Πρώτες ενδείξεις για παράξενη κβαντική ιδιότητα του κενού χώρου. First Signs of Weird Quantum Property of Empty Space?

Το παράξενο φαινόμενο της κβαντικής διπλής διάθλασης ανιχνεύεται για πρώτη φορά, 80 χρόνια μετά την πρόβλεψή του. To πανίσχυρο μαγνητικό πεδίο του άστρου νετρονίων δείχνει να επηρεάζει τα εικονικά σωματίδια που ξεπηδούν από το κενό. This artist’s view shows how the light coming from the surface of a strongly magnetic neutron star (left) becomes linearly polarised as it travels through the vacuum of space close to the star on its way to the observer on Earth (right). The polarisation of the observed light in the extremely strong magnetic field suggests that the empty space around the neutron star is subject to a quantum effect known as vacuum birefringence, a prediction of quantum electrodynamics (QED). This effect was predicted in the 1930s but has not been observed before. The magnetic and electric field directions of the light rays are shown by the red and blue lines. Model simulations by Roberto Taverna (University of Padua, Italy) and Denis Gonzalez Caniulef (UCL/MSSL, UK) show how these align along a preferred direction as the light passes through the region around the neutron star. As they become aligned the light becomes polarised, and this polarisation can be detected by sensitive instruments on Earth. Credit:ESO/L. Calçada

Έχουν περάσει 80 και πλέον χρόνια από τότε που το φαινόμενο προβλέφθηκε από γίγαντες της κβαντομηχανικής όπως ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ. Έπειτα από δεκαετίες αναζήτησης, διεθνής ομάδα αστρονόμων παρουσιάζει τώρα τις πρώτες ενδείξεις για το φαινόμενο της «κβαντικής διπλής διάθλασης» γύρω από ένα άστρο νετρονίων.

Το αμυδρό φως του άστρου, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, δείχνει να έχει αλλοιωθεί λόγω αλληλεπίδρασης με τα λεγόμενα «εικονικά σωματίδια» της κβαντικής φυσικής, τα οποία εμφανίζονται αυθόρμητα στο απόλυτο κενό και αμέσως μετά επιστρέφουν στην ανυπαρξία.

Η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε το μεγάλο ευρωπαϊκό τηλεσκόπιο VLT στη Χιλή για να εξετάσει στο ορατό τμήμα του φάσματος ένα αμυδρό άστρο νετρονίων (κατάλοιπο ενός άστρου που εξερράγη σε σουπερνόβα), σε απόσταση 400 ετών φωτός από τη Γη.

Πολωμένο φως

Colour composite photo of the sky field around the lonely neutron star RX J1856.5-3754 and the related cone-shaped nebula. It is based on a series of exposures obtained with the multi-mode FORS2 instrument at VLT KUEYEN through three different optical filters. The trail of an asteroid is seen in the field with intermittent blue, green and red colours. RX J1856.5-3754 is exactly in the centre of the image. Credit: ESO

Το φως είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στον χώρο. Σε κανονικές συνθήκες, τα κύματα αυτά ταλαντώνονται σε πολλά επίπεδα (ας πούμε κατακόρυφα και οριζόντια). Το φως όμως μπορεί σε πολλές περιπτώσεις να είναι «πολωμένο», κάτι που σημαίνει ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταλαντώνονται σε ένα μόνο επίπεδο (ας πούμε μόνο οριζόντια).

Το φως που ανακλάται στην επιφάνεια μιας λιμνούλας, για παράδειγμα, φτάνει στο μάτι πολωμένο. Αυτό που αποκάλυψαν οι παρατηρήσεις είναι ότι το ορατό φως του άστρου νετρονίων φτάνει στη Γη πολωμένο κατά 16,4%.

Υπάρχουν βέβαια διάφοροι «πεζοί» παράγοντες που θα μπορούσαν να πολώνουν την ακτινοβολία, όπως για παράδειγμα η παρουσία σκόνης, ωστόσο οι ερευνητές εκτιμούν ότι η πιθανότερη εξήγηση είναι η κβαντική διάθλαση.

Πηγή της ανωμαλίας δεν μπορεί παρά να είναι το μαγνητικό πεδίο του άστρου νετρονίων, δισεκατομμύρια ή τρισεκατομμύρια φορές ισχυρότερο από το μαγνητικό πεδίο του Ήλιου.

Μαγνητικά πεδία επηρεάζουν τον χώρο

Όπως προβλέφθηκε τη δεκαετία του 1930 βάσει των αρχών της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, η οποία περιγράφει τις αλληλεπιδράσεις των φωτονίων με φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, τα μαγνητικά πεδία αυτής της ισχύος μπορούν να επηρεάσουν της ιδιότητες του ίδιου του χώρου.

Στην κβαντική μηχανική, ο κενός χώρος μόνο κενός δεν είναι: ακόμα και στην ερημιά του διαστρικού χώρου, εικονικά σωματίδια εμφανίζονται συνέχεια από το πουθενά ανά ζεύγη, αλληλοεξουδετερώνονται και εξαφανίζονται εκεί από όπου ήρθαν.

Όπως προέβλεψε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ και ο συνεργάτης του Χανς Χάινριχ Όιλερ, τα εικονικά αυτά σωματίδια μπορούν να ταξιδεύουν πιο εύκολα κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου παρά κάθετα σε αυτές. Ως αποτέλεσμα, το φως που έχει πολωθεί παράλληλα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου επιβραδύνεται σε σχέση με το φως που έχει πολωθεί κάθετα στις γραμμές.

Λόγω αυτής της επιλεκτικής αλληλεπίδρασης, το φως ουσιαστικά χωρίζεται σε δύο δέσμες με διαφορετική πόλωση.

«Σύμφωνα με τις αρχές της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, ένα ισχυρά μαγνητισμένο κενό συμπεριφέρεται σαν πρίσμα για τη διάδοση του φωτός, ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντική διπλή διάθλαση (vacuum birefringence)» εξηγεί ο Ρομπέρτο Μινιάνι του INAF Μιλάνου, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.

«Η ισχυρή γραμμική πόλωση που μετρήσαμε δεν μπορεί να εξηγηθεί εύκολα από τα μοντέλα μας παρά μόνο αν ληφθούν υπόψη τα φαινόμενα διπλής διάθλασης που προβλέπει η κβαντική ηλεκτροδυναμική» συνεχίζει.

Ένδειξη και όχι απόδειξη

This wide field image shows the sky around the very faint neutron star RX J1856.5-3754 in the southern constellation of Corona Australis. This part of the sky also contains interesting regions of dark and bright nebulosity surrounding the variable star R Coronae Australis (upper left), as well as the globular star cluster NGC 6723. The neutron star itself is too faint to be seen here, but lies very close to the centre of the image. Credit: ESO/Digitized Sky Survey 2

Ωστόσο η ερευνητική ομάδα παρουσιάζει τα ευρήματα ως απλή ένδειξη, και όχι ως απόδειξη, του παράξενου κβαντικού φαινομένου.

Η επιβεβαίωση θα μπορούσε να έρθει τα επόμενα χρόνια από διαστημικά τηλεσκόπια ακτίνων Χ, στο φάσμα όπου η ακτινοβολία του άστρου νετρονίων είναι πιο ισχυρή. Στην περίπτωση των ακτίνων Χ, η πόλωση του φωτός που φτάνει στη Γη θα έφτανε το 100%, λένε οι ερευνητές.

Μια τέτοια παρατήρηση όχι μόνο θα επιβεβαίωνε το φαινόμενο, αλλά θα προσέφερε παράλληλα μια νέα μέθοδο για τη μελέτη του ίδιου του άστρου νετρονίων. Για τους αστρονόμους και τους κβαντικούς φυσικούς, θα ήταν δυο τρυγόνια με ένα σμπάρο.

Πηγή: https://www.eso.org/public/news/eso1641/?lang