Десятиліттями квантова фізика передбачала спонтанне створення частинок, здавалося б, порожнього простору — концепція, відома як віртуальні частки. Тепер, вперше, вчені в Релятивістському Тяжкоіонному Колідері (RHIC) простежили еволюцію цих частинок, що виникають “з нічого”, підтвердивши їх існування та поведінку у проривному експерименті. Результати, опубліковані в журналі Nature, надають прямий доказ походження частинок з квантового вакууму і проливають світло на фундаментальні питання про масу і природу реальності.
Квантовий Вакуум: Не Такий Вуж Порожній
Всесвіт, на своєму самому базовому рівні, не заповнений нічим. Натомість квантова теорія передбачає неспокійний “вакуум”, що кишить віртуальними частинками, які моргають у існування і зникають через властиву квантову механіку невизначеності. Ці частки не живуть довго, оскільки принцип невизначеності Гейзенберга диктує, що енергія та час не можуть бути точно відомі одночасно. Це дозволяє часткам та їх античастинкам ненадовго “запозичувати” енергію з вакууму, існуючи протягом швидкоплинних моментів, перш ніж анігілювати.
Традиційно ефекти цих частинок були опосередкованими — спостерігалися через вплив на інші явища. Але дослідники RHIC тепер спостерігали цей процес безпосередньо.
Зіткнення та Сплутаність: Роблячи Невидиме Реальним
У RHIC фізики зіштовхують протони майже зі швидкістю світла, створюючи умови екстремальної енергії. Ці зіткнення забезпечують необхідний “поштовх” у тому, щоб віртуальні частки стали реальними. Коли пара віртуальних частинок виникає у цьому високоенергетичному середовищі, вона може використовувати енергію зіткнення для стабілізації та збереження існування.
Експеримент був зосереджений на парах “дивних” кварків – фундаментальних частинок, які при створенні швидко поєднуються з іншими, утворюючи лямбда-гіперони. Ці гіперони живуть недовго, розпадаючись майже миттєво на частки, що виявляються. Відслідковуючи продукти розпаду, фізики змогли визначити напрямок спина вихідних лямбда-гіперонів і, що принципово важливо, скорельований спин складових їх дивних кварків.
Ключовим спостереженням було те, що ці кварки послідовно демонстрували паралельні спини. Це вирівнювання передбачає, що вони виникли як заплутана пара із квантового вакууму, зберігаючи свій зв’язок навіть після поділу внаслідок зіткнення.
Підтвердження Давньої Теорії
Результати підтверджують 30-річне теоретичне передбачення, зроблене фізиком Дмитром Харзєєвим та його колегами. “Надихає бачити, що природа дотримується цього передбачення”, – заявив Харзєєв, підкресливши важливість експериментального підтвердження давніх теоретичних ідей.
Можливість спостереження цього процесу відкриває нові горизонти розуміння однієї з найбільших загадок у ядерної фізики: походження маси протона. Кварки всередині протонів становлять лише крихітну частку їхньої загальної маси; 99%, що залишилися, імовірно походять від взаємодії з віртуальними частинками у вакуумі. Простежуючи шлях від віртуальних до реальних частинок, вчені сподіваються розгадати, як ця маса генерується.
Кінець Епохи, Світанок Нових Досліджень
RHIC завершить свою 25-річну роботу цього тижня, а частини машини будуть перепрофільовані для майбутнього Електрон-Іонного Коллідера. Ця нова установка обіцяє спиратися на ці відкриття, ще більше вивчаючи приховану динаміку квантового вакууму та фундаментальні будівельні блоки матерії.
Безпосереднє спостереження частинок, що виникають з нічого, є важливим кроком уперед у нашому розумінні всесвіту, долаючи розрив між теорією та експериментом у галузі квантової фізики. Наслідки цього дослідження продовжуватимуть розвиватися у міру того, як вчені розширюють межі нашого знання про природу реальності.
