Физики из Кембриджского университета под руководством Яншэна Чжана впервые напрямую зафиксировали квантовые флуктуации в созданном в лаборатории квантовом поле. Такие колебания возникают даже в вакууме, находящемся в состоянии минимальной энергии. Их существование связано с принципом неопределенности Гейзенберга, из-за которого некоторые свойства системы невозможно одновременно определить с абсолютной точностью.
Обычно о квантовых флуктуациях судят по их последствиям, поскольку сами они очень малы и случайны. Они связываются, в частности, с самопроизвольным распадом возбужденных атомов, сдвигом энергетических уровней электрона в атоме водорода и эффектом Казимира. Результаты работы опубликованы в виде препринта на arXiv.
Для эксперимента ученые создали двумерный конденсат Бозе — Эйнштейна из атомов калия-39, охлажденных почти до абсолютного нуля. В таком состоянии атомы ведут себя как единая квантовая система, что позволяет наблюдать квантовые процессы в пределах всего облака. Исследователи использовали 2 внутренних состояния атомов и связали их радиоволнами.
Изменения спиновых состояний атомов стали моделью квантового поля. Специалисты подготовили эту систему вблизи основного состояния, а затем резко изменили силу связи между состояниями атомов. Это позволило усилить уже существовавшие малые колебания и зарегистрировать их развитие во времени.
Чтобы отделить квантовые флуктуации от теплового шума и помех установки, исследователи также провели измерения без предварительного усиления. Они изучили, как менялась сила колебаний при разных частотах. Полученная зависимость соответствовала ожидаемой картине вакуумных квантовых флуктуаций, а не обычных тепловых возмущений.
Созданная система может быть настроена так, чтобы имитировать релятивистское квантовое поле синус-Гордона. По оценке авторов, это даст возможность изучать в лаборатории процессы, которые сложно описывать теоретическими расчетами, включая рождение частиц, распад ложного вакуума и появление топологических дефектов. Исследование пока не прошло научное рецензирование.