Космічний вакуум має квантову природу

Світло, що випромінює надзвичайно щільною нейтронної зіркою RX J1856.5-3754, що має сильне магнітне поле і розташована на відстані 400 світлових років від Землі, потрапивши в об’єктив телескопа Very Large Telescope (VLT) Європейської Південної обсерваторії, дозволив вченим вперше спостерігати за дивним квантовим ефектом, існування якого було теоретично обгрунтовано ще в 1930-х роках.  Незвичайна поляризація “спійманого” світла вказує на те, що в космічному просторі в районі нейтронної зірки виникає квантовий ефект подвійного променезаломлення в вакуумі (vacuum birefringence), який, в свою чергу, виникає під впливом магнітного поля нейтронної зірки.

Незважаючи на те, що нейтронна зірка RX J1856.5-3754 є однією з найближчих до Землі нейтронних зірок, її тьмяне світло у видимому діапазоні зміг бути зареєстрований тільки за допомогою спеціалізованого інструменту FORS2, який є приналежністю телескопа VLT, розташованого в обсерваторії Паранал в Чилі.

Нагадаємо нашим читачам, що нейтронні зірки – це дуже щільні залишки ядер масивних зірок, по крайней мірі, в 10 разів потужніших, ніж наше Сонце, які закінчили свій життєвий цикл вибухом наднових. Нейтронні зірки мають магнітним полем, в мільярди разів сильнішим, ніж магнітне поле Сонця, і це магнітне час впливає навіть на просторово-часової континуум в районі, прилеглому до нейтронної зірки.

Вважається, що в нормальних умовах вакуум є абсолютною порожнечею, через яку світло проходить, не відчуваючи ніяких зовнішніх впливів, які не заломлюючись і не спотворюючи будь-яким іншим чином. Однак, квантова електродинаміка, один з розділів квантової теорії, що описує, крім усього іншого і взаємодія фотонів світла з зарядженими частинками, визначає, що вакуум наповнений “віртуальними частинками” які постійно і у великих кількостях виникають з нізвідки, існують дуже короткий час і знову зникають. Сильні магнітні поля можуть втручатися в цей процес, змінюючи властивості віртуальних частинок, зачіпаючи час їх існування так, що вакуум починає змінювати поляризацію проходить через нього.

Як і багато аспектів квантової теорії, ефект подвійного променезаломлення в вакуумі до останнього часу відчував брак експериментальних підтверджень факту його існування. За 80 років, після публікації своєї статті німецькими фізиками Вернером Гейзенбергом (Werner Heisenberg) і Гансом Генріхом Юлером (Hans Heinrich Euler), вченим не вдавалося відтворити цей ефект навіть в лабораторних умовах.

“Цей ефект міг бути виявлений тільки в космосі в присутності сильних магнітних полів, таких, як магнітні поля нейтронних зірок” – розповідає Роберто Туролья (Roberto Turolla), вчений з університету Падуї, Італія, – “Нейтронні зірки – це унікальні “космічні лабораторії”, використовуючи які можна вивчати самі фундаментальні фізичні явища і процеси “.

У світлі від зірки RX J1856.5-3754 вчені виявили світло з лінійною поляризацією, частка якого в загальному потоці становила приблизно 16 відсотків. Така велика кількість поляризованого світла, на думку вчених, можна пояснити тільки впливом ефекту подвійного променезаломлення в вакуумі. “Високий рівень лінійної поляризації не може бути пояснений за допомогою будь-яких з існуючих моделей, якщо не включити в них ефект квантового подвійного променезаломлення в вакуумі” – пишуть дослідники.

“Вимірювання поляризації світла, які ми плануємо провести за допомогою телескопів наступного покоління, дозволять нам не тільки більш докладно вивчити ефект подвійного променезаломлення в області нейтронних зірок. Ми сподіваємося виявити і інші ефекти, які визначаються квантової теорії і теорії про квантову природу вакууму” – пишуть дослідники. І першим кроком, який зроблять вчені в даному напрямку, стануть вимірювання поляризації фотонів рентгенівського діапазону і інших діапазонів електромагнітного спектра.