Слово "вакуум" обычно рисует в воображении абсолютную пустоту - космическое пространство без планет, газа и света. Однако квантовая теория утверждает: вакуум никогда не бывает по-настоящему пустым. Принцип неопределённости Гейзенберга, который запрещает одновременно точно измерить положение и скорость объекта, в квантовой механике распространяется и на вакуум. Из этого следует, что вакуум не может находиться в состоянии покоя - в нём постоянно происходят колебания энергии.

Недавно физики из Кембриджского университета (Великобритания) представили предварительные результаты эксперимента, в котором им удалось напрямую зафиксировать такие флуктуации (случайные изменения) в созданном в лаборатории квантовом вакууме. Правда, учёные и раньше наблюдали проявления квантового вакуума - например, его влияние на атомы в атмосфере заметно в полярных сияниях.

Квантовый вакуум - это не просто математическая абстракция. Его энергетические колебания, согласно теории, создают условия для постепенного уменьшения массы чёрных дыр. Современные космологи также полагают, что флуктуации вакуума сыграли роль в формировании галактик в первые мгновения жизни Вселенной.

Один из способов напрямую увидеть квантовый вакуум - обстреливать его мощными лазерами. Сильные электрические поля лазерных импульсов взаимодействуют с частицами, которые то появляются, то исчезают в вакууме. В результате возникает эффект двулучепреломления: вакуум начинает по-разному пропускать свет с разной поляризацией - примерно так же, как солнцезащитные очки с поляризацией блокируют блики. Подобный эксперимент должен проверить предсказания квантовой механики о структуре вакуума.

Впервые влияние квантового вакуума на атомы измерили ещё в середине XX века. Электроны в атомах и молекулах могут находиться на разных уровнях энергии. Самый низкий - основной, остальные - возбуждённые. Долго оставаться в возбуждённом состоянии электрон не может: вакуум "подталкивает" его вниз, и при переходе испускается свет определённого цвета. Именно так возникают спектры - наборы цветных линий. Для кислорода и азота в атмосфере эти переходы дают зелёные, красные и фиолетовые оттенки полярных сияний.

В 1947 году Уиллис Лэмб точно измерил сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, вызванный вакуумными флуктуациями. За эту работу, известную как лэмбовский сдвиг, он позже получил Нобелевскую премию по физике. Сегодня учёные, работающие над квантовыми компьютерами и квантовыми симуляторами, обязаны учитывать эти эффекты. Квантовый компьютер использует кубиты - пары энергетических уровней, аналогичные 0 и 1 обычного бита. Квантовый симулятор заставляет одни квантовые частицы, например ультрахолодные атомы, воспроизводить поведение другой системы, скажем сверхпроводника. Во всех этих случаях расчёты должны включать влияние вакуума.

Ещё одно следствие квантового вакуума - испарение чёрных дыр. Вблизи горизонта событий искривление пространства-времени меняет распределение частиц в вакууме, и чёрная дыра постепенно теряет массу, словно растворяясь в окружающем пространстве. Это единственный известный механизм, позволяющий чёрной дыре уменьшаться.

Космологи также предполагают, что флуктуации квантового вакуума в ранней Вселенной создали крошечные различия в плотности вещества. Позже под действием гравитации эти неоднородности привели к образованию связанных скоплений галактик.

От структуры элементарных частиц до судьбы чёрных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной - квантовый вакуум оказывается в центре внимания. Он взаимодействует со всем сущим, и его эффекты, уже наблюдаемые и предсказанные, обещают новые захватывающие эксперименты.

Источник: Phys.org