Chalmersi Tehnoloogiaülikooli teadlased valmistasid vaakumist valgust, jälgides efekti, mille olemasolu ennustati esmakordselt üle 40 aasta tagasi. Oma innovatiivses eksperimendis õnnestus teadlastel mõningad footonid, mis vaakumis pidevalt tekivad ja kaovad, kinni püüda.

Eksperiment põhineb seni ühel kvantmehaanika kõige ebaloomulikumal ent olulisimal printsiibil: vaakum ei ole mitte mingil juhul mitte midagi sisaldav tühjus. Tegelikult on vaakum täis osakesi, mis pidevalt eksistentsi ja olematuse vahel võnguvad. Need ilmuvad, eksisteerivad lühidalt ning haihtuvad seejärel taas. Et nende osakeste olemasolu on nii põgus, siis nimetatakse neid tavaliselt virtuaalseteks osakesteks, kirjutab Physorg.com.

Chalmersi teadlasel Christopher Wilkinsonil õnnestus koos oma kaastöölistega panna footonid oma virtuaalsest olekust lahkuma, muutes need reaalseteks footoniteks ehk mõõdetavaks valguseks. Tuntud füüsik Moore ennustas juba 1970ndal aastal, et see võib juhtuda, kui virtuaalsetel footonitel lastakse põrkuda peegliga, mis liigub valguse kiirusele lähedase kiirusega. See nähtus, mida tuntakse dünaamilise Casimiri efekti nime all, sai selle eksperimendiga esimese katselise tõestuse.

,,Kuna peeglit pole nii kiiresti võimalik liikuma panna, siis töötasime me välja teise meetodi, et sama eesmärki täita,” sõnas Per Delsing, Chalmersi eksperimentaalfüüsika professor. ,,Selle asemel, et muuta füüsilist kaugust peeglini, muutsime me elektrilist kaugust lühiseni, mis käitus mikrolainete jaoks peeglina.”

,,Peegel” koosneb kvantelektroonilisest komponendist, mida nimetatakse SQUID-iks (Superconducting quantum interference device ehk ülijuhtiv kvantinterferentsseade), mis on magnetvälja suhtes äärmiselt tundlik. Muutes magnetvälja suunda mitu miljardit korda sekundis, suutsid teadlased panna ,,peegli” vibreerima kiirusega umbes 25% valguse kiirusest.

,,Tulemuseks oli see, et footonid tekkisid vaakumis paaridena, mida me saime siis mikrolainekiirguse kujul mõõta,” selgitas Per Delsing. ,,Me suutsime teha ka kindlaks, et kiirgusel olid täpselt samad omadused, mis kvantteooria kohaselt olema peaksid, kui footonid sel viisil paaris tekivad.”

Eksperimendi ajal kannab ,,peegel” osa oma kineetilisest energiast virtuaalsetele footonitele üle, aidates neil materialiseeruda. Kvantmehaanika kohaselt eksisteerib vaakumis mitut erinevat tüüpi virtuaalseid footoneid. Teoreetilise füüsika professor Göran Johansson selgitas, et põhjus, miks footonid selles eksperimendis tekivad, on see, et neil on massist puudu.

,,Seetõttu on vaja vaid võrdlemisi väikest hulka energiat, end need oma virtuaalsest olekust välja ergastada. Põhimõtteliselt saab vaakumis tekitada ka teisi osakesi, näiteks elektrone või prootoneid, kuid see nõuaks palju rohkem energiat.”

Teadlastel on plaanis katses paaridena tekkivaid footoneid lähemalt uurida ning rakendada saadud teadmisi kvantinformatsiooni alases uurimuses, kuhu alla kuulub ka kvantarvutite väljatöötamine.

Eksperimendi peaväärtus seisneb aga selles, et see suurendab meie arusaama sellistest füüsika põhitõdedest nagu kvantfluktuatsioonid – virtuaalsete osakeste pidev tekkimine ja kadumine vaakumis. Arvatakse, et vaakumi võnked võivad olla seotud tumeenergiaga, mis toidab universumi kiirenevat paisumist.

Teadusartikkel: “Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit“

Allikas: fyysika.ee

Toimetas: Meeli Seermaa