Физики впервые получили прямое изображение квантовых флуктуаций — спонтанных колебаний поля, которые происходят даже в полном вакууме. Для этого они использовали ультрахолодный конденсат Бозе — Эйнштейна, где изменения спинов атомов стали наглядной моделью квантовой неопределенности.
Пустота — понятие относительное. Даже в идеальном вакууме, где, казалось бы, ничего нет, на самом деле кипит жизнь. Это не метафора, а квантовая реальность: поля флуктуируют, нарушая покой, и причина тому — фундаментальная неопределенность, заложенная в самой природе вещей.
Эти вакуумные флуктуации — не просто абстрактная теория. Они заставляют возбужденные атомы спонтанно излучать фотоны, чуть сдвигают энергетические уровни электронов в водороде и даже создают силу, которая притягивает друг к другу две металлические пластины в пустоте. Более того, именно крошечные квантовые «рябь» в ранней Вселенной, растянувшись до невероятных размеров в эпоху инфляции, стали теми самыми семенами, из которых выросли галактики и скопления.
Однако напрямую увидеть эти флуктуации всегда было почти невозможно — они слишком малы и хаотичны. Ученые обычно регистрировали лишь их последствия. Но теперь группа физиков сделала шаг вперед: они получили прямое изображение этого процесса.
Для этого они не стали ловить неуловимый космический вакуум, а создали его лабораторный аналог. В роли квантового поля выступил двумерный конденсат Бозе — Эйнштейна, облако атомов калия-39, охлажденных почти до абсолютного нуля. В таком состоянии атомы начинают вести себя как единая квантовая система. Исследователи использовали два внутренних состояния атомов, связав их радиоволнами. Любые изменения спина в этом облаке соответствовали изменениям в изучаемом квантовом поле — так флуктуации стали видимыми.
Чтобы отличить истинно квантовую рябь от случайного теплового шума, команда пошла хитрым путем. Сначала поле привели в основное состояние, а затем резко изменили силу связи между атомами. Это стало своего рода усилителем: крошечные, изначально незаметные колебания, присущие квантовому осциллятору даже в состоянии покоя, превратились в отчетливые, измеримые волны. А когда ученые проверили, как амплитуда этих волн зависит от частоты, картина совпала с ожиданиями для вакуумных флуктуаций, а не для теплового шума.
Оказывается, такую лабораторную систему можно настроить так, чтобы она имитировала релятивистское квантовое поле — так называемое поле синус-Гордона. Это открывает путь к экспериментальному изучению явлений, которые пока не поддаются чистому математическому расчету. Вместо того чтобы ломать голову над сложнейшими уравнениями, физики смогут просто наблюдать за поведением управляемой модели.
Речь идет о таких вещах, как рождение частиц, распад ложного вакуума или образование топологических дефектов. Как отмечают сами исследователи, возможность напрямую видеть флуктуации в режиме, где квантовая неопределенность перевешивает тепловой шум, может дать уникальный ключ к пониманию микроскопических механизмов этих грандиозных процессов.
Читайте также:
Лунный грунт создали на Земле за 4 часа, в космосе на это уходят 15 тысяч лет
Эксперимент подтвердил фундаментальный постулат квантовой физики Фейнмана спустя 80 лет