Ученые доказали, что «пустое» пространство на самом деле не является пустым

Фото из открытых источников

Астрономы, возможно, нашли одни из самых убедительных доказательств одного из самых странных предсказаний квантовой механики: даже, казалось бы, пустое пространство может влиять на путь света.

Известное как «вакуумное двопреломление», это явление было предсказано почти 90 лет назад Вернером Гейзенбергом, одним из пионеров квантовой механики. Его работа показала, что идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. Вместо этого он должен содержать «виртуальные частицы», которые кратковременно появляются и исчезают.

Исследователи, включая доктора Маркуса Лоуэра из Технологического университета Свинберна, исследовали эту давнюю квантовую загадку, изучая магнетар — редкий тип нейтронной звезды, обладающей самыми сильными магнитными полями во Вселенной.

Их наблюдения могут стать первым обнаружением двойного преломления вакуума внутри чрезвычайно мощного магнитного поля магнетара. Если результат подтвердится, это может дать учёным новый способ изучения квантовой вселенной. Результаты недавно были опубликованы в журнале Nature.

Как экстремальные магнитные поля могут изменять свет

Согласно теории, чрезвычайно сильное магнитное поле может влиять на море виртуальных частиц, связанных с вакуумом. В таких условиях частицы должны влиять на движение света, преломляя его определённым образом и создавая вакуумное двопреломление. Магнетары предоставляют редкую возможность для поиска такого эффекта, поскольку их магнитные поля достаточно сильны, чтобы предсказанное квантовое поведение потенциально наблюдаемо.

Доктор Лоуэр входил в состав международной исследовательской группы, изучавшей магнетар 1E 1547.0-5408 (или сокращённо 1E1547) с помощью программы NASA Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE). Наблюдения поддерживались рентгеновским телескопом NICER на борту Международной космической станции и радиотелескопом Паркса CSIRO в Муррияне, который принадлежит и управляется национальным научным агентством Австралии.

Радионаблюдения, собранные доктором Лоуэром с помощью Мурриянга, а затем анализ на суперкомпьютере Ngarrgu Tindebeek Суинберна, помогли исследователям изучить, что могло стать первым прямым обнаружением этого ранее теоретического квантового явления. Хотя в 1930-х годах предсказывали двухпреломление вакуума, доктор Лоуэр отметил, что учёные пока не получили окончательного обнаружения.

«Для обнаружения двойного преломления вакуума требуется магнитное поле, которое более чем в 100 миллионов раз сильнее, чем любое, что мы когда-либо создавали на Земле. К счастью, природа предоставила нам магнетары — идеальные космические лаборатории для поиска такого эффекта», — сказал доктор Лоуэр.

Магнетар с идеальной геометрией обзора

Исследователи внимательно следили, как радиоволны, исходящие от магнетара, меняли направление при вращении звезды (их «поляризационное состояние»). На основе этих измерений было установлено, что магнитная и вращательная ось 1E 1547 почти совпадают. Магнетар также наблюдается почти с точки зрения полюсов. Вместе эти характеристики дают учёным необычайно благоприятное представление о поиске двухпреломления вакуума около 1E 1547.

Затем команда обнаружила две важные подсказки, указывающие на квантовый эффект. Рентгеновские лучи, создаваемые магнетаром и обнаруженные IXPE, демонстрировали чрезвычайно высокие уровни поляризации. Кроме того, направление этой поляризации оставалось связанным с магнитным полем 1E1547 так же, как это было показано в радионаблюдениях.

«Из-за силы магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выравниваются с направлением, куда направлено поле», — сказал доктор Лоуэр.

«Тщательно отслеживая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей при вращении магнетара, команда обнаружила, что выравнивание магнитных и вращательных полюсов 1E1547 идеально подходит для обнаружения двойного преломления вакуума.»

Приближаемся к 90-летней квантовой загадке

Если интерпретация подтвердится, результат может помочь физикам проверить, как устоявшиеся теории квантовой физики ведут себя в одних из самых экстремальных условий, встречающихся во Вселенной.

Доктор Лоуэр отметил, что дополнительные наблюдения и более продвинутые компьютерные симуляции могут помочь установить, действительно ли сигнал исходит от вакуумного двойного преломления. Эти улучшения должны облегчить исследователям различие предсказанной квантовой подписи от других физических процессов, происходящих вокруг магнетаров.

«С этими будущими данными и нашими обновлёнными симуляциями мы, возможно, наконец сможем завершить поиск, начатый Гейзенбергом почти 90 лет назад.»