheten uten å blande seg inn i henne. Det siste er spesielt viktig fordi et av de største problemene innen kvantemekanikk - og vår forståelse av det - er at hver gang vi prøver å måle eller til og med bare observere et kvantesystem, vil vi ødelegge det av denne påvirkningen. Som du kan forestille deg, stemmer ikke dette virkelig med vårt ønske om å finne ut hva som virkelig foregår i denne kvanteverdenen.
Og det er fra dette øyeblikket kvantevakuumet kommer til unnsetning. Men før vi går videre, la oss kort huske hva et vakuum er fra synspunktet til klassisk fysikk. Her representerer han et rom fullstendig blottet for enhver materie og inneholder energier i de laveste størrelser. Det er ingen partikler her, noe som betyr at ingenting kan forstyrre eller forvrenge ren fysikk.
En av konklusjonene til et av de mest grunnleggende prinsippene for kvantemekanikk - Heisenbergs usikkerhetsprinsipp - setter en grense for nøyaktigheten av observasjon av kvantepartikler. I henhold til dette prinsippet er ikke vakuumet tomt rom. Den er fylt med energi, så vel som par partikkelpartikler som vises og forsvinner tilfeldig. Disse partiklene er "virtuelle" i stedet for fysisk materiale, og det er derfor du ikke kan oppdage dem. Men selv om de forblir usynlige, som de fleste objekter i kvanteverdenen, påvirker de også den virkelige verden.
Disse kvantumsvingningene skaper tilfeldig svingende elektriske felt som kan virke på elektroner. Og det er takket være denne effekten at forskere først indirekte demonstrerte sin eksistens på 1940-tallet.
I løpet av tiårene etter var dette det eneste vi visste om disse svingningene. Imidlertid sa en gruppe fysikere ledet av Alfred Leitenstorfer ved Universitetet i Konstanz i Tyskland i 2015 at de var i stand til å direkte bestemme disse svingningene ved å observere effekten på en lysbølge. Resultatene fra forskernes arbeid ble publisert i tidsskriftet Science.
I sitt arbeid brukte forskerne kortbølgelaserpulser som bare varte noen få femtosekunder, som de sendte i vakuum. Forskere begynte å merke subtile endringer i polarisering av lys. I følge forskerne var disse endringene direkte forårsaket av kvantumsvingninger. Resultatet av observasjonene vil sikkert føre til kontrovers mer enn en gang, men forskerne bestemte seg for å ta eksperimentet sitt til et nytt nivå ved å "komprimere" vakuumet. Men også denne gangen begynte de å observere rare forandringer i kvantumsvingninger. Det viser seg at dette eksperimentet ikke bare viste seg å være en annen bekreftelse på eksistensen av disse kvantesvingningene - her kan vi allerede snakke om det faktum at forskere har oppdaget en måte å observere forløpet til et eksperiment i kvanteverdenen uten å påvirke det endelige resultatet.som i alle andre tilfeller vil ødelegge kvantetilstanden til det observerte objektet.
"Vi kan analysere kvantetilstander uten å endre dem ved den første observasjonen," kommenterer Leitenstorfer.
Salgsfremmende video:
Når du vil spore effekten av kvantumsvingninger på en bestemt lyspartikkel, må du vanligvis oppdage og isolere disse partiklene. Dette vil igjen fjerne "kvantesignaturen" til disse fotonene. Et lignende eksperiment ble utført av et team av forskere i 2015.
Som en del av det nye eksperimentet, i stedet for å observere endringer i kvantumsvingninger ved å absorbere eller forsterke fotoner av lys, observerte forskerne selve lyset med tanke på tid. Det høres kanskje rart ut, men i et vakuum fungerer rom og tid på en slik måte at å observere den ene umiddelbart lar deg lære mer om den andre. Ved å gjøre en slik observasjon fant forskerne at når vakuumet ble "komprimert", skjedde denne "komprimeringen" nøyaktig det samme som det skjer når en ballong komprimeres, bare ledsaget av kvantumsvingninger.
På et tidspunkt ble disse svingningene sterkere enn bakgrunnsstøyen i det ukomprimerte vakuumet, og noen steder, tvert imot, de var svakere. Leitenstorfer gir en analogi av et trafikkork som beveger seg gjennom en smal plass på veien: over tid inntar biler i banene deres den samme banen for å presse seg gjennom det trange rommet, og deretter kjøre tilbake til banene. I følge en viss grad, ifølge observasjoner fra forskere, skjer det samme i et vakuum: komprimering av et vakuum på ett sted fører til en fordeling av endringer i kvantumsvingninger andre steder. Og disse endringene kan enten akselerere eller bremse.
Denne effekten kan måles i romtid, som vist i grafen nedenfor. Parabolen i midten av bildet representerer poenget med "komprimering" i vakuum:
Resultatet av denne komprimeringen, som det kan sees i det samme bildet, er noe "innsynkning" i svingningene. Ikke mindre overraskende for forskere var observasjonen at strømnivået til svingningene noen steder var lavere enn bakgrunnsstøynivået, som igjen er lavere enn nivået i bakkenes tilstand.
"Siden den nye målemetoden ikke involverer fangst eller forsterkning av fotoner, er det muligheten for direkte å oppdage og observere den elektromagnetiske bakgrunnsstøyen i et vakuum, så vel som kontrollerte avvik fra tilstander skapt av forskerne," sier studien.
Forskere tester for tiden nøyaktigheten av målemetoden sin og prøver å finne ut hva den faktisk kan gjøre. Til tross for de allerede mer enn imponerende resultatene av dette arbeidet, er det fortsatt en mulighet for at forskere har kommet frem til en såkalt "overbevisende målemetode", som kanskje ikke er i stand til å krenke objektenes kvantetilstander, men samtidig ikke er i stand til å fortelle forskere mer om ett eller annet kvantesystem.
Hvis metoden fungerer, vil forskere bruke den til å måle "kvantetilstanden for lys" - den usynlige oppførselen til lys på kvantenivå som vi nettopp begynner å forstå. Imidlertid krever ytterligere arbeid ytterligere verifisering - replikering av resultatene av oppdagelsen av et team av forskere fra University of Constance og derved demonstrere egnetheten til den foreslåtte målemetoden.
NIKOLAY KHIZHNYAK
