Физикам удалось впервые получить прямое изображение квантовых флуктуаций — тех самых неустранимых «дрожаний», которые происходят даже в абсолютно пустом пространстве. Результаты исследования были опубликованы в препринте на сервере arXiv и пока ещё не прошли рецензирование.
Согласно принципам квантовой механики, ни одно поле не может находиться в состоянии полного покоя: даже в конфигурации с минимальной энергией сохраняются микроскопические колебания, обусловленные принципом неопределенности. Эти флуктуации давно предсказаны теоретически, однако до сих пор учёным не удавалось «увидеть» их напрямую.
Исследовательская группа из Кембриджского университета, возглавляемая Яньшэном Чжаном, нашла способ обойти эту проблему, используя двумерный конденсат Бозе — Эйнштейна, созданный из атомов калия-39. Ученые «записали» квантовое поле в спиновые состояния атомов, а затем, сфотографировав сами атомы, смогли восстановить локальные колебания, тем самым сделав невидимое видимым.
Для улавливания этого слабого сигнала физики изменяли силу связи между двумя состояниями атомов, в результате чего заранее существовавшее квантовое «дрожание» усиливалось до измеримых уровней колебаний. При этом флуктуации вакуума продемонстрировали заметно отличительный рисунок по сравнению с обычным тепловым шумом, что было подтверждено измерениями на различных частотах.
Как сообщают авторы работы, такой конденсат можно настроить так, чтобы он вел себя как сложное релятивистское квантовое поле. Это открывает перспективы для моделирования в лабораторных условиях явлений, которые практически невозможно теоретически рассчитать, таких как «распад ложного вакуума», рождение частиц и формирование топологических дефектов. Ученые отмечают, что это новый инструмент для изучения квантовых полей: если ранее подобные явления можно было только рассчитывать в теории, то теперь их можно наблюдать и «проигрывать» в контролируемых экспериментах. Это, в свою очередь, позволит проверять фундаментальные предсказания физики, в том числе касающиеся ранней Вселенной.
