Нечто из ничего: динамический эффект Казимира
Something from nothing: the dynamical Casimir effect
Как превратить тьму в свет
Квантовая механика говорит нам, что вакуум не является пустым, но заполнен виртуальными частицами, которые появляются и исчезают незамеченными. Обычно эти частицы скрыты от нашего взгляда, но теперь группа физиков использовала электрический эквивалент сверхбыстрого зеркала для преобразования виртуальных фотонов в реальное электромагнитное излучение. Явление это известно как динамический эффект Казимира, который был впервые предсказан более 40 лет назад.
Статический эффект Казимира
, открытый голландским физиком Хендриком Казимиром (Hendrik Casimir)в 1948 году, состоит в том, что два абсолютно отражающие параллельные зеркала, помещенные в вакуум, будут притягиваться друг к другу. Это сила притяжения вызвана давлением излучения виртуальных фотонов за пределами зеркала и тем, что это давление превышает давление между зеркалами из-за ограниченного количества частот электромагнитных колебаний, которые разрешены в этой области. Другими словами, сила появляется в результате несоответствия электромагнитных колебаний в разных областях пространства.
Динамический эффект предложил Джеральд Мур (Gerald Moore) в 1970 году и вызван несоответствием частот во времени. Фаза электромагнитной волны стремится к нулю на поверхности зеркала, если это зеркало идеальный проводник электричества. Если зеркало медленно двигать через вакуум, то эта нулевая точка успевает двигаться с зеркалом. Однако, если зеркало перемещают со скоростью сравнимой со скоростью света, то электромагнитное поле не успевает подстроиться под зеркало и приходит в состояние возбуждения, в результате чего создает реальные фотоны. Иными словами, зеркало создает виртуальные фотоны (всегда рождаются парами) отделяя их друг от друга, так что вместо того, чтобы быстро аннигилировать, частицы становятся свободными, реальными фотонами.
Высокоскоростной вызов
Статический эффект наблюдался во многих экспериментах, проведенных на протяжении более чем десяти лет, тогда как подтверждение динамической версии до сих пор не реализовано, частично из-за проблем, возникающих при движении механического объекта при таких высоких скоростях. Кристофер Уилсон (Christopher Wilson) из
Технологического университета Чалмерса
в Швеции и его коллеги сумели обойти эту проблему, быстро изменяя электрические свойства зеркала, а не перемещая его в пространстве.
Исследователи помещают крошечное устройство, используемое для измерения очень слабых магнитных полей - сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство (SQUID) - на одном конце электрической линии передач. Идея в том, что SQUID отражает электромагнитные волны, связанные с виртуальными фотонами и его индуктивность определяет насколько несовершенно зеркало. Это несовершенство связано с тем, насколько велика (то есть, отлична от нуля) фаза волны точке зеркала. Применение переменного магнитного потока через зеркало вызывает осцилляции его индуктивности, что позволяет исследователям варьировать дополнительное расстояние, которое волны должны пройти за пределы зеркала пока их фаза спадет до нуля. «Оказывается, что уравнения при этом являются точно такими же, как перемещение физического зеркала на это расстояние», объясняет Кристофер Уилсон.
Четверть скорости света
При переключении магнитного потока миллиарды раз в секунду, исследователи получили зеркало, которое при вибрации достигает скорости до четверти скорости света. В результате им удалось обнаружить микроволновое электромагнитное излучение на дальнем конце линии передач. Излучение обладает свойствами, ожидаемыми от фотонов динамического эффекта Казимира. Его частота составляет около половины от частоты колебаний зеркала, а соотношение между величиной магнитного потока и интенсивностью зафиксированного излучения в целом соответствует теоретическим предсказаниям. Ученые также обнаружили, что спектр содержит дублированные шумы, а это убедительное доказательство того, что фотоны рождаются в коррелированных парах.
Хотя исследования не были направлены на практическое применение, Уилсон говорит, что их аппарат может обеспечить генерацию запутанных фотонов для экспериментов в квантовой обработке информации. Он также считает, что работа могла бы способствовать продвижению фундаментальной физики, указывая на то, что, например, излучение Хокинга, предположительно испускаемое черными дырами включает в себя рождение, а затем расщепление пары виртуальных фотонов, один из которых попадает в черную дыру, в то время как другой выбрасывается в виде реального фотона.
"Красивый эксперимент"
Джон Пендри (John Pendry) из
Имперского колледжа в Лондоне
, который не является членом команды, проводившей исследование, описывает демонстрацию Уилсона и его коллег как «красивый эксперимент, который исследует совершенно новый взгляд на изящные тонкости сил Казимира», но добавляет, что «насколько обоснованно, что колебание параметров SQUID на самом деле идентичны колебаниям реального зеркала?».
Между тем, Джузеппе Розо (Giuseppe Ruoso) из INFN Национальной лаборатории Legnaro в Италии говорит, что «если результат подтвердится и другими независимыми измерениями, это будет означать еще один большой шаг в понимании природы вакуума, еще раз подтвердив правильность квантовой механики». Джузеппе Розо является участником группы физиков в Италии, которая также пытается наблюдать динамический эффект Казимира, но делают это с помощью повторяемых лазерных импульсов, периодически изменяя отражательную способность полупроводниковой пластины внутри микроволновой полости. «Я не вижу никаких практических приложений в ближайшей перспективе, но я уверен, что они появятся в будущем, учитывая, что вакуум - наиболее распространенный «элемент» в нашей Вселенной.»
Интересный эффект. Мне здесь фраза понравилась:
"... вакуум - наиболее распространенный «элемент» в нашей Вселенной..."
А еще конечно не понятно что делает этот SQUID, насколько его манипуляции эквивалентны перемещению зеркала.
С уважением, ОК.