Po kvantni mehaniki vakuum ni samo prazen prostor. Pravzaprav je napolnjena s kvantno energijo in delci, drobni delci se nenehno pojavljajo in izginjajo kar tako, za seboj puščajo sled v obliki signalov, ki jih imenujemo kvantna nihanja. Desetletja so ta nihanja obstajala le v naših kvantnih teorijah, dokler leta 2015 raziskovalci niso objavili, da so jih neposredno zaznali in določili. In zdaj ista skupina znanstvenikov trdi, da so v svojih raziskavah še veliko napredovali - zmogli so sami manipulirati z vakuumom in določiti spremembe teh skrivnostnih signalov iz praznine.
Tu vstopimo na ozemlje fizike na visoki ravni, še pomembneje pa je, če bodo rezultati eksperimenta, o katerem bomo danes govorili, potrjeni, potem je povsem mogoče, da bo to pomenilo, da so znanstveniki odkrili nov način opazovanja, interakcije in praktičnih testov kvantne resničnosti, ne da bi posegali v njo. Slednje je še posebej pomembno, ker je ena največjih težav v kvantni mehaniki - in naše razumevanje le-te -, da vsakič, ko skušamo izmeriti ali celo preprosto opazovati kvantni sistem, ga s tem vplivom uničimo. Kot si lahko predstavljate, se to v resnici ne ujema z našo željo, da bi ugotovili, kaj se v tem kvantnem svetu resnično dogaja.
In prav od tega trenutka pride na pomoč kvantni vakuum. Preden pa nadaljujemo, se na kratko spomnimo, kakšen je vakuum z vidika klasične fizike. Tu predstavlja prostor, popolnoma brez vsake materije in ki vsebuje energije najnižjih magnitud. Tu ni delcev, kar pomeni, da nič ne more ovirati ali izkrivljati čiste fizike.
Eden od sklepov enega najbolj temeljnih načel kvantne mehanike - Heisenbergovo načelo negotovosti - postavlja mejo natančnosti opazovanja kvantnih delcev. Tudi po tem načelu vakuum ni prazen prostor. Napolnjena je z energijo, pa tudi pari delcev, ki se pojavljajo in naključno izginejo. Ti delci so "virtualni" in ne fizično materialni, zato jih ne morete zaznati. A čeprav ostajajo nevidni, tako kot večina predmetov v kvantnem svetu, tudi ti vplivajo na resnični svet.
Ta kvantna nihanja ustvarjajo naključno nihajoča električna polja, ki lahko delujejo na elektrone. In prav po zaslugi tega so znanstveniki prvič posredno dokazali svoj obstoj v štiridesetih letih prejšnjega stoletja.
V naslednjih desetletjih je to ostalo edino, kar smo vedeli o teh nihanjih. Vendar je leta 2015 skupina fizikov pod vodstvom Alfreda Leitenstorferja z Univerze v Konstanzu v Nemčiji dejala, da lahko ta nihanja neposredno ugotovijo z opazovanjem njihovega učinka na svetlobni val. Rezultati znanstvenega dela so bili objavljeni v reviji Science.
Znanstveniki so pri svojem delu uporabili kratkoročne laserske impulze, ki so trajali le nekaj femtosekund, ki so jih poslali v vakuum. Raziskovalci so začeli opažati subtilne spremembe polarizacije svetlobe. Te spremembe so po mnenju raziskovalcev neposredno povzročile kvantna nihanja. Rezultat opazovanj bo zagotovo že večkrat povzročil polemiko, vendar so se znanstveniki odločili, da bodo svoj eksperiment dvignili na novo raven s "stiskanjem" vakuuma. A tudi tokrat so začeli opazovati čudne spremembe v kvantnih nihanjih. Izkazalo se je, da se ta eksperiment ni le izkazal za še eno potrditev obstoja teh kvantnih nihanj - tukaj lahko že govorimo o tem, da so znanstveniki odkrili način opazovanja poteka eksperimenta v kvantnem svetu, ne da bi to vplivalo na končni rezultat oz.kar bi v vsakem drugem primeru uničilo kvantno stanje opazovanega predmeta.
"Analiziramo lahko kvantna stanja, ne da bi jih pri prvem opazovanju spremenili," komentira Leitenstorfer.
Promocijski video:
Ko običajno želite izslediti vpliv kvantnih nihanj na določen delček svetlobe, morate te delce najprej zaznati in izolirati. To pa bo odstranilo "kvantni podpis" teh fotonov. Podoben eksperiment je leta 2015 izvedla skupina znanstvenikov.
Kot del novega eksperimenta so raziskovalci namesto opazovanja sprememb kvantnih nihanj z absorpcijo ali ojačanjem fotonov svetlobe sami opazovali svetlobo glede na čas. Morda se sliši čudno, vendar v vakuumu prostor in čas delujeta tako, da opazovanje enega takoj omogoča, da izveš več o drugem. Na podlagi takega opažanja so znanstveniki ugotovili, da je pri stiskanju vakuuma prišlo do takega stiskanja natanko tako, kot se zgodi, ko se stisne balon, ki ga spremljajo le kvantna nihanja.
V nekem trenutku so ta nihanja postala močnejša od hrupa ozadja nestisnjenega vakuuma, ponekod pa, nasprotno, šibkejša. Leitenstorfer poda analogijo prometnega zastoja, ki se premika po ozkem cestnem prostoru: sčasoma avtomobili na svojih pasovih zasedajo isti pas, da se prebijejo skozi ozek prostor, nato pa se vrnejo na svoje pasove. Do neke mere se po ugotovitvah znanstvenikov v vakuumu dogaja isto: stiskanje vakuuma na enem mestu vodi do porazdelitve sprememb kvantnih nihanj na drugih mestih. In te spremembe lahko bodisi pospešijo bodisi upočasnijo.
Ta učinek je mogoče izmeriti v prostor-času, kot je prikazano na spodnjem grafu. Parabola na sredini slike predstavlja točko "stiskanja" v vakuumu:
Rezultat tega stiskanja je, kot je razvidno iz iste slike, nekakšno "upadanje" v nihanjih. Nič manj presenetljivega za znanstvenike je bilo opazovanje, da je raven nihanj moči na nekaterih mestih nižja od ravni hrupa v ozadju, ki je posledično nižja od ravni tal v praznem prostoru.
"Ker nova merilna metoda ne vključuje zajema ali ojačanja fotonov, obstaja možnost neposrednega odkrivanja in opazovanja hrupa elektromagnetnega ozadja v vakuumu, pa tudi nadzorovanih odstopanj stanj, ki so jih ustvarili raziskovalci," pravi študija.
Raziskovalci trenutno preizkušajo natančnost svoje metode merjenja in poskušajo ugotoviti, kaj lahko dejansko stori. Kljub že več kot impresivnim rezultatom tega dela še vedno obstaja možnost, da so znanstveniki izmislili tako imenovano "neprepričljivo metodo merjenja", ki morda ne more kršiti kvantnih stanj predmetov, hkrati pa znanstvenikom ne more povedati več o enem ali drugem kvantnem sistemu.
Če metoda deluje, potem jo znanstveniki želijo uporabiti za merjenje "kvantnega stanja svetlobe" - nevidnega vedenja svetlobe na kvantni ravni, ki jo šele začenjamo razumeti. Vendar je za nadaljnje delo potrebno dodatno preverjanje - podvajanje rezultatov odkritja skupine raziskovalcev z Univerze v Constanti in s tem dokazovanje ustreznosti predlagane metode merjenja.
NIKOLAY HIZHNYAK
