Supermasivní černé díry, jak se zdá, fascinují celý svět. Pro astrofyziky je to velké zadostiučinění a plným právem. Kvantoví fyzici ovšem nechtějí zůstat pozadu, a tak se i oni vytasili s pozoruhodným úspěchem, který notně rozvibroval stránky legendárního Nature. Koho by ostatně neomráčilo první měření doposud neuchopitelných kvantových fluktuací v prázdnotě?
V kvantové fyzice není prázdnota, čili vakuum, prázdná. Neustále se tam zjevují kvantové fluktuace elektromagnetického pole. Doposud přitom nebylo možné zkoumat tyto fluktuace vakua přímo. Teď to ale změnil švýcarský tým z Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), který vymyslel postup, díky němuž je možné kvantové fluktuace detailně studovat.
Fluktuace elektromagnetického pole ve vakuu mají podle badatelů zřetelně patrné důsledky. Mohou způsobit i to, že určitý atom spontánně vyzáří elektromagnetické záření. Změřit něco takového ve vakuu je ale na první pohled nemožné. Tradiční detektory záření, jako například fotodiody, jsou založené na tom, že takový detektor absorbuje fotony a tudíž energii. Jenomže z vakua, které představuje stav fyzikálního systému s nejnižší energií, už nemůže být vytažená žádná další energie.
Jérôme Faist a jeho spolupracovníci se proto rozhodli, že přímo změří elektrické pole kvantových fluktuací ve vakuu. Použili k tomu elektro-optický detektor. Ten se skládá z krystalu, v němž může elektrické pole svým působením vyvolat rotaci polarizovaného záření. Může to být i elektrické pole fluktuací vakua. Elektrické pole v takovém případě zanechá zřetelnou stopu ve tvaru světelné vlny polarizovaného záření. Během experimentu prolétly krystalem dva extrémně krátké laserové pulzy, ve dvou odlišných bodech a v mírně odlišných časech. Z měření jimi vytvořeného polarizovaného světla bylo možné odvodit elektrická pole fluktuací vakua.
Aby vědci zajistili, že budou měřit skutečně elektrická pole kvantových fluktuací vakua a nikoliv pole vzniklá z tepelného záření černého tělesa, tak celé zařízení ochladili na mínus 269 °C. Při takové teplotě v přístroji nezůstanou žádné fotony tepelného záření, takže všechny fluktuace v elektrických polích by měly pocházet z vakua. I přesto to ale bylo měření na samotné hranici možností soudobé vědy. Nesmírnou výzvou pro badatele bylo třeba to, že frekvence fluktuací v elektrických polích, které v experimentu měřili elektro-optickým detektorem, leží v terahertzové oblasti. Jinými slovy, šlo o nějakých pár miliard oscilací za sekundu.
V budoucnu by Faist a spol. rádi se svým novým postupem proměřili i více exotické případy kvantových fluktuací vakua. Například tam, kde se objevují silné interakce mezi fotony a hmotou, což bývá třeba v optickém rezonátoru. Podle teoretických výpočtů by tam totiž mělo být virtuálních fotonů, vzniklých kvantovými fluktuacemi, jako máku.
Video: Jérôme Faist: Frequency combs enable QCL-based spectrometers
Literatura
ETH Zürich 10. 4. 2019, Nature 568: 202–206.
Kvantové podivnosti: Na rotující nanočástice působí Casimirova síla
Autor: Stanislav Mihulka (11.04.2017)
Kvantová síla vakua může vylepšit slibné 2D materiály
Autor: Stanislav Mihulka (08.12.2018)
Diskuze:
teplota
Roman Rodak,2019-04-15 14:03:08
"celé zařízení ochladili na mínus 269 °C. Při takové teplotě v přístroji nezůstanou žádné fotony tepelného záření" - tu by asi zasadne nesuhlasili ti, co pozoruju mikrovlnne ziarenie pozadia s teplotou -270 °C
Otazka ku kvantovym fluktuaciam
Marian Valentin,2019-04-13 14:24:51
Kvantove fluktuacie existuju vsade v rovnakom mnozstve? Alebo existuju miesta, ergo situacie, kde a kedy ich je vyrazne viac alebo menej? Meni sa ich mnozstvo v suvislosti s intenzitou gravitacneho pola? Existuju aj vo vnutri v hmote, napriklad v krystaloch? Vopred vdaka za odpovede.
Re: Otazka ku kvantovym fluktuaciam
Pavel Hudecek,2019-04-13 15:54:04
Tak třeba již dlouho změřený Casimirův jev je založen na závěru, že do menšího prostoru se nevejdou větší vlny. Důsledkem je, že když dáme dvě vodivé plochy hodně blízko sebe, intenzita fluktuací mezi nimi je malinko menší, než okolo a vznikne síla, která je tlačí k sobě.
Na druhou stranu, největší energii mají fotony s nejkratší vlnovou délkou, takže když síla vzniká eliminací těch delších, nikdy nebude extra velká.
Co se gravitačního pole týče, nevím.
V krystalech ano, nakonec přesně o tom hovoří článek pod kterým diskutujeme.
Další věc je, že dochází i k fluktuacím částic, prostě vznikne pár částice-antičástice a pak zas zanikne. A to se taky měří. Podrobnosti viz polarizace vakua.
Prostě princip neurčitosti zakazuje mít cokoli přesné a "neštítí se" ani takových samozřejmých věcí, jako prázdno. Prostě 0 je číslo jako každé jiné a tak musí být rozmazáno jako vše ostatní.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
