Mokslininkai iš vakuumo išgavo šviesą

Šis eksperimentas yra pagrįstas vienu iš labiausiai intuicijai prieštaraujančių, bet tuo pačiu vienu iš svarbiausių kvantinės mechanikos principų: vakuumas jokiu būdu nėra visiškai tuščias būvis. Iš tikrųjų vakuume knibždėte knibžda įvairiausių dalelių, kurios be perstojo atsiranda ir vėl išnyksta. Jos gimsta, išbūna vos kelias akimirkas ir vėl pradingsta. Kadangi jų egzistavimas yra toks neapčiuopiamas, jos paprastai vadinamos virtualiosiomis dalelėmis.

Chalmerso technologijos universiteto mokslininkams Christopheriui Wilsonui ir jo kolegoms pavyko užregistruoti fotonų perėjimą iš virtualiosios būsenos į realiąją – kitaip tariant, tapimą išmatuojama šviesa. Prieš daugiau nei 40 metų fizikas Geraldas Moore'as numatė, jog taip turėtų atsitikti, jeigu virtualiesiems fotonams bus leista atšokti nuo veidrodžio, kurio judėjimo greitis yra artimas šviesos greičiui. Šis reiškinys, dar vadinamas dinaminiu Kasimiro efektu, stebėtas pirmąkart. Tokią sėkmę lėmė puikus eksperimentas, kurį pavyko įgyvendinti sumaniems Chalmerso technologijos universiteto mokslininkams.

„Kadangi veidrodžio judinti tokiu greičiu yra tiesiog neįmanoma, mes sukūrėme kitą metodą, kuris leidžia pasiekti tą patį efektą, – aiškina eksperimentinės fizikos profesorius Peras Delsingas. – Užuot keitę fizinį atstumą iki veidrodžio, mes keitėme atstumą ligi elektrinės grandinės, kuri atstoja mikrobangų veidrodį“.

Šis „veidrodis“ savyje turi kvantinės elektronikos sudedamąją dalį, kuri vadinama superlaidžiuoju kvantinės interferencijos įrenginiu (angl. Superconducting Quantum Interference Device, SQUID), pasižyminčiu ypatingu jautrumu magnetiniams laukams. Keisdami magnetinio lauko kryptį kelis milijardus kartų per sekundę, mokslininkai sugebėjo priversti „veidrodį“ virpėti sparta, siekiančia 25 procentus šviesos greičio.

„Gautas rezultatas yra toks, kad fotonai iš vakuumo ėmė atsirasti poromis, – teigia P. Delsingas. – Mes juos užregistravome mikrobangų spinduliuotės pavidalu. Mes taip pat pajėgėme nustatyti, kad ši spinduliuotė pasižymi lygiai tokiomis pat savybėmis, kurias numato kvantinė teorija, kuomet fotonai gimsta poromis“.

Eksperimento metu „veidrodis“ dalį savo kinetinės energijos perduoda virtualiosioms dalelėms, o tai leidžia šioms materializuotis. Kaip teigia kvantinė mechanika, vakuume egzistuoja daugybė įvairiausių virtualiųjų dalelių. Asocijuotasis teorinės fizikos profesorius Goranas Johanssonas aiškina, jog fotonai pasirodo todėl, kad jie neturi masės.

„Būtent dėl šios priežasties norint juos ištraukti iš virtualiosios būsenos užtenka sąlyginai mažo energijos kiekio. Iš tikrųjų iš vakuumo būtų galima išgauti ir kitokių dalelių, pavyzdžiui, elektronų arba netgi protonų, tačiau tam reikėtų kur kas daugiau energijos“.

Mokslininkai yra įsitikinę, jog eksperimento metu poromis susidarę fotonai yra nepaprastai įdomus tyrimų objektas. Galbūt juos pavyktų panaudoti nagrinėjant kvantinės informacijos teoriją, kuri reikalinga konstruojant kvantinius kompiuterius.

Vis dėlto pagrindinis eksperimento nuopelnas yra tai, kad jis leidžia geriau suprasti pagrindines fizikos sąvokas, pavyzdžiui, kvantines fluktuacijas – nuolatinį virtualiųjų dalelių pasirodymą ir dingimą vakuume. Manoma, jog vakuumo fluktuacijos gali sietis su tamsiąją energija, kuri, kaip žinia, lemia spartėjantį mūsų Visatos plėtimąsi. Už spartėjančio Visatos plėtimosi atradimą šiais metais įteikta Nobelio premija fizikos srityje.