Физики впервые получили изображения квантовых флуктуаций пустого пространства

Команда ученых под руководством Яньшэна Чжана из Кембриджского университета получила прямые двумерные изображения квантовых флуктуаций в искусственно созданном квантовом поле. Для визуализации фундаментального шума пространства исследователи охладили облако атомов калия-39 почти до абсолютного нуля, переведя его в состояние конденсата Бозе — Эйнштейна. Результаты исследования подтвердили теоретические предсказания квантовой теории поля и предоставили рабочий инструмент для лабораторного моделирования процессов ранней Вселенной.

В классической физике вакуум считается абсолютной пустотой, полностью лишенной материи и энергии. Квантовая механика описывает его иначе. Из-за принципа неопределенности Гейзенберга физические параметры поля не могут иметь строго фиксированные нулевые значения в каждый момент времени. Поэтому даже в наинизшем энергетическом состоянии квантовое поле непрерывно колеблется. Эти микроскопические случайные возмущения постоянно возникают и исчезают, формируя пространственную рябь.

Ранее наука регистрировала квантовые флуктуации исключительно по косвенным признакам. К их проявлениям относятся эффект Казимира, притягивающий незаряженные зеркала на сверхмалых дистанциях, спонтанный переход возбужденных атомов на нижние энергетические уровни и лэмбовский сдвиг в спектре водорода. В космологии реликтовые квантовые неоднородности вакуума рассматриваются как первичные зародыши, из которых в эпоху космической инфляции сформировались галактики. Прямая фиксация пространственного распределения этих колебаний долгое время оставалась нерешенной задачей.

Для проведения измерений кембриджские ученые сконструировали аналоговую квантовую систему на основе ультрахолодного газа. Они создали однородный плоский конденсат Бозе — Эйнштейна, содержащий два когерентно связанных спиновых состояния. В этой среде атомы объединяются в общую квантовую волну, а спиновые степени свободы ведут себя как самостоятельное квантовое поле.

Специалисты подобрали условия, при которых взаимодействия между частицами начали доминировать над межатомным связыванием. В таком режиме поведение системы в точности описывается уравнениями массивного релятивистского поля синус-Гордона. Затем исследователи перевели систему в основное состояние и плавно снизили мощность связи между компонентами. Это действие усилило пространственные вариации и позволило зарегистрировать их с помощью оптических детекторов.

Полученные кадры зафиксировали случайные структуры на разных масштабных уровнях одновременно. Зависимость амплитуды флуктуаций от их длины волны полностью совпала с теоретическими расчетами для вакуумного состояния релятивистского поля.

Созданная экспериментальная платформа открывает путь к исследованию нелинейных релятивистских явлений без применения масштабных ускорителей. Режим синус-Гордона дает возможность изучать непертурбативные эффекты и неравновесную динамику, расчет которых на современных суперкомпьютерах наталкивается на вычислительные ограничения. В перспективе метод поможет изучать квантовые процессы вблизи горизонтов черных дыр и поведение материи в первые доли секунды после Большого взрыва.

Источник: physicsworld.com