Според квантовата механика вакуумът не е просто празно пространство. Всъщност той е изпълнен с квантова енергия и частици, мънички частици, които постоянно се появяват и изчезват точно така, оставяйки след себе си следа под формата на сигнали, които наричаме квантови колебания. От десетилетия тези колебания съществуват само в нашите квантови теории, докато през 2015 г. изследователите не обявиха, че са ги открили директно и определили. И сега същият екип от учени твърди, че те са напреднали много по-далеч в своите изследвания - те са били в състояние да манипулират самия вакуум и да определят промените в тези мистериозни сигнали от празнотата.
Тук навлизаме на територията на физиката на високо ниво, но по-важното е, че ако резултатите от експеримента, за който ще говорим днес, са потвърдени, тогава е напълно възможно това да означава, че учените са открили нов начин за наблюдение, взаимодействие и практически тестове на квантовата реалност, без да се намесват в си. Последното е особено важно, защото един от най-големите проблеми в квантовата механика - и нашето разбиране за него - е, че всеки път, когато се опитаме да измерим или дори просто да наблюдаваме квантова система, ние ще я унищожим от това влияние. Както можете да си представите, това всъщност не отговаря на желанието ни да разберем какво наистина се случва в този квантов свят.
И именно от този момент квантовият вакуум идва на помощ. Но преди да продължим, нека да припомним накратко какво е вакуум от гледна точка на класическата физика. Тук той представлява пространство, напълно лишено от всякаква материя и съдържащо енергии от най-ниските величини. Тук няма частици, което означава, че нищо не може да пречи или да изкриви чистата физика.
Един от изводите на един от най-фундаменталните принципи на квантовата механика - принципът на несигурността на Хайзенберг - поставя граница на точността на наблюдение на квантовите частици. Също така, според този принцип, вакуумът не е празно пространство. Той е изпълнен с енергия, както и двойки античастици, които се появяват и изчезват произволно. Тези частици са "виртуални", а не физически материални, поради което не можете да ги откриете. Но въпреки че остават невидими, като повечето обекти в квантовия свят, те също влияят на реалния свят.
Тези квантови колебания създават произволно колебаещи се електрически полета, които могат да действат на електрони. И именно благодарение на този ефект учените за първи път косвено демонстрират съществуването си през 40-те години.
През следващите десетилетия това остава единственото нещо, което знаехме за тези колебания. Въпреки това през 2015 г. група физици, водени от Алфред Лайтенсторфер от университета в Констанц в Германия, заявиха, че са успели директно да определят тези колебания, наблюдавайки ефекта им върху светлинна вълна. Резултатите от работата на учените бяха публикувани в списание Science.
В своята работа учените са използвали късо вълнови лазерни импулси с продължителност само няколко фемтосекунди, които са изпратили във вакуум. Изследователите започнаха да забелязват фини промени в поляризацията на светлината. Според изследователите тези промени са били пряко причинени от квантовите колебания. Резултатът от наблюденията със сигурност ще предизвика спорове повече от веднъж, но учените решиха да изведат експеримента си на ново ниво, като „компресират“вакуума. Но и този път те започнаха да наблюдават странни промени в квантовите колебания. Оказва се, че този експеримент не само се оказа поредното потвърждение за съществуването на тези квантови колебания - тук вече можем да говорим за факта, че учените са открили начин да наблюдават хода на експеримент в квантовия свят, без да се отразява на крайния резултат.което във всеки друг случай би унищожило квантовото състояние на наблюдавания обект.
„Ние можем да анализираме квантовите състояния, без да ги променяме при първото наблюдение“, коментира Лайтенсторфер.
Промоционално видео:
Обикновено, когато искате да проследите ефекта на квантовите колебания върху определена частица светлина, първо трябва да откриете и изолирате тези частици. Това от своя страна ще премахне „квантовия подпис“на тези фотони. Подобен експеримент беше проведен от екип учени през 2015 г.
Като част от новия експеримент, вместо да наблюдават промените в квантовите колебания чрез абсорбиране или усилване на фотони светлина, изследователите наблюдават самата светлина по отношение на времето. Може да звучи странно, но във вакуум пространството и времето работят по такъв начин, че наблюдаването на едното ви позволява да научите повече за другото. Правейки подобно наблюдение, учените открили, че когато вакуумът е бил "компресиран", това "компресиране" е станало точно така, както се случва при компресиране на балон, само придружено от квантови колебания.
В един момент тези колебания станаха по-силни от фоновия шум на некомпресирания вакуум, а на места, напротив, бяха по-слаби. Leitenstorfer дава аналогия на задръстване, движещо се през тясно пространство на пътя: с течение на времето автомобилите в лентите им заемат една и съща лента, за да се промъкнат през тясното пространство и след това да се придвижват обратно към лентите си. В известна степен, според наблюденията на учените, същото се случва във вакуум: компресирането на вакуум на едно място води до разпределение на промените в квантовите колебания на други места. И тези промени могат или да се ускорят, или да забавят.
Този ефект може да бъде измерен в пространство-време, както е показано на графиката по-долу. Параболата в центъра на изображението представлява точката на "компресия" във вакуум:
Резултатът от това компресиране, както може да се види на същото изображение, е някакво „затихване“в колебанията. Не по-малко изненадващо за учените беше наблюдението, че нивото на мощността на колебанията на някои места е по-ниско от нивото на фоновия шум, което от своя страна е по-ниско от това на основното състояние на празното пространство.
"Тъй като новият метод за измерване не включва улавяне или усилване на фотоните, съществува възможност за директно откриване и наблюдение на електромагнитния фонов шум във вакуум, както и контролирани отклонения на състояния, създадени от изследователите", се казва в изследването.
В момента изследователите тестват точността на техния метод на измерване и се опитват да разберат какво всъщност може да направи. Въпреки вече повече от впечатляващите резултати от тази работа, все още съществува възможност учените да измислят така наречения „неубедителен метод на измерване“, който може би е в състояние да не нарушава квантовите състояния на обектите, но в същото време не е в състояние да каже на учените повече за една или друга квантова система.
Ако методът работи, тогава учените искат да го използват за измерване на "квантовото състояние на светлината" - невидимото поведение на светлината на квантово ниво, което едва сега започваме да разбираме. По-нататъшната работа обаче изисква допълнителна проверка - възпроизвеждане на резултатите от откриването на екип изследователи от университета в Констанс и по този начин демонстриране на пригодността на предложения метод за измерване.
НИКОЛАЙ ХИЖНЯК