Prema kvantnoj mehanici, vakuum nije samo prazan prostor. U stvari, ispunjena je kvantnom energijom i česticama, sitne čestice koje se neprestano pojavljuju i nestaju upravo tako, ostavljajući za sobom trag u obliku signala koje nazivamo kvantnim fluktuacijama. Desetljećima su te fluktuacije postojale samo u našim kvantnim teorijama, sve dok 2015. nisu istraživači objavili da su ih izravno otkrili i utvrdili. A sada isti tim znanstvenika tvrdi da su oni u svojim istraživanjima napredovali mnogo dalje - bili su u stanju manipulirati samim vakuumom i utvrđivati promjene tih misterioznih signala iz praznine.
Ovdje ulazimo na područje fizike visoke razine, ali što je još važnije, potvrde li se rezultati eksperimenta o kojem ćemo danas govoriti, onda je sasvim moguće da će to značiti da su znanstvenici otkrili novi način promatranja, interakcije i praktičnih testova kvantne stvarnosti bez uplitanja nju. Potonje je posebno važno jer je jedan od najvećih problema kvantne mehanike - i naše razumijevanje toga - da svaki put kada pokušamo izmjeriti ili čak jednostavno promatrati kvantni sustav, uništit ćemo ga tim utjecajem. Kao što možete zamisliti, to se zapravo ne uklapa u našu želju da otkrijemo što se zapravo događa u ovom kvantnom svijetu.
I upravo od ovog trenutka dolazi do kvantnog vakuuma. No prije nego što nastavimo, prisjetimo se ukratko što je vakuum s gledišta klasične fizike. Ovdje on predstavlja prostor potpuno lišen materije i koji sadrži energije najnižih veličina. Ovdje nema čestica, što znači da ništa ne može ometati ili iskriviti čistu fiziku.
Jedan od zaključaka jednog od najosnovnijih principa kvantne mehanike - Heisenbergovog principa neizvjesnosti - postavlja ograničenje točnosti promatranja kvantnih čestica. Također, prema ovom principu, vakuum nije prazan prostor. Ispunjen je energijom, kao i parovima čestica antičestica koje se pojavljuju i nestaju nasumično. Te su čestice "virtualne", a ne fizički materijalne, zbog čega ih ne možete otkriti. Ali iako ostaju nevidljivi, poput većine objekata u kvantnom svijetu, oni također utječu na stvarni svijet.
Ove kvantne fluktuacije stvaraju nasumično fluktuirajuća električna polja koja mogu djelovati na elektrone. Upravo su zahvaljujući ovom učinku znanstvenici prvi put posredno dokazali svoje postojanje u četrdesetima.
Tijekom sljedećih desetljeća, to je ostalo jedino što smo znali o tim fluktuacijama. Međutim, 2015. godine, grupa fizičara pod vodstvom Alfreda Leitenstorfera sa Sveučilišta u Konstanzu u Njemačkoj rekla je da su mogli izravno utvrditi te fluktuacije promatrajući njihov utjecaj na svjetlosni val. Rezultati rada znanstvenika objavljeni su u časopisu Science.
Znanstvenici su u svom radu koristili kratkotalasne laserske impulse u trajanju od samo nekoliko femtosekundi koje su poslali u vakuum. Istraživači su počeli primjećivati suptilne promjene u polarizaciji svjetlosti. Prema istraživačima, ove su promjene izravno uzrokovane kvantnim fluktuacijama. Rezultat opažanja zasigurno će izazvati kontroverzu više puta, ali znanstvenici su odlučili svoj eksperiment podići na novu razinu "komprimiranjem" vakuuma. No i ovaj su put počeli promatrati čudne promjene u kvantnim fluktuacijama. Ispada da se ovaj eksperiment ne samo pokazao kao još jedna potvrda postojanja ovih kvantnih kolebanja - ovdje već možemo govoriti o činjenici da su znanstvenici otkrili način da promatraju tijek eksperimenta u kvantnom svijetu, a da ne utječu na konačni rezultat.što bi u bilo kojem drugom slučaju uništilo kvantno stanje promatranog objekta.
"Mi možemo analizirati kvantna stanja bez da ih promijenimo pri prvom promatranju", komentira Leitenstorfer.
Promotivni video:
Kad želite pratiti učinak kvantnih fluktuacija na pojedinu česticu svjetla, prvo morate otkriti i izolirati te čestice. Time će se ukloniti "kvantni potpis" ovih fotona. Sličan eksperiment 2015. godine izveo je tim znanstvenika.
Kao dio novog eksperimenta, umjesto da promatraju promjene u kvantnim fluktuacijama apsorpcijom ili pojačanjem fotona svjetlosti, istraživači su promatrali samu svjetlost u pogledu vremena. Možda zvuči čudno, ali u vakuumu prostor i vrijeme djeluju na takav način da vam promatranje jednog trenutka omogućava da saznate više o drugom. Znanstvenim istraživanjem otkrili su da se, kada se vakuum "komprimira", ta "kompresija" dogodila točno onako kako se događa kad se balon komprimira, samo praćen kvantnim fluktuacijama.
U nekom su trenutku te fluktuacije postale jače od pozadinske buke nekomprimiranog vakuuma, a na nekim mjestima, naprotiv, bile su slabije. Leitenstorfer daje analogiju prometnoj gužvi koja se kreće uskim prostorom ceste: s vremenom automobili u svojim trakama zauzimaju istu traku da se provuku kroz uski prostor, a zatim se vrate na svoje trake. Do izvjesne mjere, prema opažanjima znanstvenika, isto se događa i u vakuumu: kompresija vakuuma na jednom mjestu dovodi do distribucije promjena u kvantnim fluktuacijama na drugim mjestima. A te promjene mogu ili ubrzati ili usporiti.
Taj se učinak može mjeriti u prostoru-vremenu, kao što je prikazano na grafikonu u nastavku. Parabola u sredini slike predstavlja točku "kompresije" u vakuumu:
Rezultat tog sažimanja, kao što se može vidjeti na istoj slici, je neko „utapanje“u fluktuacijama. Ništa manje iznenađujuće za znanstvenike nije bilo i opažanje da je razina snage fluktuacije na nekim mjestima niža od razine buke u pozadini, koja je zauzvrat niža od stanja prizemlja praznog prostora.
"Budući da nova metoda mjerenja ne uključuje hvatanje ili pojačavanje fotona, postoji mogućnost direktnog otkrivanja i promatranja buke elektromagnetskog pozadina u vakuumu, kao i kontroliranih odstupanja stanja koja su stvorili istraživači", kaže se u studiji.
Istraživači trenutno testiraju točnost svoje metode mjerenja i pokušavaju ustanoviti što se zapravo može učiniti. Unatoč već više nego impresivnim rezultatima ovog rada, još uvijek postoji mogućnost da su znanstvenici smislili takozvanu "neuvjerljivu metodu mjerenja" koja, možda, ne može narušiti kvantna stanja objekata, ali istodobno nije u mogućnosti reći znanstvenicima više o jednom ili drugom kvantnom sustavu.
Ako metoda uspije, tada znanstvenici žele je koristiti za mjerenje "kvantnog stanja svjetlosti" - nevidljivog ponašanja svjetlosti na kvantnoj razini koju tek počinjemo razumijevati. Međutim, daljnji rad zahtijeva dodatnu provjeru - umnožavanje rezultata otkrića tima istraživača sa Sveučilišta u Constance te time dokazivanje prikladnosti predložene metode mjerenja.
NIKOLAY KHIZHNYAK
