Квантовый вакуум это


«Спустя сто лет с этого момента всем станет хорошо известно, что вакуумное пространство, заполняющее Вселенную, само по себе является ее реальным субстратом. Вакуум в циркулирующем состоянии становится материей. Электрон является фундаментальной частицей материи и представляет собой вихрь вакуума с пустотой в центре, и все это является динамически стабильным. Скорость света относительно вакуума является максимальной и считается его неотъемлемым свойством. Вакуум представляет собой тонкую неизвестную жидкость в материальной среде. Она лишена массы, она непрерывная, невязкая и несжимаемая, но несет ответственность за все свойства материи. Вакуум всегда существовал и будет существовать вечно. Тогда ученые и философы пристыжено склонят голову, зная, что современная наука игнорировала вакуум более века в своей охоте за реальностью».Космическое пространство не пустое. Что весь мир должен знать о квантовом вакууме?

Что ученые думали об отношениях между энергией и структурой материи два столетия назад?


Эта цитата принадлежит Парамахамсу Тевари – изобретателю синхронного генератора. То, о чем он говорит, прежде было предметом обсуждения в сферах физики и астрономии на протяжении десятилетий. На рубеже 19 века физики начали исследовать отношения между энергией и структурой материи. При этом существовало убеждение, что физическая ньютоновская материальная Вселенная, которая была в самом центре научных знаний, на самом деле менее значима, и осознание того, что материя – это не что иное, как иллюзия, заменило ее. Ученые начали осознавать, что не все во Вселенной сделано из энергии.Космическое пространство не пустое.

Квантовая физика и исследования ученых

Квантовые физики обнаружили, что физические атомы состоят из вихрей энергии, которые постоянно вертятся и вибрируют, и каждый излучает собственную уникальную энергетическую подпись. Это явления стало известно как квантовый вакуум, или поле нулевой точки. Космическое пространство не пустое.

Еще более увлекательным является то, что к материалу в этом пространстве можно получить доступ и использовать его. Это было подтверждено экспериментально, когда Эффект Казимира проиллюстрировал нулевую точку, или состояние вакуума энергии, которая предсказывает, что две металлические пластины, размещенные близко друг к другу, притягиваются из-за дисбаланса квантовых флуктуаций. До эксперимента Казимира считалось, что вакуум является пустотой.Космическое пространство не пустое. Что весь мир должен знать о квантовом вакууме?


Стоит ли искать «частицу Бога»?

К сожалению, при рассмотрении вопроса о характере нашей действительности и того, что мы воспринимаем как физический мир, существование вакуума и того, что лежит в пределах пространства, не было изучено детально. Забавно, но ученые до сих пор ищут «частицу Бога», хотя большое количество доказательств указывает на мысль, что большая часть того, что мы называем реальностью, на самом деле является тем, что мы не можем воспринимать своими физическими органами чувств.Космическое пространство не пустое.

Ни один взгляд не является более важным, чем тот, что пространство не может быть пустым. Чтобы понять это, стоит посмотреть на работу ученого, который всю свою жизнь посвятил исследованиям и экспериментам с этими холодными понятиями.

Принципы унификации в работе современых ученых

Нассим Харамейн – ученый, который возглавляет команду физиков, инженеров-электриков и математиков. Они исследуют границы принципов унификации и их последствия. Жизненные взгляды Харамейна на прикладную физику для создания позитивных изменений в современном мире находят свое отражение в миссии проекта фонда «Резонанс».


Космическое пространство не пустое. Что весь мир должен знать о квантовом вакууме?

Ученый делится результатами своих исследований с помощью научных публикаций и учебных приложений через Академию «Резонанса». В настоящее время Нассим сосредоточен на своих последних разработках в области квантовой гравитации и их применении в технологии, новых исследованиях энергии, науках о жизни, пермакультуре и изучении сознания. В настоящее время он проживает в Кауаи и воспитывает двух маленьких сыновей. Соавторами его исследований являются многие современные ученые, в том числе и Элизабет Раушер, американский физик. Она является бывшим научным сотрудником Национальной лаборатории Лоренса Беркли, Национальной лаборатории Лоренса Ливермора, Стэндфордского исследовательского института и НАСА.Космическое пространство не пустое.

Мнение известного ученого

Нассим Харамейн говорит, что пространство на самом деле не пустое и оно полно энергии. Энергия в космосе не является тривиальной. Ее существует на удивление много, и мы действительно можем вычислить, какое на самом деле количество энергии есть в пространстве. Кроме того, реальность действительно может выйти из нее. Все, что мы видим, на самом деле выходит из этого пространства.


Источник: FB.ru

Под таким интригующим заголовком была помещена информация в Интернете о недавнем эксперименте, проведенном в Калифорнийском университете группой физиков под руководством Умара Мохидина.

Речь идет об измерении так называемой силы Казимира — силы взаимодействия между очень близкими материальными объектами, странным образом возникающей в вакууме. Вакуум — это и есть то самое «ничто», из которого возникает вполне измеримое «нечто».

Эффект Казимира известен физикам уже достаточно давно. В 1948 году датский физик Хендрик Казимир в результате теоретических исследований предсказал, что если поместить в вакуум две незаряженные металлические пластины, расположив их параллельно и крайне близко одна к другой (на расстоянии порядка микрона), то между ними возникает взаимное притяжение. Сила притяжения обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами, то есть с уменьшением расстояния резко возрастает. Но даже при субмикронных расстояниях она остается настолько малой, что экспериментально обнаружить эффект Казимира удалось только через десять лет после его предсказания, а провести непосредственные измерения — в 1996 году. Наиболее интересно то, что появление казимировского притяжения обусловлено свойствами вакуума — его квантовыми флуктуациями.


#1# В резонаторе, образованном двумя параллельными пластинами, могут существовать только волны, интенсивность которых на стенках резонатора равна нулю. Это означает, что на длине резонатора должно укладываться целое число полуволн.

Долгое время вакуум был синонимом полной пустоты, пространства, в котором ничего не происходит и происходить не может, так как в нем нет ни материальных частиц, ни энергии. Однако с развитием квантовой теории поля (квантовой электродинамики) выяснилось, что вакуум можно рассматривать как сцену, на которой разыгрываются некие виртуальные, то есть «ненаблюдаемые», процессы. Появился термин «физический вакуум», под которым понимают средоточие виртуальных частиц, непрерывно рождающихся на короткие мгновения и тут же исчезающих. В соответствии с современными представлениями, они рождаются пaрами «частица — античастица» и исчезают в результате аннигиляции. Так, виртуальная пара «электрон — позитрон» аннигилирует с образованием виртуального фотона, который снова превращается в электрон-позитронную пару и т. д. Рождение и уничтожение виртуальных частиц и есть квантовые флуктуации. Поскольку любые флуктуации — это колебания вокруг некоторого среднего значения, физический вакуум рассматривается как квантовая система в состоянии с минимальной энергией, в среднем равной нулю. Поэтому квантовые флуктуации вакуума часто называют нулевыми колебаниями электромагнитного поля.


Таким образом, вакуум оказывается не «пустым», а заполненным виртуальными частицами, которые не поддаются регистрации, но при определенных условиях становятся реальными — например, при наложении внешнего поля большой энергии. Кроме того, они могут оказывать действие на внесенные в вакуум реальные частицы и поля. Одним из таких действий и является эффект Казимира, суть которого, упрощенно говоря, сводится к следующему.

Согласно квантовой механике, в микромире каждая частица обнаруживает и волновые свойства. Это распространяется и на виртуальные частицы, причем нулевым колебаниям вакуума соответствуют различные длины волн. При эффекте Казимира две параллельные пластинки можно рассматривать как резонатор, в котором существуют только те волны, для которых соблюдается условие резонанса: на расстоянии L между пластинками укладывается целое число n полуволн. Максимально возможная длина волны будет при n=1 в пространстве между пластинками не могут рождаться виртуальные фотоны с длинами волн, превышающими 2-L. Поэтому плотность энергии нулевых колебаний в зазоре между пластинками меньше, чем снаружи, что и обусловливает притяжение пластинок.

Обеспечить параллельность пластинок при субмикронном зазоре чрезвычайно трудно, поэтому большинство экспериментов по исследованию эффекта Казимира проводили, заменяя одну из пластинок сферой.


этом случае сила притяжения обратно пропорциональна кубу расстояния между ней и пластинкой. В 1999 году такой эксперимент выполнили У. Мохидин и А. Рой в Калифорнийском университете. Притяжение между плоской и сферической металлическими поверхностями исследовали при помощи так называемого атомного силового микроскопа (см. «Наука и жизнь» № 9, 1989 г.). Был учтен вклад электростатических зарядов, неровности поверхностей и прочих мешающих факторов. Удалось также обнаружить предсказанную зависимость величины эффекта от температуры тел. Эксперименты подтвердили теорию с точностью до 1%.

Другие исследования эффекта Казимира в конфигурации «плоскость — сфера» были выполнены в 2001 году группой физиков из Bell Laboratories и Lucent Technologies (Г. Чан и др.). Пластина, положенная на два параллельных тонких пьезоэлектрода, могла наклоняться в обе стороны относительно середины, образуя крутильный маятник с малой амплитудой, а сфера располагалась над одним из «крыльев» пластины. Выполненные измерения привели исследователей к выводу, что эффект Казимира будет играть роль неустранимой помехи в микромашинах будущего с движущимися частями. Как бы мы ни старались: устраняли электростатические силы, создавали между движущимися частями глубокий вакуум, чтобы избежать трения, отдельные детали механизма все равно станут притягиваться за счет силы Казимира!


Величина этой силы, однако, зависит от геометрии поверхностей. В случае пластин она всегда действует перпендикулярно их плоскости. В 1997 году физик из Массачусетского технологического института М. Кардар предположил, что, если две пластины сделать рифлеными, можно заставить силу Казимира действовать вдоль поверхности, пластины будут не притягиваться, а смещаться, чему можно найти полезное применение. И последний по времени эксперимент, выполненный в лаборатории Мохидина, подтвердил это. Экспериментаторы поместили две гофрированные золотые пластины в вакуум на расстоянии несколько сотен нанометров, совместив их выпуклости и вогнутости. Когда пластины немного сместили, появилась сила, возвратившая их в исходную позицию. Так впервые физики заставили «работать» вакуум с его виртуальными частицами. Продольная сила Казимира очень слаба (в эксперименте она составила несколько пиконьютонов) и быстро убывает с расстоянием, но Мохидин уверен, что в масштабах будущих квантовых компьютеров она вполне может приводить в действие наномашины.

Источник: www.nkj.ru

Как эти флуктуации повлияли на структуру Вселенной и есть ли от них практическая польза, «Чердаку» рассказали coавторы работы в журнале Science Андрей Москаленко и Денис Селецкий.

Фотоны в вакуумной упаковке

В обыденном понимании вакуум — это отсутствие воздуха. По крайней мере, это имеют в виду производители сосисок и прочей еды в вакуумной упаковке. Однако физики понимают под вакуумом также нечто иное.


В своей работе Ляйтенсторфер и его коллеги наблюдали флуктуации вакуума на примере фотонов. Фотоны — это частицы электромагнитного поля, и они обладают некоторой энергией. Однако если добиться того, чтобы в некотором объеме была полная темнота без единого фотона, энергия электромагнитного поля все равно не будет нулевой. Квантовый вакуум вовсе не спокойная структура. В нем постоянно рождаются фотоны, которые живут очень короткое время и исчезают также внезапно. Эти фотоны называют виртуальными, а их постоянное и спонтанное появление и исчезновение — квантовыми флуктуациями.

Случайная структура Вселенной

Квантовые флуктуации особенно интересны тем, что они могли сыграть решающую роль при формировании Вселенной после Большого взрыва.

«Согласно инфляционной модели Вселенной, в первые моменты после Большого взрыва большое количество энергии было сосредоточено на короткое время в (говоря условно) небольшом объеме. В таких условиях квантовые флуктуации имеют очень большое влияние, благодаря им сразу после Большого взрыва сформировалась структура вещества: где-то его оказалось больше, где-то — меньше. С расширением Вселенной эта структура «отпечаталась» в неоднородном распределении «классического» вещества (галактики, планеты и мы с Вами) в космосе. Если бы мы могли повторить Большой взрыв, то, поскольку квантовые флуктуации случайны, мы бы получили другую структуру Вселенной», — поясняет Селецкий.


Следы квантовых флуктуаций

Для того чтобы «уловить» квантовые флуктуации в вакууме, Ляйтенсторфер и его коллеги использовали лазеры со сверхкороткими импульсами, сфокусированными в пучок микронного размера. «Мы направили сверхкороткие лазерные импульсы в особый электрооптический кристалл и мерили изменения их поляризации под действием вакуума. В общем, поляризацию фотона можно представить в двух состояниях: условно можно сказать, что в одном фотоны вращаются вправо, в другом — влево. Мы подбирали поляризацию импульса так, чтобы количество «правых» и «левых» фотонов было одинаковым. Затем мы замеряли разницу между этими состояниями, то есть изменения поляризации, после прохождения через кристалл», — рассказывает Селецкий.

Ученые увидели, что баланс между «правыми» и «левыми» фотонами в каждом отдельном случае немного нарушался, хотя при измерении большого количества импульсов количество фотонов обоих типов совпадало.

«Если бы у нас не было никаких квантовых взаимодействий, то количество «правых» и «левых» фотонов на выходе было бы всегда одинаковым. При «включении» вакуума мы получим такую ситуацию, в которой, хотя в среднем разница поляризационных состояний будет оставаться равной нулю, ее колебания заметно увеличатся», — говорит Селецкий. Ученые «включали» и «выключали» вакуум при помощи изменения четырехмерного объема пространства—времени, который занимал фемтосекундный импульс при взаимодействии с вакуумом. По вышеприведенной аналогии с Большим взрывом только при малых объемах измеряемого пространства—времени физики заметили существенные колебания сигнала, напрямую связанные с флуктуациями вакуума.

Как рассказывают исследователи, они получили самые разные отзывы на свою работу: от «этого не может быть!» до «это же совершенно очевидно!»

«Физики провели ряд экспериментов, в которых результаты соответствовали теоретическим предсказаниям — количественно и качественно, — считает Александр Львовский из Российского квантового центра. — Конечно, это вполне может быть и результатом совпадения — таких случаев в истории науки множество. Сомнение — вечный спутник науки, а когда речь заходит о чем-то принципиально новом, как в данном случае, оно имеет особенно веское право на существование. Конечно, результаты измерений будут перепроверяться и улучшаться — как самим Лайтенсторфером, так и в других лабораториях. Однако что касается меня лично, то имеющиеся результаты представляются вполне убедительными».

Сверхпроводимость и квантовые компьютеры

У экспериментов с квантовыми флуктуациями есть и практическое применение. При использовании этого нового метода прямого измерения квантовых флуктуаций полей физики надеются получить качественно новый взгляд на комплексные взаимодействия, протекающие в самых различных материалах. Например, их методика может помочь лучше понять физику высокотемпературных сверхпроводников.

Известно, что при температурах ниже так называемой «критической» некоторые материалы начинают пропускать ток без сопротивления, а значит, из них можно создать, например, провода, которые будут передавать ток на огромные расстояния без потерь. С 60-х годов прошлого века существует теория, которая с точностью описывает взаимодействия, участвующие в сверхпроводимости. Одно из предсказаний этой теории заключается в том, что это экзотическое состояние можно получить при температурах не выше минус 240 градусов Цельсия. Однако с середины 1980-х годов ученые обнаружили целый новый класс материалов с критической температурой, превышающей минус 140 градусов Цельсия.

«На данный момент нет общепринятой теории, которая бы описывала формирование высокотемпературной сверхпроводимости, но мы знаем, что она может объясняться сложными квантовыми взаимодействиями между многими компонентами. Например, между электронами и кристаллической решеткой. И все эти квантовые взаимодействия, формирующиеся на сверхкоротких временных интервалах, настолько переплетены друг с другом, что «распутать» их очень сложно. Если это удастся, то можно будет понять что-то новое о высокотемпературной сверхпроводимости и способах ее достижения даже при комнатной температуре», — считает Москаленко.

Львовский полагает, что с практической точки зрения полученные результаты могут также использоваться в квантовых компьютерах и системах связи.

«Начну с того, что Ляйтенсторфер далеко не первый, кто наблюдал флуктуации вакуума. Новизна его эксперимента в том, что он пронаблюдал их новым, необычным и интересным способом. Что касается важности измерения флуктуаций вакуума, правильнее было бы сформулировать вопрос так: насколько важно уметь измерять напряженность электромагнитного поля с точностью, превышающей размер вакуумных флуктуаций? Ответ — это умение принципиально необходимо для целого ряда квантовых технологий. Например, оно позволяет точно измерить квантовое состояние света (именно этим мы занимаемся в лаборатории квантовой оптики Российского квантового центра). Кроме того, в напряженности поля можно кодировать квантовую информацию для защищенной передачи на расстояние, а также между регистрами квантового компьютера, в том числе имеющими разную физическую природу», — пояснил ученый.

 Екатерина Боровикова

Источник: tass.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.