Физики нашли способ создать «нечто из ничего» с помощью сверхтекучего гелия

Заменяя невозможные электрические поля теории Швингера сверхтекучим гелием, физики могут наблюдать спонтанное появление вихревых пар. Открытие открывает новые двери как к космическим загадкам, так и к квантовому поведению реальных материалов. Кредит: AI/ScienceDaily.com

В 1951 году физик Джулиан Швингер теоретизировал, что приложив однородное электрическое поле к вакууму, электрон-позитронные пары будут спонтанно создаваться из ничего благодаря явлению квантового туннелирования.

Проблема превращения теории «материи из ниоткуда» в «Звёздный путь» с репликаторами или транспортерами? Потребовались бы огромно высокие электрические поля — далеко за пределами возможностей любых прямых физических экспериментов.

В результате так называемый эффект Швингера никогда не наблюдался.

Теперь теоретические физики из Университета Британской Колумбии (UBC) описали параллельный эффект в более управляемой системе. В своей модели они заменяют вакуум тонкой плёнкой 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 физики конденсированного состояния и квантовой гравитации, и автор новых исследования, опубликованных 2 сентября в PNAS.

«Когда мы заставляем этот «вакуум» без трения течь, вместо появления электрон-позитронных пар спонтанно появляются пары вихрь/анти-вихрь, вращающиеся в противоположных направлениях друг другу».

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

Вакуумное туннелирование — это процесс, представляющий большой 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 плёнка Гелия-4 предоставляет хорошую аналогию нескольким космическим явлениям», — добавляет доктор Стамп. — «Вакуум в глубоком космосе, квантовые чёрные дыры, даже само начало Вселенной. И это явления, к которым мы не можем приблизиться никаким прямым экспериментальным путём».

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

«Это реальные физические системы сами по себе, а не аналоги. И мы можем ставить эксперименты над ними».

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 Дешроше показали, что эта масса будет значительно меняться по мере движения вихрей, фундаментально меняя наше понимание вихрей как в жидкостях, так и в ранней Вселенной.

«Это захватывающе — понимать, как и почему масса меняется, и как это влияет на наше понимание процессов квантового туннелирования, которые повсеместны в физике, химии и биологии», — говорит Дешроше.

Стамп также утверждает, что та же изменчивость массы будет происходить с электрон-позитронными парами в эффекте Швингера, изменяя, таким образом, теорию Швингера, в своего рода «мести аналога».

Работа была поддержана Национальным научно-инженерным исследовательским советом.

Это открытие не только приближает нас к экспериментальной проверке одного из самых экзотических предсказаний квантовой теории поля, но и может иметь практические приложения в разработке новых материалов и квантовых технологий. Сверхтекучий гелий уже используется в прецизионных датчиках и системах охлаждения, и новое понимание его поведения может расширить эти возможности.