Физики смоделировали квантовое туннелирование в вакууме с помощью двумерной сверхтекучей жидкости

Автор: CC0 Public Domain

В 1951 году физик Джулиан Швингер теоретизировал, что при приложении однородного электрического поля к вакууму пары электрон-позитрон будут спонтанно рождаться из ничего благодаря явлению квантового туннелирования.

Проблема превращения этой теории в реальные «репликаторы» или транспортеры из «Звездного пути»? Требуются чрезвычайно высокие электрические поля — далеко за пределами возможностей любых физических экспериментов.

В результате так называемый эффект Швингера никогда не наблюдался непосредственно.

Теперь теоретические физики из Университета Британской Колумбии (UBC) описали параллельный эффект в более управляемой системе. В своей модели они заменили вакуум тонкой пленкой сверхтекучего гелия, а массивное электрическое поле — фоновым потоком сверхтекучей жидкости.

«Сверхтекучий гелий-4 — это чудо. При толщине в несколько атомных слоев его можно очень легко охладить до температуры, при которой он практически находится в состоянии без трения, подобном вакууму», — объясняет доктор Филип Стамп, теоретик из UBC, работающий в области конденсированных сред и квантовой гравитации, автор исследования, опубликованного в PNAS.

В статье доктор Стамп и его коллега из UBC Майкл Дерошер излагают теорию и математику, стоящую за этим, — описывая детальный подход к проведению прямого эксперимента.

Квантовое туннелирование в вакууме — процесс, вызывающий keen интерес в квантовой механике и квантовой теории поля. В квантовой теории вакуумы не пусты, они заполнены флуктуирующими полями, которые могут приводить к временному появлению и исчезновению виртуальных частиц.

«Мы считаем, что пленка гелия-4 предоставляет хорошую аналогию нескольким космическим явлениям», — добавляет доктор Стамп. — «Вакуум в глубоком космосе, квантовые черные дыры, даже само начало вселенной. И это явления, которые мы не можем приблизить никаким прямым экспериментальным путем».

Однако доктор Стамп подчеркивает, что реальный интерес работы может заключаться меньше в аналогиях — которые всегда имеют ограничения — и больше в том, как она меняет наше понимание сверхтекучих жидкостей и фазовых переходов в двумерных системах.

На математическом уровне исследователям потребовалось несколько прорывов, чтобы теория заработала. Например, предыдущие исследователи, изучавшие вихри в сверхтекучих жидкостях, рассматривали массу вихря как неизменную константу.

Доктор Стамп и Дерошер показали, что эта масса будет значительно варьироваться по мере движения вихрей, фундаментально меняя наше понимание вихрей как в жидкостях, так и в ранней вселенной.

«Захватывающе понимать, как и почему масса варьируется, и как это влияет на наше понимание процессов квантового туннелирования, которые повсеместно распространены в физике, химии и биологии», — говорит Дерошер.

Стамп также утверждает, что та же изменчивость массы будет происходить с парами электрон-позитрон в эффекте Швингера, тем самым модифицируя теорию Швингера, в своего рода «аналогию мести».

Больше информации: Vacuum Tunneling of Vortices in 2-Dimensional ⁴He Superfluid Films, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2421273122

Источник: University of British Columbia