Et team av fysikere sier de har bevist en 70 år gammel kvanteteori der noe kan skapes ut av ingenting.
Et eksperiment designet for å studere strømmen av “lav valens”-elektroner lyktes ved et uhell i å produsere en analog av partikkel-antipartikkel-par der ingenting tidligere hadde eksistert, ved bruk av bare et elektrisk felt og de nesten magiske egenskapene til 2D-materialet grafen. Eksperimentet ble utført i januar av et forskerteam ved University of Machester.
Tidligere teorier mente at en slik prosess bare kunne finne sted i miljøer med ultrahøy energi som i nærheten av et sort hull eller sentrum av en nøytronstjerne. Det siste gjennombruddet ble imidlertid utført ved bruk av standard laboratorieutstyr.
Schwinger-effekten ble teoretisert for over 50 år siden
I fysikk er det situasjoner der individuelle partikler kan manipuleres for å lage flere partikler tilsynelatende fra ingenting. For eksempel, hvis du tar en kvantepartikkel kjent som en meson og prøver å rive bort kvarken dens, vil et helt nytt sett med partikkel-antipartikkel-par dukke opp mellom dem fra det tomme rommets ingenting. Likevel innebærer denne situasjonen å starte med noe – en meson – og skape flere “noe” fra det.
Men tilbake i 1951 foreslo Julian Schwinger, en av grunnleggerne av kvanteelektrodynamikk og en nobelprisvinnende fysiker fra 1964, at det burde være mulig å lage materie fra tomt rom, selv om det ikke er noe der til å begynne med, så lenge du forstyrrer det tomme rommet med et sterkt nok elektrisk felt. Siden den gang har dette fullstendig teoretiske konseptet vært kjent ganske enkelt som Schwinger-effekten. Nå har et team av forskere vist at denne effekten er reell ved i hovedsak å skape noe ut av ren ingenting.
Ingenting fra ingenting betyr ingenting. Med mindre du har et kraftig elektrisk felt
“I universet vi bor i, er det virkelig umulig å skape “ingenting” på noen form for tilfredsstillende måte. Alt som eksisterer, nede på et grunnleggende nivå, kan dekomponeres til individuelle enheter – kvanter – som ikke kan brytes ned ytterligere.” skriver Ethan Siegel fra Stor Tenk, som forklarer det grunnleggende om det nylige fysikkgjennombruddet. “Disse elementære partiklene inkluderer kvarker, elektroner, elektronets tyngre fettere (myoner og taus), nøytrinoer, så vel som alle deres antimaterie-motstykker, pluss fotoner, gluoner og de tunge bosonene: W+, W-, Z0 og Higgs. Hvis du tar bort dem alle, er det «tomme rommet» som gjenstår ikke helt tomt i mange fysiske forstander.»
Det som gjenstår er kvantefeltet, den generelle bakgrunnsenergien som gjennomsyrer hele universet (cue Stjerne krigen «kraften»-musikk!) I Schwingers teori, hvis du bruker et massivt nok elektrisk felt til et område av rommet som er helt tomt, vil det rommets kvantefelt gripe noe av denne elektriske energien og skape partikkel-antipartikkel-par fra ingenting.
Tilbake i januar, Universitetet i Manchester forskere jobbet med ledning av “valenselektroner”, og prøvde i hovedsak å få alle klasser av elektroner til å bli med i strømmen ved å fikle med grafen, et materiale som er effektivt todimensjonalt i naturen. Denne unike strukturen hjelper denne typen eksperimenter ved å begrense rutene elementære partikler som elektroner kan ta, forhåpentligvis resulterer det i en i hovedsak jevn strøm av elektroner hvis riktig mengde elektrisk energi pumpes inn i systemet. Men når teamet faktisk startet sine eksperimenter, skjedde noe uventet.
“De fylte sitt simulerte vakuum med elektroner og akselererte dem til den maksimale hastigheten tillatt av grafens vakuum, som er 1/300 av lysets hastighet,” en nylig Universitetet i Manchester utgivelse forklarer. “På dette tidspunktet skjedde noe tilsynelatende umulig: elektroner så ut til å bli superluminous, og ga en elektrisk strøm høyere enn tillatt av generelle regler for kvantekondensert materiefysikk. Opprinnelsen til denne effekten ble forklart som spontan generering av ekstra ladningsbærere (hull).
Som nevnt var dette resultatet noe uventet: opprettelsen av en analog av elektron-positron-par der det tidligere bare hadde eksistert tomt rom. Faktisk var dette elektriske feltet på laboratorienivå kraftig nok til å skape et faktisk noe av rent ingenting.
“Nøkkelsignaturer for tilstanden utenfor likevekt er strømspenningsegenskaper som ligner de til superledere, skarpe topper i differensialmotstand, fortegnsreversering av Hall-effekten og en markant anomali forårsaket av Schwinger-lignende produksjon av varme elektroner. hullplasma», forskerne skrev i deres publiserte papir.
Som det viser seg, er det unormale elektronhullplasmaet en perfekt analog til partikkel-antipartikkel-paret forutsagt av Schwinger. Så faktisk, selv ved å bruke et lavt drevet elektrisk felt (i det minste sammenlignet med midten av et sort hull eller en nøytronstjerne), beviste teamet ved et uhell Schwinger-effekten, og laget noe der det før i hovedsak ikke hadde vært noe.
“Da vi først så de spektakulære egenskapene til supergitter-enhetene våre, tenkte vi ‘wow … det kan være en slags ny superledning’,” forklarte Dr. Roshan Krishna Kumar, en av medforfatterne av papiret. “Selv om responsen ligner mye på de som rutinemessig observeres i superledere, fant vi snart ut at den forvirrende oppførselen ikke var superledning, men snarere noe innen astrofysikk og partikkelfysikk.”
At noe, i dette tilfellet, var et resultat av Schwinger-effekten.
“Det er nysgjerrig å se slike paralleller mellom fjerne disipliner,” la Kumar til.
“Folk studerer vanligvis elektroniske egenskaper ved å bruke bittesmå elektriske felt som muliggjør enklere analyse og teoretisk beskrivelse,” sa avisens førsteforfatter Dr. Alexey Berduygin, en postdoktor fra The Universitetet i Manchester. “Vi bestemte oss for å presse styrken til elektriske felt så mye som mulig ved å bruke forskjellige eksperimentelle triks for ikke å brenne enhetene våre.”
Dr. Na Xin, avisens hovedforfatter, sa at dette var en uventet, men hyggelig overraskelse, gitt risikoen ved å presse utstyret deres til slike ekstremer.
“Vi bare lurte på hva som kunne skje på denne ekstremen,” sa Xin. “Til vår overraskelse var det Schwinger-effekten i stedet for røyk som kom ut av oppsettet vårt.”
Noe er fortsatt bedre enn ingenting
Forskerne bemerker at eksperimentene deres hadde lav nok energi til at opprettelsen av en ekte elektron-positron-paring fortsatt var utenfor rekkevidde. Men, sier de, det analoge plasma-“hullet” som er opprettet, er et bevis på at Schwinger-effekten er ekte, og at gitt nok energi, kan materielle partikler skapes ut av ren ingenting.
Så det kan ta lang tid før laboratorieutstyr som er stort nok til å lage materie fra ingenting, bringer ting som matreplikatorer eller materie-energitransportere til virkeligheten. Men gitt resultatene av eksperimentene til Manchester-teamet, har ideen om å lage noe ut av ingenting blitt offisielt bevist.
“Med elektroner og positroner (eller “hull”) som skapes av bokstavelig talt ingenting, bare dratt ut av kvantevakuumet av elektriske felt selv, er det enda en måte universet viser det tilsynelatende umulige, sier Siegel.
“Vi kan virkelig lage noe av absolutt ingenting!”
Følg og ta kontakt med forfatter Christopher Plain på Twitter @plain_fiction.