Багато світла з нічого

Учені змусили вакуум народити потоки фотонів.

Одне із найдивніших передбачень квантової теорії — те, що вакуум не є абсолютною порожнечею. Насправді в ньому повно віртуальних частинок, які за певних умов то з’являються, то знову зникають, наче кролики в капелюсі у фокусника. Довго «пощупати» цих «звіренят» не вдавалося.

Але в травні цього року вчені з Технологічного університету Чалмерса в Ґетеборзі (Швеція) провели експеримент і витягли потоки фотонів з вакууму, тобто ніби «виявили» заховані в ньому віртуальні частинки. Таким чином вони підтвердили найважливішу засаду квантової теорії.

Частинки, породжувані вакуумом, називають віртуальними, оскільки їхнє існування дуже коротке. Відповідно до сучасних уявлень, вони народжуються пaрами «частинка — античастинка» і зникають у результаті аннігіляції. Так, віртуальна пара «електрон — позитрон» анігілює з утворенням віртуального фотона, який знову перетворюється на електрон-позитронну пару, і т.д. Народження й знищення віртуальних частинок і є квантовими флуктуаціями. Для елементарних частинок вакуум — це просто нижчий енергетичний стан відповідних частинці полів. І якщо полю, яке перебуває у вакуумному стані, надати достатню енергію, то відбувається його порушення, тобто народження частинок, квантів цього поля.

Як же «вибити» віртуальні частинки з вакууму? Першими такий теоретичний метод запропонували голландський фізик Хендрік Казимір і його колега Дірк Полдер у 1948 році. Вони дійшли висновку, що між двома дуже близько розташованими паралельними гладкими площинами має виникати сила тяжіння, обумовлена тільки квантовими ефектами у вакуумі. Такий ефект можна порівняти з відомими випадками несподіваного притягання й зіткнення кораблів у морі. Коли два лайнери, які розгойдуються з боку в бік під час сильного хвилювання, опиняються на відстані менше 40 м один від одного, у просторі між ними припиняється хвилювання. Спокійне море між корпусами створює менший тиск, у результаті виникає сила, яка прагне притягти їх.

Такий же ефект, припустив Казимір, має спостерігатися й між двома дзеркалами у вакуумі. Його можна образно описати як «негативний тиск», коли вакуум позбавлений не тільки звичайних частинок, а й частини віртуальних, тобто з нього відкачали все й ще трохи. Це гіпотетичне явище було названо «ефектом Казиміра». Сила тяжіння обернено пропорційна четвертому ступеню відстані між пластинами, тобто зі зменшенням відстані різко зростає. Але навіть за субмікронних відстаней вона залишається такою малою, що експериментально виявити ефект Казиміра вдалося тільки через десять років після його прогнозування, а провести безпосередні виміри — у 1996 році.

Пізніше було придумано інший можливий експеримент. Згідно з теорією, схоже явище можна спостерігати, якщо розігнати дзеркало у вакуумі до швидкості, близької до швидкості світла. Під час руху його поверхня поглинала б енергію віртуальних частинок, а потім випускала б її у вигляді реальних фотонів. Але як технічно виконати такий експеримент?

5 відсотків від швидкості світла

Крістофер Вілсон та його колеги з Технологічного університету Чалмерса в Ґетеборзі розв’язали це хитре завдання: досить змусити дзеркало коливатися з величезною частотою. Тоді воно теж має «іскритися» фотонами. Для експерименту вони використовували надпровідний квантовий інтерференційний прилад (superconducting quantum interference device, SQUID), надзвичайно чутливий до магнітних полів.

У цьому пристрої мініатюрна металева петля із двома спеціальними контактами — надпровідниками, відокремленими один від одного тонким шаром діелектрика, піддавалася впливу змінного магнітного поля, що коливається із частотою 11 млрд разів на секунду. Під впливом поля петля робила коливання з невеликою амплітудою, але розвивала при цьому швидкість, що дорівнювала 5% від швидкості світла. Такої, за розрахунками, було достатньо, щоб «підштовхнути» віртуальні частинки до виходу з вакууму й виявити динамічний ефект Казиміра. Остудивши установку до досить низької температури, фізики спробували зареєструвати кванти електромагнітного випромінювання, які народжуються, — і виявили надвисокочастотні фотони, які «вистрибнули» з вакууму, причому їхня частота дорівнювала половині частоти коливання дзеркала. Саме такі дані прогнозувала квантова теорія.

Висновки цих досліджень можуть стати неоціненною допомогою вченим, які займаються вивченням так званої радіації Хокінга — енергії, випромінюваної чорними дірами. Ті ж самі принципи квантової механіки, які примушують «іскритися» дзеркало, що рухається, змушують чорні діри «палати» різними видами випромінювання.

Безперечно, відкриття шведських фізиків гідне уваги. Якщо поліпшити характеристики експерименту, можна побудувати генератор віртуальних частинок і вилучити з порожнього простору необмежену кількість енергії. А може, удасться сконструювати двигун зовсім нового типу для космічного корабля.