Ученые выяснили, как свет может "самозарождаться" в пустоте вакуума

Британские ученые обнаружили, что свет может "самозарождаться" в окрестностях крупных нейтронных звезд и черных дыр благодаря квантовым взаимодействиям между вакуумом и пролетающими через него космическими лучами. Их выводы были представлены в журнале Physical Review Letters.

"Мы привыкли считать, что ничего не может возникнуть само по себе в абсолютно чистом вакууме. Но это совсем не так с точки зрения современной квантовой физики – внутри этой пустоты скрывается масса интересных сюрпризов", — рассказывает Адам Ноубл (Adam Noble) из университета Стратклайда в Глазго (Шотландия).

Сегодня ученые считают, что вакуум, вопреки нашим обыденным представлениям, не является воплощением абсолютной пустоты и просто пустым местом. Он представляет, в соответствии с законами квантовой физики, постоянно волнующееся "море" из бесконечного числа постоянно рождающихся и самоуничтожающихся пар виртуальных частиц и античастиц. Их взаимодействие, по мнению физиков, должно особым образом влиять на поведение атомов и света.

К примеру, это квантовое "море" должно особым образом влиять на поляризацию света при наличии сильных магнитных полей, заставляя его расщепляться и поляризоваться таким же образом, как свет ведет в себя в некоторых кристаллах, заставляющих его распасться на два луча. О существовании подобного эффекта ученые говорят с тридцатых годов прошлого века, однако им не удавалось его зафиксировать до настоящего времени.

Сегодня астрономы пытаются найти следы его существования, наблюдая за радиосигналами и другими типами излучения, исходящими от пульсаров, "мертвых звезд", обладающих чрезвычайно мощным магнитным полем.

Ноубл и его коллеги открыли еще одно любопытное проявление того, как "море" несуществующих частиц, населяющее пустоту вакуума, может проявлять себя в реальном мире, анализируя то, что происходит с заряженными частицами, которые проходят через окрестности "мертвых звезд".

Ученые обратили внимание на то, что квантовые флуктуации вакуума и мощные магнитные поля пульсаров будут влиять не только на поведение частиц света, но особым образом "тормозить" движение различных космических лучей, разогнанных до околосветовых скоростей.

Этот процесс, как объясняет Ноубл, будет очень похож по своей сути на любопытный эффект, открытый советскими физиками почти сто лет назад. Еще в 1934 году Павел Черенков и Сергей Вавилов заметили, экспериментируя с гамма-излучением, что его попадание в жидкость вызывает в ней слабое, но хорошо заметное свечение благодаря тому, что гамма-лучи выбивают электроны и разгоняют их до скоростей, превышающих скорость света в воде.

Долгое время физики не считали, что черенковское излучение может возникнуть в вакууме, так как скорость движения света в нем невозможно превысить. Расчеты британских физиков показывают, что это правило нарушается при попадании космического луча или пучка ускоренных частиц в окрестности пульсара или светового импульса сверхмощного лазера.

В последнем случае, как отмечают физики, необходимо построить чрезвычайно мощный лазер, способный ускорять электроны до энергий, превышающих 1,3 тераэлектронвольт, что пока могут сделать только самые мощные коллайдеры. Такие источники света, как признает Ноубл, не будут построены даже в далеком будущем.

По этой причине ученые предлагают искать следы существования этого феномена в окрестностях пульсаров, чьи магнитные поля примерно на пять порядков сильнее, чем те электрические поля, которые порождают самые мощные существующие или строящиеся лазеры.

Как считают авторы статьи, практически все гамма-излучение высоких энергий, исходящее от миллисекундных пульсаров, может быть порождено подобными квантовыми взаимодействиями между вакуумом и космическими лучами высоких энергий.

Можно ли найти этот "самозародившийся" свет? По мнению Ноубла и его коллег, астрофизики уже могли обнаружить следы его существования. Дело в том, что в 2009 году гамма-телескоп "Ферми" показал, что центр Млечного Пути вырабатывает необычно много гамма-излучения, яркость которого в высокоэнергетической части спектра заметно превышала теоретически предсказанные значения.

Тогда ученые посчитали, что его могли породить распады частиц темной материи, однако позже астрономы усомнились в этом, не обнаружив подобного избытка излучения в соседней галактике Туманность Андромеды. Британские физики предполагают, что оно было порождено не этой невидимой субстанцией, а открытым ими феноменом.