Создание материи в лаборатории: вихри в гелии имитируют рождение частиц из вакуума
Физики моделируют квантовое туннелирование в двумерной сверхтекучей жидкости
В поисках ответов на самые глубокие вопросы Вселенной — от происхождения материи до природы вакуума и механизмов, лежащих в основе квантовой реальности — физики часто сталкиваются с фундаментальным ограничением: многие из этих явлений невозможно воспроизвести в лаборатории. Эффект, предсказанный в 1951 году выдающимся физиком Джулианом Швингером, является ярким примером такой дилеммы. Он предположил, что при наличии чрезвычайно сильного однородного электрического поля в пустом пространстве — в вакууме — могут спонтанно возникать пары частица-античастица, такие как электрон и позитрон. Это происходит не из-за подачи энергии извне, а за счет квантового туннелирования, когда флуктуации квантовых полей преодолевают энергетический барьер и порождают реальные частицы буквально из «ничего».
Однако воплотить эту теорию в эксперименте до сих пор не удавалось — требуемые для эффекта Швингера электрические поля настолько огромны, что превосходят все, что человечество способно создать даже с помощью самых передовых ускорителей и лазеров. Таким образом, почти семь десятилетий этот эффект оставался лишь теоретическим предсказанием, недостижимым для прямого наблюдения.
Теперь, спустя годы, исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) предлагают революционный подход: вместо того чтобы пытаться воссоздать условия эффекта Швингера в пустом пространстве, они решили смоделировать его в управляемой лабораторной системе, используя аналогию. В центре их работы — тончайшая пленка сверхтекучего гелия-4, охлажденного до температур, близких к абсолютному нулю. В таких условиях гелий теряет вязкость и переходит в состояние сверхтекучести, где его поведение начинает удивительным образом напоминать свойства вакуума в квантовой теории поля. Филип Стэмп и его коллега Майкл Дероше предложили рассматривать эту сверхтекучую пленку как своего рода «искусственный вакуум», в котором вместо электронно-позитронных пар могут спонтанно возникать пары вихрь-антивихрь — вихревые структуры, вращающиеся в противоположных направлениях.
Ключевой элемент их модели — замена электрического поля фоновым потоком сверхтекучей жидкости. Когда этот поток достигает определенной критической скорости, он начинает «вытягивать» из квантового вакуума пары вихрей, подобно тому, как сильное электрическое поле в теории Швингера вытягивает частицы из вакуума. Это явление можно рассматривать как прямой аналог эффекта Швингера, но реализованный в конденсированной среде, которую можно контролировать и изучать экспериментально. Такой подход открывает двери к наблюдению процессов, которые ранее были недоступны — не только для проверки самой идеи спонтанного рождения пар, но и для глубокого понимания природы квантового туннелирования.
Одним из самых значимых достижений работы стало пересмотр традиционных представлений о вихрях в сверхтекучих жидкостях. Ранее считалось, что масса вихря — это фиксированная величина, определяемая только свойствами среды. Однако авторы показали, что масса вихря не является постоянной: она динамически изменяется в процессе его движения и взаимодействия с окружающей средой. Это открытие имеет далеко идущие последствия. Оно кардинально меняет теоретическое описание поведения вихрей в двумерных сверхтекучих системах. Кроме того, оно указывает на более глубокую аналогию между гидродинамическими вихрями и элементарными частицами в квантовой теории поля.
Авторы даже предполагают, что аналогичное изменение массы может происходить и с электронно-позитронными парами в оригинальном эффекте Швингера — что означало бы необходимость пересмотра самой классической формулировки этой теории. Такой поворот ироничен: аналогия, созданная для моделирования космических явлений, в итоге может повлиять на понимание фундаментальных процессов в вакууме — своего рода «месть аналога», как выразился Филип Стэмп.
Важность этой работы выходит далеко за рамки просто создания лабораторного аналога экзотического эффекта. Хотя сверхтекучий гелий действительно может служить моделью для изучения таких явлений, как квантовые черные дыры, инфляция ранней Вселенной или поведение вакуума в сильных полях, самое ценное, по мнению ученых, — это то, что исследуемая система является реальной, а не идеализированной. Это не абстракция, а физический объект, с которым можно ставить эксперименты, измерять параметры и проверять теории. Такой подход позволяет не только имитировать космологические сценарии, но и открывает новые горизонты в понимании сверхтекучести, фазовых переходов и коллективных квантовых явлений в двумерных системах.
Математическая основа, лежащая в основе этой теории, также представляет собой серьезный прорыв. Ученым пришлось разработать новые методы описания динамики вихрей с переменной массой, учитывая взаимодействие с фоновым потоком и квантовыми флуктуациями. Эти расчеты не только подтверждают возможность спонтанного рождения пар вихрь-антивихрь, но и дают четкие предсказания, которые могут быть проверены в лаборатории. Исследователи уже описали возможную экспериментальную установку, в которой тонкая пленка гелия-4 будет подвергаться контролируемому потоку, а появление вихревых пар можно будет зафиксировать с помощью современных методов визуализации, таких как лазерная интерферометрия или наносенсоры.