قام الفيزيائيون للتو بتصوير التقلبات الكمومية في الفضاء الفارغ مباشرة

المساحة الفارغة ليست فارغة حقًا.

حتى المجال الكمي في حالته الأدنى طاقة، أي الفراغ، لديه تقلبات لا يمكن تجنبها تنشأ من مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ: لا يمكن لأزواج معينة من الخصائص أن يكون لها قيم محددة بدقة في نفس الوقت.

من الناحية الواقعية، هذا يعني أن المجال الكمي يجب أن يشبه تلفزيونًا ثابتًا، وتشير الكثير من الأدلة غير المباشرة إلى أن هذا هو الحال.

ومع ذلك، فقد حقق علماء الفيزياء بقيادة يانشينج تشانج من جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة تقدمًا كبيرًا: فقد قاموا بتصوير التقلبات بشكل مباشر في مجال كمي تم تصنيعه في المختبر.

“إن مراقبة مثل هذه التقلبات في حد جيب جوردون يفتح العديد من الاحتمالات لعمليات المحاكاة المعملية للمجالات النسبية في الأنظمة التي لا يمكن متابعتها نظريًا حاليًا.” يكتبون في نسخة أولية منشورة على arXiv.

تقلبات الفراغ ليست مجرد خدعة نظرية، بل إنها في الواقع لها تأثيرات حقيقية على الكون المادي.

الذرات المثارة تتفاعل مع التقلبات في الفراغ الاضمحلال تلقائيا إلى حالة أدنى، وينبعث منها فوتون في هذه العملية. يمكن أن تحتوي على إلكترونات في ذرة الهيدروجين مستويات طاقة مختلفة قليلاً بسبب التفاعلات المتقلبة.

ثم هناك تأثير كازيمير. إذا وضعت لوحتين موصلتين قريبتين جدًا من بعضهما البعض في الفراغ، فإنهما تواجهان قوة قابلة للقياس تسحبهما نحو بعضهما البعض بسبب اختلاف التقلبات الكمومية بين الصفائح مقارنة باللوحتين الخارجيتين.

تبا، حتى أنهم يلعبون دورًا في الجانب النظري إشعاع هوكينج المنبعثة على حدود أ الثقب الأسود.

وفي علم الكونيات، يُعتقد أن التقلبات الكمية البدائية الصغيرة قد امتدت إلى مستويات هائلة أثناء التضخم الكوني. هذه الاختلافات الصغيرة قدمت في نهاية المطاف البذور التي تم جمع المادة منها، في النهاية إنتاج الشبكة الكونية من المجرات والمجموعات التي نراها اليوم.

تصف نظرية المجال الكمي الكون بأنه تتخلله حقول، مع ظهور الجسيمات كإثارة في تلك المجالات. يمكن اعتبار كل مجال بمثابة مجموعة من الأوضاع ذات الأطوال الموجية المختلفة، تشبه إلى حدٍ ما الطرق المختلفة التي يمكن أن يهتز بها وتر الجيتار.

يتصرف كل وضع إلى حد ما مثل المذبذب التوافقي الكمي – نسخة ميكانيكا الكم لكتلة ترتد على زنبرك. وبفضل عدم اليقين الكمي، حتى في أدنى حالة طاقة ممكنة، لا يمكن لهذا المذبذب أن يكون ساكنًا تمامًا.

ولكن بالنسبة لشيء له مثل هذه التأثيرات العميقة على الكون المادي، فمن الصعب للغاية ملاحظة التقلبات الكمومية بشكل مباشر. إنها صغيرة للغاية، وعشوائية بطبيعتها، ولا تقدم هدفًا واضحًا يمكن للعلماء توجيه الكاشف إليه.

ولذلك فإن معظم ملاحظات التقلبات الكمومية قد قامت بقياس عواقبها، وليس التقلبات نفسها.

هذا هو المكان مكثفات بوز-آينشتاين أدخل الدردشة.

أ مكثف بوز-آينشتاين (BEC) عبارة عن سحابة من الذرات فائقة البرودة، مبردة إلى مستوى شعرة فوق الصفر المطلق. عند درجات الحرارة هذه، تتصرف الذرات بشكل جماعي كنظام كمي واحد، مما يسمح بملاحظة التأثيرات الكمية عبر السحابة.

لذا، بدلاً من محاولة تصوير فراغ الفضاء الفارغ، قام تشانغ وفريقه ببناء حقل كمي يمكنهم ملاحظته: BEC ثنائي الأبعاد من ذرات البوتاسيوم -39.

استخدم الباحثون حالتين داخليتين مختلفتين لذرات البوتاسيوم-39، حيث اقترنتا باستخدام موجات الراديو.

تم تشفير المجال الكمي الذي أرادوا دراسته في حالات دوران الذرات: بشكل أساسي، تتصرف الاختلافات في الدوران عبر السحابة مثل الاختلافات في المجال الكمي.

ولأن BEC يتكون من ذرات، فقد تمكن الباحثون من تصويرها وإعادة بناء الاختلافات المحلية -التقلبات الكمومية- في الجسد الصغير.

ولكن هناك أشياء أخرى يمكن أن تحدث تقلبات. التغيرات في درجات الحرارة. الضوضاء التجريبية لذا، لمعرفة أن الزغب الساكن الذي ظهر في BEC كان في الواقع نتيجة لتقلبات الفراغ، استغل الباحثون خصائص المذبذبات الكمومية من خلال تجربة التضخيم.

أولاً، قاموا بإعداد حقل الدوران بالقرب من حالته الأرضية. ثم قاموا فجأة بتغيير قوة الاقتران بين الحالتين الذريتين. وقد تم تصميم هذا التغيير لتضخيم التقلبات الصغيرة الموجودة بالفعل في هذا المجال.

لن يستجيب المذبذب الذي يعمل عند مستوى طاقة صفر لهذا التغيير من خلال البدء فجأة في التذبذب، لكن المذبذب الكمي في حالته الأرضية ليس ساكنًا تمامًا. إنه يحتفظ بهذا الارتعاش الأساسي الناتج عن عدم اليقين الكمي. يؤدي تغيير النظام إلى تطور تلك التقلبات الموجودة مسبقًا إلى تذبذبات قابلة للقياس، وهذا ما لاحظه الباحثون.

الجزء التالي هو حيث يصبح الأمر ممتعًا حقًا.

لقد أجروا نفس القياسات دون تضخيم التقلبات أولًا، ونظروا في كيفية تغير قوة التقلب مع التردد. تنتج تقلبات الفراغ الكمي والتقلبات الحرارية العادية أنماطًا مختلفة بشكل واضح.

ومرة أخرى، حصلوا على ضربة. انخفضت التقلبات مع زيادة التردد تمامًا كما هو متوقع بالنسبة لتقلبات الفراغ، وليس الضوضاء الحرارية.

هذا في الواقع مثير حقا.

الأهم من ذلك، أنه يمكن ضبط BEC ليتصرف مثل نوع من المجال الكمي النسبي المعروف باسم حقل جيب جوردون. يمنح هذا الباحثين نموذجًا مختبريًا يمكنهم من خلاله مشاهدة التقلبات الكمومية تتطور إلى ظواهر أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا.

متعلق ب: قام الفيزيائيون بمحاكاة ثقب أسود في المختبر، ثم بدأ في التوهج

هناك بعض المواقف في نظرية الكم حيث تصبح الرياضيات صعبة للغاية. ويعني هذا النظام الجديد أنه بدلاً من الجلوس والإجابة على معادلات مروعة، يمكن للعلماء بناء نظام كمي يمكن التحكم فيه وتحكمه فيزياء مماثلة ومشاهدة ما يحدث.

ويقول الباحثون إن نظامهم يمكن أن يساعد في التحقيق في حالات مثل اضمحلال الفراغ الكاذبوهي عملية محتملة لتدمير الكون؛ إنتاج الجسيمات. وتكوين واضمحلال العيوب الطوبولوجية في المجالات الكمومية.

“إن حقيقة قدرتنا على مراقبة التقلبات الميدانية بشكل مباشر في النظام الذي يهيمن فيه عدم اليقين الكمي على الضوضاء الحرارية يمكن أن توفر نافذة فريدة للآليات المجهرية التي تحكم هذه الظواهر.” يكتبون.

البحث الذي لم يخضع بعد مراجعة الأقران، متاح على خادم الطباعة المسبقة arXiv.