Большой Взрыв своими руками: физики научились создавать вспышки света из ничего

Физики из университетов Ростока и Бирмингема совершили удивительное открытие, пересмотрев фундаментальные представления о роли времени в физических процессах. Учёным удалось создать необычные световые вспышки, которые возникают буквально из ничего. Как такое возможно? И что это значит для науки?

Время кардинально отличается от пространственных координат — оно течёт только вперёд, и повернуть этот поток вспять невозможно. Британский астрофизик Артур Эддингтон назвал эту особенность "стрелой времени" ещё в 1927 году.

Ученые затем десятилетиями фокусировались на изучении пространственных явлений, пока случайное открытие не заставило их пересмотреть роль времени в квантовом мире. В лабораториях удалось синтезировать материалы с поразительными свойствами — пространственно-временные кристаллы. В отличие от привычных кристаллов, где атомы формируют регулярные решётки в трёх измерениях, здесь закономерности проявляются и во времени. Квантовые состояния частиц циклически повторяются через равные интервалы, создавая своеобразный временной порядок — явление, которое теоретики раньше вообще считали неосуществимым.

Тогда возникло предположение: возможно, именно однонаправленность времени может порождать ранее неизвестные квантовые эффекты.

Для проверки гипотезы разработали особую экспериментальную установку. В ней пространство и время не существуют отдельно друг от друга, а образуют единую структуру. Благодаря особым математическим свойствам этой структуры в определённых её точках квантовые флуктуации вакуума усиливаются настолько, что порождают реальные фотоны. Частицы света появляются словно из ничего, существуют короткое время в строго заданных координатах, а затем растворяются в пустоте.

Картина почти библейская, — комментирует профессор Александр Шамайт из Университета Ростока. — Сначала нет ничего, затем физические законы словно говорят 'да будет свет!' — и он действительно появляется в конкретный момент и в заданной точке пространства.

Процесс не случаен: он подчиняется строгим математическим принципам. Профессор Ханна Прайс поясняет, что основную роль здесь играет топология — раздел математики, который исследует неизменные свойства фигур. В повседневной жизни мы встречаемся с топологическими свойствами, даже не подозревая об этом: резиновый браслет можно растянуть или скрутить, но нельзя разорвать, не нарушив его “сущность”. В квантовом мире топологические законы защищают определённые состояния материи, делая их неуязвимыми для внешних воздействий.

Необратимость времени в сочетании с топологическими законами наделяет световые импульсы поразительной стабильностью. Они сохраняют свои характеристики даже при сбоях в настройках оборудования или наличии паразитной засветки.

Полученные результаты обещают изменить многие сферы технологий. К примеру, традиционные оптические системы страдают от помех: малейшие вибрации или электромагнитные наводки искажают передаваемый сигнал. Новый же подход предвещает появление линий связи с идеальным качеством передачи данных. Медицинская аппаратура сможет формировать безупречно чёткие изображения, а лазерные комплексы — достигать немыслимой ранее точности.

Впрочем, для фундаментальной науки эксперимент имеет ещё более глубокое значение. Впервые в истории кому-то удалось показать, как уникальные свойства времени рождают новые квантовые явления. Может быть, перед нами открывается неизведанная область, где сплетаются воедино квантовая механика, теория относительности и топология. Изучение этих взаимосвязей может дать ключ к разгадке давних тайн мироздания — от природы тёмной материи до квантовой гравитации.