Podľa kvantovej mechaniky nie je vákuum iba prázdny priestor. V skutočnosti je plná kvantovej energie a častíc, malých častíc, ktoré sa neustále objavujú a miznú, zanechávajúc stopu vo forme signálov, ktoré nazývame kvantovými fluktuáciami. Po celé desaťročia tieto výkyvy existovali iba v našich kvantových teóriách, až do roku 2015 vedci neoznámili, že ich priamo zistili a určili. A teraz rovnaký tím vedcov tvrdí, že pokročili vo svojom výskume oveľa ďalej - boli schopní manipulovať s vákuom samotným a určiť zmeny týchto záhadných signálov z prázdnoty.
Tu vstupujeme na územie fyziky vysokej úrovne, ale čo je dôležitejšie, ak sa potvrdia výsledky experimentu, o ktorom budeme hovoriť dnes, potom je celkom možné, že to bude znamenať, že vedci objavili nový spôsob pozorovania, interakcie a praktických testov kvantovej reality bez zasahovania do ona. Posledne menovaný je obzvlášť dôležitý, pretože jedným z najväčších problémov kvantovej mechaniky - a jeho pochopením - je to, že zakaždým, keď sa snažíme zmerať alebo dokonca pozorovať kvantový systém, zničíme ho týmto vplyvom. Ako si viete predstaviť, toto nie je naozaj v súlade s našou túžbou zistiť, čo sa v tomto kvantovom svete skutočne deje.
A od tohto okamihu dôjde k záchrane kvantového vákua. Predtým, ako sa pohneme ďalej, si však krátko spomenieme, čo je vákuum z hľadiska klasickej fyziky. Tu predstavuje priestor úplne zbavený akejkoľvek hmoty a obsahujúci energie najnižších veľkostí. Nie sú tu žiadne častice, čo znamená, že nič nemôže narušiť alebo narušiť čistú fyziku.
Jedným zo záverov jedného z najzákladnejších princípov kvantovej mechaniky - Heisenbergovho princípu neurčitosti - je hranica presnosti pozorovania kvantových častíc. Podľa tohto princípu vákuum nie je prázdny priestor. Je plná energie, ako aj párov antičasticových častíc, ktoré sa náhodne objavia a zmiznú. Tieto častice sú skôr „virtuálne“ako fyzický materiál, a preto ich nemôžete zistiť. Aj keď zostávajú neviditeľné, rovnako ako väčšina objektov v kvantovom svete, ovplyvňujú aj skutočný svet.
Tieto kvantové fluktuácie vytvárajú náhodne kolísajúce elektrické polia, ktoré môžu pôsobiť na elektróny. A práve vďaka tomuto účinku vedci prvýkrát nepriamo preukázali svoju existenciu v 40. rokoch 20. storočia.
V nasledujúcich desaťročiach to zostalo jediné, čo sme o týchto výkyvoch vedeli. V roku 2015 však skupina fyzikov vedená Alfredom Leitenstorferom z Univerzity v Konstanci v Nemecku uviedla, že tieto fluktuácie je možné priamo určiť pozorovaním ich účinku na svetelnú vlnu. Výsledky práce vedcov boli uverejnené v časopise Science.
Vedci vo svojej práci použili krátkovlnné laserové impulzy trvajúce iba niekoľko femtosekúnd, ktoré poslali do vákua. Vedci si začali všímať jemné zmeny polarizácie svetla. Podľa vedcov boli tieto zmeny priamo spôsobené kvantovými fluktuáciami. Výsledok pozorovaní určite vyvolá kontroverziu viackrát, ale vedci sa rozhodli experiment posunúť na novú úroveň „kompresiou“vákua. Ale aj tentoraz začali pozorovať podivné zmeny v kvantových výkyvoch. Ukazuje sa, že tento experiment sa nielen ukázal ako ďalšie potvrdenie existencie týchto kvantových fluktuácií - tu už môžeme hovoriť o skutočnosti, že vedci objavili spôsob, ako pozorovať priebeh experimentu v kvantovom svete bez ovplyvnenia konečného výsledku.ktoré by v každom prípade zničilo kvantový stav pozorovaného objektu.
"Môžeme analyzovať kvantové stavy bez toho, aby sme ich zmenili pri prvom pozorovaní," komentuje Leitenstorfer.
Propagačné video:
Ak chcete sledovať vplyv kvantových výkyvov na konkrétnu časticu svetla, musíte najprv tieto častice zistiť a izolovať. Týmto sa odstráni „kvantový podpis“týchto fotónov. Podobný experiment uskutočnil tím vedcov v roku 2015.
V rámci nového experimentu vedci namiesto pozorovania zmien kvantových fluktuácií absorbovaním alebo zosilnením fotónov svetla pozorovali samotné svetlo z hľadiska času. Môže to znieť čudne, ale vo vákuu môže priestor a čas pracovať takým spôsobom, že pozorovanie jedného vám okamžite umožní dozvedieť sa viac o druhom. Pri takomto pozorovaní vedci zistili, že keď je vákuum „stlačené“, táto „kompresia“nastala presne tak isto, ako sa to stane pri stlačení balónika, sprevádzané iba kvantovými fluktuáciami.
V určitom okamihu sa tieto výkyvy stali silnejšími ako hluk v pozadí nekomprimovaného vákua a na niektorých miestach boli naopak slabšie. Leitenstorfer poskytuje analógiu dopravnej zápchy pohybujúcej sa cez úzky priestor na ceste: v priebehu času autá vo svojich jazdných pruhoch zaberajú rovnaký jazdný pruh, aby preplávali úzkym priestorom, a potom sa vrátili späť do svojich jazdných pruhov. Podľa pozorovaní vedcov sa to do istej miery stáva aj vo vákuu: kompresia vákua na jednom mieste vedie k distribúcii zmien kvantových fluktuácií na iných miestach. A tieto zmeny môžu buď urýchliť alebo spomaliť.
Tento efekt je možné merať v časopriestore, ako je to znázornené na nasledujúcom grafe. Parabola v strede obrázka predstavuje bod „kompresie“vo vákuu:
Výsledkom tejto kompresie, ako je možné vidieť na rovnakom obrázku, je určitý „pokles“vo výkyvoch. Nemenej prekvapujúce bolo pre vedcov zistenie, že úroveň výkyvov energie na niektorých miestach bola nižšia ako hladina hluku v pozadí, ktorá je zase nižšia ako úroveň prízemného stavu prázdneho priestoru.
„Keďže nová metóda merania nezahŕňa zachytenie alebo zosilnenie fotónov, existuje možnosť priameho zisťovania a pozorovania elektromagnetického pozadia vo vákuu, ako aj kontrolovaných odchýlok stavov vytvorených vedcami,“uvádza sa v štúdii.
Vedci v súčasnosti testujú presnosť svojej metódy merania a snažia sa zistiť, čo v skutočnosti môžu robiť. Napriek už viac ako pôsobivým výsledkom tejto práce stále existuje možnosť, že vedci prišli s takzvanou „nepresvedčivou metódou merania“, ktorá pravdepodobne nie je schopná porušiť kvantové stavy objektov, ale zároveň nie je schopná vedcom povedať viac. o jednom alebo druhom kvantovom systéme.
Ak táto metóda funguje, vedci ju chcú použiť na meranie „kvantového stavu svetla“- neviditeľného správania sa svetla na kvantovej úrovni, ktorému len začíname rozumieť. Ďalšia práca si však vyžaduje ďalšie overenie - replikáciu výsledkov objavenia tímu vedcov z Univerzity v Kostnici, a tým preukázanie vhodnosti navrhovanej metódy merania.
NIKOLAY KHIZHNYAK