Saskaņā ar kvantu mehāniku vakuums nav tikai tukša telpa. Faktiski tas ir piepildīts ar kvantu enerģiju un daļiņām, sīkas daļiņas, kas pastāvīgi parādās un pazūd tāpat, atstājot taku signālu formā, ko mēs saucam par kvantu svārstībām. Gadu desmitiem šīs svārstības pastāvēja tikai mūsu kvantu teorijās, līdz 2015. gadā pētnieki paziņoja, ka tās ir tieši atklājuši un noteikuši. Un tagad tā pati zinātnieku komanda apgalvo, ka ir daudz progresējusi savos pētījumos - viņi paši varēja manipulēt ar vakuumu un noteikt šo noslēpumaino signālu izmaiņas no tukšuma.
Šeit mēs ieejam augsta līmeņa fizikas teritorijā, bet vēl svarīgāk, ja tiek apstiprināti eksperimenta rezultāti, par kuriem šodien runāsim, tad ir pilnīgi iespējams, ka tas nozīmēs, ka zinātnieki ir atklājuši jaunu veidu, kā novērot, mijiedarboties un praktiski pārbaudīt kvantu realitāti, netraucējot. viņu. Pēdējais ir īpaši svarīgs, jo viena no lielākajām kvantu mehānikas problēmām - un mūsu izpratne par to - ir tā, ka katru reizi, kad mēģināsim izmērīt vai pat vienkārši novērot kvantu sistēmu, mēs to iznīcināsim ar šīs ietekmes palīdzību. Kā jūs varat iedomāties, tas īsti neatbilst mūsu vēlmei uzzināt, kas īsti notiek šajā kvantu pasaulē.
Un tieši no šī brīža kvantu vakuums nonāk glābšanā. Bet pirms pāriešanas īsi atcerēsimies, kas ir vakuums no klasiskās fizikas viedokļa. Šeit viņš attēlo telpu, kurā pilnīgi nav nekādu matēriju un kura satur vismazākās enerģijas. Šeit nav daļiņu, kas nozīmē, ka nekas nevar traucēt vai izkropļot tīru fiziku.
Viens no secinājumiem par vienu no kvantu mehānikas pamatprincipiem - Heizenberga nenoteiktības principu - nosaka robežas kvantu daļiņu novērošanas precizitātei. Arī saskaņā ar šo principu vakuums nav tukša vieta. Tas ir piepildīts ar enerģiju, kā arī ar antidaļiņu daļiņu pāriem, kas nejauši parādās un pazūd. Šīs daļiņas ir “virtuālas”, nevis fiziski materiālas, tāpēc jūs tās nevarat atklāt. Bet, kaut arī tie paliek neredzami, tāpat kā vairums kvantu pasaules objektu, tie ietekmē arī reālo pasauli.
Šīs kvantu svārstības rada nejauši svārstīgus elektriskos laukus, kas var darboties elektroniem. Un tieši pateicoties šim efektam zinātnieki pirmo reizi netieši pierādīja savu eksistenci 1940. gados.
Turpmākajās desmitgadēs tas palika vienīgais, ko mēs zinājām par šīm svārstībām. Tomēr 2015. gadā fiziķu grupa Alfrēda Leitenstorfera vadībā no Konstancas universitātes Vācijā sacīja, ka viņi var tieši noteikt šīs svārstības, novērojot to ietekmi uz gaismas vilni. Zinātnieku darba rezultāti tika publicēti žurnālā Science.
Savā darbā zinātnieki izmantoja īsviļņu lāzera impulsus, kas ilga tikai dažas femtosekundēs un kurus viņi nosūtīja vakuumā. Pētnieki sāka pamanīt smalkas gaismas polarizācijas izmaiņas. Pēc pētnieku domām, šīs izmaiņas tieši izraisīja kvantu svārstības. Novērojumu rezultāts noteikti izraisīs polemiku vairāk nekā vienu reizi, taču zinātnieki nolēma savu eksperimentu novirzīt jaunā līmenī, "saspiežot" vakuumu. Bet arī šoreiz viņi sāka novērot dīvainas izmaiņas kvantu svārstībās. Izrādās, ka šis eksperiments ne tikai izrādījās kārtējais šo kvantu svārstību esamības apstiprinājums - šeit mēs jau varam runāt par faktu, ka zinātnieki ir atklājuši veidu, kā novērot eksperimenta gaitu kvantu pasaulē, neietekmējot gala rezultātu,kas jebkurā citā gadījumā iznīcinātu novērotā objekta kvantu stāvokli.
“Mēs varam analizēt kvantu stāvokļus, tos nemainot pirmajā novērojumā,” komentē Leitenstorferis.
Reklāmas video:
Parasti, kad vēlaties izsekot kvantu svārstību ietekmei uz konkrētu gaismas daļiņu, vispirms ir jāidentificē un jāizolē šīs daļiņas. Tas, savukārt, noņems šo fotonu "kvantu parakstu". Līdzīgu eksperimentu 2015. gadā veica zinātnieku komanda.
Jaunā eksperimenta ietvaros pētnieki tā vietā, lai novērotu kvantu svārstību izmaiņas, absorbējot vai pastiprinot gaismas fotonus, pētīja pašu gaismu laika izteiksmē. Tas var izklausīties dīvaini, bet vakuumā telpa un laiks darbojas tādā veidā, ka, uzreiz ievērojot vienu, jūs varat uzzināt vairāk par otru. Veicot šādu novērojumu, zinātnieki ir noskaidrojuši, ka tad, kad vakuums ir "saspiests", šī "saspiešana" notika tieši tāpat kā tas notiek, kad balons tiek saspiests, un to pavada tikai kvantu svārstības.
Kādā brīdī šīs svārstības kļuva spēcīgākas par nesaspiestā vakuuma fona troksni, un dažās vietās, gluži pretēji, tās bija vājākas. Leitenstorfer sniedz analoģiju par sastrēgumu, kas pārvietojas pa šauru ceļa vietu: laika gaitā automašīnas to joslās aizņem vienu un to pašu joslu, lai izspiestu cauri šaurajai telpai, un pēc tam atgriežas savās joslās. Zināmā mērā, pēc zinātnieku novērojumiem, tas pats notiek vakuumā: vakuuma saspiešana vienā vietā noved pie kvantu svārstību izmaiņu izplatīšanas citās vietās. Un šīs izmaiņas var vai nu paātrināties, vai arī palēnināties.
Šo efektu var izmērīt telpas laikā, kā parādīts diagrammā zemāk. Parabola attēla centrā attēlo "saspiešanas" punktu vakuumā:
Šīs saspiešanas rezultāts, kā redzams tajā pašā attēlā, ir zināma svārstību "pazemināšanās". Ne mazāk pārsteidzoši zinātniekiem bija novērojums, ka svārstību jaudas līmenis dažās vietās bija zemāks par fona trokšņu līmeni, kas, savukārt, ir zemāks nekā tukšās vietas zemes stāvoklis.
"Tā kā jaunā mērīšanas metode neietver fotonu uztveršanu vai pastiprināšanu, pastāv iespēja tieši atklāt un novērot elektromagnētisko fona troksni vakuumā, kā arī pētnieku radītās kontrolētās stāvokļu novirzes," teikts pētījumā.
Pētnieki šobrīd pārbauda savas mērīšanas metodes precizitāti un mēģina izdomāt, ko tā faktiski var darīt. Neskatoties uz jau vairāk nekā iespaidīgajiem šī darba rezultātiem, joprojām pastāv iespēja, ka zinātnieki ir nākuši klajā ar tā dēvēto "nepārliecinošo mērīšanas metodi", kas, iespējams, ir spējīga nepārkāpt objektu kvantu stāvokļus, bet tajā pašā laikā nespēj zinātniekiem pateikt vairāk par vienu vai otru kvantu sistēmu.
Ja metode darbojas, tad zinātnieki vēlas to izmantot, lai izmērītu "gaismas kvantu stāvokli" - gaismas neredzamo uzvedību kvantu līmenī, ko mēs tikai sākam saprast. Tomēr turpmākam darbam nepieciešama papildu pārbaude - Konstances universitātes pētnieku grupas atklāšanas rezultātu atkārtošana un tādējādi jāpierāda piedāvātās mērīšanas metodes piemērotība.
NIKOLAY KHIZHNYAK
