Według mechaniki kwantowej próżnia to nie tylko pusta przestrzeń. W rzeczywistości jest wypełniony energią kwantową i cząstkami, maleńkimi cząstkami, które pojawiają się i znikają w ten sposób, pozostawiając ślad w postaci sygnałów, które nazywamy fluktuacjami kwantowymi. Przez dziesięciolecia fluktuacje te istniały tylko w naszych teoriach kwantowych, aż w 2015 roku naukowcy ogłosili, że bezpośrednio je wykryli i określili. A teraz ten sam zespół naukowców twierdzi, że posunął się znacznie dalej w swoich badaniach - byli w stanie manipulować samą próżnią i określić zmiany w tych tajemniczych sygnałach z pustki.
Tutaj wkraczamy na teren fizyki wysokiego poziomu, ale co ważniejsze, jeśli wyniki eksperymentu, o którym będziemy dziś mówić, zostaną potwierdzone, to całkiem możliwe, że będzie to oznaczać, że naukowcy odkryli nowy sposób obserwacji, interakcji i praktycznych testów rzeczywistości kwantowej bez ingerencji w jej. To ostatnie jest szczególnie ważne, ponieważ jednym z największych problemów w mechanice kwantowej - i naszym zrozumieniu - jest to, że za każdym razem, gdy próbujemy zmierzyć lub nawet po prostu obserwować układ kwantowy, zniszczymy go tym wpływem. Jak możesz sobie wyobrazić, nie pasuje to do naszego pragnienia dowiedzenia się, co naprawdę dzieje się w tym kwantowym świecie.
I od tego momentu z pomocą przychodzi próżnia kwantowa. Zanim jednak przejdziemy dalej, przypomnijmy krótko, czym jest próżnia z punktu widzenia fizyki klasycznej. Tutaj reprezentuje przestrzeń całkowicie pozbawioną jakiejkolwiek materii i zawierającą energie o najniższej wielkości. Nie ma tutaj żadnych cząstek, co oznacza, że nic nie może zakłócać ani zniekształcać czystej fizyki.
Jeden z wniosków wynikających z jednej z najbardziej fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej - zasady nieoznaczoności Heisenberga - wyznacza granicę dokładności obserwacji cząstek kwantowych. Ponadto, zgodnie z tą zasadą, próżnia nie jest pustą przestrzenią. Jest wypełniony energią, a także parami cząstek antycząstek, które pojawiają się i znikają losowo. Te cząstki są raczej „wirtualne” niż fizycznie materialne, dlatego nie można ich wykryć. Ale mimo że pozostają niewidoczne, jak większość obiektów w świecie kwantowym, wpływają również na świat rzeczywisty.
Te fluktuacje kwantowe tworzą losowo zmieniające się pola elektryczne, które mogą oddziaływać na elektrony. I właśnie dzięki temu efektowi naukowcy po raz pierwszy pośrednio wykazali swoje istnienie w latach czterdziestych XX wieku.
Przez następne dziesięciolecia była to jedyna rzecz, jaką wiedzieliśmy o tych fluktuacjach. Jednak w 2015 roku grupa fizyków pod kierownictwem Alfreda Leitenstorfera z Uniwersytetu w Konstancji w Niemczech stwierdziła, że byli w stanie bezpośrednio określić te fluktuacje, obserwując ich wpływ na falę świetlną. Wyniki pracy naukowców zostały opublikowane w czasopiśmie Science.
W swojej pracy naukowcy wykorzystali krótkofalowe impulsy laserowe trwające zaledwie kilka femtosekund, które wysłali do próżni. Badacze zaczęli zauważać subtelne zmiany w polaryzacji światła. Zdaniem naukowców zmiany te były bezpośrednio spowodowane fluktuacjami kwantowymi. Wynik obserwacji z pewnością będzie budził kontrowersje niejednokrotnie, ale naukowcy postanowili przenieść swój eksperyment na nowy poziom, „kompresując” próżnię. Ale tym razem również zaczęli obserwować dziwne zmiany fluktuacji kwantowych. Okazuje się, że eksperyment ten okazał się nie tylko kolejnym potwierdzeniem istnienia tych fluktuacji kwantowych - tutaj możemy już mówić o tym, że naukowcy odkryli sposób na obserwację przebiegu eksperymentu w świecie kwantowym bez wpływu na ostateczny wynik.co w każdym innym przypadku zniszczyłoby stan kwantowy obserwowanego obiektu.
„Możemy analizować stany kwantowe bez zmiany ich przy pierwszej obserwacji” - komentuje Leitenstorfer.
Film promocyjny:
Zwykle, gdy chcesz prześledzić wpływ fluktuacji kwantowych na konkretną cząstkę światła, musisz najpierw wykryć i wyizolować te cząstki. To z kolei usunie „sygnaturę kwantową” tych fotonów. Podobny eksperyment został przeprowadzony przez zespół naukowców w 2015 roku.
W ramach nowego eksperymentu, zamiast obserwować zmiany fluktuacji kwantowych poprzez pochłanianie lub wzmacnianie fotonów światła, naukowcy obserwowali samo światło w czasie. Może to zabrzmieć dziwnie, ale w próżni przestrzeń i czas działają w taki sposób, że obserwowanie jednego od razu pozwala dowiedzieć się więcej o drugim. Dokonując takiej obserwacji, naukowcy odkryli, że kiedy próżnia jest „ściskana”, to „ściskanie” zachodzi dokładnie tak samo, jak to ma miejsce, gdy balon jest ściskany, czemu towarzyszą jedynie fluktuacje kwantowe.
W pewnym momencie fluktuacje te stały się silniejsze niż szum tła nieskompresowanej próżni, aw niektórych miejscach wręcz przeciwnie, były słabsze. Leitenstorfer podaje analogię do korka ulicznego poruszającego się w wąskiej przestrzeni drogi: z czasem samochody na swoich pasach zajmują ten sam pas, przeciskając się przez wąską przestrzeń, a następnie wracając na swoje pasy. W pewnym stopniu, zgodnie z obserwacjami naukowców, to samo dzieje się w próżni: ściskanie próżni w jednym miejscu prowadzi do rozkładu zmian fluktuacji kwantowych w innych miejscach. A zmiany te mogą przyspieszyć lub spowolnić.
Efekt ten można zmierzyć w czasoprzestrzeni, jak pokazano na poniższym wykresie. Parabola w środku obrazu przedstawia punkt „kompresji” w próżni:
Rezultatem tej kompresji, jak widać na tym samym obrazie, jest pewne „osiadanie” fluktuacji. Nie mniej zaskakujące dla naukowców była obserwacja, że poziom mocy fluktuacji w niektórych miejscach był niższy od poziomu szumów tła, który z kolei jest niższy od stanu podstawowego pustej przestrzeni.
„Ponieważ nowa metoda pomiaru nie obejmuje wychwytywania ani wzmacniania fotonów, istnieje możliwość bezpośredniego wykrywania i obserwacji elektromagnetycznego szumu tła w próżni, a także kontrolowanych odchyleń stanów stworzonych przez naukowców” - czytamy w raporcie.
Naukowcy testują obecnie dokładność swojej metody pomiaru i próbują dowiedzieć się, co tak naprawdę może ona zrobić. Pomimo już i tak imponujących wyników tej pracy, wciąż istnieje możliwość, że naukowcy wymyślili tak zwaną „nieprzekonującą metodę pomiaru”, która być może jest w stanie nie naruszać stanów kwantowych obiektów, ale jednocześnie nie jest w stanie powiedzieć naukowcom więcej o tym czy innym systemie kwantowym.
Jeśli ta metoda działa, naukowcy chcą ją wykorzystać do zmierzenia „kwantowego stanu światła” - niewidzialnego zachowania światła na poziomie kwantowym, który dopiero zaczynamy rozumieć. Jednak dalsze prace wymagają dodatkowej weryfikacji - powtórzenia wyników odkrycia zespołu naukowców z Uniwersytetu w Konstancji i tym samym wykazania przydatności proponowanej metody pomiarowej.
NIKOLAY KHIZHNYAK
