Можно ли получить материю из пустоты? Квантовая физика допускает такую возможность, если на вакуум воздействует чрезвычайно сильное электрическое поле. Однако непосредственно наблюдать этот процесс почти невозможно: необходимая напряжённость поля намного превышает возможности обычных лабораторных установок. Теперь физики из Китайского университета науки и технологий нашли необычный способ исследовать явление, заменив недоступный эксперимент управляемой системой сверххолодных атомов.
Речь идёт об эффекте Швингера, названном в честь американского физика Джулиана Швингера. Согласно квантовой электродинамике, достаточно сильное электрическое поле способно создавать пары электронов и позитронов. Электрон обладает отрицательным зарядом, а его античастица позитрон — положительным. Их массы одинаковы, поэтому для рождения пары требуется энергия, соответствующая массе обеих частиц.
На первый взгляд это напоминает появление вещества из ничего. В действительности закон сохранения энергии не нарушается: необходимая энергия поступает из электрического поля. Подобный механизм принципиально отличается от привычного рождения частиц при столкновениях в ускорителях. Здесь источником энергии становится само поле, действующее на квантовый вакуум.
Проблема заключается в невероятной интенсивности необходимого воздействия. Характерный масштаб поля Швингера составляет около 1,3 × 10¹⁸ вольт на метр. При значительно меньшей напряжённости вероятность образования электрон-позитронных пар чрезвычайно мала. Поэтому прямое экспериментальное подтверждение эффекта в исходной форме остаётся одной из сложнейших задач современной физики.
Исследователи решили не создавать столь мощное поле, а воспроизвести математические закономерности процесса в другой физической системе. Такой подход называется квантовым моделированием. Вместо попытки непосредственно наблюдать труднодоступное явление учёные создают управляемую установку, поведение которой описывается сходными уравнениями.
Для эксперимента использовали атомы рубидия, охлаждённые почти до абсолютного нуля. При таких температурах тепловое движение становится чрезвычайно слабым, а квантовые свойства атомной системы проявляются особенно отчётливо. Лазерные лучи формировали оптическую решётку — последовательность микроскопических ловушек, удерживающих атомы в строго определённых положениях.
Учёные построили одномерную цепочку с необычным распределением атомов. Каждая вторая ловушка содержала два атома, а промежуточные позиции оставались пустыми. Эта упорядоченная конфигурация представляла в модели так называемый ложный вакуум — состояние, которое может сохраняться некоторое время, хотя существуют энергетически более выгодные варианты.
Понятие ложного вакуума встречается в различных разделах теоретической физики. Его можно сравнить с шариком, находящимся в небольшой впадине на склоне горы. Он временно устойчив, но ниже существует более глубокая долина. Если система получает возможность перейти в состояние с меньшей энергией, первоначальная конфигурация может разрушиться.
В атомной установке такой переход воспроизводился посредством изменения параметров лазерной решётки. Исследователи позволяли атомам перемещаться между соседними позициями, имитируя динамику частиц и античастиц. При этом сами атомы рубидия не превращались в антиматерию. Их расположение и движение лишь кодировали соответствующие состояния теоретической модели.
Важнейшую роль играла возможность управлять параметрами, аналогичными массе частиц и напряжённости электрического поля. Изменяя настройки установки, физики наблюдали, как меняется вероятность образования моделируемых пар. Это позволяло проверять закономерности, которые чрезвычайно трудно исследовать в настоящем квантовом вакууме.
Для наблюдения использовали квантово-газовый микроскоп. Он позволял определять заполнение отдельных участков оптической решётки и фиксировать изменения атомной конфигурации в разные моменты времени. Благодаря этому исследователи получили возможность проследить динамику процесса на уровне отдельных позиций цепочки.
Эксперимент показал, что увеличение эффективной массы моделируемых частиц подавляет образование пар. Это соответствует физической интуиции: создание более массивных частиц требует большего количества энергии. Однако зависимость от параметра, представляющего электрическое поле, оказалась сложнее. При некоторых условиях его чрезмерное преобладание над другими взаимодействиями также уменьшало число возникающих пар.
Учёные исследовали и вероятность сохранения исходного состояния. В квантовой теории она связана с величиной, называемой амплитудой сохранения вакуума. Её квадрат по модулю определяет вероятность того, что система останется в первоначальной конфигурации. Измеряя изменения атомной цепочки, исследователи смогли связать распад ложного вакуума с этой фундаментальной характеристикой.
Особенно интересные результаты были получены при нулевой эффективной массе моделируемых частиц. В определённом режиме система демонстрировала продолжительные колебания, напоминающие коллективные возбуждения, предсказанные моделью Швингера. Это показало, что атомный симулятор способен воспроизводить не только отдельные переходы, но и сложную совместную динамику квантового поля.
Подобные эксперименты важны потому, что многие процессы квантовой теории поля чрезвычайно сложно рассчитывать даже на мощных компьютерах. Количество возможных состояний быстро увеличивается с размером системы, делая прямое моделирование трудоёмким. Управляемые квантовые устройства позволяют исследовать некоторые из этих процессов непосредственно через поведение другой квантовой системы.
При этом необходимо учитывать ограничения аналогии. Эксперимент не продемонстрировал реального рождения электронов и позитронов из вакуума. Он воспроизвёл определённые свойства теоретической модели с помощью нейтральных атомов. Поэтому результаты подтверждают возможности квантового симулятора, но не заменяют прямую проверку эффекта Швингера в электромагнитном поле.
Следующим этапом исследователи планируют изучить взаимодействия моделируемых частиц после их возникновения. Особенно интересны столкновения, рассеяние и процессы, при которых связанные состояния могут разрушаться. Команда также рассматривает переход от одномерных атомных цепочек к двумерным системам, позволяющим исследовать более сложные калибровочные теории.
Открытие демонстрирует необычную особенность современной экспериментальной физики: для изучения фундаментальных процессов необязательно воспроизводить их буквально. Иногда достаточно создать другую систему, подчиняющуюся сходным математическим законам. В данном случае несколько сверххолодных атомов в лазерных ловушках стали инструментом исследования процессов, для которых в реальном вакууме потребовались бы колоссальные электрические поля.
А затем «Добавить на главный экран».
