Ученые получили первые доказательства квантовой природы космического вакуума - «Наука и технологии»

Свет, излученный чрезвычайно плотной нейтронной звездой RX J1856.5-3754, имеющей сильнейшее магнитное поле и расположенной на удалении 400 световых лет от Земли, попав в объектив телескопа Very Large Telescope (VLT) Европейской Южной обсерватории, позволил ученым впервые наблюдать за странным квантовым эффектом, существование которого было теоретически обосновано еще в 1930-х годах. Необычная поляризация "пойманного" света указывает на то, что в космическом пространстве в районе нейтронной звезды возникает квантовый эффект двойного лучепреломления в вакууме (vacuum birefringence), который, в свою очередь, возникает под влиянием магнитного поля нейтронной звезды.

Несмотря на то, что нейтронная звезда RX J1856.5-3754 является одной из самых близких к Земле нейтронных звезд, ее тусклый свет в видимом диапазоне смог быть зарегистрирован только при помощи специализированного инструмента FORS2, который является принадлежностью телескопа VLT, располагающегося в обсерватории Паранал в Чили.

Напомним нашим читателям, что нейтронные звезды - это очень плотные остатки ядер массивных звезд, по крайней мере, в 10 раз более массивных, нежели наше Солнце, которые закончили свой жизненный цикл взрывом сверхновых. Нейтронные звезды обладают магнитным полем, в миллиарды раз более сильным, нежели магнитное поле Солнца, и это магнитное поле влияет даже на пространственно-временной континуум в районе, прилегающем к нейтронной звезде.

Считается, что в нормальных условиях вакуум является абсолютной пустотой, через которую свет проходит, не испытывая никаких внешних воздействий, не преломляясь и не искажаясь любым другим образом. Однако, квантовая электродинамика, один из разделов квантовой теории, описывающая, помимо всего прочего и взаимодействие фотонов света с заряженными частицами, определяет, что вакуум наполнен "виртуальными частицами" которые постоянно и в больших количествах возникают из ниоткуда, существуют очень короткое время и снова исчезают. Сильные магнитные поля могут вмешиваться в этот процесс, изменяя свойства виртуальных частиц, затрагивая время их существования так, что вакуум начинает изменять поляризацию проходящего через него света.

Как и многие аспекты квантовой теории, эффект двойного лучепреломления в вакууме до последнего времени испытывал недостаток в экспериментальных подтверждениях факта его существования. За 80 лет, после публикации своей статьи немецкими физиками Вернером Гейзенбергом (Werner Heisenberg) и Гансом Генрихом Юлером (Hans Heinrich Euler), ученым не удавалось воспроизвести этот эффект даже в лабораторных условиях.

"Этот эффект мог быть обнаружен только в космосе в присутствии сильнейших магнитных полей, таких, как магнитные поля нейтронных звезд" - рассказывает Роберто Туролья (Roberto Turolla), ученый из университета Падуи, Италия, - "Нейтронные звезды - это уникальные космические "лаборатории", используя которые можно изучать самые фундаментальные физические явления и процессы".

В свете от звезды RX J1856.5-3754 ученые обнаружили свет с линейной поляризацией, доля которого в общем потоке составляла приблизительно 16 процентов. Такое большое количество поляризованного света, по мнению ученых, можно объяснить только влиянием эффекта двойного лучепреломления в вакууме. "Высокий уровень линейной поляризации не может быть объяснен при помощи любых из существующих моделей, если не включить в них эффект квантового двойного лучепреломления в вакууме" - пишут исследователи.

"Измерения поляризации света, которые мы планируем провести при помощи телескопов следующего поколения, позволят нам не только более подробно изучить эффект двойного лучепреломления в области нейтронных звезд. Мы надеемся обнаружить и другие эффекты, определяемые квантовой теорией и теорией о квантовой природе вакуума" - пишут исследователи. И первым шагом, который сделают ученые в данном направлении, станут измерения поляризации фотонов рентгеновского диапазона и других диапазонов электромагнитного спектра.