Volgens de kwantummechanica is vacuüm niet alleen lege ruimte. In feite is het gevuld met kwantumenergie en deeltjes, kleine deeltjes verschijnen en verdwijnen constant zomaar en laten een spoor achter in de vorm van signalen die we kwantumfluctuaties noemen. Decennialang bestonden deze fluctuaties alleen in onze kwantumtheorieën, totdat onderzoekers in 2015 aankondigden dat ze ze direct hadden ontdekt en bepaald. En nu beweert hetzelfde team van wetenschappers dat ze veel verder zijn in hun onderzoek - ze waren in staat om het vacuüm zelf te manipuleren en de veranderingen in deze mysterieuze signalen uit de leegte te bepalen.
Hier betreden we het territorium van de fysica op hoog niveau, maar wat nog belangrijker is, als de resultaten van het experiment waar we het vandaag over zullen hebben, worden bevestigd, dan is het heel goed mogelijk dat dit betekent dat wetenschappers een nieuwe manier hebben ontdekt om de kwantumrealiteit te observeren, te interageren en te testen zonder tussenbeide te komen. haar. Dit laatste is vooral belangrijk omdat een van de grootste problemen in de kwantummechanica - en ons begrip ervan - is dat elke keer dat we een kwantumsysteem proberen te meten of zelfs maar gewoon waarnemen, we het door deze invloed zullen vernietigen. Zoals u zich kunt voorstellen, past dit niet echt bij ons verlangen om erachter te komen wat er werkelijk gaande is in deze kwantumwereld.
En het is vanaf dit moment dat het kwantumvacuüm te hulp komt. Maar laten we, voordat we verder gaan, eerst even in herinnering brengen wat een vacuüm is vanuit het oogpunt van de klassieke fysica. Hier stelt hij een ruimte voor die volledig verstoken is van enige materie en die energieën van de laagste grootte bevat. Er zijn hier geen deeltjes, wat betekent dat niets de zuivere fysica kan verstoren of verstoren.
Een van de conclusies van een van de meest fundamentele principes van de kwantummechanica - het Heisenberg-onzekerheidsprincipe - stelt een limiet aan de nauwkeurigheid van waarneming van kwantumdeeltjes. Volgens dit principe is het vacuüm ook geen lege ruimte. Het is gevuld met energie, evenals paren van antideeltjesdeeltjes die willekeurig verschijnen en verdwijnen. Deze deeltjes zijn 'virtueel' in plaats van fysiek materieel, en daarom kun je ze niet detecteren. Maar hoewel ze onzichtbaar blijven, zoals de meeste objecten in de kwantumwereld, hebben ze ook invloed op de echte wereld.
Deze kwantumfluctuaties creëren willekeurig fluctuerende elektrische velden die op elektronen kunnen werken. En het is dankzij dit effect dat wetenschappers voor het eerst indirect hun bestaan aantoonden in de jaren veertig.
In de daaropvolgende decennia bleef dit het enige dat we wisten van deze fluctuaties. In 2015 zei een groep natuurkundigen onder leiding van Alfred Leitenstorfer van de Universiteit van Konstanz in Duitsland echter dat ze deze fluctuaties rechtstreeks konden bepalen door hun effect op een lichtgolf te observeren. De resultaten van het werk van de wetenschappers zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science.
In hun werk gebruikten de wetenschappers kortegolflaserpulsen die slechts enkele femtoseconden duurden en die ze in een vacuüm stuurden. Onderzoekers begonnen subtiele veranderingen in de polarisatie van licht op te merken. Volgens de onderzoekers werden deze veranderingen direct veroorzaakt door kwantumfluctuaties. Het resultaat van de waarnemingen zal zeker meer dan eens voor controverse zorgen, maar de wetenschappers besloten hun experiment naar een nieuw niveau te tillen door het vacuüm te "comprimeren". Maar ook deze keer begonnen ze vreemde veranderingen in kwantumfluctuaties waar te nemen. Het blijkt dat dit experiment niet alleen een nieuwe bevestiging bleek te zijn van het bestaan van deze kwantumfluctuaties - hier kunnen we al praten over het feit dat wetenschappers een manier hebben ontdekt om het verloop van een experiment in de kwantumwereld te observeren zonder het eindresultaat te beïnvloeden,die in elk ander geval de kwantumtoestand van het waargenomen object zou vernietigen.
"We kunnen kwantumtoestanden analyseren zonder ze bij de eerste waarneming te veranderen", zegt Leitenstorfer.
Promotie video:
Wanneer u het effect van kwantumfluctuaties op een bepaald lichtdeeltje wilt traceren, moet u deze deeltjes meestal eerst detecteren en isoleren. Dit zal op zijn beurt de "kwantumsignatuur" van deze fotonen verwijderen. Een soortgelijk experiment werd in 2015 uitgevoerd door een team van wetenschappers.
Als onderdeel van het nieuwe experiment, in plaats van veranderingen in kwantumfluctuaties te observeren door de fotonen van licht te absorberen of te versterken, observeerden de onderzoekers het licht zelf in termen van tijd. Het klinkt misschien raar, maar in een vacuüm werken ruimte en tijd op zo'n manier dat het observeren van de een je meteen meer over de ander laat leren. Door een dergelijke observatie te doen, hebben wetenschappers ontdekt dat wanneer het vacuüm wordt "gecomprimeerd", deze "compressie" precies hetzelfde is als wanneer een ballon wordt samengedrukt, alleen vergezeld van kwantumfluctuaties.
Op een gegeven moment werden deze fluctuaties sterker dan het achtergrondgeluid van het niet-gecomprimeerde vacuüm, en op sommige plaatsen waren ze juist zwakker. Leitenstorfer geeft een analogie van een verkeersopstopping die door een smalle ruimte van de weg beweegt: na verloop van tijd bezetten auto's op hun rijstroken dezelfde rijstrook om zich door de smalle ruimte te wringen en gaan dan terug naar hun rijstroken. Volgens waarnemingen van wetenschappers gebeurt hetzelfde tot op zekere hoogte in een vacuüm: de compressie van een vacuüm op de ene plaats leidt tot een verdeling van veranderingen in kwantumfluctuaties op andere plaatsen. En deze veranderingen kunnen versnellen of vertragen.
Dit effect kan worden gemeten in ruimte-tijd, zoals weergegeven in de onderstaande grafiek. De parabool in het midden van de afbeelding vertegenwoordigt het punt van "compressie" in vacuüm:
Het resultaat van deze compressie, zoals te zien is in dezelfde afbeelding, is enige "verzakking" in de fluctuaties. Niet minder verrassend voor wetenschappers was de observatie dat het vermogensniveau van fluctuaties op sommige plaatsen lager was dan het achtergrondgeluidsniveau, dat op zijn beurt lager is dan dat van de grondtoestand van lege ruimte.
"Aangezien de nieuwe meetmethode geen opname of versterking van fotonen inhoudt, is er de mogelijkheid om direct de elektromagnetische achtergrondruis in een vacuüm te detecteren en te observeren, evenals gecontroleerde afwijkingen van toestanden gecreëerd door de onderzoekers", aldus de studie.
Onderzoekers testen momenteel de nauwkeurigheid van hun meetmethode en proberen erachter te komen wat deze daadwerkelijk kan doen. Ondanks de toch al meer dan indrukwekkende resultaten van dit werk, is er nog steeds een mogelijkheid dat wetenschappers een zogenaamde 'niet-overtuigende meetmethode' hebben bedacht, die misschien in staat is om de kwantumtoestanden van objecten niet te schenden, maar tegelijkertijd niet in staat is om wetenschappers meer te vertellen over een of ander kwantumsysteem.
Als de methode werkt, willen wetenschappers ze gebruiken om de "kwantumtoestand van licht" te meten - het onzichtbare gedrag van licht op kwantumniveau dat we net beginnen te begrijpen. Verder werk vereist echter aanvullende verificatie - replicatie van de resultaten van de ontdekking van een team van onderzoekers van de Universiteit van Konstanz en daarmee de geschiktheid van de voorgestelde meetmethode aantonen.
NIKOLAY KHIZHNYAK
