Физики впервые сфотографировали движение пустоты

Физики впервые напрямую получили изображение квантовых флуктуаций — неустранимого «дрожания», которое возникает даже в абсолютно пустом пространстве. Препринт работы опубликован на сервере arXiv и пока не прошел рецензирование.

Согласно квантовой механике, ни одно поле не может находиться в полном покое: из-за принципа неопределенности даже в состоянии с наименьшей энергией сохраняются крошечные колебания. Эти флуктуации давно предсказаны теорией, но «увидеть» их напрямую до сих пор не удавалось.

Команда Кембриджского университета под руководством Яньшэна Чжана обошла эту сложность с помощью двумерного конденсата Бозе — Эйнштейна из атомов калия-39. Ученые «записали» квантовое поле в спиновые состояния атомов, а затем, сфотографировав сами атомы, восстановили локальные колебания — то есть сделали невидимое видимым.

Чтобы уловить слабый сигнал, физики резко меняли силу связи между двумя состояниями атомов, и заранее существовавшее квантовое «дрожание» усиливалось до измеримых колебаний. При этом флуктуации вакуума давали заметно иной рисунок, чем обычный тепловой шум, что подтвердили измерения на разных частотах.

По словам авторов, такой конденсат можно настроить так, чтобы он вел себя как сложное релятивистское квантовое поле. Это открывает возможность моделировать в лаборатории явления, которые почти невозможно рассчитать теоретически, — например, «распад ложного вакуума», рождение частиц и образование топологических дефектов. По словам ученых, это новый инструмент для изучения квантовых полей: раньше подобные явления можно было только рассчитывать в теории, а теперь их удается наблюдать и «проигрывать» в управляемом эксперименте. Это, в свою очередь, может помочь проверять фундаментальные предсказания физики, в том числе о ранней Вселенной.