Вакуум вовсе не пуст: как квантовые флуктуации меняют атомы и галактики
Слово «вакуум» обычно рисует образ пустоты — например, области далеко за пределами Солнечной системы, лишённой планет, газа и света. Однако квантовая теория утверждает, что вакуум никогда не бывает по-настоящему пустым. Принцип неопределённости Гейзенберга, запрещающий одновременно точно измерить положение и скорость объекта, распространяется и на вакуум, делая его динамичной средой с постоянными флуктуациями энергии. Данную информацию сообщает портал Phys.org.
Физики из Кембриджского университета недавно представили предварительные результаты прямого наблюдения таких флуктуаций в лабораторном квантовом вакууме. Но эффекты вакуума видны и без сложных установок — например, в полярных сияниях. Электроны в атомах кислорода и молекулах азота имеют определённые энергетические уровни; квантовый вакуум возмущает их, заставляя возвращаться в основное состояние и излучать свет характерных цветов — зелёный, красный и фиолетовый.
В 1947 году Уиллис Лэмб точно измерил сдвиг энергетических уровней водорода, вызванный вакуумными флуктуациями, — за это он получил Нобелевскую премию по физике. Сегодня учёные учитывают влияние вакуума в атомных, молекулярных и оптических экспериментах, включая квантовые компьютеры на нейтральных атомах и ловушках ионов, а также при описании свойств мюонов.
Квантовый вакуум также влияет на чёрные дыры: сильное гравитационное ускорение у горизонта событий меняет распределение частиц в вакууме, заставляя чёрную дыру «испаряться» — это единственный известный механизм её сжатия. Космологи полагают, что флуктуации вакуума в первые мгновения Вселенной создали неоднородности плотности материи, из которых под действием гравитации сформировались скопления галактик.
