Вакуум — не пустота, а мир квантовых чудес: уникальный лазерный эксперимент может раскрыть новые законы природы

Как вы представляете себе вакуум? Увы, вы не правы. Вакуум — это не пустота, а мир квантовых чудес. В нем постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы, которые влияют на свойства материи и света. Но можно ли увидеть эти вакуумные флуктуации без посредников? И могут ли они рассказать нам о новых, ранее не известных законах природы?

На эти вопросы пытаются ответить физики из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR) в сотрудничестве с коллегами при помощи European XFEL — самого большого в мире рентгеновского лазера, расположенного в Гамбурге. Они разработали ряд предложений для проведения уникального лазерного эксперимента, который должен подтвердить или опровергнуть одну из фундаментальных теорий физики — квантовую электродинамику (КЭД).

КЭД описывает взаимодействие света и заряженных частиц, таких как электроны и позитроны. Она считается одной из самых точных и проверенных теорий в науке, но есть области, где она еще не была экспериментально проверена. Одна из таких областей — это вакуумные флуктуации.

Вакуумные флуктуации — это квантовое мерцание во времени и пространстве, которое происходит даже в отсутствие какой-либо материи. Они связаны с тем, что в квантовой механике энергия и импульс не могут быть точно определены одновременно, а подчиняются принципу неопределенности Гейзенберга. Это означает, что в вакууме постоянно возникают и исчезают пары виртуальных частиц — античастиц, таких как электрон и позитрон. Эти виртуальные частицы не могут быть наблюдаемыми, но они влияют на свойства реальных частиц и света через так называемый эффект Казимира.

Эффект Казимира заключается в том, что две параллельные металлические пластины, помещенные в вакуум на очень малом расстоянии друг от друга, притягиваются из-за вакуумных флуктуаций. Это происходит потому, что между пластинами могут существовать только виртуальные фотоны (кванты света) с определенными длинами волн, которые кратны расстоянию между пластинами. Снаружи же пластин могут существовать виртуальные фотоны с любыми длинами волн. Это приводит к тому, что давление вакуума снаружи пластин больше, чем внутри, и они испытывают силу притяжения.

Эффект Казимира был экспериментально подтвержден в 1997 году, и он согласуется с предсказаниями КЭД. Однако, чтобы наблюдать вакуумные флуктуации напрямую, без воздействия на материю, нужен другой подход. Именно такой подход предлагают ученые из HZDR и XFEL.

Их идея состоит в том, что сверхмощный лазер выстреливает короткими, интенсивными вспышками света в опорожненную камеру из нержавеющей стали. В этой камере вспышки света сталкиваются с рентгеновским импульсом от Европейского XFEL, который имеет очень высокую энергию и частоту. Цель состоит в том, чтобы манипулировать вакуумными флуктуациями так, чтобы они изменяли поляризацию рентгеновского импульса, то есть поворачивали его направление колебания.

Поляризация — это свойство света, которое характеризует направление колебания его электрического поля. Если вакуумные флуктуации могут повлиять на поляризацию света, это будет означать, что они реально существуют и могут быть измерены.

Профессор Ральф Шютцхольд, теоретик из HZDR, сравнивает этот процесс с тем, как прозрачная пластиковая линейка вставляется между двумя поляризационными фильтрами и сгибается взад и вперед. «Фильтры изначально настроены так, что не пропускают свет. Сгибая линейку, мы меняем направление колебания света так, что что-то становится видимым». В этой аналогии линейка соответствует вакуумным флуктуациям, а сверхмощная лазерная вспышка искривляет их.

Однако, это не так просто, как кажется. Сигнал от вакуумных флуктуаций, скорее всего, будет очень слабым. По оценкам ученых, только один из триллиона рентгеновских фотонов изменит свою поляризацию. Это может быть ниже текущего предела измерения — событие может просто остаться незамеченным. Поэтому Шютцхольд и его коллеги предлагают несколько вариантов, как увеличить шансы на успех.

Один из вариантов заключается в том, что в камеру одновременно выстреливают не одну, а две лазерные вспышки разных длин волн. Они сталкиваются в одной точке, где проходит рентгеновский импульс от European XFEL. Столкновение лазерных вспышек создает своего рода световой кристалл, который действует на рентгеновский импульс как природный кристалл. Так же, как рентгеновские лучи отклоняются, проходя через природный кристалл, рентгеновский импульс отклоняется световым кристаллом. Это не только меняет поляризацию рентгеновского импульса, но и слегка изменяет его энергию и частоту. Это также помогает измерить эффект. «Но это технически довольно сложно и нам понадобится много времени, чтобы мы смогли это реализовать», — говорит Шютцхольд.

Команда также рассчитала различные варианты угла столкновения лазерных вспышек в камере. Эксперименты покажут, какой вариант окажется наиболее подходящим. Проект в настоящее время находится на стадии планирования в Гамбурге вместе с командой European XFEL на экспериментальной станции HED, а первые испытания запланированы на 2024 год.

Если эксперимент удастся, он подтвердит КЭД в новой области параметров. Хотя не исключено, что эксперимент покажет неожиданные результаты, которые не согласуются с теорией. Это может быть свидетельством существования новых, ранее не открытых частиц, которые могут взаимодействовать с вакуумными флуктуациями. Одна из таких гипотетических частиц — это аксион, сверхлегкая призрачная частица, которая может быть кандидатом на роль частиц, составляющих темную материю.

«Аксионы могут возникать из вакуумных флуктуаций и влиять на поляризацию света. Если мы обнаружим такой эффект, это будет ясным указанием на дополнительные, ранее неизвестные законы природы», — говорит Шютцхольд.