Вакуум не такой пустой, как можно подумать. Фактически, пустое пространство — это пузырящийся суп из различных виртуальных частиц, которые появляются и исчезают — явление, называемое «флуктуациями вакуума». Обычно такие чрезвычайно короткоживущие частицы остаются совершенно незамеченными, но в некоторых случаях вакуумные силы могут иметь измеримый эффект.
Группа исследователей из Научного института Вейцмана (Реховот, Израиль) и Венского технологического университета предложила метод усиления этих сил на несколько порядков с помощью линии передачи, направляя виртуальные фотоны в канал.«Заимствуя» энергию, но ненадолгоЕсли вы где-то припарковали машину, а потом ее не стало, скорее всего, это не из-за колебаний вакуума.
Объекты не исчезают и не появляются снова, что нарушило бы закон сохранения энергии. Однако в мире квантовой физики все немного сложнее. «Из-за принципа неопределенности виртуальные частицы могут возникать в течение короткого периода времени», — говорит Игорь Мазец из Венского технологического университета. «Чем выше их энергия, тем быстрее они снова исчезнут».
Но такие виртуальные частицы могут иметь измеримый коллективный эффект. На очень коротких расстояниях колебания вакуума могут приводить к силе притяжения между атомами или молекулами — силам Ван-дер-Ваальса. Даже способность геккона лазить по плоской поверхности частично может быть связана с колебаниями вакуума и виртуальными частицами. Знаменитый эффект Казимира — еще один пример силы вакуума: физик Хендрик Казимир в 1948 году рассчитал, что два параллельных зеркала в пустом пространстве будут притягиваться друг к другу из-за того, как они влияют на вакуум вокруг себя.
Атомы и фотоныДва атома, расположенные близко друг к другу, также изменят локальный вакуум вокруг них.
Если один из них испускает виртуальный фотон, который почти мгновенно поглощается другим, то в любой временной шкале, превышающей краткий момент существования фотона, ничего особенного не происходит — сохраняется полная энергия. Но тот факт, что виртуальные частицы можно обменивать, изменяет вакуум вокруг атомов, и это приводит к силе.
«Обычно такие силы очень сложно измерить, — говорит Игорь Мазец. «Отчасти это связано с тем, что такой фотон может быть испущен в любом направлении, и вероятность его поглощения вторым атомом очень мала».Но что, если виртуальной частице немного поможет найти путь?
Эфраим Шахмун, Гершон Курицки (Институт науки Вейцмана) и Игорь Мазец вычислили, что происходит с вакуумными силами между атомами, когда они помещаются вблизи линии электропередачи, такой как коаксиальный кабель или копланарный волновод (устройство, используемое в квантовом резонаторе). электродинамические эксперименты как открытая линия передачи), охлаждаемые до очень низких температур. «В этом случае колебания фактически ограничены одним измерением», — говорит Игорь Мазец. Виртуальные частицы будут вынуждены двигаться в направлении другого атома.В этом случае притяжение между атомами, обусловленное флуктуациями, становится на порядки сильнее, чем в свободном пространстве.
Обычно сила быстро уменьшается с увеличением расстояния между атомами. Из-за линии передачи оно падает на единицу на отрезке расстояния, а не на единицу на седьмой степени расстояния, как в обычном случае.
Исследователи полагают, что предложенное ими усиление мощности вакуумных флуктуаций может иметь серьезные последствия для понимания сил Казимира и Ван-дер-Ваальса и даже может быть использовано для приложений в квантовой обработке информации и других новых квантовых технологиях.