Согласно квантовой теории поля, даже абсолютный вакуум — не пустота, а активная среда, в которой поля постоянно флуктуируют вокруг минимальной энергии. Эти флуктуации имеют реальные физические последствия: они вызывают спонтанное излучение фотонов возбужденными атомами, чуть сдвигают энергетические уровни электронов в водороде, создают силу притяжения между близко расположенными пластинами и даже участвуют в испарении черных дыр через излучение Хокинга.
Однако напрямую увидеть эти флуктуации крайне сложно: они невероятно малы, случайны и не дают четкого сигнала. Поэтому до сих пор ученые наблюдали лишь их последствия. Кембриджская команда первой создала искусственное квантовое поле, которое можно сфотографировать. Для этого они охладили облако атомов калия-39 до температуры, близкой к абсолютному нулю, получив бозе-эйнштейновский конденсат — состояние, в котором все атомы ведут себя как единая квантовая система. Квантовое поле было закодировано в спиновых состояниях атомов, а вариации спина по облаку соответствовали флуктуациям поля.
Чтобы отличить истинно квантовые флуктуации от теплового шума или помех от приборов, исследователи подготовили спиновое поле в основном состоянии, а затем резко изменили силу связи между двумя атомными состояниями. Если бы поле было идеально «мертвым», оно не отреагировало бы, однако ученые зафиксировали измеримые осцилляции. Более того, они показали, что зависимость силы флуктуаций от частоты в точности соответствует квантовой, а не тепловой природе.
Созданная модель позволяет ученым возможность в реальном времени наблюдать, как квантовые флуктуации эволюционируют в более сложные феномены, пишет Science Alert. Вместо того чтобы решать чудовищно сложные уравнения, физики смогут построить управляемую квантовую систему и понаблюдать за ее поведением. С ее помощью физики смогут изучить такие явления, как распад ложного вакуума — процесс, способный привести к гибели Вселенной, — а также рождение частиц и топологических дефектов в квантовых полях.
Обычно квантовые феномены происходят только в микромире, но физики из США стали свидетелями того, как квантовое событие воздействовало на макроскопический объект — крошечные флуктуации смогли сдвинуть зеркало массой 40 г.
