Международная команда астрофизиков приблизилась к разгадке одной из ключевых загадок квантовой физики, существующей почти сто лет. В ходе исследования экстремального космического объекта были зафиксированы признаки эффекта, предсказанного в 1930-х годах Вернером Гейзенбергом: вакуум не является абсолютно пустым и способен влиять на распространение света.

Квантовые свойства вакуума

Согласно законам квантовой электродинамики, даже в абсолютной пустоте постоянно возникают и исчезают пары виртуальных частиц материи и антиматерии. Современные технологии не позволяют напрямую наблюдать этот процесс. Однако при помещении вакуума в чрезвычайно сильное магнитное поле виртуальные частицы выстраиваются в определённом направлении, и пространство начинает преломлять свет, подобно прозрачному кристаллу. Это явление называется вакуумным двулучепреломлением: световые волны с разной поляризацией проходят через вакуум с разной скоростью.

Экспериментальные наблюдения

Для проверки гипотезы Гейзенберга астрофизикам потребовалось магнитное поле, в 100 миллионов раз превышающее возможности земных лабораторий. Для этого были использованы магнетары — редкий тип нейтронных звёзд с самыми сильными магнитными полями во Вселенной. Космические телескопы NASA (IXPE и NICER), а также радиотелескоп Parkes в Австралии были направлены на магнетар 1E 1547.0−5408, чьё магнитное поле в триллион раз сильнее земного.

В МИФИ впервые было создано полное аналитическое описание эксперимента по наблюдению поляризации вакуума. Сотрудники кафедры теоретической ядерной физики института Лаплаз НИЯУ МИФИ разработали теоретическую модель для анализа подобных наблюдений.

Результаты и значение открытия

Магнетар оказался ориентирован к Земле почти своим магнитным полюсом, что обеспечило оптимальные условия для наблюдений. Измерения поляризации рентгеновского и радиоизлучения показали, что свет от звезды изменяет свои свойства так, как это должно происходить при прохождении через вакуум, насыщенный упорядоченными виртуальными частицами. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Это исследование может стать первым прямым экспериментальным подтверждением вакуумного двулучепреломления. Для окончательной проверки теории необходимы дополнительные наблюдения и компьютерное моделирование. В случае подтверждения выводов будет доказана гипотеза Гейзенберга, существующая уже 90 лет, и появится новый инструмент для изучения структуры Вселенной.