Fysikere har for første gang tatt direkte bilde av kvantefluktuasjoner i det tomme rom

I to separate gjennombrudd som utforsker kvantenaturen til vakuumet, har fysikere for første gang tatt direkte bilde av fluktuasjoner i et kvantefelt i grunntilstanden, mens et annet team har rapportert det sterkeste astrofysiske beviset hittil for vakuum-dobbeltbrytning, en nesten 90 år gammel spådom om at det tomme rom kan endre hvordan lys beveger seg.

Avbildning av det usynlige

Et team ledet av Yansheng Zhang ved University of Cambridge brukte et todimensjonalt Bose-Einstein-kondensat av kalium-39-atomer for å konstruere et kvantefelt de kunne fotografere. Forskerne kodet målfeltet i spinn-tilstandene til de ultrakalde atomene, og forsterket deretter den lille skjelvingen i grunntilstanden som forutsies av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, helt til den ble målbar.sciencealert

Teknikken utnytter det faktum at en ekte kvanteoscillator i grunntilstanden aldri er helt i ro. Ved å plutselig endre koblingsstyrken mellom to interne atomtilstander, fikk teamet eksisterende vakuumfluktuasjoner til å utvikle seg til observerbare svingninger. De verifiserte deretter kvanteopprinnelsen til signalet ved å vise at frekvensspekteret stemte overens med spådommene for vakuumfluktuasjoner fremfor termisk støy.sciencealert

Systemet kan justeres til å oppføre seg som et relativistisk sine-Gordon-felt, noe som potensielt gir forskere en laboratorieplattform for å studere fenomener som falsk vakuum-henfall og dannelsen av topologiske defekter, prosesser hvis matematikk forblir uhåndterlig med konvensjonelle metoder. Forskningen, som er lagt ut som et preprint på arXiv, har ennå ikke gjennomgått fagfellevurdering.arxiv+1

En magnetar bekrefter Heisenbergs spådom

Separat rapporterte en studie publisert i Nature om det som kan være det første direkte astrofysiske beviset på vakuum-dobbeltbrytning. Teamet, ledet av Rachael E. Stewart ved George Washington University, observerte magnetaren 1E 1547.0-5408 ved hjelp av NASAs Imaging X-ray Polarimetry Explorer (IXPE), NICER-teleskopet om bord på den internasjonale romstasjonen, og CSIROs Murriyang-radioteleskop.sciencedaily+2

Magnetarens røntgenstråler viste en uvanlig høy grad av polarisering på linje med magnetfeltet, et kjennetegn som er konsistent med at virtuelle partikler i vakuumet fungerer som et polariseringsfilter under stjernens ekstreme magnetiske forhold. "Den eneste måten å få et slikt høyt polariseringssignal for denne magnetaren på, er gjennom denne vakuum-polariseringsfiltreringen underveis," sa Michela Negro, en astrofysiker ved Louisiana State University som deltok i studien.lsu+1

Hva skjer videre

Begge resultatene peker mot en fremtid der kvantevakuumet blir direkte tilgjengelig for eksperimenter, fremfor å bli utledet fra indirekte konsekvenser. Magnetar-teamet bemerket at ytterligere observasjoner og simuleringer er nødvendige for å utelukke alternative forklaringer, mens Cambridge-gruppen sa at plattformen deres kan tilby "et unikt vindu inn i de mikroskopiske mekanismene" som styrer kvantefeltfenomener som frem til nå bare har eksistert i teorien.sciencedaily+1