Menurut mekanika kuantum, vakum bukan hanya ruang kosong. Faktanya, ia diisi dengan energi dan partikel kuantum, partikel kecil terus-menerus muncul dan menghilang begitu saja, meninggalkan jejak dalam bentuk sinyal yang kami sebut fluktuasi kuantum. Selama beberapa dekade, fluktuasi ini hanya ada dalam teori kuantum kami, hingga pada 2015 para peneliti mengumumkan bahwa mereka telah mendeteksi dan menentukannya secara langsung. Dan sekarang tim ilmuwan yang sama mengklaim bahwa mereka telah maju lebih jauh dalam penelitian mereka - mereka mampu memanipulasi ruang hampa itu sendiri dan menentukan perubahan sinyal misterius dari kehampaan.
Di sini kita memasuki wilayah fisika tingkat tinggi, tetapi yang lebih penting, jika hasil eksperimen yang akan kita bicarakan hari ini dikonfirmasi, maka sangat mungkin bahwa ini berarti bahwa para ilmuwan telah menemukan cara baru untuk mengamati, berinteraksi, dan tes praktis realitas kuantum tanpa mengganggu nya. Yang terakhir ini sangat penting, karena salah satu masalah terbesar mekanika kuantum - dan pemahaman kita tentangnya - adalah bahwa setiap kali kita mencoba mengukur atau bahkan hanya mengamati sistem kuantum, kita akan menghancurkannya dengan pengaruh ini. Seperti yang bisa Anda bayangkan, ini tidak benar-benar sesuai dengan keinginan kita untuk mencari tahu apa yang sebenarnya terjadi di dunia kuantum ini.
Dan dari saat inilah ruang hampa kuantum datang untuk menyelamatkan. Tetapi sebelum melanjutkan, mari kita ingat secara singkat apa itu vakum dari sudut pandang fisika klasik. Di sini ia mewakili ruang yang sama sekali tidak memiliki materi apa pun dan mengandung energi dengan besaran terendah. Tidak ada partikel di sini, yang berarti tidak ada yang dapat mengganggu atau mengubah fisika murni.
Salah satu kesimpulan dari salah satu prinsip paling mendasar dari mekanika kuantum - prinsip ketidakpastian Heisenberg - menetapkan batas keakuratan pengamatan partikel kuantum. Selain itu, menurut prinsip ini, ruang hampa bukanlah ruang kosong. Itu diisi dengan energi, serta pasangan partikel antipartikel yang muncul dan menghilang secara acak. Partikel-partikel ini bersifat "virtual" daripada materi fisik, itulah sebabnya Anda tidak dapat mendeteksinya. Tetapi meskipun mereka tetap tidak terlihat, seperti kebanyakan objek di dunia kuantum, mereka juga mempengaruhi dunia nyata.
Fluktuasi kuantum ini menciptakan medan listrik yang berfluktuasi secara acak yang dapat bekerja pada elektron. Dan berkat efek inilah para ilmuwan pertama kali secara tidak langsung menunjukkan keberadaan mereka di tahun 1940-an.
Selama beberapa dekade berikutnya, hanya ini yang kami ketahui tentang fluktuasi ini. Namun, pada 2015, sekelompok fisikawan yang dipimpin oleh Alfred Leitenstorfer dari University of Constance di Jerman mengatakan mereka bisa langsung menentukan fluktuasi ini dengan mengamati pengaruhnya pada gelombang cahaya. Hasil kerja para ilmuwan dipublikasikan di jurnal Science.
Dalam pekerjaan mereka, para ilmuwan menggunakan pulsa laser gelombang pendek yang berlangsung hanya beberapa femtoseconds, yang mereka kirim ke ruang hampa. Para peneliti mulai memperhatikan perubahan halus dalam polarisasi cahaya. Menurut para peneliti, perubahan ini secara langsung disebabkan oleh fluktuasi kuantum. Hasil pengamatan pasti akan menimbulkan kontroversi lebih dari satu kali, tetapi para ilmuwan memutuskan untuk membawa eksperimen mereka ke tingkat yang baru dengan "mengompresi" ruang hampa. Tapi kali ini juga, mereka mulai mengamati perubahan aneh dalam fluktuasi kuantum. Ternyata percobaan ini tidak hanya menjadi konfirmasi lain dari keberadaan fluktuasi kuantum ini - di sini kita sudah dapat berbicara tentang fakta bahwa para ilmuwan telah menemukan cara untuk mengamati jalannya eksperimen di dunia kuantum tanpa mempengaruhi hasil akhirnya.yang dalam kasus lain akan menghancurkan status kuantum dari objek yang diamati.
“Kita dapat menganalisis keadaan kuantum tanpa mengubahnya pada pengamatan pertama,” komentar Leitenstorfer.
Video promosi:
Biasanya, saat Anda ingin melacak efek fluktuasi kuantum pada partikel cahaya tertentu, Anda harus terlebih dahulu mendeteksi dan mengisolasi partikel ini. Ini, pada gilirannya, akan menghilangkan "tanda kuantum" foton-foton ini. Eksperimen serupa dilakukan oleh tim ilmuwan pada 2015.
Sebagai bagian dari eksperimen baru, alih-alih mengamati perubahan fluktuasi kuantum dengan menyerap atau memperkuat foton cahaya, para peneliti mengamati cahaya itu sendiri dalam kaitannya dengan waktu. Ini mungkin terdengar aneh, tetapi dalam ruang hampa, ruang dan waktu bekerja sedemikian rupa sehingga dengan mengamati yang satu secara langsung memungkinkan Anda untuk mempelajari lebih lanjut tentang yang lain. Dengan melakukan pengamatan seperti itu, para ilmuwan menemukan bahwa ketika ruang hampa "dikompresi", "kompresi" ini terjadi persis sama seperti yang terjadi ketika balon dikompresi, hanya disertai dengan fluktuasi kuantum.
Pada titik tertentu, fluktuasi ini menjadi lebih kuat daripada kebisingan latar belakang vakum yang tidak terkompresi, dan di beberapa tempat, sebaliknya, lebih lemah. Leitenstorfer memberikan analogi kemacetan lalu lintas yang bergerak melalui ruang jalan yang sempit: seiring waktu, mobil-mobil di jalurnya menempati jalur yang sama untuk melewati ruang sempit, dan kemudian kembali ke jalur mereka. Sampai batas tertentu, menurut pengamatan para ilmuwan, hal yang sama terjadi dalam ruang hampa: kompresi ruang hampa di satu tempat mengarah pada distribusi perubahan fluktuasi kuantum di tempat lain. Dan perubahan ini dapat dipercepat atau diperlambat.
Efek ini dapat diukur dalam ruang-waktu, seperti yang ditunjukkan pada grafik di bawah ini. Parabola di tengah gambar mewakili titik "kompresi" dalam ruang hampa:
Hasil dari kompresi ini, seperti dapat dilihat pada gambar yang sama, adalah beberapa "penurunan" dalam fluktuasi. Yang tidak kalah mengejutkan bagi para ilmuwan adalah pengamatan bahwa tingkat kekuatan fluktuasi di beberapa tempat lebih rendah daripada tingkat kebisingan latar belakang, yang, pada gilirannya, lebih rendah dari keadaan dasar ruang kosong.
"Karena metode pengukuran baru tidak melibatkan penangkapan atau amplifikasi foton, ada kemungkinan untuk secara langsung mendeteksi dan mengamati kebisingan latar belakang elektromagnetik dalam ruang hampa, serta penyimpangan terkontrol dari keadaan yang dibuat oleh para peneliti," kata studi tersebut.
Para peneliti saat ini sedang menguji keakuratan metode pengukuran mereka dan mencoba mencari tahu apa yang sebenarnya dapat dilakukannya. Terlepas dari hasil yang lebih dari mengesankan dari pekerjaan ini, masih ada kemungkinan bahwa para ilmuwan telah menemukan apa yang disebut "metode pengukuran yang tidak meyakinkan", yang, mungkin, mampu tidak melanggar status quantum objek, tetapi pada saat yang sama tidak dapat memberi tahu para ilmuwan lebih banyak tentang satu atau sistem kuantum lainnya.
Jika metode ini berhasil, maka para ilmuwan ingin menggunakannya untuk mengukur "keadaan cahaya kuantum" - perilaku cahaya tak terlihat pada tingkat kuantum yang baru mulai kita pahami. Namun, pekerjaan lebih lanjut memerlukan verifikasi tambahan - replikasi hasil penemuan tim peneliti dari University of Constance dan dengan demikian menunjukkan kesesuaian metode pengukuran yang diusulkan.
NIKOLAY KHIZHNYAK
