От нищо нещо: Физици моделират вакуумно тунелиране в свръхфлуидни хелиеви филми

Ваня Милева Последна промяна на 03 септември 2025 в 00:00 2418 0

Кредит НаукаOFFNews
"Когато направим този свръхфлуиден (без триене) вакуумен поток, вместо да се появят електрон-позитронни двойки, спонтанно ще се появят вихрови/антивихрови двойки."

Физици са моделирали загадъчния ефект на Швингер, при който частиците възникват от нищото. Тяхното изследване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences, показва как вихрови двойки, а не електрони, биха могли да се появят спонтанно в поток от 2D свръхфлуиден материал, предоставяйки експериментален път за изучаване на ефект, иначе ограничен до недостъпни области на Вселената.

Свръхфлуидност се нарича фаза на материята, която при температури близки до абсолютната нула, вискозитетът ѝ става нула и се движи без триене и всяко завихряне остава постоянно без загуба на кинетична енергия.

От мечтата на Швингер до свръхфлуидните филми

През 1951 г. известният физик Джулиан Швингер предлага изключително теоретично явление, което пленява въображението както на физици, така и на любители на науката. Швингер теоретизира, че прилагането на достатъчно силно равномерно електрическо поле към вакуум би довело до спонтанно генериране на електрон-позитронни двойки, като по този начин ефективно се създава материя от „нищо“.

Тази новаторска идея се основава на принципите на квантовото тунелиране, при което частиците могат да преминават през енергийни бариери, които класическата физика би сметнала за непроницаеми. И все пак, въпреки дълбоките си последици за квантовата теория на полето и тъканта на реалността, този ефект на Швингер остава теоретичен, който никога не е бил наблюдаван директно, тъй като необходимата сила на полето е толкова астрономическа, че никоя лаборатория не може да я достигне.

Сега теоретични физици от Университета на Британска Колумбия (UBC) са описали подобен ефект в по-контролируема система. В своя модел те са заменили вакуума с тънък филм от хелий-4, охладен до свръхфлуидна фаза, а мощното електрическо поле - с фонов свръхфлуиден поток с вихри и антивихри заместват неуловимите двойки частици.

"Свръхтечният хелий-4 е чудо. С дебелина от няколко атомни слоя, той може много лесно да се охлади до температура, при която е по същество в състояние без триене, като вакуумa“, обяснява д-р Филип Стамп (Philip Stamp), теоретик на UBC, работещ в областта на кондензираната материя и квантовата гравитация и автор на изследването, публикувано в PNAS.

"Когато направим този свръхфлуиден (без триене) вакуумен поток, вместо да се появят електрон-позитронни двойки, спонтанно ще се появят вихрови/антивихрови двойки."

Космическо огледало на бюро

Квантовото вакуумно тунелиране заема централно място в съвременната физика, предлагайки прозрения за процеси от физиката на елементарните частици до космологията. Противно на интуицията, вакуумните състояния в квантовата теория не са празни кухини, а динамични полета, бълбукащи с преходни виртуални частици, които трептят, появявайки се и изчезвайки в реалността.

Д-р Стамп формулира дълбоката аналогия, въплътена в тяхната работа, заявявайки:

"Вярваме, че филмът от хелий-4 предоставя добър аналог на няколко космически явления."

Това включва квантовия вакуум, проникващ в дълбокия космос, загадъчните квантови аспекти на черните дупки и дори зараждащите се моменти след Големия взрив – явления, иначе недостъпни поради непреодолим мащаб или енергийни изисквания.

Изследователите твърдят, че тази система е не само аналог на космически процеси, но и физическо явление, което си струва да се изучава самостоятелно. Математиката изисква промяна в мисленето: масата на вихъра не е фиксирана, а се променя драстично с движението му. Това променя начина, по който физиците разбират вихрите както във флуидите, така и потенциално в ранната Вселена.

"Вълнуващо е да разберем как и защо масата варира и как това влияе на разбирането ни за квантовите тунелни процеси, които са повсеместни във физиката, химията и биологията", комкентира съавторът Майкъл Дерошерс (Michael Desrochers).

Отвъд аналогията

Стамп подчертава, че макар хелиевите филми да могат да наподобяват космически вакуум или квантови черни дупки, тяхното значение се простира по-далеч. Това са реални материали, с които изследователите разполагат в лабораторията си, готови за директна манипулация и изследване. Експерименти, които проверяват техните прогнози, скоро биха могли да разкрият как работи тунелирането на вихрите и дали това налага преосмисляне на оригиналната квантова теория на полето на Швингер.

Чрез преформулиране на невъзможното в осезаемо, физиците от UBC са прокарали мост между космическите мистерии и настолните експерименти. Тяхната работа не само отваря нови пътища за изследване на квантовото тунелиране, но и показва как скромният блясък на хелиевия филм може да носи ехото на най-дълбоките тайни на Вселената.

Справка: Vacuum Tunneling of Vortices in 2-Dimensional 4He Superfluid Films, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2421273122

Източник: Something from nothing: Physicists model vacuum tunneling in a 2D superfluid, University of British Columbia

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Космос

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !