Potrivit mecanicii cuantice, vidul nu este doar un spațiu gol. De fapt, este plin de energie cuantică și particule, particule minuscule care continuă să apară și să dispară exact așa, lăsând în urmă o urmă sub forma unor semnale pe care le numim fluctuații cuantice. Timp de zeci de ani, aceste fluctuații au existat doar în teoriile noastre cuantice, până în 2015 cercetătorii au anunțat că le-au detectat și determinat direct. Și acum aceeași echipă de oameni de știință susține că au avansat mult mai departe în cercetarea lor - au fost capabili să manipuleze vidul în sine și să determine schimbările acestor semnale misterioase din vid.
Aici intrăm pe teritoriul fizicii la nivel înalt, dar mai important, dacă rezultatele experimentului despre care vom vorbi astăzi sunt confirmate, atunci este foarte posibil ca acest lucru să însemne că oamenii de știință au descoperit o nouă modalitate de observare, interacțiune și teste practice ale realității cuantice fără a interfera cu a ei. Aceasta din urmă este deosebit de importantă, deoarece una dintre cele mai mari probleme în mecanica cuantică - și înțelegerea noastră - este că de fiecare dată când încercăm să măsurăm sau chiar să observăm pur și simplu un sistem cuantic, îl vom distruge prin această influență. După cum vă puteți imagina, acest lucru nu se potrivește cu dorința noastră de a afla ce se întâmplă cu adevărat în această lume cuantică.
Și din acest moment, vidul cuantic ajunge la salvare. Dar înainte de a merge mai departe, să ne amintim pe scurt ce este un vid din punctul de vedere al fizicii clasice. Aici el reprezintă un spațiu complet lipsit de orice materie și care conține energii de cele mai mici mărimi. Nu există particule aici, ceea ce înseamnă că nimic nu poate interfera sau distorsiona fizica pură.
Una dintre concluziile unuia dintre cele mai fundamentale principii ale mecanicii cuantice - principiul incertitudinii Heisenberg - stabilește o limită a exactității observării particulelor cuantice. De asemenea, conform acestui principiu, vidul nu este spațiu gol. Este umplut cu energie, precum și perechi de particule antiparticule care apar și dispar la întâmplare. Aceste particule sunt „virtuale” și nu materiale fizice, motiv pentru care nu le poți detecta. Dar, deși rămân invizibile, la fel ca majoritatea obiectelor din lumea cuantică, ele afectează și lumea reală.
Aceste fluctuații cuantice creează câmpuri electrice fluctuante aleatoriu care pot acționa asupra electronilor. Și datorită acestui efect, oamenii de știință au demonstrat în primul rând existența lor în anii ’40.
În deceniile următoare, acesta a rămas singurul lucru pe care îl știam despre aceste fluctuații. Cu toate acestea, în 2015, un grup de fizicieni conduși de Alfred Leitenstorfer de la Universitatea Konstanz din Germania au declarat că au fost capabili să determine în mod direct aceste fluctuații, observându-și efectul asupra unui val de lumină. Rezultatele lucrărilor oamenilor de știință au fost publicate în revista Science.
În munca lor, oamenii de știință au folosit impulsuri laser cu unde scurte care au durat doar câteva femtosecunde, pe care le-au trimis în vid. Cercetătorii au început să observe schimbări subtile în polarizarea luminii. Potrivit cercetătorilor, aceste schimbări au fost cauzate direct de fluctuațiile cuantice. Rezultatul observațiilor va provoca cu siguranță controverse de mai multe ori, dar oamenii de știință au decis să-și ducă experimentul la un nou nivel prin „comprimarea” vidului. Dar și de această dată au început să observe schimbări ciudate ale fluctuațiilor cuantice. Se dovedește că acest experiment nu numai că s-a dovedit a fi o altă confirmare a existenței acestor fluctuații cuantice - aici putem vorbi deja despre faptul că oamenii de știință au descoperit o modalitate de a observa cursul unui experiment în lumea cuantică, fără a afecta rezultatul final.care în orice alt caz ar distruge starea cuantică a obiectului observat.
„Putem analiza stările cuantice fără a le schimba la prima observație”, comentează Leitenstorfer.
Video promotional:
De obicei, atunci când doriți să urmăriți efectul fluctuațiilor cuantice asupra unei particule particulare de lumină, mai întâi trebuie să detectați și să izolați aceste particule. Acesta, la rândul său, va elimina „semnătura cuantică” a acestor fotoni. Un experiment similar a fost realizat de o echipă de oameni de știință în 2015.
Ca parte a noului experiment, în loc să observe schimbări ale fluctuațiilor cuantice prin absorbția sau amplificarea fotonilor luminii, cercetătorii au observat lumina însăși în termeni de timp. Poate suna ciudat, dar în vid, spațiul și timpul funcționează în așa fel încât observarea unuia îți permite să afli mai multe despre celălalt. Făcând o astfel de observație, oamenii de știință au descoperit că atunci când vidul a fost „comprimat”, această „compresie” a avut loc exact la fel cum se întâmplă atunci când un balon este comprimat, însoțit doar de fluctuații cuantice.
La un moment dat, aceste fluctuații au devenit mai puternice decât zgomotul de fundal al vidului necomprimat, iar în unele locuri, dimpotrivă, au fost mai slabe. Leitenstorfer oferă o analogie a unui blocaj de circulație care se deplasează printr-un spațiu îngust al drumului: în timp, mașinile din benzile lor ocupă aceeași bandă pentru a strecura prin spațiul restrâns, apoi se întorc pe benzile lor. Într-o anumită măsură, conform observațiilor oamenilor de știință, același lucru se întâmplă într-un vid: comprimarea unui vid într-un loc duce la o distribuție a modificărilor fluctuațiilor cuantice în alte locuri. Iar aceste modificări pot accelera sau încetini.
Acest efect poate fi măsurat în spațiu-timp, așa cum se arată în graficul de mai jos. Parabola din centrul imaginii reprezintă punctul de „compresie” în vid:
Rezultatul acestei compresiuni, așa cum se poate observa în aceeași imagine, este o oarecare „subsidență” în fluctuații. Nu mai puțin surprinzător pentru oamenii de știință a fost observația că nivelul de putere al fluctuațiilor în unele locuri a fost mai mic decât nivelul de zgomot de fond, care, la rândul său, este mai mic decât cel al stării de la sol a spațiului gol.
"Întrucât noua metodă de măsurare nu implică captarea sau amplificarea fotonilor, există posibilitatea detectării și observării directe a zgomotului de fundal electromagnetic în vid, precum și a abaterilor controlate ale stărilor create de cercetători", se arată în studiu.
Cercetătorii testează în prezent acuratețea metodei lor de măsurare și încearcă să-și dea seama ce poate face de fapt. În ciuda rezultatelor deja mai mult decât impresionante ale acestei lucrări, există încă posibilitatea ca oamenii de știință să vină cu o așa-numită „metodă de măsurare neconvingătoare”, care, poate, este capabilă să nu încalce stările cuantice ale obiectelor, dar în același timp nu este în măsură să spună mai mult oamenilor de știință despre unul sau alt sistem cuantic.
Dacă metoda funcționează, atunci oamenii de știință vor să o folosească pentru a măsura „starea cuantică a luminii” - comportamentul invizibil al luminii la nivel cuantic pe care tocmai începem să îl înțelegem. Cu toate acestea, lucrările ulterioare necesită o verificare suplimentară - replicarea rezultatelor descoperirii unei echipe de cercetători de la Universitatea din Constanța și, prin urmare, demonstrarea adecvării metodei de măsurare propuse.
NIKOLAY KHIZHNYAK
