Kluczem do tego niezwykłego osiągnięcia okazał się niepozorny materiał — nadciekły hel-4 schłodzony do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Gdy tworzy on ultracienką warstwę o grubości zaledwie kilku atomów, przejawia właściwości idealnej próżni kwantowej pozbawionej tarcia. To właśnie w tym egzotycznym stanie materii udało się odtworzyć warunki analogiczne do tych wymaganych dla zaobserwowania efektu Schwingera.
Efekt przewidziany przez Juliana Schwingera w 1951 roku do tej pory pozostawał wyłącznie w sferze teorii. Problem polegał na tym, że wymagał pól elektrycznych około 100 bilionów razy silniejszych niż te, z jakimi mamy do czynienia w zwykłych warunkach domowych. Nowe podejście wykorzystuje przepływ nadciekłego helu jako substytut tak ekstremalnych pól elektrycznych. W tym układzie zamiast par elektron-pozyton spontanicznie powstają pary wir/antywir obracające się w przeciwnych kierunkach.
Czytaj także: Trzy pomiary kwantowe w jednym urządzeniu. NIST dokonał przełomu, o którym naukowcy marzyli od dekad
Badacze dokonali jeszcze jednego istotnego odkrycia — masa tych kwantowych struktur znacząco zmienia się podczas ich ruchu. To zjawisko, pominięte we wcześniejszych teoriach, ma fundamentalne znaczenie dla procesów tunelowania kwantowego obserwowanych nie tylko w fizyce, ale także w chemii i biologii.
W pracy opublikowanej w PNAS zespół pod kierownictwem dra Philipa Stampa i Michaela Desrochers opisuje zarówno teoretyczne podstawy, jak i szczegółowy plan eksperymentalnej weryfikacji. Naukowcy rozróżniają przy tym dwa typy procesów — zewnętrzne, gdzie pojedyncze wiry powstają przez tunelowanie z granic systemu, oraz wewnętrzne, gdzie pary wir/antywir nukleują z dala od granic.
Choć wiry nie są idealną analogią par materia-antymateria, głównie dlatego że tracą masę w sposób nieobserwowany u prawdziwych cząstek, stanowią niezwykle cenne narzędzie badawcze. Nowy model otwiera możliwości symulacji zjawisk kosmicznych niedostępnych dla bezpośrednich badań laboratoryjnych. Cienka warstwa helu-4 może służyć jako analog próżni głębokiej przestrzeni, kwantowych czarnych dziur, a nawet wczesnych etapów ewolucji Wszechświata.
Badacze opracowali również metodę eksperymentalnej weryfikacji swoich przewidywań poprzez specyficzne „zliczanie wirów”. To podejście może również przyczynić się do lepszego zrozumienia mikroskopijnego pochodzenia wirów i turbulencji w płynach.
Perspektywy i ograniczenia
Trzeba przyznać, że to dopiero początek drogi. Symulacja w nadciekłym helu, choć niezwykle elegancka, wciąż pozostaje jedynie analogią prawdziwego efektu Schwingera. Różnice w zachowaniu masy między wirami a rzeczywistymi parami cząstka-antycząstka wskazują, że oryginalna teoria Schwingera może wymagać pewnych modyfikacji.
Mimo to osiągnięcie kanadyjskich fizyków pokazuje, jak pomysłowe podejście do problemów teoretycznych może otwierać nowe ścieżki badawcze. Dzięki ich pracy to, co jeszcze niedawno wydawało się całkowicie poza zasięgiem laboratoryjnych eksperymentów, staje się stopniowo bardziej dostępne. To kolejny krok w długiej historii fizyki, gdzie niemożliwe staje się możliwe dzięki ludzkiej kreatywności i determinacji.