Вакуумные колебания — одни из самых противоречащих законам квантовой физики явления. Теоретики из Института Вейцмана (Реховот, Израиль) и Венского технологического университета предложили способ усиления их действия.
Вакуум не так пуст, как можно подумать. На самом деле, пустое пространство является смесью различных виртуальных частиц, возникающих в и вне бытия — явление называется «вакуумными флуктуациями». Как правило, такие чрезвычайно короткоживущие частицы остаются совершенно незаметными, но в некоторых случаях вакуумные силы могут иметь измеримый эффект. Командой исследователей предложен метод повышения этой силы на несколько порядков за счет использования линии электропередачи, направляющей виртуальные фотоны.
«Заимствование» энергии на некоторое время
Объекты не исчезают и не появляются из ничего, это нарушило бы закон сохранения энергии. В мире квантовой физики, однако, все немного сложнее. «В связи с принципом неопределенности виртуальные частицы могут возникнуть в течение короткого периода времени, — говорит Игорь Мазец из Венского технологического университета. — Чем выше их энергия, тем быстрее они вновь исчезнут».
Но такие виртуальные частицы могут иметь измеримый коллективный эффект. На очень малых расстояниях вакуумные флуктуации способны привести к появлению силы притяжения между атомами или молекулами — силы Ван-дер-Ваальса. Даже способность геккона поднимать плоские поверхности можно частично отнести к вакуумным флуктуациям виртуальных частиц. Знаменитый эффект Казимира является еще одним примером силы вакуума: физик Хендрик Казимир в 1948 году установил, что два параллельных зеркала в пустом пространстве будут притягивать друг друга под действием вакуума вокруг них.
Атомы и фотоны
Два атома, расположенные близко друг к другу, также могут изменить локальный вакуум вокруг них. Если один из них испускает виртуальный фотон, который почти моментально поглощается другим, то на любом отрезке времени, превышающем мгновение существования фотона, ничего особенного не произойдет, полная энергия сохранится. Но виртуальные частицы могут быть обменены, изменяя вакуум вокруг атомов, и это приведет к силе.
«Как правило, такие силы очень трудно измерить, — говорит Игорь Мазец. — Отчасти это связано с тем, что такой фотон может быть выброшен в любом направлении, и шансы второго атома поглотить его очень малы».
Но что, если виртуальной частице немного помочь, чтобы найти свой путь? Ефрем Шахмун, Гершон Курицки (Институт Вейцмана) и Игорь Мазец рассчитали, что вакуумные силы между атомами, находящимися в непосредственной близости от линий электропередач, таких как коаксиальный кабель или копланарный волновод (устройство, используемое в квантовых электродинамических экспериментах как открытая линия передачи), охлаждаются до очень низких температур. «В таком случае колебания можно эффективно ограничивать до определенного размера», — говорит Игорь Мазец. Виртуальные частицы будут вынуждены идти в направлении другого атома.
В этом случае флуктуация — опосредованное притяжение между атомами, становится на порядок сильнее, чем в свободном пространстве. Как правило, сила быстро уменьшается с увеличением расстояния между атомами.
Исследователи полагают, что предложенное ими повышение мощности вакуумных флуктуаций может иметь далеко идущие перспективы для понимания эффектов Казимира и Ван-дер-Ваальса, его даже можно использовать в приложениях для обработки квантовой информации.