Система быстро вращающихся зеркал, превращающая виртуальные фотоны в реальные, позволила впервые продемонстрировать динамический эффект Казимира.
Динамическая развиртуализация: Быстрый Казимир
Эффект Казимира с парой параллельных пластин

В 1948 году Хендрик Казимир (Hendrik Casimir) предсказал интересный эффект, который вытекает из квантовой теории поля. Согласно ей, абсолютной пустоты — вакуума — не существует: в нем постоянно происходят энергетические флуктуации с образованием частиц и античастиц. Эти частицы возникают «как бы из ничего», и моментально исчезают снова, так что вполне оправданно именуются виртуальными частицами.

В числе этих частиц появляется и исчезает и немало фотонов, носителей электромагнитных взаимодействий. Эти виртуальные фотоны могут соответствовать практически всему спектру электромагнитных колебаний.

Теперь представим, что в пространство вакуума, где рождаются и умирают бесчисленные виртуальные частицы, помещена пара очень близко расположенных зеркальных поверхностей. Эти поверхности вводят своего рода «искусственный отбор» в популяцию виртуальных фотонов, рождающихся между пластинами. Только те из них, длина волны которых будет резонансной с расстоянием между зеркалами (то есть, их волна уложится между пластинами целое или полуцелое число раз), будут усиливаться, остальные же — подавляться. В итоге в промежутке между поверхностями фотонов будет появляться меньше, чем снаружи, где происходят точно такие же флуктуации. Образуется градиент давления, и пластины начнут притягиваться буквально ни с того, ни с сего!

Как эффект Казимира ни удивителен, но он действительно существует — действие его было продемонстрировано в лаборатории, а впоследствии ученым удалось показать и обратное, отталкивающее действие, возникающее при особых условиях (читайте: «Отталкивающий Казимир»). Однако динамический эффект Казимира удалось наблюдать лишь недавно, благодаря работе шведских ученых.

Суть явления все та же, хотя механика заметно различается. Представим зеркало, движущееся по пространству. Пока скорость его остается не слишком большой, флуктуации перед зеркалом и за ним рождают практически одинаковое число виртуальных частиц, которые тут же аннигилируют. Но если скорость приближается к световой — скорости перемещения самих фотонов — пластина успевает разделить некоторые из рождающихся пар частиц и античастиц (для фотонов античастицей являются тоже фотоны, это «истинно нейтральные» частицы) до того, как они провзаимодействуют. Так виртуальные частицы переходят в ранг реальных — и в принципе, зеркало должно начать излучать.

Такова теория — на практике же разогнать зеркальную пластину (или вообще что-нибудь крупнее элементарной частицы) до релятивистских скоростей мы не можем. Поэтому исследователи придумали остроумный трюк. Вместо того, чтобы напрямую использовать зеркало, они взяли длинную линию передачи, связанную со сверхпроводящим квантовым интерферометром (СКВИДом), который позволял очень быстро менять эффективную длину линии — фактически, она превратилась в аналог электромагнитного зеркала. Модулируя действие СКВИДа с частотой порядка гигагерц, такое «зеркало» очень быстро «движется» вперед и назад, достигая скорости 5% световой.

После доведения этой установки до ума, оставалось малое: зарегистрировать излучение. И шведам это легко удалось, обнаружив, что «движущееся зеркало» излучает фотоны в микроволновом диапазоне. В точном согласии с теоретическими расчетами.

По публикации Physics arXiv Blog