Enligt kvantmekanik är vakuum inte bara tomt utrymme. I själva verket är den fylld med kvantenergi och partiklar, små partiklar som fortsätter att dyka upp och försvinner precis som det och lämnar ett spår i form av signaler som vi kallar kvantfluktuationer. I årtionden fanns dessa fluktuationer endast i våra kvantteorier, tills forskare under 2015 meddelade att de direkt hade upptäckt och bestämt dem. Och nu hävdar samma team av forskare att de har kommit långt längre i sin forskning - de kunde manipulera själva vakuumet och bestämma förändringarna i dessa mystiska signaler från tomrummet.
Här kommer vi in på fysikens höga nivå, men ännu viktigare, om resultaten av experimentet som vi kommer att prata om i dag bekräftas, är det mycket möjligt att detta kommer att innebära att forskare har upptäckt ett nytt sätt att observera, interagera och praktiska tester av kvantverkligheten utan att störa henne. Det senare är särskilt viktigt, eftersom ett av de största problemen med kvantmekanik - och vår förståelse för det - är att varje gång vi försöker mäta eller till och med helt enkelt observera ett kvantsystem, kommer vi att förstöra det genom detta inflytande. Som du kan föreställa dig passar detta inte riktigt med vår önskan att ta reda på vad som verkligen händer i denna kvantvärld.
Och det är från detta ögonblick som kvantvakuumet räddas. Men innan vi går vidare, låt oss kort komma ihåg vad ett vakuum är från klassisk fysik. Här representerar han ett utrymme helt utan alla ämnen och innehåller energier med de lägsta storleken. Det finns inga partiklar här, vilket innebär att ingenting kan störa eller förvrida ren fysik.
En av slutsatserna från en av de mest grundläggande principerna för kvantmekanik - Heisenbergs osäkerhetsprincip - sätter en gräns för noggrannheten av observation av kvantpartiklar. Enligt denna princip är vakuumet inte tomt utrymme. Den är fylld med energi, liksom par av partiklar av partiklar som förekommer och försvinner slumpmässigt. Dessa partiklar är "virtuella" snarare än fysiskt material, varför du inte kan upptäcka dem. Men även om de förblir osynliga, som de flesta föremål i kvantvärlden, påverkar de också den verkliga världen.
Dessa kvantfluktuationer skapar slumpmässigt fluktuerande elektriska fält som kan verka på elektroner. Och det är tack vare denna effekt som forskare först indirekt visade sin existens på 1940-talet.
Under de följande decennierna var detta det enda vi visste om dessa fluktuationer. Under 2015 sade emellertid en grupp fysiker under ledning av Alfred Leitenstorfer vid Konstanz-universitetet i Tyskland att de direkt kunde bestämma dessa fluktuationer genom att observera deras effekt på en ljusvåg. Resultaten av forskarnas arbete publicerades i tidskriften Science.
I sitt arbete använde forskarna kortvågslaserpulser som bara varade några få femtosekunder, som de skickade in i ett vakuum. Forskare började märka subtila förändringar i polarisationen av ljus. Enligt forskarna orsakades dessa förändringar direkt av kvantfluktuationer. Resultatet av observationerna kommer säkert att orsaka kontrovers mer än en gång, men forskarna beslutade att ta sitt experiment till en ny nivå genom att "komprimera" vakuumet. Men också denna gång började de observera konstiga förändringar i kvantfluktuationer. Det visar sig att detta experiment inte bara visade sig vara en annan bekräftelse på förekomsten av dessa kvantfluktuationer - här kan vi redan prata om det faktum att forskare har upptäckt ett sätt att observera förloppet för ett experiment i kvantvärlden utan att påverka det slutliga resultatet.vilket i alla andra fall skulle förstöra kvanttillståndet för det observerade objektet.
"Vi kan analysera kvanttillstånd utan att ändra dem vid den första observationen," kommenterar Leitenstorfer.
Kampanjvideo:
Typiskt, när du vill spåra effekten av kvantfluktuationer på en viss ljuspartikel, måste du först upptäcka och isolera dessa partiklar. Detta i sin tur kommer att ta bort "kvantignaturen" för dessa fotoner. Ett liknande experiment genomfördes av ett forskarlag 2015.
Som en del av det nya experimentet, i stället för att observera förändringar i kvantfluktuationer genom att absorbera eller förstärka ljusfotoner, såg forskarna själva ljuset i termer av tid. Det kanske låter konstigt, men i vakuum arbetar rymden och tiden på ett sådant sätt att om man observerar den ena kan du lära dig mer om den andra. Genom att göra en sådan observation fann forskarna att när vakuumet "komprimeras" inträffade denna "komprimering" exakt samma som det händer när en ballong komprimeras, endast åtföljd av kvantfluktuationer.
Vid någon tidpunkt blev dessa fluktuationer starkare än bakgrundsljudet i det okomprimerade vakuumet, och på vissa ställen, tvärtom, de var svagare. Leitenstorfer ger en analogi av en trafikstockning som rör sig genom ett trångt utrymme: med tiden, bilar i deras körfält upptar samma körfält för att pressa igenom det smala utrymmet, och sedan gå tillbaka till sina körfält. Enligt forskarnas iakttagelser händer det till viss del i ett vakuum: komprimeringen av ett vakuum på ett ställe leder till en fördelning av förändringar i kvantfluktuationer på andra platser. Och dessa förändringar kan antingen accelerera eller sakta ner.
Denna effekt kan mätas i rymdtid, som visas i diagrammet nedan. Parabolen i mitten av bilden representerar punkten "komprimering" i vakuum:
Resultatet av denna komprimering, som framgår av samma bild, är en viss "insjup" i fluktuationerna. Inte mindre överraskande för forskare var iakttagelsen att kraftnivån för fluktuationer på vissa platser var lägre än bakgrundsljudnivån, som i sin tur är lägre än nivån i tomtutrymmet.
"Eftersom den nya mätmetoden inte involverar infångning eller förstärkning av fotoner finns det möjligheten att direkt upptäcka och observera det elektromagnetiska bakgrundsbruset i ett vakuum, liksom kontrollerade avvikelser från tillstånd skapade av forskarna," säger studien.
Forskare testar för närvarande noggrannheten i sin mätmetod och försöker ta reda på vad den faktiskt kan göra. Trots de redan mer än imponerande resultaten av detta arbete finns det fortfarande en möjlighet att forskare har kommit fram till en så kallad "övertygande mätmetod", som kanske inte kan kränka objektens kvanttillstånd, men samtidigt inte kan berätta forskare mer om ett eller annat kvantsystem.
Om metoden fungerar, vill forskare använda den för att mäta "kvantljusets tillstånd" - ljusets osynliga beteende på kvantnivå som vi just börjar förstå. Emellertid kräver ytterligare arbete ytterligare verifiering - replikering av resultaten av upptäckten av ett team av forskare från University of Constance och därigenom demonstrera lämpligheten för den föreslagna mätmetoden.
NIKOLAY KHIZHNYAK
