Ученые, возможно, доказали, что «пустое» пространство не является по-настоящему пустым

Астрономы, возможно, получили самые убедительные на сегодняшний день доказательства одного из самых странных предсказаний квантовой механики: даже, казалось бы, пустое пространство может влиять на путь света.

Это явление, известное как «вакуумное двулучепреломление», было предсказано почти 90 лет назад Вернером Гейзенбергом, одним из пионеров квантовой механики. Его работа предполагала, что идеальный вакуум не является по-настоящему пустым. Вместо этого он должен содержать «виртуальные частицы», которые кратковременно появляются и исчезают.

Исследователи, включая доктора Маркуса Лоуэра из Технологического университета Суинберна, изучали этот давний квантовый феномен, наблюдая за магнетаром — редким типом нейтронной звезды, обладающей самыми сильными магнитными полями во Вселенной.

Их наблюдения могут стать первым обнаружением вакуумного двулучепреломления в чрезвычайно мощном магнитном поле магнетара. Если результат подтвердится, это даст ученым новый способ изучения квантовой Вселенной. Исследование было опубликовано в журнале Nature.

Как экстремальные магнитные поля могут менять свет

Согласно теории, исключительно сильное магнитное поле может влиять на море виртуальных частиц, связанных с вакуумом. В таких условиях ожидается, что частицы будут влиять на распространение света, преломляя его особым образом и вызывая вакуумное двулучепреломление.

Магнетары предоставляют редкую возможность для поиска этого эффекта, поскольку их магнитные поля достаточно сильны, чтобы предсказанное квантовое поведение стало потенциально наблюдаемым.

Доктор Лоуэр был частью международной исследовательской группы, которая изучала магнетар 1E 1547.0-5408 (или 1E1547) с помощью рентгеновской обсерватории NASA IXPE (Imaging X-ray Polarimetry Explorer). Наблюдения поддерживались рентгеновским телескопом NICER на борту Международной космической станции и радиотелескопом Murriyang (обсерватория Паркса) под управлением CSIRO, национального научного агентства Австралии.

Радионаблюдения, собранные доктором Лоуэром с помощью Murriyang и проанализированные на суперкомпьютере Ngarrgu Tindebeek в Суинберне, помогли исследователям изучить возможное первое прямое обнаружение этого ранее теоретического квантового явления.

Хотя вакуумное двулучепреломление было предсказано в 1930-х годах, доктор Лоуэр отметил, что ученым еще предстоит получить окончательное подтверждение.

«Обнаружение вакуумного двулучепреломления требует магнитного поля, которое более чем в 100 миллионов раз сильнее любого, которое мы когда-либо создавали на Земле. К счастью, природа предоставила нам магнетары — идеальные космические лаборатории для поиска этого эффекта», — сказал доктор Лоуэр.

Магнетар с идеальной геометрией обзора

Исследователи внимательно следили за тем, как направление радиоволн, исходящих от магнетара, менялось по мере вращения звезды (их «состояние поляризации»). На основе этих измерений они определили, что магнитная и вращательная оси 1E 1547 почти совпадают. Магнетар также наблюдается почти с полюса.

Вместе эти характеристики дают ученым необычайно благоприятный обзор для поиска вакуумного двулучепреломления вокруг 1E 1547.

Затем команда обнаружила два важных ключа, указывающих на квантовый эффект. Рентгеновские лучи, генерируемые магнетаром и обнаруженные IXPE, показали чрезвычайно высокие уровни поляризации. Кроме того, направление этой поляризации оставалось связанным с магнитным полем 1E1547 так же, как это наблюдалось в радионаблюдениях.

«Из-за силы магнитного поля виртуальные частицы Гейзенберга выстраиваются вдоль направления поля», — пояснил доктор Лоуэр. «Внимательно отслеживая направление колебаний радиоволн и рентгеновских лучей по мере вращения магнетара, команда обнаружила, что выравнивание магнитных и вращательных полюсов 1E1547 было идеальным для обнаружения вакуумного двулучепреломления».

Приближаясь к разгадке 90-летней квантовой тайны

Если интерпретация подтвердится, результат может помочь физикам проверить, как устоявшиеся теории квантовой физики ведут себя в одних из самых экстремальных условий, встречающихся во Вселенной.

Доктор Лоуэр сказал, что дополнительные наблюдения и более совершенные компьютерные симуляции могут помочь установить, действительно ли сигнал исходит от вакуумного двулучепреломления. Эти улучшения должны облегчить исследователям задачу отличить предсказанную квантовую сигнатуру от других физических процессов, происходящих вокруг магнетаров.

«С этими будущими данными и нашими обновленными симуляциями мы, возможно, наконец сможем завершить поиски, начатые Гейзенбергом почти 90 лет назад».

Статья под названием «Вакуумное двулучепреломление и поляризованное рентгеновское излучение радиомагнетара» опубликована в журнале Nature.

Источники:

Материалы предоставлены Технологическим университетом Суинберна.