Пустое пространство в квантовой физике никогда не бывает абсолютно пустым. Даже если квантовое поле находится в состоянии с минимально возможной энергией — вакууме, — в нём всё равно сохраняются неизбежные колебания.
Они возникают из принципа неопределённости Гейзенберга: некоторые связанные свойства невозможно одновременно определить с абсолютно точными значениями. Поэтому даже в самом спокойном состоянии квантовое поле не может быть полностью неподвижным.
До сих пор существовало множество свидетельств таких флуктуаций, однако обычно учёные наблюдали не их самих, а последствия их существования. Теперь группа физиков под руководством Яньшэна Чжана из Кембриджского университета сообщила, что смогла напрямую получить изображение флуктуаций искусственно созданного квантового поля.
Квантовые флуктуации — не просто математическая особенность теории. Они способны влиять на вполне реальные физические процессы.
Например, возбуждённый атом при взаимодействии с флуктуациями вакуума может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние и испустить фотон. В атоме водорода такие взаимодействия слегка изменяют энергетические уровни электронов.
С ними связывают и эффект Казимира: если расположить две проводящие пластины очень близко друг к другу в вакууме, между ними возникает измеримая сила притяжения из-за различий квантовых флуктуаций внутри и снаружи пространства между пластинами.
Они также играют роль в теоретическом механизме излучения Хокинга возле границ чёрных дыр.
В космологии считается, что крошечные первичные квантовые флуктуации во время космической инфляции могли растянуться до гигантских масштабов. Позже эти неоднородности стали своеобразными зародышами, вокруг которых собиралась материя и в итоге сформировалась наблюдаемая сегодня космическая сеть галактик и их скоплений.
Согласно квантовой теории поля, Вселенную пронизывают поля, а частицы представляют собой их возбуждения. Такое поле можно представить как совокупность колебаний с различными длинами волн — отчасти подобно тому, как струна гитары способна вибрировать разными способами.
Каждое такое колебание ведёт себя примерно как квантовый гармонический осциллятор — квантовый аналог груза на пружине. Но из-за квантовой неопределённости даже при минимальной энергии он никогда не может оставаться совершенно неподвижным.
Проблема в том, что сами эти колебания чрезвычайно малы и случайны. На них нельзя просто направить детектор и получить изображение. Поэтому большинство предыдущих экспериментов фиксировали их косвенные проявления.
Чтобы обойти это ограничение, исследователи воспользовались конденсатом Бозе — Эйнштейна — облаком атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля. При таких температурах атомы начинают коллективно вести себя как единая квантовая система, благодаря чему квантовые явления можно наблюдать в масштабах всего облака.
Вместо попытки увидеть флуктуации настоящего вакуума исследователи создали собственное квантовое поле, которое можно было непосредственно исследовать. Для этого они использовали двумерный конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов калия-39.
Учёные задействовали два внутренних состояния этих атомов и связали их радиоволнами. Нужное им квантовое поле было закодировано в спиновых состояниях атомов: изменения спина в разных участках облака соответствовали изменениям самого поля.
Поскольку система состояла из реальных атомов, их можно было визуализировать, а затем восстановить локальные изменения поля — те самые мельчайшие флуктуации.
Но оставалась проблема: похожие колебания могли возникнуть из-за температуры или обычного экспериментального шума. Поэтому исследователям нужно было доказать, что наблюдаемая «рябь» действительно имеет квантовую природу.
Сначала они подготовили поле максимально близко к основному, то есть минимальному энергетическому состоянию. Затем резко изменили силу взаимодействия между двумя состояниями атомов. Это должно было усилить уже существующие слабые колебания.
Если бы система в минимальном состоянии была абсолютно неподвижна, такое изменение не заставило бы её внезапно начать колебаться. Но квантовая система даже в основном состоянии сохраняет неизбежную «дрожь» из-за принципа неопределённости.
После изменения условий эти исходные флуктуации превратились в гораздо более заметные колебания. Именно это исследователи и зарегистрировали.
Затем учёные провели измерения без предварительного усиления и посмотрели, как интенсивность флуктуаций зависит от их частоты.
Это было особенно важно, поскольку квантовые вакуумные и обычные тепловые флуктуации должны вести себя по-разному. В эксперименте интенсивность колебаний уменьшалась с ростом частоты именно так, как предсказывается для квантовых флуктуаций вакуума, а не для теплового шума.
У созданной системы есть ещё одна важная особенность. Её можно настроить таким образом, чтобы она имитировала релятивистское квантовое поле определённого типа — поле синус-Гордона.
Это даёт физикам лабораторную модель, в которой потенциально можно наблюдать, как первоначально крошечные квантовые флуктуации со временем превращаются в значительно более сложные явления.
В некоторых областях квантовой теории расчёты становятся настолько сложными, что получить ответы аналитически крайне трудно. Вместо решения огромного количества уравнений исследователи смогут создавать управляемые квантовые системы с аналогичной физикой и непосредственно наблюдать за их поведением.
По мнению авторов, такой подход в будущем может помочь исследовать распад ложного вакуума, образование частиц, а также возникновение и разрушение топологических дефектов в квантовых полях.
Исследователи считают особенно важным то, что теперь флуктуации поля можно непосредственно наблюдать в условиях, когда квантовая неопределённость сильнее теплового шума. Это может дать новый способ изучения микроскопических механизмов сложных квантовых процессов.
Работа пока не прошла рецензирование и опубликована в виде предварительной научной статьи на сервере arXiv.
