Jeszcze do niedawna w fizyce panowało przekonanie, że aby kontrolować światło (jego skręt, polaryzację czy tzw. chiralność (czyli właściwość podobną do lewo- i praworęczności) potrzebne są specjalne materiały, soczewki lub struktury optyczne. Tymczasem najnowsze eksperymenty pokazują, że światło może samoistnie organizować się w przestrzeni, nawet jeśli nie napotyka żadnych przeszkód. Zespół badawczy stojący za publikacją zamieszczoną na łamach Light: Science & Applications wykazał, iż odpowiednio przygotowana wiązka światła podczas propagacji w pustej przestrzeni zaczyna spontanicznie ujawniać ukryte właściwości: zaczyna się skręcać i wykazywać cechy chiralne bez udziału zewnętrznych narzędzi.
Czytaj też: Ten dziwny stan nie jest ani 2D, ani 3D. Kwantowe czary w wykonaniu chińskich fizyków
To odkrycie podważa dekady wcześniejszych założeń. Dotąd sądzono, że efekty związane ze spinem światła i jego strukturą są niezwykle słabe i wymagają skomplikowanych warunków eksperymentalnych. Tymczasem okazało się, że istnieje głęboko ukryta, topologiczna cecha światła, swego rodzaju odcisk palca. Takowa steruje jego zachowaniem podczas ruchu. Ta właściwość nie zanika, lecz ujawnia się stopniowo, gdy wiązka przemieszcza się w przestrzeni, powodując pojawienie się obszarów o różnym kierunku wirowania.
Jeszcze bardziej niezwykły kontekst dla tych badań stanowi to, czym właściwie jest wspomniana pusta przestrzeń. Zgodnie z fizyką kwantową próżnia nie jest pustką, lecz dynamicznym środowiskiem pełnym krótkotrwałych fluktuacji energii. W jej wnętrzu nieustannie powstają i znikają pary cząstek i antycząstek, które normalnie nie są obserwowalne. Jednak najnowsze eksperymenty pokazują, że w odpowiednich warunkach, na przykład przy bardzo wysokich energiach, te wirtualne cząstki mogą zostać przekształcone w realną materię.
W praktyce udało się to zaobserwować w zderzeniach cząstek w akceleratorach. Naukowcy wykryli, że produkty takich zderzeń zachowują cechy charakterystyczne dla cząstek powstających w próżni, co pozwala prześledzić ich pochodzenie. Oznacza to, iż granica między “niczym” a “czymś” jest znacznie bardziej płynna, niż sugeruje intuicja. Energia dostarczona do próżni może wydobyć z niej realne cząstki, co jest jednym z najbardziej fundamentalnych procesów we współczesnej fizyce.
Równolegle rozwijają się badania nad tym, jak światło oddziałuje z tą kwantową próżnią. Symulacje i eksperymenty z użyciem ultraintensywnych laserów sugerują, że możliwe jest generowanie nowych wiązek światła dosłownie z niczego, poprzez wzbudzenie fluktuacji próżni i doprowadzenie do interakcji między fotonami. W takim scenariuszu światło przestaje być jedynie biernym nośnikiem energii, a zaczyna aktywnie kształtować swoje środowisko.
Czytaj też: Zaangażowali maszynę w badania, a ta odkryła nową fizyką w czwartym stanie skupienia materii
Połączenie tych odkryć prowadzi do fascynującego wniosku: światło i próżnia tworzą nierozerwalny system, w którym geometria, topologia i fluktuacje kwantowe wspólnie decydują o tym, co obserwujemy jako rzeczywistość. Możliwość kontrolowania światła bez użycia materii otwiera zupełnie nowe perspektywy technologiczne – od ultraszybkiej komunikacji i bardziej czułych sensorów, po rozwój technologii kwantowych. Jednocześnie badania nad próżnią mogą pomóc odpowiedzieć na jedne z największych pytań fizyki, takie jak pochodzenie masy czy natura materii we wszechświecie. Jeśli bowiem większość właściwości cząstek wynika z ich interakcji z pustą przestrzenią, to zrozumienie tej przestrzeni może być kluczem do nowej fizyki.
Źródło: Light: Science & Applications
