Podle kvantové mechaniky není vakuum jen prázdný prostor. Ve skutečnosti je plná kvantové energie a částic, drobné částice se neustále objevují a mizí stejně jako to, zanechávajíc stopu ve formě signálů, které nazýváme kvantovými výkyvy. Po celá desetiletí tyto fluktuace existovaly pouze v našich kvantových teoriích, až v roce 2015 vědci oznámili, že je přímo detekovali a určili. A nyní stejný tým vědců tvrdí, že ve svém výzkumu pokročili mnohem dále - byli schopni manipulovat s vakuem samotným a určit změny těchto záhadných signálů z prázdnoty.
Zde vstupujeme na území fyziky na vysoké úrovni, ale co je důležitější, pokud budou potvrzeny výsledky experimentu, o kterém dnes budeme mluvit, pak je docela možné, že to bude znamenat, že vědci objevili nový způsob pozorování, interakce a praktických testů kvantové reality, aniž by zasahovali do její. Ten je zvláště důležitý, protože jeden z největších problémů kvantové mechaniky - a naše chápání - je to, že pokaždé, když se pokusíme změřit nebo dokonce pozorovat kvantový systém, zničíme jej tímto vlivem. Jak si dokážete představit, tohle opravdu nesedí s naší touhou zjistit, co se v tomto kvantovém světě skutečně děje.
A od této chvíle dojde k záchraně kvantového vakua. Než se ale vydáme dál, krátce si vybavme, co je vakuum z pohledu klasické fyziky. Zde představuje prostor zcela postrádající jakoukoli hmotu a obsahující energie nejmenších velikostí. Nejsou zde žádné částice, což znamená, že nic nemůže rušit nebo narušovat čistou fyziku.
Jeden ze závěrů jednoho z nejzákladnějších principů kvantové mechaniky - Heisenbergův princip nejistoty - stanoví mez přesnosti pozorování kvantových částic. Rovněž podle tohoto principu není vakuum prázdný prostor. Je plná energie, stejně jako páry částic částic, které se náhodně objevují a mizí. Tyto částice jsou spíše „virtuální“než fyzický materiál, a proto je nemůžete detekovat. Přestože zůstávají neviditelné, stejně jako většina objektů v kvantovém světě, ovlivňují také skutečný svět.
Tyto kvantové fluktuace vytvářejí náhodně kolísající elektrická pole, která mohou působit na elektrony. A právě díky tomuto účinku vědci poprvé nepřímo prokázali svou existenci ve 40. letech 20. století.
V následujících desetiletích to bylo jediné, co jsme o těchto výkyvech věděli. V roce 2015 však skupina fyziků vedená Alfredem Leitenstorferem z Konstanzské univerzity v Německu uvedla, že tyto fluktuace je možné přímo zjistit pozorováním jejich účinku na světelnou vlnu. Výsledky práce vědců byly publikovány v časopise Science.
Ve své práci vědci použili krátkovlnné laserové pulzy trvající jen několik femtosekund, které poslali do vakua. Vědci si začali všímat jemných změn polarizace světla. Podle vědců byly tyto změny přímo způsobeny kvantovými výkyvy. Výsledek pozorování jistě způsobí kontroverzi více než jednou, ale vědci se rozhodli svůj experiment rozšířit na novou úroveň „komprimací“vakua. Ale i tentokrát začali pozorovat podivné změny v kvantových výkyvech. Ukazuje se, že tento experiment se nejen ukázal jako další potvrzení existence těchto kvantových fluktuací - zde už můžeme hovořit o skutečnosti, že vědci objevili způsob, jak sledovat průběh experimentu v kvantovém světě, aniž by to ovlivnilo konečný výsledek,což by v každém případě zničilo kvantový stav sledovaného objektu.
"Můžeme analyzovat kvantové stavy, aniž bychom je změnili při prvním pozorování," komentuje Leitenstorfer.
Propagační video:
Obvykle, když chcete sledovat účinek kvantových výkyvů na konkrétní částici světla, musíte nejprve detekovat a izolovat tyto částice. Tím se odstraní „kvantový podpis“těchto fotonů. Podobný experiment provedl tým vědců v roce 2015.
V rámci nového experimentu vědci místo pozorování změn kvantových fluktuací absorpcí nebo zesílením fotonů světla pozorovali samotné světlo z hlediska času. Může to znít podivně, ale ve vakuu může prostor a čas pracovat tak, že pozorování jednoho vám okamžitě umožní dozvědět se více o druhém. Při takovém pozorování vědci zjistili, že když bylo vakuum „stlačeno“, toto „stlačení“nastalo přesně stejně, jako se to stane, když je stlačen balón, jen doprovázený kvantovými výkyvy.
V určitém okamžiku se tyto fluktuace staly silnějšími než hluk pozadí nekomprimovaného vakua a na některých místech byly naopak slabší. Leitenstorfer dává analogii dopravní zácpy pohybující se úzkým prostorem silnice: auta v jejich jízdních pruzích časem zaujímají stejný pruh, aby se protlačila úzkým prostorem, a pak se vracela zpět do svých jízdních pruhů. Podle pozorování vědců se to do jisté míry děje ve vakuu: komprese vakua na jednom místě vede k distribuci změn kvantových fluktuací na jiných místech. A tyto změny mohou buď urychlit nebo zpomalit.
Tento účinek lze měřit v časoprostoru, jak je znázorněno v grafu níže. Parabola ve středu obrázku představuje bod „komprese“ve vakuu:
Výsledkem této komprese, jak lze vidět na stejném obrázku, je určitý „pokles“ve výkyvech. Neméně překvapivé bylo pro vědce pozorování, že úroveň výkonu kolísání v některých místech byla nižší než hladina hluku v pozadí, která je zase nižší než hladina prázdného prostoru v zemi.
„Protože nová metoda měření nezahrnuje zachycení nebo zesílení fotonů, existuje možnost přímo detekovat a pozorovat elektromagnetický šum pozadí ve vakuu, jakož i kontrolované odchylky stavů vytvořených vědci,“říká studie.
Vědci v současné době testují přesnost své metody měření a snaží se přijít na to, co ve skutečnosti může udělat. Navzdory již více než působivým výsledkům této práce stále existuje možnost, že vědci přišli s takzvanou „nepřesvědčivou metodou měření“, která možná není schopna neporušit kvantové stavy objektů, ale zároveň není schopna vědcům říci více o jednom nebo druhém kvantovém systému.
Pokud metoda funguje, pak ji vědci chtějí použít k měření „kvantového stavu světla“- neviditelného chování světla na kvantové úrovni, kterému teprve začínáme rozumět. Další práce však vyžaduje další ověření - replikaci výsledků objevu týmu vědců z University of Constance, a tím prokazující vhodnost navrhované metody měření.
NIKOLAY KHIZHNYAK