Οι φυσικοί παρατηρούν περίεργες κβαντικές διακυμάνσεις του κενού χώρου—ίσως

Ο κενός χώρος είναι κάθε άλλο παρά, σύμφωνα με την κβαντομηχανική:Αντίθετα, κυλάει με κβαντικά σωματίδια που πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη. Τώρα, μια ομάδα φυσικών ισχυρίζεται ότι έχει μετρήσει απευθείας αυτές τις διακυμάνσεις, χωρίς να τις διαταράξει ή να τις ενισχύσει. Ωστόσο, άλλοι λένε ότι δεν είναι σαφές τι ακριβώς μετρά το νέο πείραμα—το οποίο μπορεί να ταιριάζει σε ένα φαινόμενο που προέρχεται από τη διάσημη αρχή της αβεβαιότητας της κβαντικής μηχανικής.

«Υπάρχουν πολλά πειράματα που έχουν παρατηρήσει έμμεσες επιδράσεις των διακυμάνσεων του κενού», λέει ο Ντιέγκο Ντάλβιτ, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό που δεν συμμετείχε στην τρέχουσα εργασία. "Εάν αυτό το [νέο πείραμα] είναι σωστό, θα ήταν η πρώτη άμεση παρατήρηση του ίδιου του πεδίου [των διακυμάνσεων]."

Χάρη στην αρχή της αβεβαιότητας, το κενό βουίζει με ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων να εμφανίζονται μέσα και έξω από την ύπαρξη. Περιλαμβάνουν, μεταξύ πολλών άλλων, ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων και ζεύγη φωτονίων, τα οποία είναι τα δικά τους αντισωματίδια. Συνήθως, αυτά τα «εικονικά» σωματίδια δεν μπορούν να συλληφθούν άμεσα. Αλλά όπως κάποια τρομακτικά ελληνικά χορωδία, ασκούν ανεπαίσθητες επιρροές στον «πραγματικό» κόσμο.

Για παράδειγμα, τα εικονικά φωτόνια που πετάνε μέσα και έξω από την ύπαρξη παράγουν ένα τυχαία κυμαινόμενο ηλεκτρικό πεδίο. Το 1947, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι το πεδίο μετατοπίζει τα επίπεδα ενέργειας ενός ηλεκτρονίου μέσα σε ένα άτομο υδρογόνου και ως εκ τούτου το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπει το άτομο. Ένα χρόνο αργότερα, ο Ολλανδός θεωρητικός Hendrik Casimir προέβλεψε ότι το πεδίο θα ασκούσε επίσης μια λεπτή δύναμη σε δύο στενά απέχουσες μεταλλικές πλάκες, συμπιέζοντάς τις μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει επειδή το ηλεκτρικό πεδίο πρέπει να εξαφανιστεί στις επιφάνειες των πλακών, έτσι μόνο ορισμένοι κυματισμοί του ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να χωρέσουν μεταξύ των πλακών. Αντίθετα, περισσότεροι κυματισμοί μπορούν να πιέσουν τις πλάκες από έξω, ασκώντας μια καθαρή δύναμη. Το φαινόμενο Casimir παρατηρήθηκε το 1997.

Αλλά τώρα, ο Claudius Riek, ο Alfred Leitenstorfer και οι συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο της Konstanz στη Γερμανία λένε ότι παρατήρησαν άμεσα αυτές τις διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου χαρτογραφώντας την επιρροή τους σε ένα φωτεινό κύμα. Το πείραμα βασίζεται σε μια τεχνική που ανέπτυξαν για να μελετήσουν έναν μεγαλύτερο παλμό φωτός με έναν πολύ μικρότερο, εκτοξεύοντάς τους ταυτόχρονα μέσα από έναν κρύσταλλο (βλ. διάγραμμα). Ο μεγαλύτερος παλμός «αντλίας» είναι πολωμένος οριζόντια, που σημαίνει ότι το ηλεκτρικό πεδίο σε αυτόν ταλαντώνεται πλάγια. Ο μικρότερος παλμός "ανιχνευτής" ξεκινά πολωμένος κατακόρυφα. Ωστόσο, οι ιδιότητες του κρυστάλλου εξαρτώνται από το ηλεκτρικό πεδίο σε αυτόν, έτσι η δέσμη της αντλίας προκαλεί την αλλαγή της πόλωσης της δέσμης του ανιχνευτή και την ανάδυση από τον κρύσταλλο ακολουθώντας ένα ελλειπτικό σχέδιο. Προσαρμόζοντας το χρονισμό των παλμών, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το φαινόμενο πόλωσης για να χαρτογραφήσουν τις ταλαντεύσεις στο ηλεκτρικό πεδίο στο κύμα της αντλίας.

Αλλά οι ίδιες οι διακυμάνσεις του κενού θα επηρεάσουν τον κρύσταλλο και ως εκ τούτου την πόλωση του παλμού του ανιχνευτή, λέει ο Leitensdorfer. Έτσι, για να μετρήσουμε τις διακυμάνσεις του πεδίου κενού, «βάζουμε μόνο τον παλμό του ανιχνευτή, τίποτα άλλο». Κατά μέσο όρο, η πόλωση του παλμού του μοναχικού καθετήρα παρέμεινε κάθετη. Αλλά σε πολλές επαναλαμβανόμενες δοκιμές, διέφερε ελαφρώς και αυτός ο θόρυβος ήταν το σημάδι των διακυμάνσεων του κενού, λέει η ομάδα.

Ο εντοπισμός του εφέ δεν είναι κακός άθλος, καθώς η πόλωση ποικίλλει επίσης λόγω της τυχαίας διακύμανσης του αριθμού των φωτονίων σε κάθε παλμό ή του "θορύβου πυροβολισμού". Για να χωρίσουν τα δύο, οι φυσικοί διαφοροποιούν τη διάρκεια και το πλάτος του παλμού, αλλά όχι τον αριθμό των φωτονίων σε αυτόν. Ο θόρυβος της βολής πρέπει να παραμένει σταθερός, ενώ ο θόρυβος από τις κβαντικές διακυμάνσεις θα πρέπει να συρρικνώνεται καθώς οι παλμοί γίνονται μεγαλύτεροι. Οι ερευνητές είδαν μια αλλαγή μερικών τοις εκατό στον θόρυβο, μια επίδραση που αποδίδουν στις διακυμάνσεις του κενού.

Ωστόσο, ορισμένοι φυσικοί αμφισβητούν τι μετρά στην πραγματικότητα το νέο πείραμα. Οι ερευνητές υποθέτουν ότι οι διακυμάνσεις των οπτικών ιδιοτήτων του κρυστάλλου αντανακλούν τις διακυμάνσεις του κενού, λέει ο Steve Lamoreaux, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Yale και ένας από τους πρώτους που παρατήρησαν το φαινόμενο Casimir. Αλλά οι διακυμάνσεις στις οπτικές ιδιότητες του κρυστάλλου θα μπορούσαν να έχουν κάποια άλλη πηγή, όπως θερμικές διακυμάνσεις, λέει. "Οι ιδιότητες του υλικού θα κυμαίνονται από μόνες τους", λέει, οπότε "πώς αποδίδει κανείς αυτές τις διακυμάνσεις μόνο στο κενό;"

Επιπλέον, η ομάδα του Leitenstorfer δεν είναι η πρώτη που διερευνά άμεσα τέτοιες διακυμάνσεις. Το 2011, ο Christopher Wilson, ένας φυσικός τώρα στο Πανεπιστήμιο του Waterloo στον Καναδά, και οι συνεργάτες του ανέφεραν στο Nature ότι είχαν αντλήσει τις διακυμάνσεις του κενού και τις είχαν μετατρέψει σε πραγματικά φωτόνια. Κατ 'αρχήν, αυτό μπορεί να γίνει επιταχύνοντας έναν καθρέφτη εμπρός και πίσω με ταχύτητα σχεδόν φωτός. Ο Wilson χρησιμοποίησε ένα πιο πρακτικό ανάλογο:ένα σύστημα στο οποίο το πραγματικό μήκος μιας μικρής υπεραγώγιμης κοιλότητας μπορούσε να αλλάξει ηλεκτρονικά. Ο Leitenstorfer σημειώνει ότι το νέο πείραμα διαφέρει από αυτό του Wilson στο ότι δεν απαιτεί ενίσχυση των διακυμάνσεων. Ο Wilson απαντά, "Αν και συμφωνώ ότι αυτή είναι μια διαφορά, δεν νομίζω ότι είναι θεμελιώδης."

Ο Leitenstorfer υποστηρίζει ότι το νέο έργο κάνει ποιοτική πρόοδο σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες. «Σαφώς έχουμε προχωρήσει ένα σημαντικό βήμα παραπέρα σε σύγκριση με οποιονδήποτε άλλον, μετρώντας απευθείας το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου του κενού καθώς αυτό κυμαίνεται στο χώρο και στο χρόνο», λέει. Άλλοι φαίνονται λιγότερο σίγουροι για αυτό.