Десятилетиями квантовая физика предсказывала спонтанное создание частиц из, казалось бы, пустого пространства — концепция, известная как виртуальные частицы. Теперь, впервые, ученые в Релятивистском Тяжелоионном Коллидере (RHIC) проследили эволюцию этих частиц, возникающих «из ничего», подтвердив их существование и поведение в прорывном эксперименте. Результаты, опубликованные в журнале Nature, предоставляют прямое доказательство происхождения частиц из квантового вакуума и проливают свет на фундаментальные вопросы о массе и природе реальности.
Квантовый Вакуум: Не Такой Уж Пустой
Вселенная, на своем самом базовом уровне, не заполнена ничем. Вместо этого квантовая теория предполагает беспокойный «вакуум», кишащий виртуальными частицами, которые моргают в существование и исчезают из-за присущей квантовой механике неопределенности. Эти частицы не живут долго, поскольку принцип неопределенности Гейзенберга диктует, что энергия и время не могут быть точно известны одновременно. Это позволяет частицам и их античастицам ненадолго «заимствовать» энергию из вакуума, существуя в течение мимолетных моментов, прежде чем аннигилировать.
Традиционно эффекты этих частиц были косвенными — наблюдались через их влияние на другие явления. Но исследователи RHIC теперь наблюдали этот процесс напрямую.
Столкновения и Спутанность: Делая Невидимое Реальным
В RHIC физики сталкивают протоны почти со скоростью света, создавая условия экстремальной энергии. Эти столкновения обеспечивают необходимый «толчок» для того, чтобы виртуальные частицы стали реальными. Когда пара виртуальных частиц возникает в этой высокоэнергетической среде, она может использовать энергию столкновения для стабилизации и сохранения существования.
Эксперимент был сосредоточен на парах «странных» кварков — фундаментальных частиц, которые при создании быстро объединяются с другими, образуя лямбда-гипероны. Эти гипероны живут недолго, распадаясь почти мгновенно на обнаруживаемые частицы. Отслеживая продукты распада, физики смогли определить направление спина исходных лямбда-гиперонов и, что принципиально важно, скоррелированный спин составляющих их странных кварков.
Ключевым наблюдением было то, что эти кварки последовательно демонстрировали параллельные спины. Это выравнивание предполагает, что они возникли как запутанная пара из квантового вакуума, сохраняя свою связь даже после разделения в результате столкновения.
Подтверждение Давней Теории
Результаты подтверждают 30-летнее теоретическое предсказание, сделанное физиком Дмитрием Харзеевым и его коллегами. «Воодушевляет видеть, что природа следует этому предсказанию», — заявил Харзеев, подчеркнув важность экспериментального подтверждения давних теоретических идей.
Возможность наблюдения этого процесса открывает новые горизонты для понимания одной из величайших загадок в ядерной физике: происхождения массы протона. Кварки внутри протонов составляют лишь крошечную долю их общей массы; оставшиеся 99% предположительно происходят от взаимодействия с виртуальными частицами в вакууме. Прослеживая путь от виртуальных к реальным частицам, ученые надеются разгадать, как генерируется эта масса.
Конец Эпохи, Рассвет Новых Исследований
RHIC завершит свою 25-летнюю работу на этой неделе, а части машины будут перепрофилированы для предстоящего Электрон-Ионного Коллидера. Эта новая установка обещает опираться на эти открытия, еще больше изучая скрытую динамику квантового вакуума и фундаментальные строительные блоки материи.
Непосредственное наблюдение частиц, возникающих из ничего, представляет собой важный шаг вперед в нашем понимании вселенной, преодолевая разрыв между теорией и экспериментом в области квантовой физики. Последствия этого исследования будут продолжать развиваться по мере того, как ученые расширяют границы нашего знания о природе реальности.
