Від Дірака до інженерії вакууму: Еволюція квантових флуктуацій

У 1927 році, у віці 25 років, фізик Пол Дірак, працюючи в Кембриджі, прагнув узгодити квантову механіку з теорією відносності Альберта Ейнштейна. Його роздуми призвели до відкриття, що навіть теоретично ідеальний вакуум, позбавлений матерії чи світла, містить невпинну залишкову енергію, відому як квантові флуктуації. Ця робота стала основою для подальших проривів; зокрема, рівняння Дірака згодом передбачило існування антиматерії, позитрона, експериментальне підтвердження якого відбулося у 1932 році. Дірак інтуїтивно припустив, що ці квантові флуктуації, які він називав «нульовими осциляціями», не зникають навіть при досягненні абсолютного нуля температури, що суперечило класичним фізичним уявленням.

Теоретичний вакуум, визначений як найнижчий можливий енергетичний стан, виявився наповненим цією залишковою енергією, а не абсолютно порожнім. Сучасне розуміння протиставляє цю концепцію космічній реальності, що включає темну енергію та всюдисущі поля, а також субатомній порожнечі всередині атомів. Перше вимірне фізичне підтвердження цієї теоретичної конструкції з'явилося у 1947 році у формі Лембівського зсуву — незначної енергетичної розбіжності в атомі водню, яку не могли пояснити наявні рівняння. Фізик Ганс Бет дійшов висновку, що ця аномалія є прямим наслідком взаємодії атомів із квантовими флуктуаціями вакууму, надавши перше вимірне свідчення цієї сили.

Лембівський зсув залишається критично важливим для верифікації Квантової Електродинаміки, а також для прогресу у створенні атомних годинників та розробці квантових комп'ютерів. Майже одночасно, у 1948 році, нідерландський фізик Хендрік Казімір, науковим керівником якого був Нільс Бор, передбачив, що дві близько розташовані металеві пластини будуть притягуватися через обмеження вакуумних флуктуацій між ними — Ефект Казимира. Цей ефект, що полягає у взаємному притяганні провідних незаряджених тіл під дією квантових флуктуацій, був експериментально підтверджений пізніше, з більш точними вимірюваннями, що з'явилися наприкінці 1990-х років.

У 2025 році дослідження Ефекту Казимира спрямовані на перевірку теорій, що виходять за межі Стандартної моделі, зокрема, на обмеження аксіон-подібних частинок темної матерії. Ця галузь знань трансформувалася у практичну технологічну сферу, яку називають «інженерією вакууму» або «вакуумронікою». Дослідники з таких установ, як Університет Райса, активно працюють над контролем флуктуацій для створення нових квантових матеріалів. Квантові флуктуації, хоча й є джерелом шуму, що спричиняє декогеренцію кубітів, водночас слугують інструментом для розробки масштабованих квантових обчислень у 2025 році.

Фізики з Австралії та США нещодавно заявили про новий метод вимірювання та контролю цієї «сили порожнечі», тестуючи квантовий ефект Казимира, що підтверджує перехід від абстрактної теорії до керованих явищ. Моделювання, проведене нещодавно, наприклад, у 2025 році, дозволило детальніше зрозуміти, як можна виявити мерехтіння світла у вакуумі через явище вакуумного чотирихвильового змішування. Епоха, яку передбачав Дірак, тепер стала областю практичного технологічного застосування, хоча колосальна невідповідність між теоретичною та космологічною енергією вакууму, відома як «вакуумна катастрофа», залишається нагальним невирішеним питанням сучасної фізики.