Ученые создали свет из "ничего"

Группа физиков из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге добилась почти "божественного" чуда. Ученые создали видимые фотоны из виртуальных частиц, которые, как считается, существуют в квантовом вакууме. То есть, они получили свет из "ничего". Для достижения поставленной цели ученые использовали сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства (SQUID), способные модулировать скорости, относительно приближающиеся к скорости света.

Исследователи опубликовали предварительные выводы в 2011 году в arXiv.org, а полный отчет представили на конференции в Падуе. Кроме того на вэб-сайте Nature уже есть комментарии, которые говорят, что результат впечатляет. Если результаты исследования подтвердятся, то оно станет одним из самых необычных экспериментов по проверке выводов квантовой механики за последние годы, говорит Джон Пендри, физик-теоретик из Имперского колледжа в Лондоне.

"Это прорыв", — говорит Федерико Капассо, известный физик-экспериментатор Гарвардского университета в Кембридже, который работает по аналогичной тематике. Эксперимент подтверждает один из самых странных и важных принципов квантовой механики о том, что вакуум, на самом деле, не пустое пространство. Это "океан" или "ливень" постоянно рождающихся и исчезающих виртуальных частиц, в частности, фотонов электромагнитного поля. Их называют "виртуальными", поскольку их существование мимолетно. Для элементарных частиц вакуум — это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля.

Одним из видов взаимодействия виртуальных частиц в вакууме является так называемый "эффект Казимира", названный в честь голландского физика Хендрика Казимира, который предложил эту теорию со своим коллегой Дирком Польдером в 1940 году. Изучая коллоидные растворы, Казимир пришел к выводу, что между двумя очень близко расположенными параллельными гладкими плоскостями должна возникать сила притяжения, обусловленная только квантовыми эффектами в вакууме.

Например, если два зеркала расположены очень близко друг от друга, то на определенном расстоянии виртуальные частицы, расположенные между ними, создадут силу, которая их притянет. Эти частицы хоть и виртуальные, но давление на гладкие параллельные поверхности оказывают. Выяснилось, что чем ближе расположены эти поверхности, тем меньше в зазоре между ними рождается виртуальных фотонов. Извне рождение фотонов ничем не ограничено. Получается, что количество фотонов снаружи больше, чем количество фотонов между поверхностями. Из-за такого неравенства давлений в итоге и получаем силу притяжения.

В течение многих десятилетий физики-теоретики предсказывали, что подобный эффект достаточно долго может иметь место в одном зеркале, которое движется с огромным ускорением. В теории оно поглощает энергию виртуальных фотонов на его поверхности и возвращает ее реальным фотонам в виде света. Кристофер Уилсон (Christopher Wilson) из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге и его коллеги утверждают, что им впервые удалось произвести вышеупомянутые фотоны света.

Зеркало, совершающее колебания вперед и назад, в вакууме и темноте должно начать "искриться" фотонами. Но для того, чтобы получить количество фотонов, которое можно зарегистрировать и измерить, зеркало должно двигаться со скоростью, приближающейся к скорости света, чего на практике добиться совершенно невозможно. Физикам из Чалмерса удалось избежать этой проблемы, используя аппарат квантовой электроники, известный как сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор (superconducting quantum interference device, SQIID), чрезвычайно чувствительный к магнитным полям.

В этом устройстве миниатюрная металлическая петля подвергалась воздействию переменного магнитного поля, колеблющегося с частотой 11 миллиардов раз в секунду. Металлическая петля под воздействием магнитного поля совершала колебания с небольшой амплитудой, но развивала при этом скорость в пять процентов от скорости света. Такой скорости движения уже было достаточно, чтобы "подтолкнуть" виртуальные частицы вакуума и проявить так называемый "динамический эффект Казимира".

Как и ожидалось, результатом был дождь фотонов, "выпрыгнувших" из вакуума. Выводы этих исследований, которые готовятся в настоящее время к публикации в одном из ведущих научных журналов, могут стать неоценимой помощью другим ученым, занимающимся изучением радиации Хоккинга, энергии, излучаемой черными дырами. Те же самые принципы квантовой механики, которые заставляют "искриться" движущееся зеркало, заставляют черные дыры "пылать" различными видами излучения.

Капассо считает, что это был "очень умный" эксперимент и хорошая демонстрация квантовой механики, однако сомневается по вопросу его практического применения. Впрочем, возможно, в будущем, когда разовьются новые технологии, люди поймут, что делать с этим искрящимся зеркалом…