В 1951 году физик Джулиан Швингер выдвинул теорию о том, что при приложении однородного электрического поля к вакууму спонтанно будут создаваться пары электрон-позитрон из ничего через явление, называемое квантовым туннелированием.
Проблема превращения теории о создании материи из ничего в репликаторы или транспортёры, как в «Звёздном пути»? Потребовались бы чрезвычайно высокие электрические поля — далеко за пределами возможностей каких-либо 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 фоновый поток сверхтекучей жидкости — массивным электрическим полем.
«Сверхтекучий гелий-4 — это чудо. При толщине в несколько атомных слоёв его очень легко охладить до температуры, при которой он находится в состоянии вакуума без трения», — объясняет доктор Филип Стэмп, теоретик из UBC, работающий над конденсированными веществами и квантовой гравитацией, и автор опубликованных в PNAS исследований.
«Когда мы создаём этот поток без трения, вместо появления пар электрон-позитрон появляются пары вихрь/антивихрь, спонтанно вращающиеся в противоположных направлениях», — поясняет он.
В статье доктор Стэмп и его коллега из UBC Майкл Дерошерс описывают теорию и математику, стоящую за ней, — разрабатывая детальный подход к проведению прямого эксперимента.
Вакуумное туннелирование
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 из гелия-4 является хорошим аналогом нескольких космических явлений, — добавляет доктор Стэмп. — Вакуум в глубоком космосе, квантовые чёрные дыры, даже само начало Вселенной. И это явления, к которым мы никогда не сможем приблизиться в прямых экспериментах».
Однако доктор Стэмп подчёркивает, что реальный интерес работы может заключаться не столько в аналогах — которые всегда имеют ограничения — сколько в том, как она меняет наше понимание сверхтекучих жидкостей и фазовых переходов в двумерных системах.
«Это реальные физические системы, а не аналоги. И мы можем проводить эксперименты на них», — утверждает он.
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 Стэмп и Дерошерс показали, что эта масса будет значительно меняться по мере движения вихрей, коренным образом меняя наше понимание вихрей как в жидкостях, так и в ранней Вселенной.
«Интересно понять, как и почему меняется масса и как это влияет на наше понимание процессов квантового туннелирования, которые повсеместно встречаются в физике, химии и биологии», — говорит Дерошерс.
Стэмп также утверждает, что такая же изменчивость массы будет наблюдаться и с парами электрон-позитрон в эффекте Швингера, тем самым модифицируя теорию Швингера в своего рода «мести аналога».
Предоставлено Университетом Британской Колумбии.