Свет из вакуума

11.08.11

Свет из вакуума

Одно из самых удивительных предсказаний квантовой теории — то, что вакуум не есть пустой. Он не является абсолютной пустотой. На самом деле он кишмя кишит виртуальными частицами, которые при определенных условиях то появляются, то вновь исчезают, как кролики в шляпе у фокусника. Долгое время «пощупать» этих «зверюшек» не удавалось.

Но в мае этого года ученые из Технологического университета Чалмерса в Гётеборге (Швеция) провели эксперимент и извлекли потоки фотонов из вакуума, то есть как бы «проявили» спрятанные в нем виртуальные частицы. Тем самым они подтвердили важнейшее положение квантовой теории.

Частицы, порождаемые вакуумом, называют виртуальными, поскольку их существование крайне мимолетно. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами «частица — античастица» и исчезают в результате аннигиляции. Так, виртуальная пара «электрон — позитрон» аннигилирует с образованием виртуального фотона, который снова превращается в электрон-позитронную пару, и т. д. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации. Для элементарных частиц вакуум — это просто низшее энергетическое состояние соответствующих частице полей. И если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение, то есть рождение частиц, квантов этого поля.

Как же «выбить» виртуальные частицы из вакуума? Первыми такой теоретический метод предложили голландский физик Хендрик Казимир и его коллега Дирк Полдер в 1948 году. Они пришли к выводу, что между двумя очень близко расположенными параллельными гладкими плоскостями должна возникать сила притяжения, обусловленная только квантовыми эффектами в вакууме. Подобный эффект можно сравнить с известными случаями неожиданного притяжения и столкновения кораблей в море. Когда два лайнера, раскачивающиеся из стороны в сторону в условиях сильного волнения, оказываются на расстоянии меньше 40 м друг от друга, в пространстве между ними прекращается волнение. Спокойное море между корпусами создает меньшее давление, в результате возникает сила, стремящаяся притянуть их.

Эффект Казимира: между двумя проводящими пластинами, расположенными на расстоянии нескольких десятков или сотен нанометров, рождаются только виртуальные фотоны с длинами волн, кратными расстоянию. Вне пластин — любые виртуальные фотоны. Так флуктуации вакуума толкают пластины навстречу друг другу

Такой же эффект, предположил Казимир, должен наблюдаться и между двумя зеркалами в вакууме. Его можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишен не только обычных частиц, но и части виртуальных, то есть из него откачали все и еще чуть-чуть. Это гипотетическое явление было названо «эффектом Казимира». Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через десять лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения — в 1996 году.

Позднее был придуман другой возможный эксперимент. Согласно теоретическим выкладкам, схожее явление можно наблюдать, если разогнать зеркало в вакууме до скорости, близкой к скорости света. В ходе движения его поверхность поглощала бы энергию виртуальных частиц, а затем испускала бы ее в виде реальных фотонов. Но как технически выполнить такой опыт?

Кристофер Уилсон и его коллеги из Технологического университета Чалмерса в Гётеборге решили эту хитрую задачу: достаточно заставить зеркало колебаться с огромной частотой. Тогда оно тоже должно «искриться» фотонами. Для опыта они использовали сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор (superconducting quantum interference device, SQUID), чрезвычайно чувствительный к магнитным полям.

В этом устройстве миниатюрная металлическая петля с двумя специальными контактами — сверхпроводниками, отделенными друг от друга тонким слоем диэлектрика, подвергалась воздействию переменного магнитного поля, колеблющегося с частотой 11 млрд раз в секунду. Под воздействием поля петля совершала колебания с небольшой амплитудой, но развивала при этом скорость в 5% от скорости света. Такой, по расчетам, было достаточно, чтобы «подтолкнуть» виртуальные частицы к выходу из вакуума и проявить динамический эффект Казимира. Охладив установку до достаточно низкой температуры, физики попробовали зарегистрировать рождающиеся кванты электромагнитного излучения — и обнаружили искомые сверхвысокочастотные фотоны, «выпрыгнувшие» из вакуума, причем их частота была равна половине частоты колебания зеркала. Именно такие данные предсказывала квантовая теория.

Выводы данных исследований могут стать неоценимой помощью ученым, занимающимся изучением так называемой радиации Хокинга — энергии, излучаемой черными дырами. Те же самые принципы квантовой механики, которые принуждают «искриться» движущееся зеркало, заставляют черные дыры «пылать» различными видами излучения.

Безусловно, открытие шведских физиков достойно внимания. Если улучшить характеристики эксперимента, можно построить генератор виртуальных частиц и извлекать из пустого пространства неограниченное количество энергии. А может, удастся сконструировать двигатель совершенно нового типа для космического корабля.

— eutg.net —