Κβαντικός καθρέπτης παράγει φως από το απόλυτο κενό

Ένα κάτοπτρο που κινείται μπορεί να παράγει φως από το κενό

Σουηδοί φυσικοί του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας Chalmers στο Γκέτεμποργκ,  ανακοίνωσαν ότι χρησιμοποίησαν έναν κινούμενο καθρέπτη για να απαθανατίσουν φωτόνια που ξεπήδησαν από το απόλυτο κενό. Αν τα αποτελέσματα επιβεβαιωθούν, θα πρόκειται για μια από τις πλέον εντυπωσιακές αποδείξεις της παράξενης κβαντικής θεωρίας.

Μια από τις βασικές παραδοχές της κβαντομηχανικής είναι ότι το κενό, δηλαδή ο άδειος χώρος, στην πραγματικότητα μόνο κενό δεν είναι: βρίθει από σωματίδια που εμφανίζονται απρόβλεπτα και παύουν να υπάρχουν έπειτα από μια στιγμή.

Μάλιστα το κενό όχι μόνο είναι γεμάτο από αυτά τα «εικονικά σωματίδια» αλλά περιέχει και ενέργεια, τη λεγόμενη ενέργεια του κενού, που θα μπορούσε ίσως να αξιοποιηθεί ως πηγή ανεξάντλητης ενέργειας στο μακρινό μέλλον.

Λίγες όμως είναι οι περιπτώσεις που τα εικονικά σωματίδια του κενού αφήνουν ίχνη στον «πραγματικό» κόσμο. Η δημιουργία φωτός από το κενό θα μπορούσε να αποδειχθεί τώρα «σημαντικό ορόσημο» στην κβαντική φυσική, σχολιάζει ο John Pendry, θεωρητικός φυσικός του Imperial College στο Λονδίνο, o οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.

«Πρόκειται για σημαντική εξέλιξη» συμφώνησε ο Federico Capasso του Χάρβαρντ.

Φαινόμενο Κάσιμιρ

Οι Σουηδοί ερευνητές επινόησαν μια παραλλαγή του διάσημου πειράματος που πραγματοποίησε το 1948 ο Ολλανδός φυσικός Casimir.

Αν κανείς τοποθετήσει στο κενό δύο καθρέπτες πολύ κοντά μεταξύ τους, σε απόσταση μερικών μικρομέτρων, η απόσταση αυτή δημιουργεί περιορισμούς στα εικονικά φωτόνια που μπορούν να εμφανιστούν ανάμεσα στις πλάκες.

Ο περιορισμός αυτός σημαίνει ότι τα εικονικά φωτόνια που εμφανίζονται ανάμεσα στους καθρέπτες είναι λιγότερα από αυτά που υπάρχουν έξω από αυτό τον στενό χώρο. Η διαφορά αυτή δημιουργεί μια δύναμη, τη δύναμη Casimir, που σπρώχνει τον ένα καθρέπτη προς τον άλλο. Αν και εξαιρετικά ασθενής, η δύναμη αυτή είναι μετρήσιμη.

Προηγούμενες θεωρητικές μελέτες προέβλεπαν ότι το φαινόμενο Casimir μπορεί να γίνει αντιληπτό ακόμα και με έναν καθρέπτη, αρκεί αυτός να κινείται με μεγάλη ταχύτητα, συγκρίσιμη με την ταχύτητα του φωτός.

Κανένα μηχάνημα δεν μπορεί σήμερα να κινηθεί τόσο γρήγορα, ωστόσο οι ερευνητές επινόησαν μια πειραματική διάταξη για να μιμηθούν αυτή την γρήγορη κίνηση: Χρησιμοποίησαν μια κβαντική ηλεκτρονική συσκευή, γνωστή ως «υπεραγώγιμη συσκευή κβαντικής παρεμβολής» ή SQUID. Η συσκευή αυτή είναι εξαιρετικά ευαίσθητη στα μαγνητικά πεδία.

Η συσκευή SQUID τοποθετήθηκε πάνω σε ένα κύκλωμα που λειτουργούσε ως καθρέπτης και στη συνέχεια εκτέθηκε σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ώστε να αρχίσει να δονείται. Δεδομένου ότι η κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου άλλαζε αρκετά δισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο, ο καθρέπτης ταλαντωνόταν στο 5% της ταχύτητας του φωτός, αρκετά γρήγορα για να εμφανιστεί το φαινόμενο Casimir.

Όπως διαπίστωσαν οι ερευνητές, ο κινούμενος καθρέπτης δημιούργησε μια «βροχή» φωτονίων στην περιοχή των μικροκυμάτων. Μάλιστα η συχνότητα των φωτονίων αυτών ήταν η μισή από τη συχνότητα ταλάντωσης του καθρέπτη, ακριβώς όπως προβλέπει η κβαντική θεωρία.

Εφόσον τα αποτελέσματα επιβεβαιωθούν και από άλλες ερευνητικές ομάδες, η μελέτη αναμένεται να γίνει δεκτή με ενθουσιασμό από την κοινότητα των κβαντικών φυσικών.

Η πειραματική διάταξη είναι πάντως απίθανο να έχει πρακτικές εφαρμογές, δεδομένου ότι τα μικροκύματα που παράγει είναι εξαιρετικά ασθενή.

Αυτό όμως που ελπίζουν οι ερευνητές είναι ότι μια μέρα θα επαναλάβουν το πείραμα με πραγματικούς, μικροσκοπικούς καθρέπτες, οι οποίοι θα κινούνται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και θα εκπέμπουν περισσότερο «εικονικό φως».

Το επίτευγμα του δεν έχει αξιολογηθεί ακόμα από την ερευνητική κοινότητα. Η μελέτη είναι πάντως διαθέσιμη στη μορφή προέκδοσης μέσω της διαδικτυακής υπηρεσίας arXiv.