Порожній простір ніколи не буває насправді порожнім.

Навіть квантове поле в його найнижчому енергетичному стані, вакуум, має невідворотні флуктуації, які виникають через принцип невизначеності Гейзенберга: певні пари властивостей не можуть мати точно визначені значення одночасно.

Це означає, що квантове поле має виглядати як телевізор з перешкодами, і багато непрямих доказів свідчать про це.

Тепер, однак, фізики на чолі з Яншенем Чжаном з Кембриджського університету у Великій Британії досягли значного прориву: вони безпосередньо зобразили флуктуації в квантовому полі, створеному в лабораторії.

"Спостереження таких флуктуацій у межах синусоідного Гордона відкриває багато можливостей для лабораторних симуляцій релятивістських полів у режимах, які наразі не підлягають теоретичному аналізу," - пишуть вони у попередньому звіті, опублікованому на arXiv.

Флуктуації вакууму не є лише теоретичними концепціями – вони насправді мають реальні наслідки для фізичного Всесвіту.

Збуджені атоми, які взаємодіють з флуктуаціями у вакуумі, можуть спонтанно розпадатися на нижчий стан, випромінюючи фотон у процесі. Електрони в атомі водню можуть мати трохи різні енергетичні рівні через взаємодії з флуктуаціями.

Існує також ефект Казіміра. Якщо ви розмістите дві провідні пластини дуже близько одна до одної у вакуумі, вони відчувають вимірювальну силу, яка притягує їх одна до одної через різницю в квантових флуктуаціях між пластинами та зовні.

Ці флуктуації навіть відіграють роль у теоретичному випромінюванні Хокінга, яке виникає на межі чорної діри.

У космології вважається, що крихітні первинні квантові флуктуації були розтягнуті до величезних масштабів під час космічної інфляції. Ці маленькі варіації врешті-решт стали насінням, з яких зібралася матерія, що в результаті призвела до утворення космічної мережі галактик і скупчень, які ми бачимо сьогодні.

Квантова теорія поля описує Всесвіт як пронизаний полями, з частинками, що виникають як збудження в цих полях. Кожне поле можна уявити як колекцію мод різних довжин хвиль, трохи як різні способи вібрації гітарної струни.

Кожна мода поводиться як квантовий гармонічний осцилятор – версія квантової механіки маси, що відскакує на пружині. І завдяки квантовій невизначеності, навіть у своєму найнижчому можливому енергетичному стані, цей осцилятор ніколи не може бути абсолютно спокійним.

Але для чогось, що має такі глибокі наслідки для фізичного Всесвіту, квантові флуктуації надзвичайно важко спостерігати безпосередньо. Вони надзвичайно малі, вроджено випадкові і не представляють чіткої цілі, на яку вчені можуть націлити детектор.

Тому більшість спостережень квантових флуктуацій вимірювали їх наслідки, а не самі флуктуації.

Тут на допомогу приходять конденсати Бозе-Ейнштейна.

Конденсат Бозе-Ейнштейна (BEC) – це хмара ультрахолодних атомів, охолоджених до температури, трохи вище абсолютного нуля. При цих температурах атоми колективно поводяться як єдина квантова система, що дозволяє спостерігати квантові ефекти по всій хмарі.

Отже, замість того, щоб намагатися зобразити вакуум порожнього простору, Чжан і його команда побудували квантове поле, яке вони могли спостерігати: двовимірний BEC атомів калію-39.

Дослідники використовували два різні внутрішні стани атомів калію-39, які вони з'єднали за допомогою радіохвиль.

Квантове поле, яке вони хотіли вивчити, було закодоване в спінових станах атомів: по суті, варіації спіну по всій хмарі поводилися як варіації в квантовому полі.

І, оскільки BEC складається з атомів, дослідники могли зобразити їх і відтворити локальні варіації – квантові флуктуації – у маленькому масштабі.

Але є й інші фактори, які можуть викликати флуктуації. Варіації температури. Експериментальний шум. Тому, щоб зрозуміти, що статичний шум, який виник у BEC, насправді є результатом квантових флуктуацій, дослідники використали властивості квантових осциляторів з експериментом з підсиленням.

Спочатку вони підготували спінове поле близько до його основного стану. Потім вони раптово змінили силу зв'язку між двома атомними станами. Ця зміна була розроблена для підсилення маленьких флуктуацій, які вже були присутні в полі.

Осцилятор, що перебуває в нульовій енергії, не реагував би на цю зміну, раптово починаючи осцилювати – але квантовий осцилятор у своєму основному стані не є абсолютно спокійним. Він зберігає цей базовий дріб'язок від квантової невизначеності. Зміна системи викликає еволюцію цих попередньо існуючих флуктуацій у вимірювальні коливання – і це те, що спостерігали дослідники.

Наступний етап був дійсно цікавим.

Вони виконали ті ж вимірювання без попереднього підсилення флуктуацій, спостерігаючи, як сила флуктуацій змінюється з частотою. Квантові вакуумні флуктуації та звичайні теплові флуктуації виробляють чітко різні патерни.

І, знову ж таки, вони отримали результат. Флуктуації зменшувалися з підвищенням частоти точно так, як і очікувалося для вакуумних флуктуацій, а не теплового шуму.

Це насправді дуже захоплююче.

Важливо, що BEC можна налаштувати так, щоб він поводився як тип релятивістського квантового поля, відомого як поле синусоідного Гордона. Це дає дослідникам лабораторну модель, в якій вони можуть потенційно спостерігати, як квантові флуктуації еволюціонують у набагато більші, складніші явища.

Дослідники стверджують, що їхня система може допомогти досліджувати ситуації, такі як розпад фальшивого вакууму, потенційно руйнівний процес для Всесвіту; виробництво частинок; і формування та розпад топологічних дефектів у квантових полях.

"Той факт, що ми можемо безпосередньо спостерігати флуктуації поля в режимі, де квантова невизначеність домінує над тепловим шумом, може запропонувати унікальне вікно в мікроскопічні механізми, що керують цими явищами," - пишуть вони.

Дослідження, яке ще має пройти рецензування, доступне на попередньому сервері arXiv.